一种新型双金属片形变测试系统设计*

楼应侯，朱文斌，2，王贤成，胡宁波，2，王友林，2

（1.浙江大学宁波理工学院机电与能源工程学院，浙江宁波 315100;2.太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024）

0 引言

双金属片具有形状弯曲的性能，已被广泛用在继电器、温度计、煤气表等产品上［1］。目前，传统双金属片形变测试均采用常规方法即水域控温接触测量法［2］，由于接触式测量会产生接触变形，从而造成测量误差，并且该方法存在检测效率低、对操作人员的技术水平要求高等诸多缺点。基于此，迫切需要一种行之有效的测试系统来检验双金属片的形变。近年来，激光位移传感器作为一种非接触式的精密激光测量装置，具有测试速度快、准确度高、实时处理能力强等优点，已在工业中得到广泛的应用［3，4］。因此，本文设计了一种新型的双金属片形变测量装置，该装置以恒温试验箱为基础，以LabVIEW为核心搭建控制系统，利用激光位移传感器来检测双金属片在不同温度下形变量。

1 测试原理和系统设计

1.1 测试原理

2种均匀具有一定原始曲率的双金属材料紧密地结合在一起，当温度升高时，膨胀系数高的材料被压缩，而膨胀系数低的材料被拉伸，这些作用力将形成均匀弧度力矩，使双金属片发生弯曲形变［5］，其弯曲率可表示为

式中 αa，αb为膨胀系数，m/K;ΔT为温度差值，℃;b为元件厚度，m。

测试系统主要利用激光位移传感器与平台运动控制来检测双金属片在不同温度下的弯曲相对变形量。激光位移传感器发出的光束经过聚焦后照射到双金属片上表面端部，再经漫反射后光线由成像透镜成像到光敏元件接收面上，然后通过光电转换器转换为电信号，由于电信号的输出大小仅与被测点的位置有关，当双金属片受温度影响发生弯曲形变，测试点高度将发生变化，像点位置也随之改变，从而引起传感器输出信号发生变化［6，7］，最终可实现双金属片在不同温度下形变量的精确测量。

1.2 测试系统总体设计

根据实际分析，装置的设计需满足以下条件:1）系统能实现-20～50℃范围内任意时刻的检测并保证测试设备机械结构对测试结果无影响;2）系统应具有较高的自动化水平，在整个测试过程中，用户只需简单操作系统就可完成整个测试。

根据设计要求提出的装置整体示意简图如图1所示。系统由恒温试验箱、三轴平台、激光位移传感器、控制系统等主要部分组成。工作时，将待测零件固定在工装板上并放置到试验箱安装支架上，然后关闭试验箱测试室门，当测试室达到预定的温度时，三轴平台带着传感头运动，传感头发出的光束透过双层隔热玻璃从每个零件表面扫过，同时测量值被传感控制器接收，并传输到上位机LabVIEW中。在此过程中，控制系统主要控制伺服电机、恒温试验箱、报警装置等的工作，还对激光位移传感器的信号进行采集、显示、处理和输出。

图1 测试系统组成示意图Fig 1 Diagram of test system composition

2 测试系统硬件设计

为实现预定的功能，提高测试效率，保证系统的可靠性，本文提出的双金属片形变测试系统硬件部分整体框图如图2所示。因传统水域测量法采用水作为双金属片的传热介质，在节能、效率、测量精度等方面均存在不足。因此，本文选择恒温试验箱为测试系统提供测试环境，并完成试验箱的设计和激光位移传感器的选型。

2.1 分体式恒温试验箱的设计

目前，市场上的恒温试验箱的测试区与制冷系统为一体式［8］，压缩机等部件在工作过程中的振动会导致被测双金属片的振动，从而影响测试精度。因此，本文设计了分体式恒温试验箱。该试验箱由制冷、制热系统、循环通风系统、测试室以及控制系统等部分组成，分左右2个箱体，2个箱体之间用软管连接用于通风循环，制冷回路、加热管以及风机安装在左箱体中，测试室安装在右箱体中并在其顶侧开有玻璃窗用于激光位移传感器的透光检测。试验箱通过热平衡控温法实现测试室温度控制，表1为分体式恒温试验箱的主要性能参数。

图2 测试系统硬件框图Fig 2 Hardware block diagram of test system

表1 试验箱的主要性能参数Tab 1 Main performance parameters of test chamber

2.2 激光位移传感器的选择

激光位移传感器由传感头和传感控制器组成，是测试系统的核心。传感头主要实现位置信号的采集，传感控制器对位置信号进行预处理并及时传输到上位机，考虑到测试过程中传感器检测光需透过双层玻璃，为保证测试精度，分别选用松下和基恩士的传感器产品做透双层玻璃试验，经过测试比较多个产品的综合性能，最终选用基恩士LK—G5000型激光位移传感器，其传感头主要性能见表2所示。

表2 LK—H150主要性能参数Tab 2 Main performance parameters of LK—H150

3 测试系统软件设计

3.1 基于PLC的控制程序设计

本文选用台达DVP40EH—PLC作为下位机，实现对伺服电机、循环风机、报警装置的控制，其控制流程如图3所示。

系统在完成原点回归后，以当前位置作为检测起始点，由于不同类型零件高度不同且激光位移传感器的测试范围为定值，所以，程序运行时首先根据上位机选择的零件类型，Z轴电机运行到指定的位置，然后控制三轴平台进行XY平面移动，待测试完成，系统重新初始化，等待下一次检测。当系统发生错误时，PLC立即停止电机输出，报警灯响起，并把错误信息传输给上位机和触摸屏，以便用户处理。此外，触摸屏除显示测试系统工作状态外，还能实现PLC相关参数的修改。

图3 PLC控制流程图Fig 3 PLC control flow chart

3.2 基于LabVIEW的控制程序设计

测试系统采用LabVIEW作为上位机控制软件［9］，主要实现以下功能:1）通过TCP/IP协议对激光位移传感器的数据进行读取、处理、显示、储存;2）经过NI OPC Servers实现硬件接口的转换，通过RS—232串行接口实现与PLC的连接并通过该端口控制PLC工作;3）通过RS—485串行接口，实现与DTC的数据传输;4）根据测试要求编写人性化的人机界面。

3.2.1 数据传输与数据处理

测试中，LabVIEW根据PLC发送检测开始信号，调用数据采集子VI。由于数据的实时处理会导致数据处理量大并增加编程的难度，并且在整个检测过程中零件需在不同温度下重复检测，为此，程序设计分2步:1）在传感器检测时，将数据实时存入数据库;2）检测完毕试验箱升温或降温时，调用检测数据进行数据处理。

1）数据采集

传感控制器与LabVIEW是基于TCP/IP协议利用以太网实现两者的通信。首先设置传感控制器和计算机的IP地址、子网掩码和网关，然后在LabVIEW中运用“Get dll path”，“Dll retcode to VI Errcode”等函数编写数据采集子VI，供LabVIEW主程序调用，最终实现LabVIEW对传感器数据的采集。LabVIEW数据库工具包基于ODBC（open database connectivity）技术，利用DSN（data source names）连接数据库，将采集到的数据存入数据库，并对这些数据进行管理和查询。图4为传感器数据采集程序。

图4 传感器数据采集程序Fig 4 Data collection program of sensor

2）数据处理

LabVIEW对所采集的数据进行数据截取、数据过滤以及求平均值。在每次检测完毕后，LabVIEW调用测试原始数据，由于被检测的零件成规则排布，可根据伺服电机的行走路径、行走速度以及采集到的数据进行计算分析，计算出每个零件数据的范围并截取出每个零件的数据段，然后针对每个零件数据进行过滤，除去误差较大的数值，最后对剩下的数据求平均值，即可得零件某温度下的位移量。待零件所有温度检测点全部检测完毕后，系统根据每个温度检测点的检测数据，计算出双金属片在各温度间的相对变形量，然后与标准变形量比较，就可判断出零件的合格性。当产品检测不合格时，记下该产品对应的序列号，测试时间和各项测试指标，并在人机界面上显示，用户可根据约定的排练顺序，取出不合格产品。此外，LabVIEW利用数据库工具包和报表工具包编写数据库管理和生成Word报表程序，从而用户可在人机界面上查询数据并打印报表。

3.2.2 基于OPC协议实现对PLC的控制

LabVIEW与PLC通信的实现过程分为2步:1）建立PLC与NI OPC服务器的连接:在NI OPC Servers软件中添加新的Channl后，选择Modbus Serial驱动程序，并设置通信格式，然后新建设备名并添加标签属性。2）建立OPC与LabVIEW的连接:首先，创建I/O服务器，并通过I/O服务器连接OPC标签的共享变量，然后将带标签的共享变量拖入程序框图，从而实现上位机与PLC的通信。测试系统运行中，LabVIEW通过RS—232串行接口把设置的参数和操作量传递给PLC，PLC根据内部程序执行上位机的指令，并向上位机传输PLC状态。

3.2.3 基于Modbus协议实现对DTC的控制

在恒温试验箱运行中，LabVIEW通过Modbus协议实现与温控器通信并控制温控器工作。LabVIEW程序运用NI Modbus函数实现对温控器的控制，采用“MB Serial Init”函数进行端口配置、“MB Serial Master Query（poly）”函数读写寄存器的值、“VISA关闭”函数关闭等函数进行编程并把程序封装成温控器子VI。图5为温控器子VI。

图5 温控器VI部分程序框图Fig 5 Program block diagram of temperature controller VI parts

3.2.4 LabVIEW人机界面的设计

本测试系统人机界面由主控、调试、报警、查询、登入等界面组成。为了用户能够更好地操作测试系统，该系统采用了人性化操作界面，其中主控界面有基本参数选择按钮，测试系统实时状态显示功能，激光位移传感器采集数据实时显示等。

4 试验研究

4.1 系统标定

按检测流程标定出测试范围（-20～50℃）内每个整数温度下工装板的形变，以便系统计算零件形变量时除去此部分误差，从而保证测量精度。

4.2 试验描述与结果分析

所研制的测试系统对宁波蓝宝石科技仪器有限公司煤气表C型温度补偿片进行了测试。先将零件安置到试验箱中，并设置试验箱测试点温度:-5，5，15，25，35 ℃。测试系统运行后，待测试室温度由室温降到-5℃，然后三轴平台带着传感头运动检测出各零件与传感器基准之间的相对位移，传感器依次检测各个温度点，5个检测点总共检测时间大约58 min，每次检测零件数为180个且不良零件全部检出。表3为部分零件检测数据。结果表明:该测试系统工作效率高、可靠性好、自动化程度高。

表3 部分零件测试数据Tab 3 Test datas of parts

5 结论

基于恒温试验箱、激光位移传感器等硬件平台和Lab-VIEW软件平台研制了双金属片形变测试系统，并对设备进行了实际测试，结果表明:

1）所研制的恒温试验箱很好地解决了压缩机等部件的振动对测试结果的影响，并为检测提供了稳定、可靠的测试环境，提高了检测效率。

2）所研制的测试系统控制部分以LabVIEW为核心，采用性能优良的激光位移传感器，实现了透过双层玻璃的检测，且可较好地实现高效精确的数据传输和分析功能。

3）研制的测试系统采用触摸屏和LabVIEW人机界面，系统可视性提高，便于实现在线监测。

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