基于称重传感器的木材蠕变仪的研制

杨勇　马玉媛　侯庭瑞

摘 要 为研究木材在水分吸着过程中的蠕变特性以及其蠕变的影响因素，研制出可施加一定范围内的恒力的木材蠕变仪。该仪器采用5相步进电机作动力；精密称重传感器作为测力敏感元件；红外激光位移传感器作蠕变测量元件；通过RS232串口线与电脑（PC机）配合使用。它具有改变、显示施力大小、保存木材蠕变数据、可拆卸功能，并且操作简便，适用于需要施加一定范围内的恒力的木材机械吸湿蠕变实验。

关键词 称重传感器；步进电机；蠕变

中图分类号：TH715 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的这种特殊的机械吸湿蠕变性质后，许多科学家又从不同角度对木材的机械吸湿蠕变现象做出了解释。研制装置并进行试验来进一步解释其本质，一方面完善了木材科学理论，另一方面将促进产生新的木材工艺技术[1]。

然而目前应用于木材机械吸湿蠕变实验的施力系统主要是通过人工手动施力来完成，无法实现自动检测控制。本文旨在研制一种配合恒温恒湿箱使用的、实现可程式施、卸载、自动测量、控制的木材蠕变测定仪。

1 木材吸湿蠕变仪测量原理

在传统的测试蠕变的装置中，施力通常选用固定荷重，而在现装置中，我们依靠传感器与单片机、步进电机的交互实现了力的变化，用户可以随意设置力的大小。

木材机械吸湿蠕变仪测量原理如图1所示，根据试验要求，步进电机被固定在试验箱的内壁；称重传感器的一端由螺丝固定在步进电机上；整个称重支架再由螺丝固定在传感器上，并以此给传感器一个初始值，这个初始值大于所期望施加的力的大小，例如，给木材最大所要施加的力为5 N，那么步进电机开始工作向下运动给样品施力时，样品同时给传感器反作用力，使得传感器从最大的初值开始减小，因此这个装置完全可以提供给样品0～5 N范围的力；称重装置与木材接触的施力点为两个圆柱；木材支撑点支撑木材的两边，实现样品的固定；两个激光传感器在木材样品的上下两端，下方的激光传感器用于检测木材下表面的位移量，进而转化成木材蠕变量，上方的激光传感器通过同时测量木材上表面位移，来消除木材本身形变带来的误差。

试验开始时，传感器将称重支架提供的初始值转化成电压信号给单片机，经过放大后并通过A/D转换成数字信号传送给单片机，同时用户将目标力输入单片机，于是单片机将首先比较初始值与目标力间的差值大小，然后控制步进电机向下施力，传感器随时捕捉力的变化，在向样品施力的过程中，系统不断比较施力的大小和初始值与目标值差的大小，做出相应的判断来控制5相步进电机的上下运动，从而改变圆柱体对木材的施力，如果达到目标力，则使步进电机停止运动，如果步进电机具有惯性，施力大于目标力的大小，系统依然可以进行判断并使步进电机向上运动，直到最终满足目标力后，步进电机完全静止，完成一次施力过程，在施力完成后，两个红外传感器时刻检测木材吸湿蠕变的大小。

2 硬件系统设计

系统主要由信号放大与处理电路、带10位A/D转换的单片机STC12C5A60S2、5相步进电机控制电路、双孔平行梁结构的应变式称重传感器测量电路、红外激光位移传感器测量电路和笔记本电脑组成，系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

A/D转换实现模拟信号的数字化；单片机系统主要完成信号的采集、数据通信；步进电机主要实现力的大小的转变；称重传感器用于检测力的大小，同时向单片机传输数据；激光位移传感器则实时检测木材蠕变的数据，将数据传输给计算机；计算机完成数据接收、存储数据、数据处理、计算、显示等功能[2]。

2.1 称重传感器测量电路

图3为测量电路的简化图，R1，R2，R3，R4四个应变电阻器是桥式测量电路的主题，Rm为温度补偿电阻器，E为激励电压，V是测量输出的电压值。在系统没有开始测量时，如不考虑Rm，则输出的电压值V满足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知测量前输出为0。

（1）

当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成、、、时，电桥的输出电压变为：

（2）

通过化简，上式则变为：

（3）

开始测量后，应变电阻阻值改变，且满足，其中

ΔR为变化的电阻值，K为应变片灵敏系数，ε为应变量。于是公式（3）可改写为公式（4）。

（4）

上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比，这就是桥式测量电路原理。

图3 桥式测量电路

2.2 步进电机控制电路

图4 步进电机参数图

本系统选用DRL42PA2G-04MG五相步进电机如图4所示，以及CSD5814N-P驱动器，如图5所示。电机控制电路控制步进电机的前进，后退，停止等功能。驱动器接通24 V直流电。通过程序控制CW和CWW两个端口的高低电平来产生脉冲，并通过改变脉冲数以及脉冲频率来改变电机运转的步数和速度。首先通过传感器传送目前称重信号给单片机，单片机通过判断目前系统所提供的力与目标力的大小比值，进而做出相应的变化，控制电机的进退来改变力的大小，直到满足了所需要的目标值。

图5 CSD5814N-P驱动器示意图

3 结束语

通过本装置，在进行木材机械吸湿蠕变实验时，可以更自动化的控制实验进展，方便可拆卸的装置也使的仪器变得更具可移植性。精确的数字化自动控制，让实验数据更加的可信，更贴近实际数据。

仪器存在的不足是现有的代码不能实现力的种类的变化，比如正弦力或矩形力，但这也是本仪器要发展的方向，代码将进一步被改进，以模拟出与变化的现实中的力更加贴近的荷重，进而使得试验数据更有实用价值。

参考文献

[1]曹金珍，赵广杰.木材的机械吸湿蠕变[J].北京林业大学学报，1998，20（5）：94-100.

[2]党安明，刘南平.基于精密称重传感器的易开盖拉力测量分析仪的研制[J].山东理工大学学报，2006，20（5）：74-77.

[3]殷卫宁.电子计价秤维修大全[M].北京：电子工业出版社，1994：3-65 .

[4]王锁弘.称重传感器在恒张力控制系统中的应用[J].传感器电子技术，2003，22（4）：60-61.endprint

摘 要 为研究木材在水分吸着过程中的蠕变特性以及其蠕变的影响因素，研制出可施加一定范围内的恒力的木材蠕变仪。该仪器采用5相步进电机作动力；精密称重传感器作为测力敏感元件；红外激光位移传感器作蠕变测量元件；通过RS232串口线与电脑（PC机）配合使用。它具有改变、显示施力大小、保存木材蠕变数据、可拆卸功能，并且操作简便，适用于需要施加一定范围内的恒力的木材机械吸湿蠕变实验。

关键词 称重传感器；步进电机；蠕变

中图分类号：TH715 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的这种特殊的机械吸湿蠕变性质后，许多科学家又从不同角度对木材的机械吸湿蠕变现象做出了解释。研制装置并进行试验来进一步解释其本质，一方面完善了木材科学理论，另一方面将促进产生新的木材工艺技术[1]。

然而目前应用于木材机械吸湿蠕变实验的施力系统主要是通过人工手动施力来完成，无法实现自动检测控制。本文旨在研制一种配合恒温恒湿箱使用的、实现可程式施、卸载、自动测量、控制的木材蠕变测定仪。

1 木材吸湿蠕变仪测量原理

在传统的测试蠕变的装置中，施力通常选用固定荷重，而在现装置中，我们依靠传感器与单片机、步进电机的交互实现了力的变化，用户可以随意设置力的大小。

木材机械吸湿蠕变仪测量原理如图1所示，根据试验要求，步进电机被固定在试验箱的内壁；称重传感器的一端由螺丝固定在步进电机上；整个称重支架再由螺丝固定在传感器上，并以此给传感器一个初始值，这个初始值大于所期望施加的力的大小，例如，给木材最大所要施加的力为5 N，那么步进电机开始工作向下运动给样品施力时，样品同时给传感器反作用力，使得传感器从最大的初值开始减小，因此这个装置完全可以提供给样品0～5 N范围的力；称重装置与木材接触的施力点为两个圆柱；木材支撑点支撑木材的两边，实现样品的固定；两个激光传感器在木材样品的上下两端，下方的激光传感器用于检测木材下表面的位移量，进而转化成木材蠕变量，上方的激光传感器通过同时测量木材上表面位移，来消除木材本身形变带来的误差。

试验开始时，传感器将称重支架提供的初始值转化成电压信号给单片机，经过放大后并通过A/D转换成数字信号传送给单片机，同时用户将目标力输入单片机，于是单片机将首先比较初始值与目标力间的差值大小，然后控制步进电机向下施力，传感器随时捕捉力的变化，在向样品施力的过程中，系统不断比较施力的大小和初始值与目标值差的大小，做出相应的判断来控制5相步进电机的上下运动，从而改变圆柱体对木材的施力，如果达到目标力，则使步进电机停止运动，如果步进电机具有惯性，施力大于目标力的大小，系统依然可以进行判断并使步进电机向上运动，直到最终满足目标力后，步进电机完全静止，完成一次施力过程，在施力完成后，两个红外传感器时刻检测木材吸湿蠕变的大小。

2 硬件系统设计

系统主要由信号放大与处理电路、带10位A/D转换的单片机STC12C5A60S2、5相步进电机控制电路、双孔平行梁结构的应变式称重传感器测量电路、红外激光位移传感器测量电路和笔记本电脑组成，系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

A/D转换实现模拟信号的数字化；单片机系统主要完成信号的采集、数据通信；步进电机主要实现力的大小的转变；称重传感器用于检测力的大小，同时向单片机传输数据；激光位移传感器则实时检测木材蠕变的数据，将数据传输给计算机；计算机完成数据接收、存储数据、数据处理、计算、显示等功能[2]。

2.1 称重传感器测量电路

图3为测量电路的简化图，R1，R2，R3，R4四个应变电阻器是桥式测量电路的主题，Rm为温度补偿电阻器，E为激励电压，V是测量输出的电压值。在系统没有开始测量时，如不考虑Rm，则输出的电压值V满足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知测量前输出为0。

（1）

当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成、、、时，电桥的输出电压变为：

（2）

通过化简，上式则变为：

（3）

开始测量后，应变电阻阻值改变，且满足，其中

ΔR为变化的电阻值，K为应变片灵敏系数，ε为应变量。于是公式（3）可改写为公式（4）。

（4）

上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比，这就是桥式测量电路原理。

图3 桥式测量电路

2.2 步进电机控制电路

图4 步进电机参数图

本系统选用DRL42PA2G-04MG五相步进电机如图4所示，以及CSD5814N-P驱动器，如图5所示。电机控制电路控制步进电机的前进，后退，停止等功能。驱动器接通24 V直流电。通过程序控制CW和CWW两个端口的高低电平来产生脉冲，并通过改变脉冲数以及脉冲频率来改变电机运转的步数和速度。首先通过传感器传送目前称重信号给单片机，单片机通过判断目前系统所提供的力与目标力的大小比值，进而做出相应的变化，控制电机的进退来改变力的大小，直到满足了所需要的目标值。

图5 CSD5814N-P驱动器示意图

3 结束语

通过本装置，在进行木材机械吸湿蠕变实验时，可以更自动化的控制实验进展，方便可拆卸的装置也使的仪器变得更具可移植性。精确的数字化自动控制，让实验数据更加的可信，更贴近实际数据。

仪器存在的不足是现有的代码不能实现力的种类的变化，比如正弦力或矩形力，但这也是本仪器要发展的方向，代码将进一步被改进，以模拟出与变化的现实中的力更加贴近的荷重，进而使得试验数据更有实用价值。

参考文献

[1]曹金珍，赵广杰.木材的机械吸湿蠕变[J].北京林业大学学报，1998，20（5）：94-100.

[2]党安明，刘南平.基于精密称重传感器的易开盖拉力测量分析仪的研制[J].山东理工大学学报，2006，20（5）：74-77.

[3]殷卫宁.电子计价秤维修大全[M].北京：电子工业出版社，1994：3-65 .

[4]王锁弘.称重传感器在恒张力控制系统中的应用[J].传感器电子技术，2003，22（4）：60-61.endprint

摘 要 为研究木材在水分吸着过程中的蠕变特性以及其蠕变的影响因素，研制出可施加一定范围内的恒力的木材蠕变仪。该仪器采用5相步进电机作动力；精密称重传感器作为测力敏感元件；红外激光位移传感器作蠕变测量元件；通过RS232串口线与电脑（PC机）配合使用。它具有改变、显示施力大小、保存木材蠕变数据、可拆卸功能，并且操作简便，适用于需要施加一定范围内的恒力的木材机械吸湿蠕变实验。

关键词 称重传感器；步进电机；蠕变

中图分类号：TH715 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的这种特殊的机械吸湿蠕变性质后，许多科学家又从不同角度对木材的机械吸湿蠕变现象做出了解释。研制装置并进行试验来进一步解释其本质，一方面完善了木材科学理论，另一方面将促进产生新的木材工艺技术[1]。

然而目前应用于木材机械吸湿蠕变实验的施力系统主要是通过人工手动施力来完成，无法实现自动检测控制。本文旨在研制一种配合恒温恒湿箱使用的、实现可程式施、卸载、自动测量、控制的木材蠕变测定仪。

1 木材吸湿蠕变仪测量原理

在传统的测试蠕变的装置中，施力通常选用固定荷重，而在现装置中，我们依靠传感器与单片机、步进电机的交互实现了力的变化，用户可以随意设置力的大小。

木材机械吸湿蠕变仪测量原理如图1所示，根据试验要求，步进电机被固定在试验箱的内壁；称重传感器的一端由螺丝固定在步进电机上；整个称重支架再由螺丝固定在传感器上，并以此给传感器一个初始值，这个初始值大于所期望施加的力的大小，例如，给木材最大所要施加的力为5 N，那么步进电机开始工作向下运动给样品施力时，样品同时给传感器反作用力，使得传感器从最大的初值开始减小，因此这个装置完全可以提供给样品0～5 N范围的力；称重装置与木材接触的施力点为两个圆柱；木材支撑点支撑木材的两边，实现样品的固定；两个激光传感器在木材样品的上下两端，下方的激光传感器用于检测木材下表面的位移量，进而转化成木材蠕变量，上方的激光传感器通过同时测量木材上表面位移，来消除木材本身形变带来的误差。

试验开始时，传感器将称重支架提供的初始值转化成电压信号给单片机，经过放大后并通过A/D转换成数字信号传送给单片机，同时用户将目标力输入单片机，于是单片机将首先比较初始值与目标力间的差值大小，然后控制步进电机向下施力，传感器随时捕捉力的变化，在向样品施力的过程中，系统不断比较施力的大小和初始值与目标值差的大小，做出相应的判断来控制5相步进电机的上下运动，从而改变圆柱体对木材的施力，如果达到目标力，则使步进电机停止运动，如果步进电机具有惯性，施力大于目标力的大小，系统依然可以进行判断并使步进电机向上运动，直到最终满足目标力后，步进电机完全静止，完成一次施力过程，在施力完成后，两个红外传感器时刻检测木材吸湿蠕变的大小。

2 硬件系统设计

系统主要由信号放大与处理电路、带10位A/D转换的单片机STC12C5A60S2、5相步进电机控制电路、双孔平行梁结构的应变式称重传感器测量电路、红外激光位移传感器测量电路和笔记本电脑组成，系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

A/D转换实现模拟信号的数字化；单片机系统主要完成信号的采集、数据通信；步进电机主要实现力的大小的转变；称重传感器用于检测力的大小，同时向单片机传输数据；激光位移传感器则实时检测木材蠕变的数据，将数据传输给计算机；计算机完成数据接收、存储数据、数据处理、计算、显示等功能[2]。

2.1 称重传感器测量电路

图3为测量电路的简化图，R1，R2，R3，R4四个应变电阻器是桥式测量电路的主题，Rm为温度补偿电阻器，E为激励电压，V是测量输出的电压值。在系统没有开始测量时，如不考虑Rm，则输出的电压值V满足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知测量前输出为0。

（1）

当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成、、、时，电桥的输出电压变为：

（2）

通过化简，上式则变为：

（3）

开始测量后，应变电阻阻值改变，且满足，其中

ΔR为变化的电阻值，K为应变片灵敏系数，ε为应变量。于是公式（3）可改写为公式（4）。

（4）

上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比，这就是桥式测量电路原理。

图3 桥式测量电路

2.2 步进电机控制电路

图4 步进电机参数图

本系统选用DRL42PA2G-04MG五相步进电机如图4所示，以及CSD5814N-P驱动器，如图5所示。电机控制电路控制步进电机的前进，后退，停止等功能。驱动器接通24 V直流电。通过程序控制CW和CWW两个端口的高低电平来产生脉冲，并通过改变脉冲数以及脉冲频率来改变电机运转的步数和速度。首先通过传感器传送目前称重信号给单片机，单片机通过判断目前系统所提供的力与目标力的大小比值，进而做出相应的变化，控制电机的进退来改变力的大小，直到满足了所需要的目标值。

图5 CSD5814N-P驱动器示意图

3 结束语

通过本装置，在进行木材机械吸湿蠕变实验时，可以更自动化的控制实验进展，方便可拆卸的装置也使的仪器变得更具可移植性。精确的数字化自动控制，让实验数据更加的可信，更贴近实际数据。

仪器存在的不足是现有的代码不能实现力的种类的变化，比如正弦力或矩形力，但这也是本仪器要发展的方向，代码将进一步被改进，以模拟出与变化的现实中的力更加贴近的荷重，进而使得试验数据更有实用价值。

参考文献

[1]曹金珍，赵广杰.木材的机械吸湿蠕变[J].北京林业大学学报，1998，20（5）：94-100.

[2]党安明，刘南平.基于精密称重传感器的易开盖拉力测量分析仪的研制[J].山东理工大学学报，2006，20（5）：74-77.

[3]殷卫宁.电子计价秤维修大全[M].北京：电子工业出版社，1994：3-65 .

[4]王锁弘.称重传感器在恒张力控制系统中的应用[J].传感器电子技术，2003，22（4）：60-61.endprint