超声疲劳试验机控制系统的开发

1　引　言

传统的疲劳极限定义为107周次,使用常规疲劳试验技术基本可以满足要求。随着现代工业技术的发展,工程机械的运行速度不断提高,其零部件受高速交变载荷的作用,构件疲劳工作寿命已达到109周次。此时,假设是100 Hz的高频疲劳试验机,完成一次109周次循环的疲劳试验,需要100多天,花费的时间非常长。20世纪50年代,一种基于压电磁致伸缩原理而形成的超声疲劳试验方法(加载频率在15kHz~25kHz之间)开始出现,并在近20年获得飞速发展。超声疲劳试验机完成一次1010周次循环的疲劳试验仅需6天,相比于常规疲劳试验方法具有不可比拟的优势[4~6]。超声疲劳试验机还能测得小到10-9~10-11mm/s的疲劳裂纹扩展速率,这也是常规方法难以办到的。目前在国内,有关超声疲劳试验技术的开发和应用还处于起步阶段。

鉴于Windows系统占主导地位的情况,开发一套和超声疲劳试验机配套的可视化软化来实现试验控制是很有必要的。本文将介绍超声疲劳试验机的数据采集卡和试验数据的采集与控制程序的开发和应用。

2　超声疲劳试验原理及组成

本文所述超声高频振动疲劳(简称超声疲劳)试验系统如图1所示,由超声疲劳加载系统、数据采集与控制系统组成。

　　其中试验加载系统的关键部件有三个:激振电源、压电陶瓷换能器、位移放大器[2]。激振电源将50 Hz的电信号转变为20 kHz的超声正弦波电信号输出;压电陶瓷换能器将电源提供的电信号转变成机械振动;位移放大器放大来自换能器的振动位移幅,并与试样构成谐振系统,在试样中建立交变应变场。试验中通过控制试样端部振动位移,来控制试样循环应变幅。超声疲劳试验机和数据采集卡的通讯通过激振电源来完成。本文采用的激振电源是Branson公司生产的超声激振电源。激振频率为20 kHz,向换能器输出交变电信号,从换能器采集电信号,分析得到试样振动幅值和频率后输出。目前,激振电源和数据采集卡之间的模拟电压信号使用了三个,对应激振电源外部接口的三根引脚。一个输入信号,控制试样振动的幅值,其模拟电压量变化范围为-10~10 V,对应幅值范围0%~100%;两个输出信号,一个是采集到的振动幅值,模拟电压变化范围0~10 V,对应幅值范围0%~100%;另一个是振动频率,模拟电压变化范围-10~10 V,对应频率变化范围为20.5 kHz~19.5 kHz。以上物理量与电压之间均为线性关系。

3　数据采集卡

市场上有数据采集卡,可以满足超声疲劳试验机目前的使用要求。但这些产品有很多限制,一般只提供驱动程序的接口函数及其功能,而且其功能并不完全公开。超声疲劳试验机控制程序的开发正处于一个发展阶段,如果对驱动程序不满意,需要扩充其功能,将非常困难。比如,本实验室的MTS低频疲劳试验机就面临着这样的问题。所以控制系统采用全新的自主设计的数据采集卡。