【文章內容簡介】 、采用由速度控制器控制力矩電機，從而帶動壓力控制施加負荷，并具有速度電流反饋，是一種傳統(tǒng)的控制方式。比如采用位置式PID控制器計算步進電機驅動步數(shù)，以獲得良好應力速率、應變速率、位移速率控制以及定荷、定應變、定位移控制試驗結果。但液壓萬能材料試驗機是一種典型的非線性時變系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學模型，運用常規(guī)PID控制器很難達到理想的控制效果。在實際現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，應用常規(guī)PID控制器往往整定不良，性能欠佳，對運行工況的適應性差。三、采用微機和傳感器技術對舊式的材料試驗機及監(jiān)測等設備進行技術改造，在應力應變速率控制問題上采用電液伺服閥或電液比例閥實現(xiàn)高精度控制，測量控制系統(tǒng)采用計算機卡式設計，采用光電隔離集成電路。具有抗干擾能力強，質量可靠，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，而且點擊鼠標即可完成，使用方便。還可以繪制多種試驗曲線，具有曲線數(shù)據(jù)存儲及曲線放大功能，適合試驗機高自動化水平，操作簡便，可靠性高，穩(wěn)定性好方向發(fā)展的要求。綜上考慮，我們選用第三中方案，即在WE一600型液壓萬能試驗機上安裝負荷、變形和位移傳感器，增加電液閥控制加荷速度，使設備由原來傳統(tǒng)的機械式負荷測量系統(tǒng)升級為較先進的電子測力、測變形系統(tǒng)。液壓萬能試驗機計算機自動測試系統(tǒng)的結構如圖3一1所示:傳感器傳感器是把物理量轉換成電信號的裝置。例如:熱電偶、電阻溫度檢測器(RTDS)、熱敏電阻、集成電路溫度傳感器等將溫度轉變成電壓和電阻。又如應變片、流量傳感器等將壓力、流速轉換成電信號。對于每種傳感器，電信號的大小都與被監(jiān)測的物理參數(shù)成比例。選用不同傳感器，可以完成對不同物理量的測試。一些傳感器，像熱電偶等，由于精度較低，信號也微弱，因而需要對其調理和校正才可能得出精確結果。信號調理來自傳感器的輸出信號通常是含有干擾噪聲的微弱信號，必須首先經(jīng)過處理才能被數(shù)據(jù)采集板精確地、可靠地采集，這種前端口處理就是信號調理。它包括信號放大、濾波、隔離等功能。是大多數(shù)基于PC機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不可缺少的組成部分。信號調理電路的基本作用有三個:其一是放大。通常實際的物理量信號是很微弱，需要通過放大調理來增加其分辨率和敏感性。盡管很多數(shù)據(jù)采集板配置有放大器，但對一些傳感器如低電平的應變信號仍需要附加放大電路，以增加其分辨率。為了獲得盡可能高的精度，應將輸入信號放大到與數(shù)據(jù)采集板中的A/D轉換器相適配的程度。另外，外部信號調理模塊應盡量靠近信號源或傳感器，這樣信號在受到環(huán)境噪聲之前即被放大，使信噪比得到改善。其二隔離。是指使用變壓器、光或電容耦合等方式在被測系統(tǒng)與測試系統(tǒng)之間傳遞信號，避免了直接的電流或物理連接。采用隔離可以保證插入式數(shù)據(jù)采集板的讀數(shù)不受地電位或共態(tài)電壓差異的影響。因此，采用隔離的信號調理模塊可以消除地環(huán)路并保證準確的采集信號。最后是濾波。其目的就是從所要測量信號中消除不必要的噪聲信號，抑制干擾噪聲信號的高頻分量，將頻帶壓縮以降低采樣頻率，避免產(chǎn)生混淆。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會不同程度地受到來自電源線或機械設備5OHz的噪聲干擾，因此，大多數(shù)信號調理模塊都包含有低通濾波器，最大限度地剔除50Hz或60Hz的噪聲?？梢?，前端信號調理是數(shù)據(jù)采集和測控系統(tǒng)不可忽略的重要環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)安全性、可靠性、測量精確性的保障。如果信號調理電路輸出的是規(guī)范化的標準信號，即4~2OmA電流信號，則稱這種信號調理電路為變送器。此外，根據(jù)需要還可以進行信號隔離與變換。數(shù)據(jù)采集硬件數(shù)據(jù)采集硬件是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要組成部分，完成模擬量到數(shù)字量的轉換，然后再傳送到計算機中。在對模擬信號進行模數(shù)轉換之前，先要對模擬信號進行采樣。采樣前的信號是時間和幅度均連續(xù)的模擬信號，采樣后則成了時間上離散的信號。采樣過程是使連續(xù)模擬信號加到采樣開關輸入端，開關每隔一定時間閉合一次，開關輸出端則得到采樣信號。圖3一2表示了這一采樣過程。F*(t)為采樣后的信號，它在時間上是離散的，但幅度仍是連續(xù)的。其改造后的液壓控制系統(tǒng)原理如圖3一3所示。從結構上來看，要提高自動化水平，需要增加傳感元件。我們的改造思路是在試驗機的進油口處增加三通管接頭，兩端接油管，中間接壓力傳感器，它能夠感受油缸油壓的變化，并以電壓的形式輸出，通過計算機處理，從而測量出油缸油液壓力的變化，進而獲得力信號。位移傳感器采用光電編碼盤的形式安裝在試驗機滑輪(如圖2一l)處，通過計算輸出脈沖數(shù)獲取試樣的變形量，即拉伸試驗全過程的位移。電子引伸計則在試驗時裝夾在試件上，可準確測量試件的微小變形。試驗速度的控制也是需要改進的地方，為了操作上的便利，我們保留原手動控制部分，只在該送油路處增設一分支油路，加設電液比例控制閥，這樣只需改變比例閥的不同輸入電流就能獲得不同的輸出流量，實現(xiàn)對試樣加載過程的無極調速，有利于自動化操作的實現(xiàn)。要對這些物理量進行控制和對參數(shù)的設置，實現(xiàn)其功能，還要增加數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)信號的采集、放大及A/D轉換等。最后用計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、控制和輸出試驗結果等。改造后的試驗機系統(tǒng)既可手動操作，也可自動操作。手動加載時使截止閥12處于關閉狀態(tài)，液壓油從油泵2中出來經(jīng)濾油器3和節(jié)流閥4進入工作油缸7和測力油缸6。只要手動調節(jié)節(jié)流閥4開度即可達到手動加載的目的，打開截止閥8，調節(jié)節(jié)流閥5即可完成卸載。手動加載過程計算機測控系統(tǒng)不參與控制，只起測量力、變形、位移值并實時顯示的作用。如果自動加載時關閉節(jié)流閥5和截止閥8，打開截止閥12和控制油路中增加的電液比例閥11。試驗機油泵出口的液壓油通過計算機13自動控制比例閥進入油缸，利用基于ISA總線的數(shù)據(jù)采集板輸出信號控制比例閥開度，從而控制進入油缸的流量和壓力，最終使加載速度保持在一定范圍內，從而實現(xiàn)自動化控制。試驗機的應力、應變、位移系統(tǒng)由三路傳感器實現(xiàn)。自動加載時系統(tǒng)可按相關國家標準自動控制其加載及卸載過程，并在計算機屏幕上自動顯示。因此，升級改造后的液壓式萬能試驗機由以下幾部分構成:主機部分:主要由油缸、工作活塞、底座、工作臺、立柱、上下移動橫梁、試樣夾持以及橫梁升降機構等組成。其主要功能是由試樣夾持機構夾緊和固定試樣，通過油缸活塞移動控制橫梁的升降以調整試樣夾持空間，進而完成對試樣的加載。液壓控制系統(tǒng):主要由油箱、高壓油泵、送油閥、回油閥、電液比例閥、截止閥、測力油缸活塞、主機的工作油缸、工作活塞等組成。其主要功能是控制試件的夾緊及試件的加載。檢測部分:主要由壓力傳感器、電子引伸計、位移傳感器等組成，主要功能是檢測試驗對象所受的試驗力、變形及橫梁運動的位移。數(shù)據(jù)采集處理和控制部分:主要由數(shù)據(jù)采集、處理、控制電路、計算機軟硬件系統(tǒng)、打印機、手動控制器件等組成，主要完成整個系統(tǒng)的控制、各種參數(shù)的設置、顯示、試驗過程及試驗結果的記錄、試驗數(shù)據(jù)的處理、存儲、試驗結果的輸出等功能。電氣部分:其基本組成有各類變壓器、繼電器、交流接觸器、開關按鈕等。主要功能控制夾緊油源和控制油源的油泵電機組的開關及啟動、停止?？刂茩M梁升降機構的動作以及各種限位、過載保護等。附件:主要由拉伸、壓縮試驗夾具、彎曲試驗附具及其他特殊試驗附具各種嵌口、夾頭等組成。其基本功能是通過更換夾具，完成各種特定的試驗。 升級改造中所要解決的關鍵問題:包括壓力傳感器、位移傳感器、引伸計的結構、原理、安裝要求進行詳細的研究，確定選擇何種類型的檢測元件更適合對裝置進行改造。以及設計由傳感器、信號調理、數(shù)據(jù)采集硬件、個人計算機、軟件等基本要素構成液壓萬能試驗機的計算機自動測試系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)功能設計為了使用戶能更好地管理和進行試驗操作，軟件系統(tǒng)按功能必須設計成由多個模塊組成的測試系統(tǒng)，大致應包括以下幾方面:用戶管理模塊: 進入主程序的登陸界面，主要考慮使用的安全性。主模塊: 可進入各個模塊，用于各個界面的切換。軟件界面管理模塊: 用于窗口管理、菜單管理及界面配置。試驗方案設置模塊: 包括試驗方案名、執(zhí)行標準和加載方式。傳感器標定模塊: 對試驗所用的傳感器進行標定并保存標定后的結果。聯(lián)機測試模塊： 包括曲線顯示、數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理功能模塊。試驗數(shù)據(jù)輸入模塊: 主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)輸入、修改、添加和數(shù)據(jù)庫的存儲等功能。數(shù)據(jù)查詢模塊: 查詢試件的詳細數(shù)據(jù)以及過程曲線時。狀態(tài)檢測模塊: 實現(xiàn)變形監(jiān)測、力監(jiān)測、限位監(jiān)測、狀態(tài)提示、緊急停機。數(shù)據(jù)顯示模塊: 數(shù)字顯示、擋位跳變、特征分析、曲線顯示、曲線打印、縮放。數(shù)據(jù)管理與處理模塊: 數(shù)據(jù)庫、歷史回放、指標計算、算法設置、報表管理和打印管理。試驗報表模塊: 生成并打印試驗報表。系統(tǒng)外掛程序: 系統(tǒng)標定、系統(tǒng)調零、硬件自檢、軟件注冊、軟件配置、軟件試用等。數(shù)據(jù)采集速率問題如果材料試驗時所加應力速率及應變速率不同，試驗所測得的有關強度數(shù)據(jù)就有差別。故金屬拉伸試驗中要求在施加載荷時，必須考慮加載的應力速率及應變速率。在國際標準 1506892:1998(E)及國家標準 GB/T228一2002中，試驗條件的規(guī)定如表3一1所示。標準中明確規(guī)定加載時必須保持恒定的應力速率或恒定的應變速率。因此如何科學有效地達到對材料試驗機的應力速率及應變速率控制，是目前試驗機領域的關鍵問題。 表31 金屬拉伸試驗條件的規(guī)定 彈性模量屈服前 屈服階段強化階段及斷裂 例如:選擇彈性變形階段的應力速率15N/mm2s，A0=，則控制的拉伸速率應為:15N/mm2 s mm2=，即以表盤上主動針每秒鐘走10O0N左右為準。為達到上述目的，應用電液比例控制閥調速技術，并采用壓力、應變及位移傳感器，用一種比例積分適時調整PID控制方法，便能實現(xiàn)應力、應變、位移的精確控制，并且性能可靠，使用面廣。在數(shù)據(jù)采集速率上，有些改造后的試驗機數(shù)據(jù)采集速率設定得過慢，這樣從表面上看提高了穩(wěn)定性，但在實際工作中是非常有害的。如果數(shù)據(jù)采集速率過慢，會使試驗機采集到的數(shù)據(jù)變化跟不上試樣實際所受力值的變化，導致試樣破碎或斷裂時試驗機采集不到最大值，造成測得值低于實際力值，會嚴重影響對試驗結果的判定。而這種問題在檢定中往往容易被忽視。因為檢定中在檢定點處加荷速率很慢，接近靜態(tài)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與實際力值有充分的時間達到一致。因此，檢測不出動態(tài)工作時數(shù)據(jù)采集速率對測量結果產(chǎn)生的影響。應根據(jù)JJFllO3一2003《萬能試驗機計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)評定》中的要求設定采集速率。數(shù)據(jù)標定試驗機經(jīng)過改造后通常會存在度盤和數(shù)字兩套系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)是彼此獨立的。用戶在使用時可以對兩套系統(tǒng)進行對比。當發(fā)現(xiàn)兩套系統(tǒng)示值相差過大(超過2%以上)，說明試驗機出現(xiàn)故障，應馬上請計量部門使用標準測力儀進行檢定，根據(jù)檢定情況進行調整，以保證示值的準確。但是，切不可自行參照度盤示值來調整數(shù)字系統(tǒng)示值。因為即使度盤示值是準確可靠的，其示值準確度為一級，如果以它為標準器來調整數(shù)字系統(tǒng)示值，理論上講該數(shù)字系統(tǒng)示值準確度只能達到三級，無法保證試驗要求精度。況且，使用單位人員在調整試驗機示值方面也沒有檢定人員的專業(yè)素質和經(jīng)驗，故無法保證試驗機的準確性，將會給試驗結果造成嚴重的隱患。因此，示值調整只能由檢定人員依據(jù)標準測力儀進行，只有這樣才能保證力值傳遞的準確性和可靠性。材料試驗機測控系統(tǒng)強實時性問題計算機從外部機器或設備上獲取數(shù)據(jù)，并在對數(shù)據(jù)進行加工處理后進一步去控制外部機器或設備。在此過程中，計算機與外部電路采用什么接口就顯得尤為重要。PC機中的異步串行通信口當串口的通信電路收到一個數(shù)據(jù)后，會向CPU發(fā)出一個中斷請求，通過響應這個中斷可以非常及時地對數(shù)據(jù)進行處理，可以說這是實時串口通信的最好的方法。但遺憾的是Windows的普通32位應用程序不能進行像響應中斷這樣低級的操作，主要原因在于:其一，由于windows的消息機制和非搶先特性，使得它不能夠控制任務開關和處理每個任務的時間，導致某些消息無法及時處理。表現(xiàn)為實時性差。其二，在Windows下面，應用程序無法直接訪問硬件。對硬件的操作不如在DOS或其它一些實時操作系統(tǒng)下面那樣便捷。最后，對于測控系統(tǒng)本身，測試數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及電機伺服控制數(shù)據(jù)的處理任務繁重，硬件的A/D、D/A轉換、數(shù)據(jù)在線處理、控制算法解析等因素需要時間，這些將會給測控系統(tǒng)帶來一定程度上的滯后。因此，在Windows操作系統(tǒng)下要保證測控系統(tǒng)的實時性存在較大困難。而只能通過編寫設備驅動程序來實現(xiàn)。而編寫設備驅動程序比編寫普通的應用程序要復雜得多，且如果設備驅動程序有問題將有可能造成整個Windows崩潰。所以，除非是在對實時性要求非?？量痰膽弥?，不要采用上述方法?？煽紤]采用數(shù)據(jù)的多級存取、高精度多媒體定時器、多線程等途徑解決實時性問題。定時器(Timer)是Windows中一種特殊的資源，它能夠被賦予一個時間值，此后每隔這個時間，定時器便會向指定窗口發(fā)送一條定時器消息或調用一個指定的回調函數(shù)。因此利用定時器，可以在一定程度上實現(xiàn)實時串口通信:設置定時器，進入消息循環(huán)，然后在收到一條定時器消息時便去接收傳到串口中的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行相應的處理。然后繼續(xù)消息循環(huán)，等待下一條定時器消息。在等待定時器消息到達期間，可能有不止一個數(shù)據(jù)傳到串口中，由于Windows本身對串口提供了一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每當收到一個數(shù)據(jù)后，windows會首先將該數(shù)據(jù)保存到該緩沖區(qū)中，因此只要在等待定時器消息到來期間傳到串口中的數(shù)據(jù)不超過Windows的串口緩沖區(qū)的大小，不會造成數(shù)據(jù)丟失。定時器的時間值的確定要根據(jù)實際應用環(huán)境中對系統(tǒng)的實時性要求及接收的數(shù)據(jù)量來確定。如果應用環(huán)境對實時性要求不高、接收到的數(shù)據(jù)不多則可以將時間值設得大些。相反，在對實時性要求相對較高的應用環(huán)境中或接收到的數(shù)據(jù)很多時，則應將時間值設得小些。另外，Windows對實時器的最小時間值有個限制，就是最小時間值為55ms，如果定時器被賦予比這個時間值更小的值，系統(tǒng)都認為是55ms。也就是說，利用定時器進行實時串口通信，最大的延遲可能為55ms。如果應用環(huán)境要求實時處理的延遲低于55ms，或在55