摘 要： 介紹了最新研制成功的1200kN標準動態力源裝置的測控系統，該系統由PC機、單片機、兩塊高速數據采集卡及其它電路等組成，其中測控系統的組建、高速數據同步采集技術較有特色。
關鍵詞： 標準動態力 裝置 計算機控制 高速同步采樣
1200kN標準動態力源是基于帕斯卡定律的液壓放大式原理建成的[1]。該裝置作為國家大噸位動態力基準受國防科工委委托研制，主要用于力傳感器的動態校準。首先在小徑測力油缸上加載標準砝碼，在與小徑測力油缸相通的大徑工作油缸上復現放大的標準力值，然后用沖擊卸荷的方法獲得一個近似于理想的負階躍力[2][3]。整個裝置機械系統結構簡圖如圖1、圖2所示。圖1中測力機由8塊不同質量的標準砝碼組成，可獲得最小分辨率為10kN、范圍為50kN～1200kN的不同力值。圖2中落錘高度由光電編碼器測量，高度根據力值大小設定，最大升高為1.8m，工作油缸與測力油缸相通，力值放大比為200。
1 系統功能及特點
圖3為整個標準動態力源裝置的系統結構框圖。其主要功能及特點如下：
(1)標準砝碼是通過提升油缸和24只交流伺服微電機控制選擇加載的，微電機正反轉由單片機和外部邏輯電路控制，該邏輯電路[1]較好地避免了微電機和限位開關的損壞，并將I/O口線從72線減少到9線。
(2)沖擊落錘的自動抓取、釋放是通過對內外滑套、鋼珠、彈簧、電磁鐵等進行巧妙設計實現的，提升高度通過光電編碼器測量控制。
(3)為保證力源精度，測力油缸和工作油缸采取間隙高壓油封技術，整個系統油路設計見文獻[4]，高壓油封壓力由D/A控制比例溢流閥自動調節實現。
(4)激光多普勒測速儀用于測量負階躍力的下沿時間，其數據由50MHz、8bit的高速采樣卡記錄，力傳感器電壓經二次儀表放大后，由2MHz、12bit的高速采樣卡記錄，靜態力值由14位低速高精度采樣卡記錄。
(5)計算機系統采用上下位機，通過串行口通信，數據采集分析由PC機完成，動作控制由單片機控制完成，操作命令可由PC機或控制柜上的小鍵盤單獨操縱，并可進行單步執行或流程全自動執行。
(6)除傳感器安裝外，所有操作均為計算機自動控制實現，測控系統軟硬件充分運用了抗干擾技術。
2 硬件組成
本測控系統原理框圖如圖4所示。主要包括以下五部分：
信號檢測：包括光電編碼器信號檢測，提升油缸、測力油缸上下限位檢測，24只砝碼電機到位檢測以及落錘是否抓牢及允許釋放信號檢測。
執行信號：包括砝碼選擇電機正反轉，各電磁閥開關，落錘釋放控制，提升電機正反轉，泵電機啟停控制。
數據采集：低速高精度采樣卡可記錄靜態力值并動態監視保壓效果，高速采樣卡分別記錄激光信號和傳感器輸出電壓信號。
信號處理：包括將光電編碼器信號轉化為高度值并由數碼管實時顯示；自動加載及保壓油壓控制策略的實現。
鍵盤顯示：由8279芯片完成，并設置了8個數碼管和24個薄膜按鍵。
3 高速數據同步采集技術
動態力實現時力的下沿時間最短為20μs，即整個沖擊過程在幾十微秒內完成。而根據力傳感器校準要求，必須對力傳感器輸出及力的測速實現同步采集，因此，我們采取以下技術措施：(1)兩卡上均設有高速RAM，其中2MHz卡存儲量為32KB，50MHz卡存儲量為64KB，且均有可調的內外觸發電平功能；(2)有提前存儲功能且RAM存儲量大小可調節；(3)在2MHz電壓采樣卡上引出一同步觸發信號給50MHz激光采樣卡，這樣在沖擊后，力傳感器受力突然變小，輸出電壓減小到2MHz卡預置內觸發電平，觸發采樣并將記錄數據存于RAM中，同時該信號也觸發50MHz采樣記錄數據，在觸發前一段時間的數據則記錄在提前預置的RAM中。采用該法成功地解決了高速數據同步采集問題，為力傳感器相位校準奠定了基礎。
4 軟件設計
單片機部分軟件由MCS－51匯編語言編寫，主要實現各動作的控制、信號的檢測等，限于篇幅不再羅列。PC機控制及數據采集、分析處理軟件是基于Windows的Visual C＋＋編制的，程序界面美觀，操作方便。圖5和圖6為國產L650壓電式力傳感器在180kN力動態激勵下輸出的信號及其幅頻響應曲線圖。
本裝置融合了機、電、液、算、光等技術，使之一體化測試結果表明，系統調試操作方便，運行穩定可靠，達到了技術指標要求。該項成果填補了我國在動態力值計量領域的一項空白。
參考文獻
1 魏燕定.負階躍動態力校準系統的總體設計及微機測控制系統研制.浙江大學碩士學位論文，1995
2 魏燕定，何 聞，賈叔仕等.用于校準力傳感器動態特性的大力值寬頻帶的動態力的實現方法.實驗力學，1995(10)
3 陳 輝，何 聞，朱 虎等.一種新型的大力值、寬頻帶的負階躍力產生方法.計量與測試技術,1995(5)
4 何 聞，賈叔仕，魏燕定.1200kN標準動態力源裝置液壓系統的設計.機床與液壓,1997(3)