吳房勝，李如平，徐金秀

（安徽工商職業(yè)學(xué)院　電子信息系，安徽　合肥231131）

基于PLC的高精度測力校準(zhǔn)儀的研究

吳房勝，李如平，徐金秀

（安徽工商職業(yè)學(xué)院電子信息系，安徽合肥231131）

在對(duì)大力值傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于無法施加非常大的標(biāo)準(zhǔn)力，只能先對(duì)小量程段進(jìn)行校準(zhǔn)，再依靠經(jīng)驗(yàn)對(duì)大量程段校準(zhǔn)，這使校準(zhǔn)儀測試的精度較低。為此，利用PLC控制技術(shù)，結(jié)合最小二乘準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了一套裝置，它不僅能精確校準(zhǔn)500 t以內(nèi)的大力值傳感器，且能精確檢測各種實(shí)驗(yàn)物的大力值抗壓能力，精度和穩(wěn)定性都令人滿意。

高精度；大力值；力值校準(zhǔn)；抗壓

在現(xiàn)代科學(xué)研究與技術(shù)發(fā)展中，高精確度的大力值測量與如航天技術(shù)中的動(dòng)力性能的研究、新型材料的機(jī)械特性的研究、建筑部門的工程質(zhì)量檢測等都密不可分。力值的測量精度會(huì)嚴(yán)重影響檢測結(jié)果。本文根據(jù)液體靜力學(xué)原理，采用PLC控制技術(shù)，結(jié)合最小二乘準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一套裝置，該裝置不僅能對(duì)大力值傳感器進(jìn)行分段計(jì)量校準(zhǔn)，而且能有效測量被檢測器件的機(jī)械抗壓能力［1］。

1　裝置概述

裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1左側(cè)為施力部分，右側(cè)為油箱注油與數(shù)據(jù)采集部分。該裝置是用置于放物臺(tái)上的高精度的大力值傳感器對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的。校準(zhǔn)過程是利用油泵注油，使油推動(dòng)頂桿向上移動(dòng)，對(duì)傳感器產(chǎn)生壓力，通過對(duì)在此過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和計(jì)算，得到安裝在柱塞泵上的位移傳感器的位移與試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)物所受壓力的關(guān)系。

裝置具體的工作過程如下：先將高精度的大力值傳感器置于試驗(yàn)臺(tái)上，再由電機(jī)控制齒輪泵通過油管向油缸注油使頂桿上升，在此過程中，高精度校正傳感器檢測出的壓力信號(hào)被傳送至控制中心，控制中心計(jì)算后將數(shù)據(jù)送到顯示部分，顯示出力值大小。

當(dāng)壓力接近設(shè)定值時(shí)，齒輪泵停止工作，同時(shí)啟動(dòng)柱塞泵的伺服電機(jī)。該伺服電機(jī)配備減速比為100的減速機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，用來控制柱塞泵的微量上升和下降，以保證在壓力上升至設(shè)定值時(shí)，柱塞泵停止工作。

圖1　裝置示意圖

當(dāng)壓力達(dá)到所設(shè)定的值時(shí)，柱塞泵上安裝的高精度位移傳感器（采用F-P激光干涉儀原理，校準(zhǔn)示值誤差可達(dá)到幾十個(gè)納米，可測范圍為0～25 mm［2］）會(huì)檢測出柱塞泵的移動(dòng)距離，并將該信號(hào)傳送給PLC控制中心。同時(shí)，在進(jìn)油管和回油管上安裝的單向逆止閥控制系統(tǒng)內(nèi)液體的壓力和流量，最大限度地控制液體壓力的波動(dòng)，保證加卸載的單向性。

因柱塞泵向油缸注油是微量進(jìn)給的，且所使用的高精度力值傳感器精度可達(dá)到0.01%，故它在精度和穩(wěn)定度方面都有保障，能夠準(zhǔn)確地對(duì)500 t以內(nèi)的傳感器進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)、校核、定性和定級(jí)，克服了利用砝碼無法計(jì)量高力值的困難。

2　理論依據(jù)

2.1壓力傳感器測量方法的缺點(diǎn)

在靜壓系統(tǒng)中，接近油缸的油管處放置一高精度的壓力傳感器，如圖2所示。

圖2靜壓系統(tǒng)示意圖

圖2中，油缸和放置壓力傳感器的油管是連通的，高度相同的兩處壓強(qiáng)相等，都是。其中，F(xiàn)1為壓力傳感器測出的壓力值的轉(zhuǎn)換值，d1為油管的直徑，d2為缸塞的直徑，m為頂桿與活塞的質(zhì)量，F(xiàn)2為試驗(yàn)物所承受的力。整理得

在（1）式中，d1、d2和m的值是固定不變的，故F2隨F1呈線性變化，又因?yàn)閐2>>d1，所以可成功地將小力值F1轉(zhuǎn)換成大力值F2。但是，由于壓力傳感器的測量精度很難達(dá)到0.05%，故經(jīng)過線性計(jì)算得到的F2的精度也不可能超過這一數(shù)值。也就是說，該方法的測量精度依賴于壓力傳感器的精度而不能得到有效的提升。

2.2裝置的基本理論

量程校正開始后，高精度校正傳感器所受的壓力逐漸增大，當(dāng)力值的變化量為某一設(shè)定值F時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)讀出高精度位移傳感器檢測到的移動(dòng)距離S，并記錄下每段量程的數(shù)據(jù)變化?？刂栖浖ㄟ^分析這些數(shù)據(jù)，計(jì)算出力值與柱塞泵內(nèi)活塞移動(dòng)距離之間的關(guān)系，并將其保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。得到的變化關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)測試中記錄的點(diǎn)，采用最小二乘準(zhǔn)則［3］擬合出一條直線，方程為。其中，表示當(dāng)S取某一個(gè)值時(shí)F的預(yù)測值，也就是擬合直線上對(duì)應(yīng)的F值。根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則，需使檢測點(diǎn)與直線間垂直距離的殘差最小。由于有些觀測點(diǎn)在直線之上，有些觀測點(diǎn)在直線之下，故有些e是正值，有些e是負(fù)值，它們相加后會(huì)抵消，可能使很小，但個(gè)別的e仍然很大。為此，我們選擇了先平方再相加的方法［4］，所得殘差的平方和是b0和b1的二次函數(shù)，為正且連續(xù)可微。根據(jù)微積分求極小值的原理，要使殘差平方和達(dá)到最小值，殘差平方和對(duì)b0和b1的偏導(dǎo)數(shù)必須為零［4］，計(jì)算得到

圖3　力值與柱塞泵移動(dòng)距離之間的關(guān)系

只需將采集到的數(shù)據(jù)代入（1）、（2）式，即可求出用最小二乘準(zhǔn)則擬合出的直線方程的解［5］。

這樣，進(jìn)行壓力校正后，根據(jù)F與S的線性關(guān)系，只需讀出柱塞泵的精確移動(dòng)距離，即可得出試驗(yàn)物所承受的壓力的大小。將力值的變化轉(zhuǎn)換成位移的變化，可避免出現(xiàn)因壓力傳感器精度達(dá)不到要求而無法保證測量精度的問題［6］，可方便地用于精確校準(zhǔn)其他各類力值傳感器的各段量程，且最大限度地減小了摩擦力等因素的影響。

3　系統(tǒng)控制部分

裝置硬件的控制由三菱PLC控制模塊與西門子Smart 700 IE系列觸摸屏結(jié)合完成，同時(shí)外擴(kuò)多路A/D轉(zhuǎn)換模塊，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換。硬件電路框圖如圖4所示。

圖4　硬件電路框圖

觸摸屏軟件采用WinCC flexible standard編輯軟件［7-8］，其編輯界面如圖5所示。圖5（a）顯示的是觸摸屏型號(hào)與三菱PLC型號(hào)匹配連接圖，圖5（b）所示的是觸摸屏按鍵與顯示設(shè)定界面。系統(tǒng)共設(shè)8個(gè)按鍵與3個(gè)顯示文本框，按鍵與顯示采集周期均設(shè)定為100 ms。

圖5　觸摸屏參數(shù)設(shè)置圖

圖6　模/數(shù)轉(zhuǎn)換程序

PLC梯形圖采用GX Developer軟件編寫，其模/數(shù)轉(zhuǎn)換程序如圖6所示。A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸出的信號(hào)傳送給PLC控制模塊，由PLC控制模塊中的信號(hào)處理模塊進(jìn)行分析處理［9-10］。泵的伺服電機(jī)開始運(yùn)行，向油缸進(jìn)行微量進(jìn)給［11-12］。當(dāng)顯示的值達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，控制柱塞泵的伺服電機(jī)就停止運(yùn)行，并采集位移傳感器信號(hào)。系統(tǒng)根據(jù)采集信號(hào)的大小計(jì)算出柱塞泵移動(dòng)的距離，并自動(dòng)記錄各量程段的位移與力值的數(shù)據(jù)，利用最小二乘準(zhǔn)則，計(jì)算和分析力值與位移之間的線性關(guān)系，觀察其精度是否滿足要求［13］。

觸摸屏的工作界面如圖8所示，其中包括當(dāng)前力值和當(dāng)前位移等顯示窗口，以及故障報(bào)警指示燈。點(diǎn)擊圖8中“啟動(dòng)”按鈕，裝置將進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，檢測并記錄當(dāng)前試驗(yàn)物的移動(dòng)距離值與壓力值，分析其線性關(guān)系并判斷其精度是否符合要求；點(diǎn)擊“停止”按鈕，設(shè)備停止運(yùn)行。如裝置在自動(dòng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障，則啟動(dòng)故障報(bào)警功能，工作界面的故障報(bào)警燈閃爍并報(bào)警，同時(shí)裝置停止運(yùn)行并進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。另外，還提供了手動(dòng)控制模式，通過手動(dòng)控制進(jìn)行人為操作，使系統(tǒng)更加人性化［14］。

程序流程如圖7所示。點(diǎn)擊觸摸屏上的自動(dòng)運(yùn)行按鈕后，齒輪泵電機(jī)運(yùn)行，開始向油缸內(nèi)注油，支撐試驗(yàn)物的頂桿開始逐漸上升，使試驗(yàn)物向上壓高精度校正傳感器，校正傳感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后傳送至PLC，并在觸摸屏上顯示出當(dāng)前力值。如果顯示的值達(dá)到設(shè)定值的90%，則齒輪泵停止工作，控制柱塞

圖7　軟件流程圖

圖8　工作界面

4　結(jié)束語

裝置依靠PLC運(yùn)行的高穩(wěn)定性和優(yōu)化的算法，解決了利用砝碼計(jì)量無法對(duì)大力值范圍進(jìn)行檢測的問題，測量精度高，保證了對(duì)力值傳感器校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性［15］。另外，本系統(tǒng)操作界面采用觸摸屏顯示與控制，使操作更加直觀、人性化。

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【責(zé)任編輯梅欣麗】

The Research of High-precision Measuring Calibration Instrument Based on PLC

WU Fangsheng，LI Ruping，XU Jinxiu
（Faculty of Electronics and Information，Anhui Business Vocational College，Hefei 231131，China）

While calibrating the great-value sensor，as the very great standard force could not be applied，we could only first calibrate the small-scale section，and then rely on the experience to calibrate the large-range segment，which made the precision of calibrating test lower.Thus，using PLC control technology and combining the least squares means，we designed a device，which could accurately calibrate the sensor within 500 t，and could accurately detect the great value anti-pressure ability of various experiments.The accuracy and stability were both satisfactory.

high precision；great value；force calibration；anti-pressure

TP23

A

2095-7726（2016）03-0061-04

2015-07-01

安徽省高等院校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2015mooc178，2015ckjh142）；安徽省高校重點(diǎn)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2015A389）；安徽省教學(xué)研究項(xiàng)目（2014sjjd078）

吳房勝（1983-），男，安徽安慶人，講師，碩士，研究方向：智能控制技術(shù)。