基于自動化測試技術的大型三軸儀改造分析及硬件設計

摘要：闡述了大型三軸儀自動化技術改造的要求及內容，介紹了大型三軸儀改造的總體設計方案，重點分析了大型三軸儀改造的硬件設計要點，包括傳感器選型與配置、調理電路設計、微機控制系統的硬件配置、控制用比例閥組設計等，為今后大型三軸儀自動化測試系統的方案確定、系統配置、硬件設計等提供了有益借鑒。

關鍵詞：自動化測試技術;大型三軸儀;硬件設計

0 引言

早期的大型三軸儀多采用手動操作、開環控制和人工讀數方式，不僅試驗精度低，而且不能實時顯示試驗數據，目前已面臨著被淘汰的局面。然而，這些大型三軸儀如果經過適當的自動化技術改造，它們仍然可以在科學試驗和技術開發中發揮作用。

1 大型三軸儀自動化測試技術改造的要求

盡可能在保留原大型三軸儀主機（包括軸向加載液壓壓力機、圍壓加壓液壓系統、壓力室等）的前提下進行改造，既要實現對試件軸向和圍壓向的自動加載，又要確保改造成本低廉，性價比最高。

2 大型三軸儀自動化測試技術改造的內容

為了實現大型三軸儀改造技術合同所要求的技術指標，原大型三軸儀必須進行以下改造：

（1）增加一套軸向控制電液比例閥組，實現在原機軸向手動加載基礎上增加自動控制加載功能，以期實現應力、應變閉環控制目標，軸向活塞定值升降，升降速度在0～5 mm/min，準確度為±1%;

（2）增加軸向變形傳感器，滿足測量范圍在0～120 mm，分辨力為0.01 mm的技術要求;

（3）增加圍壓傳感器，滿足測量范圍在0～4 MPa，分辨力為0.01 MPa的技術要求;

（4）增加一套圍壓向控制電液比例閥組，在原機圍壓手動加載基礎上增加自動控制加載功能，以期實現加載定值的動態閉環控制，加載范圍在0～4 MPa，并能保持所要求的圍壓，分辨力為0.02 MPa;

（5）更換孔壓傳感器，實現孔壓的自動檢測功能，準確度為±1%;

（6）加裝體積變化測量裝置和磁致液位傳感器，以實現變化體積的自動測量，測量范圍在-2 000～2 000 mL，分辨力為5 mL;

（7）檢測原機軸向負荷傳感器是否完好，如果完好則只改進其進出線部分，否則更換一只2 000 kN的紅山牌傳感器，測量準確度在-0.2～0.2 kN;

（8）增加滿足軸向、圍壓向自動控制功能和電測軸向應力、應變、圍壓力、孔隙壓力、體積變化等所需的控制單元和控制模塊;

（9）保證控制軟件在Windows XP平臺下運行，能夠在試驗過程中實時顯示應力和應變曲線，將數據采集結果自動輸入到計算機的Excel電子表格中，并可實時修改控制參數;

（10）盡可能保留原機的手動控制和測量功能。

3 大型三軸儀自動化測試技術改造的總體設計方案

為了能充分實現擬定的技術改造內容，大型三軸儀自動化測試技術改造的總體設計方案如圖1所示。

4 硬件設計

4.1 ? ?傳感器選型及配置

《傳感器通用術語》（GB 7665—87）定義傳感器為：“能夠感受規定的被測量并按照一定規律再轉換成可用輸出信號的器件或裝置，即一種以一定的精度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置”[1]。傳感器一般是將非電量轉換成電量便于實現自動測量目的。

該改造方案共用到4類傳感器，分別是負荷傳感器、位移傳感器、液位傳感器和壓力傳感器。

傳感器選型首先要考慮其功能，即傳感器是否滿足應用要求，其次要考慮其精度和量程是否滿足要求，在功能、精度及量程都滿足的前提下，按經濟性原則選擇價格低廉的傳感器。

（1）負荷傳感器。為了降低改造成本，此次改造對原機所配置的200 t（2 000 kN）負荷傳感器的負荷特性進行了檢定，得到非線性度為0.04%，檢測合格，且其2 000 kN的量程滿足0～1 500 kN的測量范圍要求，設置示值的精確數位可滿足0.1 kN的分辨力要求。故沿用原機所配置的負荷傳感器，用于測量壓力機輸出載荷的大小。當然也可以選用符合要求的其他新傳感器。

（2）位移傳感器。此次改造選擇的位移傳感器型號為FT171，測量精度為0.3 mm，其中1只量程為-100～100 mm，另外2只量程為0～100 mm。其中量程為-100～100 mm的用作軸向位移傳感器，滿足軸向位移測量范圍在0～120 mm的要求。其余2只分別用作內體變位移傳感器和外體變位移傳感器，用來測量內體變和外體變位移。

（3）液位傳感器。常見的液位傳感器有利用磁致伸縮原理制成的磁致伸縮液位傳感器、超聲波液位傳感器、電容式液位傳感器、法蘭式液位傳感器等。其中磁致伸縮液位傳感器性能穩定、精度較高，在試驗機行業內應用廣泛。故此次改造選用磁致伸縮液位傳感器（型號KYCM-FPM1470-800AT2Q1，輸入DC24 V，輸出DC0～10 V），用來測量排水量。

（4）壓力傳感器。壓電式傳感器適用于動態測量。此次改造對象為靜三軸儀，故選擇比較常用的、性價比高的壓阻式壓力傳感器兩只（型號為CYG30，量程為0～5 MPa，精度為D級）。其中一只用作周圍壓力傳感器，測量圍壓;另一只用作孔隙壓力傳感器，測量孔壓。

4.2 ? ?調理電路設計

現場模擬量通過對應傳感器變換后，輸出的是種類和大小不同的電信號。但是，控制單元模擬量輸入通道后，A/D變換器只能接受幅值在一定范圍內變化的電壓信號。此外，在通過導線傳送的過程中，傳感器輸出的信號會受到工作環境干擾，若輸出的為電壓信號，則其通過傳輸導線后幅值還會衰減。因此，在模擬信號傳輸通道中，必須設置信號調理電路來對信號進行適當調理，使傳感器輸出的各類電信號在濾除干擾后，能變成幅值大小變化適當的電壓信號并送入A/D轉換器，以便后續控制模塊的采樣處理[2]。

信號類型和幅值的調理一般選用由集成運算放大器組成的電路，把傳感器輸出的不同類別、不同大小的電信號變換成幅值和極性符合A/D變換器模擬輸入的電壓。

集成運算放大器是一種線性放大器件，通過不同的電路設計，可改變模擬信號的幅值和極性。此次改造所選用的3個位移傳感器輸出電壓均為-5～5 V，后續A/D轉換器的模擬輸入端只接受正極性電壓，在這種情況下，必須把傳感器輸出的雙極性電壓變換成正極性電壓。首先需要通過串聯標準直流電壓電路把傳感器輸出的-5～5 V的交流信號調理為0～10 V的交流信號，再通過幅值調理電路將信號衰減為0～5 V，才能滿足后續控制模塊的輸入需求。調理電路原理圖如圖2所示。

圖2中的R=1 000 Ω，E=5 V。

由集成運算放大器的工作原理不難算出：

Uo1=E+Ui

Uo2=Uo1/2

即把位移傳感器輸出的-5～5 V信號經過第一級運算放大器后變成0～10 V信號，再經過第二級運算放大器后變成0～5 V信號。

壓力傳感器輸出0～50 mV的電壓信號，經低通濾波器后可直接接入TC250進行放大。

負荷傳感器輸出0～10 mV的電壓信號，經低通濾波器后也可直接接入TC270進行放大。

液位傳感器輸出0～10 V的電壓信號，需經幅值調理電路衰減為0～5 V才能接入后續控制模塊，調理電路原理圖類同于圖2，只是把5 V的電動勢短接即可，這里不再給出原理圖。

為了使電路板結構緊湊，降低成本，此次改造將4個調理電路、7個低通濾波電路設計在同一塊印刷電路板上。

4.3 ? ?TC270配置

TC（Testing Computer）270系杭州朗杰測控技術開發有限公司開發的試驗機控制專用系統。它綜合了成熟的集成微電子技術，體積小，且具有完整的計算機操作功能和豐富的測控功能。它采用了嵌入式單板微機結構，配有占先式多任務運行系統，并且內置了功能強大的測控軟件，使該系列測控儀集測量、控制、計算和存儲功能于一體。TC270測控儀集成了標準的網絡功能，采用高速以太網通信方式，能通過普通的網線與PC機連接起來，實現數據共享。

TC270工作原理框圖如圖3所示。其核心為嵌入式單板機和CPLD可編程邏輯器，有2個輸入輸出通道，分別為A通道和B通道，還有數字開關量的輸入和輸出通道以及D/A輸出通道等。

4.4 ? ?TC250配置

該改造方案除了軸向位移/主機負荷需要閉環控制外，周圍壓力也需要閉環控制，還有內體變、外體變、孔壓等參數需要實時顯示，因此選用通道數多、控制功能較強的TC（Testing Computer）250作為周圍壓力閉環控制以及內體變、外體變、孔壓等參數實時顯示的核心硬件。

TC（Testing Computer）250為杭州朗杰測控技術開發有限公司開發的試驗機控制專用系統。它的主要功能和特點以及工作原理類同于TC270，常用于水泥、混凝土、砂漿、磚塊等材料的抗壓試驗，具有控制功能、網絡功能。其特點是通道數多，可滿足多路采集數據需求。

4.5 ? ?軸向控制電液比例閥組的設計

軸向控制電液比例閥組是軸向加載自動控制系統的執行機構，用來自動加載試件和控制試驗剪切速度。該閥組是一個電液比例閥和三位四通電磁換向閥的串連組合，如圖4所示。

簡單來說，電液比例閥以電控方式實現對流量的節流控制，將輸入的電壓信號線性地轉換為壓力油的流量，從而控制活塞移動的速度。比例閥以傳統的工業用液壓閥為基礎，采用可靠、廉價的模擬或數字機-電轉換器（比例電磁閥等）以及與之相應的閥內設計，從而獲得對油質要求與一般工業閥相同、閥內壓力損失低、性能滿足大部分工業控制要求的比例控制元件。

4.6 ? ?圍壓向控制電液比例閥組的設計

圍壓向控制電液比例閥組是圍壓向加載自動控制系統的執行機構，用來實現對試件自動施加某一給定的周圍壓力，并保持該壓力值。其工作原理與圖4相同，該閥組也是一個電液比例閥和三位四通電磁換向閥的串連組合。電液比例閥通過控制流量來控制圍壓變化的速度。

三位四通電磁換向閥有2個電氣上互鎖的電磁鐵。當其中1個電磁鐵得電時，試件實現圍壓向加載;當另1個電磁鐵得電時，試件實現圍壓向卸載;當2個電磁鐵都不得電時，保持給定圍壓。

4.7 ? ?體積變化測量裝置的設計

在土工試驗中，大部分試驗項目需要測量試件在載荷作用下排出水的體積。原機利用人工讀取排入玻璃量筒內水的體積，讀數不方便、誤差大。此次改造需要設計一套體積變化自動測量裝置來實現體積變化的自動測量。

在原設計中，為了方便，直接通過壓力室活塞面積乘以進出變化的位移值來測量體積變化大小。在實際應用中，壓力室內除了水還有極少部分的空氣，該部分空氣會影響測量精度，所以考慮在傳統體變管測量基礎上實現自動測量。

體積變化自動測量裝置的核心部件是液位傳感器，同時需要設計一個與之配套的容器。

液位傳感器反映的是液體位置的變化，所以需要把它轉化成體積的變化。只要選擇橫截面積均勻的容器，就可以把液位的變化線性地轉換成體積的變化。

在液位傳感器精度一定的情況下，體積變化測量精度取決于容器的橫截面積。橫截面積越大，測量精度越低;橫截面積越小，測量精度越高。此次改造選擇內徑為110 mm、高度為700 mm的有機玻璃缸容器，裝配成型的體積變化測量裝置示意圖如圖5所示。

精度校驗：已知傳感器精度為0.1 mm，內徑為110 mm，高度為700 mm。

橫截面積：

體積測量精度=S×傳感器精度=95×0.01=0.95 cm3=0.95 mL≈1 mL，滿足測量精度要求。

容器體積=S×h=95×70=6 650 cm3=6 650 mL，滿足量程要求。

5 結語

本文基于自動化測試技術，對某大型三軸儀進行了改造，闡述了大型三軸儀自動化技術改造的要求及內容，介紹了大型三軸儀改造的總體設計方案，重點分析了大型三軸儀改造的硬件設計要點，包括傳感器選型與配置、調理電路設計、微機控制系統的硬件配置、控制用比例閥組設計等。實踐證明，此次改造能夠達到預期的技術目標。

[參考文獻]

[1] 葉廷東，陳耿新，江顯群，等.傳感器與檢測技術[M].北京：清華大學出版社，2016.

[2] 宋政湘，張國鋼.電器智能化原理及應用[M].3版.北京：電子工業出版社，2013.

收稿日期：2020-09-04

作者簡介：楊龍（1972—），男，甘肅西和人，副教授，從事高職機電類課程的教學與研究工作。