智能化塑料冲击韧性试验机测控系统设计

　　一、引言

　　塑料的冲击强度是其最重要的性能参数。笔者按国家标准的有关规定开发研制了一种塑料冲击强度试验机,在对机构进行合理设计的同时,通过以单片机为核心的测控系统,实现了试验机的智能化,不仅使测量效率、测量精度大大提高,还通过一系列软、硬件技术手段解决了某些传统试验机不易解决的技术问题。

　　二、试验机工作原理

　　按照国家标准的规定,塑料冲击强度的冲击试验原理是:用已知能量的摆锤打击支承成水平梁的塑料试样,由摆锤一次冲击使试样破坏。以冲击前、后摆锤的能量差,确定试样在破坏时所吸收的能量,然后按试样原始横截面积计算其冲击强度,即:冲击强度为试样破坏后所吸收能量减冲击中的阻力消耗的能量,再除以试样断裂处的横截面积。

　　图1所示为试验机的工作原理示意图。摆锤的能量由其质量、结构尺寸、释放角度α及上升角度β等参数共同决定。从理论上讲,当相对重力线以一定角度α释放摆锤的时候,如果没有冲击试样,在不计摩擦损失的情况下,摆锤在另一侧上升的角度β应该是和α一样的(α=β)。而在实际试验中,由于试样的存在而必然损耗一部分冲击能量,同时因冲击装置的机械摩擦、空气阻力等也要消耗一部分能量,从而使摆锤的上升角度β小于释放角度α,这两个角度的差值α-β就反映了冲击过程中试样所吸收的能量以及因冲击装置的机械摩擦、空气阻力等而消耗的能量之和。塑料试样的冲击强度与角度差α-β的关系可根据物理学、材料力学等知识推导出来。在对摩擦、阻力所消耗的能量进行修正后,即可按所推导出来的公式由角度差α-β计算出塑料试样的冲击强度。

　　三、智能化测控系统设计

　　由单片机组成的测控系统具有结构简单、控制方便、易于维护、成本低等一系列优点,因此得到了广泛应用。MCS-51系列由于其低廉的成本及良好的性能,使之成为测控系统中使用最多的单片机。本塑料冲击强度试验机的智能化测控系统,以MCS-51系列单片机的52子系列成员W78e58为核心,使用了其内部的三个定时/计数器,在定时中断中通过数字传感器与计数器的结合实现了角度测量,同时通过细分辨向硬件电路与软件的巧妙结合解决了系统工作状态的判别等技术问题。图2为试验机测控系统的组成示意图。

　　1.释放角度的测量

　　摆锤的释放角度α和上升角度β的测量是用2000栅/圈、分辨率为0.18°的数字式光码盘来实现的。由于系统中要通过软件判断摆锤是否处于冲击状态,所以从光码盘引出正向、反向两路脉冲信号。为提高分辨率,又通过单稳态细分电路对这两路信号进行了4细分,从而使测角分辨率达到了0.045°(2.7′)。两路信号随后被分别接到单片机定时/计数器的外部脉冲计数输入端T0和T1上,通过对它们进行计数及后续的数据处理来得到被测角度值。这种设计充分考虑了软件处理的某些不便之处,通过上述硬件电路以及后续的测控程序的配合,较好地解决了“冲击是否开始、是否结束”等状态判别问题。