基于压电陶瓷的材料微小形变测量系统

朱 月，李骏慧，于慧振，苏 峻

(南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

0 引 言

当外界物理量发生变化时，固体材料在三维尺度上会发生微小形变，针对不同测量的需求，表现为材料的热膨胀系数、杨氏模量、弹性模量等物理特性参数，而这些物理量对材料的实际使用具有重要的影响[1]。在常规的测量方法中，通常借助于长度测量工具(如游标卡尺、千分尺等)，或者利用光学放大方法(光杠杆)等进行测量，测量过程较为繁琐，测量精度较差，误差较大，且不易进行长时间值守测量。

1 总体方案设计

系统主要由压力传感器、压电陶瓷、保温箱、驱动电机、电路控制盒、电源控制盒以及液晶显示屏组成。系统通过压力传感器和压电陶瓷实现对材料物理形变的测量，通过上位机进行数据处理，并通过液晶显示相关信息。系统整体结构如图1所示，系统整体框架图如图2所示。

图1 系统整体结构

图2 系统整体框架图

本系统利用高灵敏度压力传感器来检测样品自由端的位置，并针对不同样品进行调节,使测试能完成以下功能:1)测试到的压力值借助压力传感器获得反馈，以确定样自由端的实时位置；2)单片机控制步进电机精密丝杆对样品接触端位置进行反馈调节，实时跟随样品的自由端进行移动，即样品的形变量；3)自由端的移动量将通过进行液晶显示、存储于EEPROM，同时通过串口实时传送给上位机,进行数据图谱显示和存储；4)上位机软件可根据实时[2]记录的样品形变信息，绘制出形变量随控制变量(如温度、湿度、压力等)的特性曲线，并计算出相应的物理特性参数。

2 系统硬件设计

本测量系统的硬件部分主要由51单片机最小系统、高压驱动电路、显示电路、电机控制电路、测量电路及加热电路组成。

2.1 电机控制电路

采用42步进电机，步距精度为5 %，耐压范围大，其根据压力值的变化，在单片机的脉冲作用下正反转动，用以驱动精密丝杆带动传感器滑台的上下移动，得出一级校准形变测量值。实际电路中，电机的四个引脚通过连接驱动器的四个控制端，实现两相的正转和反转。控制电机电路有一个限位开关，其INTIAL引脚产生一个触发脉冲，电机便会被驱动反转。

2.2 测量电路

测量电路由压力传感器[3]的数值读取和数据转换部分组成，传感器HX711读取24位AD值，送入数据转换部分，将电阻值转换为实际所受压力输出。HX711芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。

2.3 加热电路

系统将加热片贴于测量容器内壁，采用硅橡胶带温控加热片，12 V供电，借助功率管进行功率放大，实现温度对材料形变影响的测量。实际电路中，信号通过光耦元件被传到后级放大电路，与场效应管控制电路的通断，以实现后续加热片的加热。

2.4 高压驱动电路

压电陶瓷的正压电效应[4]为：在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，压电陶瓷的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。

实际测量电路中，可选用P5压电陶瓷制动器。高压工作原理为：当样品的长度减小时，通过给压电陶瓷施加的电压量以换算出减小的长度。同理，当样品的长度增大时，会对压电陶瓷施加相应的压力，驱使压电陶瓷产生电压，以便换算出样品增大的长度。

高压驱动电路在12 V供电电源的作用下，向压电陶瓷施加100～250 V范围内电压，使压电陶瓷输出的电阻值发生一定规律的变化，实验数据如表1。

表1 高压模块电阻与电压对应关系

实际电路中，选用插排的两个引脚分别接数字电位器X9C104的INC,U/D引脚。INC表示该引脚在下降沿时可以调节电位器，U/D表示该引脚置高代表增加电阻值，置低代表减小电阻值。该数字电位器部分用以驱动高压模块的工作。

3 工作流程设计

首先，在上位机界面上设定压力传感器触碰样品的接触力阈值(Fth)和允许误差(δ)。打开控制电路盒上的电源开关，装置自动进行初始化动作：先控制滑台向上移动，触发限位开关，限位开关向单片机发送脉冲信号，单片机接收到信号后，控制电机反转，滑台开始向下移动直到接触样品，使压力传感器与样品之间的接触压力到达一定范围，初始化过程结束。

初始化动作完成后，滑台在步进电机的控制下缓慢下移，直至其末端的压力传感器缓慢接触样品自由端，压力传感器检测到的接触压力值(Ftou)逐渐增大。当检测到f的值满足|Fth-Ftou|<δ时，上位机发送指令停止电机转动，并将此时滑台在丝杆上的位置记作初始值，也即为样品自由端的初始值位置。当样品受热膨胀时，样品自由端向上运动，使得传感器与样品之间的接触压力值Ftou增加，当|Fth-Ftou|>δ时，上位机发送指令控制电机驱动传感器作向上抬起运动，直至Ftou的值又回到Fth-δ和Fth+δ之间。

同理，当样品受冷收缩时，样品自由端向下运动，使得传感器与样品之间的接触压力值Ftou减少，当|Fth-Ftou|<δ时，上位机发送指令控制电机驱动传感器作向下运动，直至Ftou的值又回到Fth-δ和Fth+δ之间。上位机通过此过程中步进电机转动的角度测算得到传感器移动的距离(其中，单片机每发出一个脉冲，步进电机便旋转固定角度，步进电机最终转动的角度通过给出脉冲数计算)，即为样品自由端的相对伸长量(本实验中用的丝参数为：电机每驱动丝杆转360°，相对高度便提高或减小2 mm)。上述工作流程对应如图3所示。

图3 工作流程图

在整个测量过程中，反复进行反馈调整，保证Ftou在Fth-δ和Fth+δ之间，也即保证了传感器跟随样品自由端作上下运动。

当测量过程结束后，通过将实时的形变量传送给上位机，上位机接收到数据后根据储存在上位机中的计算公式，可自动得出结果并绘制曲线，通过液晶与上位机进行数据变化的实时显示，最后将数据保存。如此反复，即实现了对材料的自动跟踪测量与记录。

4 上位机软件设计

4.1 人机交互面设计

在测量过程中，可以通过液晶触摸屏观察到实时测量的数据，如温度、形变量等。在上位机中，通过停止，复位按钮点击可进行复位和停止操作，测量数据与将会存储在系统文件里。

4.2 形变计算与线性拟合程序

数据拟合过程是使用C#编写的相应程序，通过式(1)和式(2)的代入，对测量的数据进行线性拟合

(1)

(2)

拟合出函数Y=aX+b中的参数a和b，再根据最小二乘法[5]的算法，得出最后的热涨系数。

4.3 上位机界面设计

上位机显示界面将下位机传输过来的数据进行自动绘图[6]，横坐标表示温度(℃)，纵坐标表示形变(μm)。上位机系统会自动根据所测量的形变量进行相关物理系数的计算。界面中包含串口检测、打开(关闭)串口、开始测量等按钮。可以显示波特率、最高温、最低温、样品长度等物理值。提供实时环境数据显示并更新变化的物理量(图4以测量样本的热膨胀系数为例)。

图4 上位机界面

5 实验与分析

多次测试基于压电陶瓷的材料微小形变测量装置的性能，结果如表2，由表中可以看出，两种样本[7]每次测量的误差进度都在5 %之内，性能符合要求。

表2 实验测试

6 结 论

本文设计了一种基于压电陶瓷的材料微小形变自动跟随测量系统，通过高精度丝杆电机快速逼近和调整的调校方式，既扩大了测量范围，同时也保证了测量精度和速度。装置可持续性强，测量过程无需人为干涉，对于长时间缓慢变化的材料形变特性参数，可实现长时间全自动稳定跟随测量；可以连接上位机实时显示，实时将样品自由端的位置变化信息以及环境参数显示出来；可以实现脱机测量，不需要连接电脑，直接通过液晶显示当前材料自由端的变化量以及环境参数。