1200kN标准动态力装置测控系统的研制

　　摘　要： 介绍了最新研制成功的1200kN标准动态力源装置的测控系统，该系统由PC机、单片机、两块高速数据采集卡及其它电路等组成，其中测控系统的组建、高速数据同步采集技术较有特色。
　　关键词： 标准动态力 装置 计算机控制 高速同步采样
　　1200kN标准动态力源是基于帕斯卡定律的液压放大式原理建成的^[1]。该装置作为国家大吨位动态力基准受国防科工委委托研制，主要用于力传感器的动态校准。首先在小径测力油缸上加载标准砝码，在与小径测力油缸相通的大径工作油缸上复现放大的标准力值，然后用冲击卸荷的方法获得一个近似于理想的负阶跃力^[2][3]。整个装置机械系统结构简图如图1、图2所示。图1中测力机由8块不同质量的标准砝码组成，可获得最小分辨率为10kN、范围为50kN～1200kN的不同力值。图2中落锤高度由光电编码器测量，高度根据力值大小设定，最大升高为1.8m，工作油缸与测力油缸相通，力值放大比为200。

1 系统功能及特点
　　图3为整个标准动态力源装置的系统结构框图。其主要功能及特点如下：
　　(1)标准砝码是通过提升油缸和24只交流伺服微电机控制选择加载的，微电机正反转由单片机和外部逻辑电路控制，该逻辑电路^[1]较好地避免了微电机和限位开关的损坏，并将I/O口线从72线减少到9线。
　　(2)冲击落锤的自动抓取、释放是通过对内外滑套、钢珠、弹簧、电磁铁等进行巧妙设计实现的，提升高度通过光电编码器测量控制。
　　(3)为保证力源精度，测力油缸和工作油缸采取间隙高压油封技术，整个系统油路设计见文献^[4]，高压油封压力由D/A控制比例溢流阀自动调节实现。
　　(4)激光多普勒测速仪用于测量负阶跃力的下沿时间，其数据由50MHz、8bit的高速采样卡记录，力传感器电压经二次仪表放大后，由2MHz、12bit的高速采样卡记录，静态力值由14位低速高精度采样卡记录。
　　(5)计算机系统采用上下位机，通过串行口通信，数据采集分析由PC机完成，动作控制由单片机控制完成，操作命令可由PC机或控制柜上的小键盘单独操纵，并可进行单步执行或流程全自动执行。
　　(6)除传感器安装外，所有操作均为计算机自动控制实现，测控系统软硬件充分运用了抗干扰技术。

2 硬件组成
　　本测控系统原理框图如图4所示。主要包括以下五部分：
　　信号检测：包括光电编码器信号检测，提升油缸、测力油缸上下限位检测，24只砝码电机到位检测以及落锤是否抓牢及允许释放信号检测。
　　执行信号：包括砝码选择电机正反转，各电磁阀开关，落锤释放控制，提升电机正反转，泵电机启停控制。
　　数据采集：低速高精度采样卡可记录静态力值并动态监视保压效果，高速采样卡分别记录激光信号和传感器输出电压信号。
　　信号处理：包括将光电编码器信号转化为高度值并由数码管实时显示；自动加载及保压油压控制策略的实现。
　　键盘显示：由8279芯片完成，并设置了8个数码管和24个薄膜按键。

3 高速数据同步采集技术
　　动态力实现时力的下沿时间最短为20μs，即整个冲击过程在几十微秒内完成。而根据力传感器校准要求，必须对力传感器输出及力的测速实现同步采集，因此，我们采取以下技术措施：(1)两卡上均设有高速RAM，其中2MHz卡存储量为32KB，50MHz卡存储量为64KB，且均有可调的内外触发电平功能；(2)有提前存储功能且RAM存储量大小可调节；(3)在2MHz电压采样卡上引出一同步触发信号给50MHz激光采样卡，这样在冲击后，力传感器受力突然变小，输出电压减小到2MHz卡预置内触发电平，触发采样并将记录数据存于RAM中，同时该信号也触发50MHz采样记录数据，在触发前一段时间的数据则记录在提前预置的RAM中。采用该法成功地解决了高速数据同步采集问题，为力传感器相位校准奠定了基础。
4 软件设计
　　单片机部分软件由MCS－51汇编语言编写，主要实现各动作的控制、信号的检测等，限于篇幅不再罗列。PC机控制及数据采集、分析处理软件是基于Windows的Visual C＋＋编制的，程序界面美观，操作方便。图5和图6为国产L650压电式力传感器在180kN力动态激励下输出的信号及其幅频响应曲线图。

　　本装置融合了机、电、液、算、光等技术，使之一体化测试结果表明，系统调试操作方便，运行稳定可靠，达到了技术指标要求。该项成果填补了我国在动态力值计量领域的一项空白。
参考文献
1 魏燕定.负阶跃动态力校准系统的总体设计及微机测控制系统研制.浙江大学硕士学位论文，1995
2 魏燕定，何 闻，贾叔仕等.用于校准力传感器动态特性的大力值宽频带的动态力的实现方法.实验力学，1995(10)
3 陈 辉，何 闻，朱 虎等.一种新型的大力值、宽频带的负阶跃力产生方法.计量与测试技术,1995(5)
4 何 闻，贾叔仕，魏燕定.1200kN标准动态力源装置液压系统的设计.机床与液压,1997(3)