数字化组合式大力值校准系统的研制

　　0 引言

　　工业结构的大型化和大型结构试验机的发展，要求对大力值进行检测和标定。为此，各国计量部门都在极力扩大力值的检测上限[1 -4]。目前，我国拥有的大力值力标准机有中国计量院20 MN 液压式力标准机[5]，西安的 20 MN 叠加式力标准机，广东计量院正在筹建的 30MN 力标准机等。标准装置配套或工程现场使用的大力值传感器有的已可达到 20 MN。本文介绍的数字化组合式校准系统最大量程可达 24 MN。

　　1 数字化组合式大力值校准系统组成

　　本校准系统组成如图 1 所示，校准系统的标准力传感器由四个柱式传感器组成。四个力传感器经数字化后，通过 USB 口实现与计算机的实时通信; 计算机可以根据数字模块地址单独对任一个传感器进行访问。利用 VB 编写了一套测量和采集软件，以及对传感器进行线性修正的标定软件。每个传感器经线性修正后标定系数储存在各自的 A/D 模块中。

　　2 弹性体设计

　　测量大力值时一般选用抗偏心载荷和侧向载力较好的四柱式传感器，并且全密封焊接。该装置是由四个四柱式传感器构成，每个传感器的量程为 6 MN。四个传感器固定在上下两个圆形均力板上，并用螺栓定位。按公式( 1) ～ ( 3) 对应变区尺寸进行计算[6]。

　　式中: P 为弹性体上承受的压力，6000 kN; E 为弹性模量，210 GPa; [ε] 为许用应变。

　　根据弹性体上应变片的粘贴方式 ( 见图3) ，并采用恒压电桥电路，将应变片组成全桥线路，输出电压为

　　式中: K 为应变片敏 感 系 数，2. 11; μ 为 泊 松 比，0. 29; u 为供桥电压，10 V; ui为电桥输出电压，20mV; ε 为应变片的应变。设计的弹性体外型图及尺寸如图 2 所示。

　　3 传感器数字化

　　传感器按恒压电路组成全桥后不需做任何补偿，直接与数字应变模块相连，连接方式见图 3 所示。数字应变模块可将模拟电压信号进行放大和滤波处理后，由芯片进行数模转化，最终将易受干扰的模拟信号转变成数字信号，然后通过 USB 口直接输出到计算机上。由于是组合式，所以四个传感器同时工作，数字化省去了四块二次仪表。每个传感器与其模块有固定的地址，计算机可以通过模块地址单独对每个传感器进行清零和多点线性修正，相互间不会产生互相干扰。模块准确度可达 0. 005%FS。

　　4 模块与上位机通信的实现

　　A / D 数字模块的接口是一个异步串行接口，其传输数据第一位起始位为 “0”，第 10 位停止位为 “1，其余 8 位是数据位，无校验位或偶检验。波特率有 6种 可 选: 1200，2400，4800，9600，19200，38400Byte / s。数据传输速率与接受速率必须一致才能实现数据的传输。要建立 A/D 模块与计算机的通讯，先要配置接口。程序开发采用 VB 语言，对 VB 中 MSComm 控件的 settings 属性进行设置，使其与模块发送的数据结构及波特率一致。设计程序框图如图 4 所示。