董玉婕，郭 磊，張 志，馬雙寶，賈樹林，林 巍

董玉婕1，郭 磊2，張 志3，馬雙寶*1，賈樹林1，林 巍1

（1. 武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200；2. 陸軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，湖北 武漢 430200；3. 中國人民解放軍第3303工廠，湖北 武漢 430200）

針對某裝備后座復進系統(tǒng)密封性能的人工檢測費時、費力且效率低下等問題，本文設計了一種基于STM32的后座復進系統(tǒng)性能全自動離線檢測儀。該儀器采用32位單片機STM32F429IGT6作為主控制器，控制液壓泵驅(qū)動千斤頂對后座復進系統(tǒng)模擬施加0-100KN之間的壓力，同時采用高精度壓力傳感器FCY-10100和高精度激光測距傳感器HG-C1100-P檢測復進系統(tǒng)受力過程中的壓力與位移實時值，繪制出系統(tǒng)在加載和卸載過程中位移-壓力關系圖，以此判別復進系統(tǒng)的性能。經(jīng)過實測，該儀器檢測精度高，性能穩(wěn)定，可準確判別復進系統(tǒng)的密封性能是否合格。

復進系統(tǒng)；密封性能；高精度壓力檢測；高精度位移檢測

某裝備后座復進系統(tǒng)的密封性能直接決定該整套裝備的工作效率與使用壽命，也是該裝備維修的重點環(huán)節(jié)。該復進系統(tǒng)的傳統(tǒng)檢測方式是人工方式，通過手搖千斤頂?shù)姆绞綄笞鶑瓦M系統(tǒng)施加力的作用使其向上運動，同時采用刻度尺測量出緩沖器向上移動的距離值，根據(jù)施加力的大致范圍和移動的距離來判斷緩沖器裝配后的性能是否符合標準。這種傳統(tǒng)的人工檢測方式不僅費時費力、效率低下，而且存在多方面的測量誤差且沒有嚴格準確的判斷標準，因此人工檢測的方式存在很大的缺陷。

針對目前市場上未有關于該裝備復進系統(tǒng)的全自動檢測儀器的現(xiàn)象，本文設計了一款基于STM32的復進系統(tǒng)全自動離線檢測儀器。該儀器采用控制器控制液壓泵與電動千斤頂模擬復進系統(tǒng)的運動狀況，采用高精度壓力傳感器與位移傳感器檢測復進系統(tǒng)加載與卸載過程中受力-位移關系曲線，進而判別復進系統(tǒng)的密封性能是否合格。使用該檢測儀器不但可以有效地避免人工檢測存在的缺陷，同時可以應用于大批量的裝備后座復進系統(tǒng)性能檢測，在提高檢測效率的同時也保證了檢測精度，降低了人工成本，實現(xiàn)了裝備性能檢測的自動化。

1 檢測儀器的整體設計思路

后座復進系統(tǒng)密封性能全自動檢測儀的設計思路是將復進系統(tǒng)固定在臺架上，通過微控制器STM32F429驅(qū)動液壓泵控制電動千斤頂對復進系統(tǒng)施加力的作用，模擬該復進系統(tǒng)的工作狀況，同時采

圖1 后座復進系統(tǒng)密封性能全自動檢測儀的設計方案

用高精度壓力傳感器與位移傳感器檢測復進系統(tǒng)加載和卸載過程中受力與位移的關系曲線，以此判別該復進系統(tǒng)的密封性能是否合格，總試壓時間為50-70秒。依據(jù)該設計思路，密封性能全自動檢測儀的設計方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計理論分析與計算

后座復進系統(tǒng)密封性能指標是以加載與卸載過程中復進系統(tǒng)承受的壓力與移動等參數(shù)作為主要判斷依據(jù)的，因此，在測試過程中復進系統(tǒng)的壓力與位移實時高精度檢測至關重要，本文采用激光三角法測位移與電阻應變式傳感器測量壓力。

2.1 激光三角法

激光位移傳感器是依據(jù)激光三角法的原理進行距離檢測的，所謂的激光三角測量法是因為激光光源與被測物體表面以及成像系統(tǒng)三者構成了一個三角形形狀的光路。一般測距系統(tǒng)中，按照入射光線與被測物體表面的法線所形成的夾角大小可以分為斜射式和直射式兩種系統(tǒng)測距方式[2]。本系統(tǒng)選用的HG-C1100-P傳感器是采用直射式激光三角法進行測距的。

2.1.1 斜射式激光三角法

圖2為斜射式激光三角法的光路圖。激光光束經(jīng)過準直透鏡照射到被測物體表面時與物體表面形成一個夾角，受光透鏡的光軸與被測物體表面法線也同樣形成另一個夾角，激光經(jīng)被測物體表面反射或散射的光束被受光透鏡接收后，由濾波片進行過濾后再被光電探測器采集成像。

圖2 斜射式激光三角法光路圖

圖3 直射式激光三角法光路圖

2.1.2 直射式激光三角法

當激光入射方式為直射式時，即激光光束垂直照射到被測物體表面，與物體表面法線所成的夾角為0。如圖3所示為直射式激光三角法光路圖。

此時=0，帶入公式（2）可得出：

2.2 電阻應變式壓力傳感器

2.2.1 傳感器測量電路

電阻應變式傳感器是利用金屬自身的電阻應變效應制造出的一種可以測量微小變化量的傳感器，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為傳感器內(nèi)部依附在彈性敏感元件上電阻應變片電阻值的變化，通過測量電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)變成電信號輸出[7]。電阻應變式稱重傳感器的測量電路如圖4所示。

圖4 電阻應變式壓力傳感器電路

由于應變式傳感器的輸出信號為mV級，為了提高測量精度，需要加以放大電路對傳感器的輸出信號電壓進行放大至0-5V。鑒于該測量電路的輸出阻抗過高，本系統(tǒng)設計了同相串聯(lián)結構型雙運放高共模抑制比放大電路（如圖5所示）。此放大電路的輸入阻抗很高，而輸出阻抗很小，并且可抑制傳感器輸出共模電壓。

可得出：

2.2.2 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

由于傳感器測量位置距離主控制器較遠，經(jīng)放大電路放大后的電壓Uo直接進行長距離傳輸容易受到工業(yè)現(xiàn)場噪聲電壓的干擾。為避免因干擾產(chǎn)生較大的誤差，本系統(tǒng)增加了電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，利用精密電壓-電流轉(zhuǎn)換器XTR111芯片將放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換為標準的4-20mA電流信號進行傳輸，芯片的工作電壓范圍為7-44V，通過調(diào)整R5、R6電阻比值還可以輸出一路3-15V可調(diào)電壓供外圍電路使用，電壓-電流轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)電路設計，將放大后的電壓信號Uo轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號I的轉(zhuǎn)換關系式如公式（6）所示：

2.3 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

由于主控制器的ADC無法直接對4-20mA電流信號進行采樣，所以需要通過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)換為單片機可采集的0-3.3V電壓信號，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路采用雙運算放大器LM358通過采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓再放大為0-3.3V，且因為LM358需要雙電源供電，所以設計了負壓產(chǎn)生電路由ICL7760產(chǎn)生負壓供給LM358。電流-電壓轉(zhuǎn)換電路結構如圖7所示。

圖7 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

電流I與電壓U的轉(zhuǎn)化關系如公式（7）所示：

3 儀器系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 機械結構的研制

根據(jù)后座復進系統(tǒng)密封性能全自動檢測儀的工作原理分析，全自動檢測儀的機械結構包含固定臺架、高精度壓力傳感器，高精度測距傳感器、控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示終端、電動千斤頂、配套液壓泵、電源等模塊。其設計的機械結構圖如8所示。

圖8 本設計的機械結構圖

3.2 儀器電路的研制

3.2.1 主控制器

本系統(tǒng)的主控制器為單片機STM32F429IGT6，該單片機采用Cortex M4內(nèi)核，帶有 FPU 和 DSP 指令集，該芯片的運行頻率最高可達到180Mhz，片內(nèi)SRAM大小為256KB，帶有LCD控制器和SDRAM接口[10]。STM32F429的IO口具有強大的復用功能，ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的速度相比于STM32單片機的其他系列更快，并且在進行模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換時的工作電壓也更低。STM32F429單片機總線訪問速度非?？?，且具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以很好地滿足本次系統(tǒng)設計的要求。

3.2.2 高精度測距模塊

在本檢測系統(tǒng)中，復進系統(tǒng)的位移測量要求是0.1mm的分辨率，因此采用了HG-C1100-P高精度位移傳感器。HG-C1100-P是一種微型激光測距傳感器，采用高精度CMOS影像傳感器以及獨特算法使得傳感器的測量精度達到0.01mm，并且支持模擬電壓（0-5V）和模擬電流（4-20mA）雙重模擬輸出。

高精度激光位移傳感器是利用激光三角測量法測得與被測工件之間距離的，傳感器內(nèi)部的投光元件發(fā)射出的可見紅色激光經(jīng)過投光透鏡照射到被測物體上，激光打到被測物體表面上以后會發(fā)生反射，其中一束反射的激光通過受光透鏡再被傳感器受光元件（CMOS）接收，根據(jù)光線的反射角度和已知的激光與受光元件之間的距離，光束在受光元件部位經(jīng)過模擬和數(shù)字電路處理以及微處理器分析，計算出相應的傳感器與被測物體之間的距離輸出值。激光位移傳感器工作原理如圖9所示，HG-C1100-P微型傳感器的基本工作結構如圖10所示。

圖9 激光位移傳感器的工作原理

圖10 HG-C1100-P傳感器的基本工作結構

圖11 電阻應變式稱重傳感器的工作原理圖

3.2.3 高精度壓力模塊

在檢測過程中復進系統(tǒng)在電動千斤頂施加力的作用下，每次運動時承受的壓力是以噸為單位發(fā)生變化的，需要選用大量程高精度的稱重傳感器進行數(shù)據(jù)測量。本系統(tǒng)采用高精度壓力傳感器FCY-10100進行測量實時壓力。

電阻應變式稱重傳感器的基本原理為傳感器承受壓力時內(nèi)部彈性元件發(fā)生彈性形變，粘貼在彈性元件表面的電阻應變片也隨之產(chǎn)生變形，電阻應變片發(fā)生形變后其電阻值也會發(fā)生變化，在經(jīng)過對應的測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成對應的電壓或電流，進而完成將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量計算的電信號的過程。相比于其他類型稱重傳感器，電阻應變式傳感器的應用范圍在當前是最為廣泛的，其結構簡單便于操作，測量性能穩(wěn)定可靠且測量速度快、靈敏度高，能滿足在靜態(tài)和動態(tài)情況下的測量。

根據(jù)檢測系統(tǒng)的機械結構，儀器選用了外形為平面膜盒式的稱重傳感器來測量緩沖器加載過程中所承受的壓力。測得的壓力信號經(jīng)過傳感器內(nèi)部電路和電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換后，以電壓信號的形式由單片機的ADC采集到主控制器中，在單片機中進行一系列數(shù)據(jù)分析處理后將在觸摸屏上顯示出實時壓力數(shù)值。電阻應變式稱重傳感器的工作原理圖如圖11所示。

3.2.4 觸摸顯示終端

觸摸顯示屏是本系統(tǒng)的主要操作顯示面板，檢測系統(tǒng)開始工作的指令是通過觸摸顯示屏上的測試按鈕進行觸發(fā)的，測試過程中的實時壓力和位移數(shù)值會顯示在面板上，并且在測試完成后測試結果會以復進系統(tǒng)加載與卸載過程中的位移-壓力關系圖的形式呈現(xiàn)在顯示屏上，作為判斷復進系統(tǒng)密封性能是否合格的依據(jù)，本系統(tǒng)選用ATK-7084作為觸摸顯示終端。

3.2.5 電源模塊

圖12 數(shù)據(jù)分析處理流程圖

構成本檢測系統(tǒng)的各個部分所需要的供電電壓均不相同，在保證為各模塊提供對應的正確供電電壓的前提條件下，為了盡可能的簡化檢測系統(tǒng)各模塊之間的連接電路結構，選擇T200D -AC-DC三組輸出電源開關作為系統(tǒng)的主要供電電源。該電源采用EMI濾波器、純銅變壓器以及高品質(zhì)電容使得電源的抗干擾性能強，工作效率高損耗小并且安全耐用。電源分別輸出穩(wěn)定的5V、12V、24V三路直流電壓，可以很好的滿足本系統(tǒng)的供電要求。

3.3 軟件設計及數(shù)據(jù)處理分析

在檢測過程中，稱重傳感器和激光位移傳感器的實時測量輸出都是以電流信號的形式，需要使用電流轉(zhuǎn)電壓模塊將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為單片機 STM32F429的ADC可采集的電壓信號，轉(zhuǎn)換后的電壓信號通過ADC通道采集進入單片機進行進一步的分析處理。

具體數(shù)據(jù)分析處理流程如圖12所示。

通過上述流程對單片機ADC采集到的傳感器測量數(shù)據(jù)進行分析處理，可得到很精確的實時壓力值和位移值，顯示屏上最終呈現(xiàn)的緩沖器加載過程中的壓力-位移曲線也更加貼近其真實變化過程。進行分段補償后的位移表達式為公式（8），激光位移傳感器實時顯示的真實位移和顯示屏上顯示的實際位移關系如圖13所示，兩個曲線基本完全重合。

4 系統(tǒng)的測試與分析

將該復進系統(tǒng)密封性能全自動測試儀研制出來，包括其機械結構、硬件電路以及軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)。將選擇密封性能不合格的1號復進系統(tǒng)、全新的復進系統(tǒng)2號以及用過一段時間的3號分別在全自動檢測儀上進行測試。經(jīng)過測試表明該全自動檢測儀可以準確判別復進系統(tǒng)密封性能是否合格。圖14為理論上復進系統(tǒng)在加載和卸載過程中力與位移直接的關系曲線，圖15為全自動檢測儀對2號復進系統(tǒng)的實際測試結果，滿足壓力在60KN時，位移在16-25mm的合格判別標準，即2號復進系統(tǒng)的密封性能合格，且儀器繪制的壓力-位移曲線與理論關系相一致。

圖14 復進系統(tǒng)加載過程力與位移關系曲線

圖15 儀器實測復進系統(tǒng)加載過程力與位移關系曲線

5 總結

本文研制了一款基于STM32的某裝備復進系統(tǒng)密封性能全自動測試儀。該儀器采用單片機STM32F429IGT6作為主控制器，激光位移傳感器和高精度重力傳感器統(tǒng)獲取復進系統(tǒng)加載過程中位移和壓力數(shù)據(jù)的實時值，依據(jù)壓力位移關系判別復進系統(tǒng)的密封性能。經(jīng)過測試，該儀器測試結果與理論關系曲線一致，表明該儀器的穩(wěn)定、可靠、且具備人機接口，實現(xiàn)了測試過程的全自動化，達到預期設計要求，同時也為其它裝備的密封性能測試提供參考案例。

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Automatic Off-line Detector for Multiple Feed System in a Certain Equipment based on STM32

DONG Yu-jie1, GUO Lei2, ZHANG Zhi3, MA Shuang-bao1, JIA Shu-lin1, LIN Wei1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. The Second Military Representative Office of the Military Representative Office of the Army Equipment Department, Wuhan Hubei 430200, China; 3. Chinese People's Liberation Army No. 3303 Factory, Wuhan Hubei 430200, China)

Aiming at the problems of time-consuming, labor-intensive and inefficient manual testing of the sealing performance of the rear seat recoil system of a certain equipment, this paper designs a fully automatic off-line tester for the performance of the rear-seat recoil system based on STM32 microcomputer. The instrument uses a 32-bit microcontroller STM32F429IGT6 as the main controller to control the hydraulic pump to drive the jack to simulate a pressure between 0-100KN on the rear-seat recoil system, while using a high-precision pressure sensor FCY-10100 and a high-precision laser ranging sensor HG-C1100-P to detect the real-time value of pressure and displacement during the force process of the re-entry system, and drawing a diagram of the displacement-pressure relationship during the loading and unloading process of the system to judge the performance of the re-entry system. After actual measurement, the instrument has high detection accuracy and stable performance, and can accurately judge whether the sealing performance of the re-entry system is qualified.

re-entry system; sealing performance; high precision pressure detection; high precision displacement detection

馬雙寶（1979-），男，副教授，博士，研究方向：智能檢測與控制.

2020年武漢紡織大學教學改革項目（2020JY076）；2021年武漢紡織大學研究生教學改革與研究項目（2021-2）；2019年湖北省高校學生工作精品項目和實踐育人特色項目（2019XGJPB2009）.

TP23

A

2095－414X(2021)05－0025－08