基于容栅传感器的试件拉伸率在线测量装置

金定洲，张念生

（安徽农业大学工学院，安徽合肥230036）

1 引 言

在做拉伸实验时往往使用卡尺等机械测量工具对拉断试件进行长度测量，而由于一些客观因素的存在使得测量数据的精度大大降低，如：拉断试件测量时不好固定；试件断开后有回弹塑性变形现象；断口无法紧密对接，等等.为此本文设计了一套可以安装在拉伸试验机上进行在线同步测量装置，并且在拉断试件的瞬间保持测量度数不变，有效地解决了试件回弹塑性变形现象影响测量精度的问题，从而将以上这些问题都得以解决.

2 硬件电路设计

硬件电路部分包括：电平转换电路、数据采集电路、中断产生电路以及数据显示电路.由于单片机与液晶1602的连接电路比较常见，本文不做详细介绍.

2.1 原理介绍

要实现自动测量必须用到位移传感器，目前常见的长度测量位移传感器有光栅、容栅、磁栅等，而目前广泛应用在长度测量器具上的是容栅传感器，如容栅数显卡尺、千分尺等.

容栅传感器由动栅、定栅和显示电路组成，如图1将定栅固定安装在拉伸试验机上臂固定不动，动栅（含显示电路）安装在拉伸试验机下臂上，当试件拉伸时动栅随之移动产生位移信号.如果仅利用传感器动栅上的显示电路读取位移信号则试件拉断时将继续产生位移信号，故无法计算伸长率.本装置是通过单片机对传感器信号做进一步处理，即同步读取容栅传感器的位移信号，经过处理以后送到1602液晶独立显示位移值，当试件拉断的瞬间，由硬件电路产生外部中断信号给单片机，单片机即停止读取传感器数据并保持当前数据.此时动栅虽然继续向下移动产生位移信号，但是单片机的读数不会发生改变.

图1 容栅安装示意图

2.2 中断信号产生电路

如图2所示，5V电源通过电阻R、拉伸试件与电源地相连（注意安装时拉伸试件必须与试验机夹具保持绝缘），拉伸试件上端通过非门接至单片机P3.3端口，试件未拉断时P3.3为高电平，当试件拉断时P3.3电平由高变低，给单片机产生中断信号.

图2 中断产生电路

2.3 容栅传感器电平转换电路

因为容栅传感器采用1.5V电压供电[1]，而单片机工作电压为5V，所以要使两者之间能够通信，必须进行电平转换，本电路采用LM311电压比较器来实现此功能.LM311为高性能电压比较器，可单电源或双电源供电，输入可以是与系统地隔离的信号，输出可以是以地或VCC或VEE为参考的负载，驱动方式灵活，驱动电流大，线路简单可靠.如图3所示，容栅传感器数据输出端口Data和时钟输出端口CLK分别接到2个LM311的同相输入端2脚，反向输入端3脚接基准电压，根据比较器的特性：当Data大于基准电压时输出＋5V，当Data小于基准电压时输出0V.从而完成容栅传感器电平转换.

图3 电平转换电路

2.4 容栅传感器数据采集电路

由于容栅传感器采用串行数据传输方式，输出的时钟频率为150kHz，2帧数据之间为低电平[2].其时序图如图4所示，每帧数据分为2组，当CLK从低电平到持续50μs高电平时表示开始传输数据，紧接着传输24位绝对零点数据（绝对零点到测试点之间距离），CLK再持续110μs高电平，紧接着传输24位相对零点数据（相对零点到测试点之间距离），再输出65μs高电平结束数据传输.每组24位数据采用二进制编码，低位在前，高位在后，最高位为符号位，“0”表示正数，以原码输出，“1”表示负数，以补码输出.每帧数据之间有350ms持续低电平.正因为每帧数据之间有350ms的持续低电平，所以本装置的数据采集采用外部中断0设置成低电平中断方式，在中断中完成对数据的采集、数据处理与显示.

图4 容栅传感器时序

由于单片机端口为8位，所以要采集24位数据必须利用锁存器将24位串行数据转换成并行数据，再分3次读取锁存器的数据存放于单片机内，再进行数据处理.具体的数据采集电路如图5所示.

图5 数据采集电路

串并转换使用了3片74HC164，数据信号Data1送人74HC164输入端AB口，CLK1接至每片74HC164的时钟输入端.锁存器采用74HC373，其中74HC373的输出使能端OE分别接单片机P1.0，P1.2，P1.3口，锁存使能端LE都接至P3.0口.当拉伸试件断裂时（如图2所示）P3.3口变低电平产生中断，中断程序使P3.0口置低电平封锁容栅时钟和锁存锁存器，从而使显示读数保持在当前状态不变.

3 软件设计

软件部分主要包括主程序（如图6）、中断子程序（如图7）、延时子程序、数据采集处理和显示子程序.

图6 主程序流程

图7 中断程序流程

在主程序内完成对定时器、中断、1602液晶的初始化；数据采集子程序分3次读取锁存器的内容存放在1个8位数组中；然后通过数据处理子程序首先对24位二进制数据的正负进行判断，如果是负数则要进行补码转换，再将24位二进制数据进行二—十进制转换，转换后的十进制数S与测量长度L（单位mm）之间的关系可通过下面公式[3]换算：

再通过显示子程序使转换后的测量长度L显示在1602液晶上.

采用低电平中断时，判断数据帧开始时刻很重要，因为每帧数据之间有350ms的持续低电平，所以进入中断后如果数据帧还没开始发送很可能是采集不到数据，中断程序中采用了while（！CLK）语句，（／／sbit CLK＝P3.2）当P3.2口在350ms低电平中时中断子程序一直等待，只有当低电平走完跳变到高电平时再启动延时、采样数据，其中的延时子程序，主要是为了采集相对零点数据.容栅传感器上有复位按钮，当按下复位按钮时相对数据清零，绝对数据保持不变，所以装置安装时不必考虑零点位置，任何时候按下复位按钮就可以测量拉伸长度.

4 试验数据

表1是试件拉断后由人工对接断口后测量的数据值l人与在线测量装置自动测量的数据值l自对比，标距长为l.通过数据分析可以发现该装置可以有效地解决由于断口对接不紧密而造成的测量数据偏大的问题.通过软件设置显示测量值有效数字位数可满足不同场合对测量精度的需求.

表1 实验数据对比

5 结束语

该装置成本低、制作简单、安装方便、使用效率高，根据测量需要可以设置更高的测量精度.现已经安装在我院拉伸试验机上供学生实验时使用，通过一段时间的观察试验，数据稳定可靠，该装置大大提高了实验的效率与实验数据的精度，达到了预期的效果.另外该装置可移植性强，把它安装在机械加工装置上可实现对数据的实时测量，提高加工效率.

[1] 王安敏，王辛立，崔伟，等.基于AT89C52单片机的容栅传感器测距系统[J].仪表技术与传感器，2008（9）：86－88，90.

[2] 杨雪锋，李威，潘宁.基于P89LPC932A1容栅传感器智能接口的设计[J].煤矿机械，2005（9）：6－8.

[3] 杨邵鹏，汪地，董峰，等.容栅尺和单片机的接口研究[J].计量与测试技术，2009，36（12）：46－47.

[4] 丁元杰.单片微机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，1999.