陳曉東，彭海波，曹桂松

(1. 中航工業(yè)貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司，貴州安順561018;2. 中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108)

0 引言

在各類材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、材料科學(xué)研究和教學(xué)試驗(yàn)中都必須應(yīng)用材料試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行力學(xué)性能測試。力學(xué)性能可分為靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，試驗(yàn)機(jī)也可分為靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)。依據(jù)試驗(yàn)機(jī)測試領(lǐng)域工作原理的不同?？梢苑譃楹芏囝愋?，其中，以標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)試樣作為被測件的試驗(yàn)機(jī)通常稱為材料試驗(yàn)機(jī)。本文主要針對材料試驗(yàn)機(jī)測量結(jié)果顯示技術(shù)進(jìn)行研究。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，力學(xué)性能的自動(dòng)測試已成為體現(xiàn)測試技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)已擁有數(shù)萬臺(tái)各類試驗(yàn)機(jī)，其中大部分試驗(yàn)機(jī)都是傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式，測試準(zhǔn)確度低、操作不方便、無法滿足某些特定需要，更談不上測試的自動(dòng)化。一部分試驗(yàn)機(jī)雖有電子測試能力或配有計(jì)算機(jī)，但因其技術(shù)落后或經(jīng)多年運(yùn)行，其工作已不可靠，甚至已處于癱瘓或半癱瘓狀態(tài)?，F(xiàn)有試驗(yàn)機(jī)如何能跟上時(shí)代并繼續(xù)發(fā)揮效能，已受到廣泛的關(guān)注。

1 工作原理簡介

要使傳統(tǒng)的機(jī)械式試驗(yàn)機(jī)具備直接顯示測試結(jié)果能力，并使其達(dá)到測試的自動(dòng)化，必須配備以下幾個(gè)部分:力或位移傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集接口及控制接口、數(shù)據(jù)顯示模塊、測試軟件、控制器及計(jì)算機(jī)。簡要工作原理圖如圖1 所示。

圖1 工作原理圖

將力傳感器接入測力系統(tǒng)，當(dāng)有力施加在電測傳感器上時(shí)，力傳感器中的電壓就會(huì)發(fā)生變化，電壓經(jīng)信號(hào)調(diào)整器變換為小電壓信號(hào)，經(jīng)過放大后送給信號(hào)保持電路，使被測信號(hào)變?yōu)閿?shù)據(jù)采集器可有效采集的電壓信號(hào);之后經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送到數(shù)據(jù)采集器中，數(shù)據(jù)采集器在單片機(jī)微控制系統(tǒng)的控制之下，對被測信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，并讀取測量結(jié)果，進(jìn)行必要的分析處理，從而測出傳感器上所承受力的大小，顯示輸出。另外，在計(jì)算機(jī)的控制之下，單片機(jī)系統(tǒng)接受并響應(yīng)計(jì)算機(jī)的測量控制命令，完成相應(yīng)的測量任務(wù)，將測量結(jié)果送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)完成更為復(fù)雜的分析處理和數(shù)據(jù)曲線輸出管理功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)整電路設(shè)計(jì)

主要完成信號(hào)放大及電流/電壓變換輸出等功能。原理電路圖如圖2 所示。

圖2 信號(hào)變換及放大電路圖

該電路使用了具有低噪聲、低偏置電流、低失調(diào)、低漂移、輸入阻抗高等特點(diǎn)的OPA2111 芯片作為信號(hào)的前期放大。該芯片非常適用于精密儀器的信號(hào)前期放大，放大倍數(shù)由電阻R2和R1完成(放大倍數(shù)Av =10 × (1 +2R2/R1) =1000 倍)。它與精密差分放大器共同組成拉力信號(hào)前期放大。此放大電路特別適合用于精密型儀表放大器的前期放大。

2.2 信號(hào)保持與自動(dòng)采集電路設(shè)計(jì)

此部分電路構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)的主功能電路，該部分接收從信號(hào)調(diào)整電路中輸出的電壓信號(hào)，并將其送入信號(hào)保持電路，然后送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后傳送到CPU 中，通過設(shè)在CPU 中的程序來完成對輸入信號(hào)的自動(dòng)采集。在電路中使用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器為A/D574，它是12位的轉(zhuǎn)換器，其模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于32μs，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，非常適合拉力瞬態(tài)變化的采集。其原理圖如圖3 所示。

圖3 信號(hào)保持與自動(dòng)采集電路圖

2.3 數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)通訊電路設(shè)計(jì)

該部分電路主要是用于單片機(jī)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通訊和LCM 液晶顯示屏數(shù)據(jù)顯示。在電路中MAX232 芯片用于單片機(jī)與上位機(jī)的串行通訊，它負(fù)責(zé)把接收到的上位機(jī)傳來指令送給單片機(jī)實(shí)行，并把單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)給計(jì)算機(jī)和LCM 顯示器顯示。其中，HB240128LCM 液晶顯示器內(nèi)含HB9188 智能芯片，并內(nèi)置GB2312 代碼，可以實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII 碼、變化曲線同屏顯示，并利用可串行或并行口輸入顯示，編程簡單。數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)通訊電路原理圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)通訊電路及數(shù)據(jù)顯示圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)CPU 中的程序工作流程圖

單片機(jī)CPU 中的程序主要控制A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和停止，并完成數(shù)據(jù)的采集、分析處理及輸出等功能。當(dāng)單片機(jī)接收到上位機(jī)采集數(shù)據(jù)指令后，開始啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集到的數(shù)據(jù)合成為計(jì)算機(jī)和LCM 顯示器相匹配的數(shù)據(jù)，然后分別通過串行口和并行口發(fā)送給計(jì)算機(jī)和LCM 顯示器。以此不斷地循環(huán)，直到單片機(jī)接收到停止命令。該單片機(jī)固化程序采用Keil C 進(jìn)行編程。主要的程序流程圖如圖5 所示。

3.2 測量結(jié)果的輸出

為了實(shí)現(xiàn)測量的自動(dòng)化，利用計(jì)算機(jī)的RS232 接口與單片機(jī)輸出接口連接。采用VB 6.0 編程語言進(jìn)行計(jì)算機(jī)通信編程，其計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通信的主要程序如下:

在測量時(shí)只需要啟動(dòng)計(jì)算機(jī)里面的特有程序就能實(shí)現(xiàn)測量的自動(dòng)化，并且能夠繪制出測試曲線、報(bào)告

計(jì)算機(jī)發(fā)送“3”啟動(dòng)單片機(jī)開始測量程序如下:

Private Sub Command1_ Click ()

Dim byout (0)As Byte

Dim buf$

byout (0)=3

buf = MSComm1. Input

MSComm1. Output = byout

End Sub

計(jì)算機(jī)通過RS232 接口接收單片機(jī)測量數(shù)據(jù)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。計(jì)算機(jī)上顯示的測量曲線如圖6 所示，檢定結(jié)果如表1 所示。

表1 檢定結(jié)果

圖5 程序流程圖

圖6 測試曲線圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJG475 －1986 《電子式萬能試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》要求，其1 級(jí)試驗(yàn)機(jī)的示值相對誤差為±1.0%、示值變動(dòng)性為±1.0%、進(jìn)回程示值相對誤差為1.5%、回零誤差為0.1%。由此可見，該試驗(yàn)機(jī)符合1 級(jí)。

3.3 軟件系統(tǒng)特點(diǎn)

該軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、測試結(jié)果的存儲(chǔ)、顯示、打印，以及根據(jù)材料指標(biāo)對測試結(jié)果的智能判斷。另外，軟件以圖形方式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示測量結(jié)果，有利于對材料總體性能進(jìn)行判斷。并且該軟件系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了多次測試，在同一畫面中以不同顏色同時(shí)顯示，方便了不同材料性能的對比。在測試功能的擴(kuò)充方面，它利用計(jì)算機(jī)毫秒定時(shí)器及測量值開展了粘合度性能的檢定。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)利用單片機(jī)技術(shù)，通過高精度力傳感器、前期放大器以及12 位A/D 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)的準(zhǔn)確測量;并且通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了檢定結(jié)果智能判斷，提高了工作效率，將全部測量結(jié)果以圖形方式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，符合材料力學(xué)的科學(xué)分析。

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［2］鄧其源. 試驗(yàn)機(jī)的升級(jí)改造技術(shù)及其展望［J］. 理化檢測－物理分冊，2001，37 (1):2 －6.

［3］何立民.MSC－51 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

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