NJ-100B型扭转试验机微机控制检测系统的研制

　　扭转试验是材料力学最基本的试验项目之一,常用于检测材料的抗扭性能和机械性能[1]。NJ-100B型扭转试验机是70年代期间的产品,由于 年代久远,故障率较高。该机为纯机械式数据采集和记录,扭矩和扭角采集精度不高,数据后续处理困难。相对目前的新型试验机来说,其功能也比较单一,无法设 置特定转角和特殊点(屈服点、峰值点)测量,无多次测量功能等等。

　　替换该试验机花费较大,因此本项目按要求对某一NJ-100B型扭转试验机进行了改造[2],保留了可靠性较高的机械部分,重新设计了扭矩和扭角的电子学硬件采集系统,并采用微机作为主控制单元,编写了功能灵活的上位机程序,大大提高了原试验机的性能指标和功能指标。

　　1硬件系统设计

　　硬件系统组成框图如图1所示,包括扭矩测量电路、扭角测量电路、主控及采集电路、试验机接口电路和计算机。

　　(1)扭矩测量电路由扭矩传感器、信号放大电路、电阻网络和自调零电路组成。改造后扭矩传感器增至三个,档位分别为0~200 N·m、0~500 N·m和0~1 000 N·m。信号放大电路的核心是高精度斩波稳零运算放大器TLC2652,斩波稳零的工作方式使其具有优异的直流特性。失调电压及其漂移、共模电压、低频噪 声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小,非常适合用于微信号的放大。针对不同档位的传感器,分别设置了相应的放大系数,通过微机程序控制选 择不同的电阻来实现不同的放大倍数。由于扭矩传感器在自由状态时输出并不严格为零值,特设置了自调零电路。通过对放大器的输入端施加偏置电压,使放大通路 的输出尽量接近零值。

　　(2)扭角测量电路包括光栅编码器和细分电路。扭角测量选用2 500线/周的光栅编码器,其测量精度为8.64′/周。由于项目中对角度测量的精度要求是1′/周,因此对编码器的光栅信号进行了10细分,达到了要求。

　　(3)主控及采集电路由模/数转换器(A/D)、可编程逻辑器件(CPLD)、数字信号处理器(DSP)和锁相环电路组成。A/D选用具有12 位采集精度的高速模/数转换器AD1674,其最大转换时间为10μs。CPLD选用EPMSLC7128,具有2500个可用门,两点间逻辑延迟为5 ns。DSP选用TMS320F206,指令周期为50 ns,比普通单片机速度快,内存储器容量大,可扩展性能好。锁相环选用MC14046。系统设计中利用锁相环对编码器细分输出信号进行三倍频,即在每个编 码器信号周期内均匀采集三个值,取中间值作为该周期的采集值,以滤除直流电平尖峰信号干扰以及工频干扰。

　　(4)试验机接口电路其功能是切换电动机的正转、反转、停止三态以及调整电动机转速,包括驱动电路和速度给定电路两部分。驱动电路由数字量输出 和光电隔离器构成,在DSP的控制下实现电动机状态转换。速度给定电路的作用是给电动机提供一个0~5V的模拟电平做为速度调整信号,包括数字电位器、积 分电路和线性光耦电路。数字电位器输出的速度信号先通过积分电路进行积分,以避免速度调整值过大时电动机飞车而造成损坏。积分后信号通过线性光耦输出至电 动机,并可防止电动机控制系统和本电子学系统间产生的干扰。