利用相序测定计数法实现砝码的自动加载

陈光

摘 要：文章就自动砝码加载系统中所运用到的相序计数法进行了介绍，并与其它计数方式进行比较。并且对如何运用在活塞压力计上进行了简单阐述。

关键词：压力基准，砝码自动加载，相序测定计数法

中图分类号：TM721.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）09-0076-02

1 概 述

近十几年来，全球在压力计量领域技术的进展可谓是突飞猛进。而我国也不甘落后，在压力计量方面的研究工作也在如火如荼的进行中。作为计测院，则更应该身先士卒，在压力计量领域起到模范带头作用。而其中，最重要也是最不容忽视的，就是压力基准方面的研究工作。其中，活塞压力计的自动化程度则在这几年来有了长足的进步，甚至是出现了不需要不需要旋转的强制平衡活塞压力计和不需要加载砝码的数字式压力计，使得计量校准工作能更为便捷，准确的进行。我院也正在进行超高压基准活塞压力计的相关研究。

本文就1 500 MPa高压活塞压力计的砝码自动加载系统中的编码器计数方法部分进行介绍。

本文是基于使用砝码自动加载系统的压力基准进行研究。该系统使用的是通过位移传感器对砝码实际位置的测量来实现自动加载。

活塞压力计的工作原理是通过砝码的重力与作用在活塞底面的压力相互平衡来实现的。由于在活塞压力计中压力一旦被设定，活塞只要在上下限之间运动，自动调节系统容积，保持压力恒定。这样就只需要考虑外部压力准确的加载活塞到工作位置。本文涉及到的活塞压力计所使用的砝码自动加载的方式是利用相关角度编码器对砝码的位置进行实时监控测量，从而操控与其相连的液压传动系统，使得砝码能够正确地加载至每一个整数点。

本文设计了一个系统，使其通过所设计的角度编码器，将正在位置变化转换成角度变化，与此同时，输出一个相应的脉冲输出，然后系统将对这个输出脉冲进行判断和处理，最终转化为转换成砝码的实际位移量。在实际操作总，可以利用泵阀来控制位移，使之达到工作中我们需要的位置。运用单片机之类的通讯技术与先关机械相连，这样就可以在系统计算机上直接控制了。

2 计数原理

上述系统中，最重要的核心就是角度编码器。该编码器需要准确的把砝码的位移变化转换成角度变化，其主要的原理，就是利用了相序测定的计数方法。我们设计一个编码器采用每圈2 048个脉冲输出的光栅式编码器，其输出方式，如图1所示。

我们定义A信号为主信号， 为一个与A信号逻辑相反并且相位差180 °的信号，B信号则是一个利用I/O接口接受的，与A信号相位差90 °的脉冲信号。

有了上述脉冲输出，我们就可以进行相关的计数了。首先我们要定义角度编码器的旋转方向，如图1所示，我们假定1→2的方向的运行过程为编码器进行顺时针旋转（下文就以该状态进行讨论，不再另行说明）。因为该计数法只会在脉冲信号的下降沿触发CPU的外部中断，所以我们就先讨论在1状态下 信号触发中断和在2状态下A信号触发外部中断的情况。当2状态下，A脉冲通过光耦将脉冲传给电脑，并触发CPU的外部中断时，系统进行A，，B三个脉冲的电平判断，如果是低，高，高，则计数机进行+1计数计算（如果为低，高，低，则判断该计数无效），既中断有效，编码器进行顺时针旋转。当1状态下， 触发CPU的外部中断时，系统依旧进行三个脉冲的电平判断，如果是低，高，低，则计数器进行-1计数计算，既中断有效，编码器进行逆时针旋转。（同理高，低，低则不进行计数）。这种角度编码器的设计，其特点是只会在同一个相位点进行加减计数。

以前使用的编码器进行计数法都是只使用两个相位差 90 °的脉冲。这种老式的计数方法对比上文所介绍的相序测定计数法在某些情况下会产生一些问题：

①脉冲数计数时多计或者漏计。由于编码器在实际操作中会在他转一个计数的过程之间，由于外力等影响，进行与理论方向相反的转动，届时两相的编码器由于只有2个脉冲判断，则会多计或漏记。更有甚者，在实际操作过程中，如果多次发生变换旋转方向这种问题，则会带来更大的麻烦。

②由于一个脉冲上出现两个甚至多个下降沿的时候，计数机会“不知所措”，从而计数产生错误。

而上文介绍的计数法则能应对这些问题：

①由于计数只是对状态进行计数，无论在过程中经历几次正转反转，他都只会在到达下降沿的地方进行加减计数，并不会发生多计和漏计。

②由于采用了这个逻辑相反的信号，则当A脉冲到达外部中断后，系统发生反转，则会触发中断令系统进行减1操作。

3 砝码自动加载系统

上述编码计数法可以应用于活塞压力计的砝码自动加载系统中。我们设计个个砝码加载系统，它分别由五部分组成：

①砝码加载部分；

②液压连动部分；

③位移传感器部分；

④单片机测控部分；

⑤相关操作系统。

计算机则直接与单片机进行连接，利用角度编码器把砝码的位移量转化为角度信号的输出，从而达到控制操作的目的。

该编码器会测量过程中产生一个与砝码位移变化相应的脉冲输出，再将这个输出脉冲转换成砝码的实际位移量，从而和液压传动系统起到联动的效果，进而达到砝码自动加载都是目的。砝码加载系统图，如图2所示。

其中泵站主要进行砝码的上升下降操作，而编码器则可以准确的测量砝码的位置。

关于砝码及液压传动系统本文只做简要的介绍。整个系统由砝码、吊挂件、连接件、液压活塞以及油泵组成。液压传动系统图，如图3所示。

而我们上文介绍到的相序测定计数法则应用在其中的编码器机构上。位移测量机构的简单示意图，如图4所示。其作用是将砝码上下位移通过位移-角度传动机构变成角度编码器的旋转角度，然后由角度编码器根据实际角度输出相应的计数脉冲信号。

其工作原理：当油缸中的活塞（6）带动砝码并连带的顶盘（5）在垂直方向上作上下运动时，连在砝码顶部的水平支撑轴（4）和位移导向滑动杆（10）会沿着固定在三角夹板（12）上的导向法兰（11）作垂直方向的运动，装配在固定平板（9）上的转动组件（2）、（7）、（8）将连接在编码器（1）上连接轴（3）紧靠于位移滑杆的橡胶那一面上，与之相连接编码器同时发生转动，从而使编码器输出与砝码位移相对应的脉冲信号，进行计数。进而就可以利用上文所提到的相序计数测定法对砝码的位置进行控制。

4 结 语

实验证明通过上述方法确实能准确安全的控制砝码的位置，可以使系统加载砝码至任意一个整数点，令压力计量工作能更简单高效的展开。

参考文献：

[1] 俞竹青，潘全胜.一种光电编码器用可编程计数电路的设计[J].传感器技术，2002，（10）.

[2] 唐镜军.光电脉冲编码器电路原理[J].机床电器，2009，（4）.

[3] 刘得芳，马红，王斌，等.光电编码器输出脉冲可逆计数的一种实用方法 [J].控制与检测，2006，（7）.

[4] 潘征宇，洪扁，张进民，等.1 500 MPa超高压国家基准砝码自动加载系统 研制[J].中国计量，2010，（8）.