材料试验机测量结果显示技术改造

2013-12-10陈晓东彭海波曹桂松

计测技术 2013年1期

陈晓东，彭海波，曹桂松

(1. 中航工业贵州飞机有限责任公司，贵州安顺561018;2. 中航商用航空发动机有限责任公司，上海201108)

0 引言

在各类材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中都必须应用材料试验机来进行力学性能测试。力学性能可分为静态性能和动态性能，试验机也可分为静态试验机和动态试验机。依据试验机测试领域工作原理的不同。可以分为很多类型，其中，以标准或非标准试样作为被测件的试验机通常称为材料试验机。本文主要针对材料试验机测量结果显示技术进行研究。

随着计算机技术的飞速发展，力学性能的自动测试已成为体现测试技术现代化的重要标准。目前，国内已拥有数万台各类试验机，其中大部分试验机都是传统的机械传动方式，测试准确度低、操作不方便、无法满足某些特定需要，更谈不上测试的自动化。一部分试验机虽有电子测试能力或配有计算机，但因其技术落后或经多年运行，其工作已不可靠，甚至已处于瘫痪或半瘫痪状态。现有试验机如何能跟上时代并继续发挥效能，已受到广泛的关注。

1 工作原理简介

要使传统的机械式试验机具备直接显示测试结果能力，并使其达到测试的自动化，必须配备以下几个部分:力或位移传感器、信号放大器、数据采集接口及控制接口、数据显示模块、测试软件、控制器及计算机。简要工作原理图如图1 所示。

图1 工作原理图

将力传感器接入测力系统，当有力施加在电测传感器上时，力传感器中的电压就会发生变化，电压经信号调整器变换为小电压信号，经过放大后送给信号保持电路，使被测信号变为数据采集器可有效采集的电压信号;之后经过模/数转换后送到数据采集器中，数据采集器在单片机微控制系统的控制之下，对被测信号进行实时的采集，并读取测量结果，进行必要的分析处理，从而测出传感器上所承受力的大小，显示输出。另外，在计算机的控制之下，单片机系统接受并响应计算机的测量控制命令，完成相应的测量任务，将测量结果送到计算机系统，由计算机完成更为复杂的分析处理和数据曲线输出管理功能。

2 硬件设计

2.1 信号调整电路设计

主要完成信号放大及电流/电压变换输出等功能。原理电路图如图2 所示。

图2 信号变换及放大电路图

该电路使用了具有低噪声、低偏置电流、低失调、低漂移、输入阻抗高等特点的OPA2111 芯片作为信号的前期放大。该芯片非常适用于精密仪器的信号前期放大，放大倍数由电阻R2和R1完成(放大倍数Av =10 × (1 +2R2/R1) =1000 倍)。它与精密差分放大器共同组成拉力信号前期放大。此放大电路特别适合用于精密型仪表放大器的前期放大。

2.2 信号保持与自动采集电路设计

此部分电路构成了单片机系统的主功能电路，该部分接收从信号调整电路中输出的电压信号，并将其送入信号保持电路，然后送入模/数转换器，将其转换成单片机能够识别的数字信号，最后传送到CPU 中，通过设在CPU 中的程序来完成对输入信号的自动采集。在电路中使用的模/数转换器为A/D574，它是12位的转换器，其模/数转换时间小于32μs，能够在较短的时间内完成信号的转换，非常适合拉力瞬态变化的采集。其原理图如图3 所示。

图3 信号保持与自动采集电路图

2.3 数据显示及数据通讯电路设计

该部分电路主要是用于单片机系统与计算机的通讯和LCM 液晶显示屏数据显示。在电路中MAX232 芯片用于单片机与上位机的串行通讯，它负责把接收到的上位机传来指令送给单片机实行，并把单片机采集到的数据发给计算机和LCM 显示器显示。其中，HB240128LCM 液晶显示器内含HB9188 智能芯片，并内置GB2312 代码，可以实现汉字、ASCII 码、变化曲线同屏显示，并利用可串行或并行口输入显示，编程简单。数据显示及数据通讯电路原理图如图4 所示。

图4 数据通讯电路及数据显示图

3 软件设计

3.1 单片机系统CPU 中的程序工作流程图

单片机CPU 中的程序主要控制A/D 转换器的启动和停止，并完成数据的采集、分析处理及输出等功能。当单片机接收到上位机采集数据指令后，开始启动A/D 转换器，进行数据采集，把采集到的数据合成为计算机和LCM 显示器相匹配的数据，然后分别通过串行口和并行口发送给计算机和LCM 显示器。以此不断地循环，直到单片机接收到停止命令。该单片机固化程序采用Keil C 进行编程。主要的程序流程图如图5 所示。

3.2 测量结果的输出

为了实现测量的自动化，利用计算机的RS232 接口与单片机输出接口连接。采用VB 6.0 编程语言进行计算机通信编程，其计算机与单片机通信的主要程序如下:

在测量时只需要启动计算机里面的特有程序就能实现测量的自动化，并且能够绘制出测试曲线、报告

计算机发送“3”启动单片机开始测量程序如下:

Private Sub Command1_ Click ()

Dim byout (0)As Byte

Dim buf$

byout (0)=3

buf = MSComm1. Input

MSComm1. Output = byout

End Sub

计算机通过RS232 接口接收单片机测量数据程序:

Private Sub MSComm1_ OnComm ()

Dimreceive ()As Byte

Dim dstart%，receiveHI$，receiveLO$，result$

Select Case MSComm1. CommEvent

Case comEvReceive

receive = MSComm1. Input

dstart = LBound (receive)

dend = UBound (receive)

receiveHI = Val (receive (0))

receiveLO = Val (receive (1))

result = receiveLO + 256 * receiveHI

End Select

textreceive. Text =result

End Sub打印等功能。计算机上显示的测量曲线如图6 所示，检定结果如表1 所示。

表1 检定结果

图5 程序流程图

图6 测试曲线图

根据标准JJG475 －1986 《电子式万能试验机检定规程》要求，其1 级试验机的示值相对误差为±1.0%、示值变动性为±1.0%、进回程示值相对误差为1.5%、回零误差为0.1%。由此可见，该试验机符合1 级。

3.3 软件系统特点

该软件系统实现了数据的自动采集、测试结果的存储、显示、打印，以及根据材料指标对测试结果的智能判断。另外，软件以图形方式实时动态显示测量结果，有利于对材料总体性能进行判断。并且该软件系统还实现了多次测试，在同一画面中以不同颜色同时显示，方便了不同材料性能的对比。在测试功能的扩充方面，它利用计算机毫秒定时器及测量值开展了粘合度性能的检定。