朱 月，李駿慧，于慧振，蘇 峻

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

當(dāng)外界物理量發(fā)生變化時，固體材料在三維尺度上會發(fā)生微小形變，針對不同測量的需求，表現(xiàn)為材料的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量、彈性模量等物理特性參數(shù)，而這些物理量對材料的實際使用具有重要的影響[1]。在常規(guī)的測量方法中，通常借助于長度測量工具(如游標(biāo)卡尺、千分尺等)，或者利用光學(xué)放大方法(光杠桿)等進行測量，測量過程較為繁瑣，測量精度較差，誤差較大，且不易進行長時間值守測量。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)主要由壓力傳感器、壓電陶瓷、保溫箱、驅(qū)動電機、電路控制盒、電源控制盒以及液晶顯示屏組成。系統(tǒng)通過壓力傳感器和壓電陶瓷實現(xiàn)對材料物理形變的測量，通過上位機進行數(shù)據(jù)處理，并通過液晶顯示相關(guān)信息。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)整體框架圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)整體框架圖

本系統(tǒng)利用高靈敏度壓力傳感器來檢測樣品自由端的位置，并針對不同樣品進行調(diào)節(jié),使測試能完成以下功能:1)測試到的壓力值借助壓力傳感器獲得反饋，以確定樣自由端的實時位置；2)單片機控制步進電機精密絲桿對樣品接觸端位置進行反饋調(diào)節(jié)，實時跟隨樣品的自由端進行移動，即樣品的形變量；3)自由端的移動量將通過進行液晶顯示、存儲于EEPROM，同時通過串口實時傳送給上位機,進行數(shù)據(jù)圖譜顯示和存儲；4)上位機軟件可根據(jù)實時[2]記錄的樣品形變信息，繪制出形變量隨控制變量(如溫度、濕度、壓力等)的特性曲線，并計算出相應(yīng)的物理特性參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本測量系統(tǒng)的硬件部分主要由51單片機最小系統(tǒng)、高壓驅(qū)動電路、顯示電路、電機控制電路、測量電路及加熱電路組成。

2.1 電機控制電路

采用42步進電機，步距精度為5 %，耐壓范圍大，其根據(jù)壓力值的變化，在單片機的脈沖作用下正反轉(zhuǎn)動，用以驅(qū)動精密絲桿帶動傳感器滑臺的上下移動，得出一級校準(zhǔn)形變測量值。實際電路中，電機的四個引腳通過連接驅(qū)動器的四個控制端，實現(xiàn)兩相的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)?？刂齐姍C電路有一個限位開關(guān)，其INTIAL引腳產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖，電機便會被驅(qū)動反轉(zhuǎn)。

2.2 測量電路

測量電路由壓力傳感器[3]的數(shù)值讀取和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分組成，傳感器HX711讀取24位AD值，送入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分，將電阻值轉(zhuǎn)換為實際所受壓力輸出。HX711芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。

2.3 加熱電路

系統(tǒng)將加熱片貼于測量容器內(nèi)壁，采用硅橡膠帶溫控加熱片，12 V供電，借助功率管進行功率放大，實現(xiàn)溫度對材料形變影響的測量。實際電路中，信號通過光耦元件被傳到后級放大電路，與場效應(yīng)管控制電路的通斷，以實現(xiàn)后續(xù)加熱片的加熱。

2.4 高壓驅(qū)動電路

壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)[4]為：在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。

相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，壓電陶瓷的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

實際測量電路中，可選用P5壓電陶瓷制動器。高壓工作原理為：當(dāng)樣品的長度減小時，通過給壓電陶瓷施加的電壓量以換算出減小的長度。同理，當(dāng)樣品的長度增大時，會對壓電陶瓷施加相應(yīng)的壓力，驅(qū)使壓電陶瓷產(chǎn)生電壓，以便換算出樣品增大的長度。

高壓驅(qū)動電路在12 V供電電源的作用下，向壓電陶瓷施加100～250 V范圍內(nèi)電壓，使壓電陶瓷輸出的電阻值發(fā)生一定規(guī)律的變化，實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 高壓模塊電阻與電壓對應(yīng)關(guān)系

實際電路中，選用插排的兩個引腳分別接數(shù)字電位器X9C104的INC,U/D引腳。INC表示該引腳在下降沿時可以調(diào)節(jié)電位器，U/D表示該引腳置高代表增加電阻值，置低代表減小電阻值。該數(shù)字電位器部分用以驅(qū)動高壓模塊的工作。

3 工作流程設(shè)計

首先，在上位機界面上設(shè)定壓力傳感器觸碰樣品的接觸力閾值(Fth)和允許誤差(δ)。打開控制電路盒上的電源開關(guān)，裝置自動進行初始化動作：先控制滑臺向上移動，觸發(fā)限位開關(guān)，限位開關(guān)向單片機發(fā)送脈沖信號，單片機接收到信號后，控制電機反轉(zhuǎn)，滑臺開始向下移動直到接觸樣品，使壓力傳感器與樣品之間的接觸壓力到達一定范圍，初始化過程結(jié)束。

初始化動作完成后，滑臺在步進電機的控制下緩慢下移，直至其末端的壓力傳感器緩慢接觸樣品自由端，壓力傳感器檢測到的接觸壓力值(Ftou)逐漸增大。當(dāng)檢測到f的值滿足|Fth-Ftou|<δ時，上位機發(fā)送指令停止電機轉(zhuǎn)動，并將此時滑臺在絲桿上的位置記作初始值，也即為樣品自由端的初始值位置。當(dāng)樣品受熱膨脹時，樣品自由端向上運動，使得傳感器與樣品之間的接觸壓力值Ftou增加，當(dāng)|Fth-Ftou|>δ時，上位機發(fā)送指令控制電機驅(qū)動傳感器作向上抬起運動，直至Ftou的值又回到Fth-δ和Fth+δ之間。

同理，當(dāng)樣品受冷收縮時，樣品自由端向下運動，使得傳感器與樣品之間的接觸壓力值Ftou減少，當(dāng)|Fth-Ftou|<δ時，上位機發(fā)送指令控制電機驅(qū)動傳感器作向下運動，直至Ftou的值又回到Fth-δ和Fth+δ之間。上位機通過此過程中步進電機轉(zhuǎn)動的角度測算得到傳感器移動的距離(其中，單片機每發(fā)出一個脈沖，步進電機便旋轉(zhuǎn)固定角度，步進電機最終轉(zhuǎn)動的角度通過給出脈沖數(shù)計算)，即為樣品自由端的相對伸長量(本實驗中用的絲參數(shù)為：電機每驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)360°，相對高度便提高或減小2 mm)。上述工作流程對應(yīng)如圖3所示。

圖3 工作流程圖

在整個測量過程中，反復(fù)進行反饋調(diào)整，保證Ftou在Fth-δ和Fth+δ之間，也即保證了傳感器跟隨樣品自由端作上下運動。

當(dāng)測量過程結(jié)束后，通過將實時的形變量傳送給上位機，上位機接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)儲存在上位機中的計算公式，可自動得出結(jié)果并繪制曲線，通過液晶與上位機進行數(shù)據(jù)變化的實時顯示，最后將數(shù)據(jù)保存。如此反復(fù)，即實現(xiàn)了對材料的自動跟蹤測量與記錄。

4 上位機軟件設(shè)計

4.1 人機交互面設(shè)計

在測量過程中，可以通過液晶觸摸屏觀察到實時測量的數(shù)據(jù)，如溫度、形變量等。在上位機中，通過停止，復(fù)位按鈕點擊可進行復(fù)位和停止操作，測量數(shù)據(jù)與將會存儲在系統(tǒng)文件里。

4.2 形變計算與線性擬合程序

數(shù)據(jù)擬合過程是使用C#編寫的相應(yīng)程序，通過式(1)和式(2)的代入，對測量的數(shù)據(jù)進行線性擬合

(1)

(2)

擬合出函數(shù)Y=aX+b中的參數(shù)a和b，再根據(jù)最小二乘法[5]的算法，得出最后的熱漲系數(shù)。

4.3 上位機界面設(shè)計

上位機顯示界面將下位機傳輸過來的數(shù)據(jù)進行自動繪圖[6]，橫坐標(biāo)表示溫度(℃)，縱坐標(biāo)表示形變(μm)。上位機系統(tǒng)會自動根據(jù)所測量的形變量進行相關(guān)物理系數(shù)的計算。界面中包含串口檢測、打開(關(guān)閉)串口、開始測量等按鈕?？梢燥@示波特率、最高溫、最低溫、樣品長度等物理值。提供實時環(huán)境數(shù)據(jù)顯示并更新變化的物理量(圖4以測量樣本的熱膨脹系數(shù)為例)。

圖4 上位機界面

5 實驗與分析

多次測試基于壓電陶瓷的材料微小形變測量裝置的性能，結(jié)果如表2，由表中可以看出，兩種樣本[7]每次測量的誤差進度都在5 %之內(nèi)，性能符合要求。

表2 實驗測試

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于壓電陶瓷的材料微小形變自動跟隨測量系統(tǒng)，通過高精度絲桿電機快速逼近和調(diào)整的調(diào)校方式，既擴大了測量范圍，同時也保證了測量精度和速度。裝置可持續(xù)性強，測量過程無需人為干涉，對于長時間緩慢變化的材料形變特性參數(shù)，可實現(xiàn)長時間全自動穩(wěn)定跟隨測量；可以連接上位機實時顯示，實時將樣品自由端的位置變化信息以及環(huán)境參數(shù)顯示出來；可以實現(xiàn)脫機測量，不需要連接電腦，直接通過液晶顯示當(dāng)前材料自由端的變化量以及環(huán)境參數(shù)。