您好,欢迎访问东莞市正航仪器设备有限公司官方网站!
拉力试验机
- 拉力试验机-50KG
- 电脑式单柱拉力机
- 微电脑拉力试验机
- 龙门拉力试验机
剥离试验机
- 180°剥离试验机
- 90度剥离试验机
边压试验机
- 环压边压试验机
- 边压强度试验机
- 新款环压/边压试验机
当前位置:首页 > 新闻中心 >

材料试验机设计的总体方案及各种元气件介绍

来源:拉力试验机厂家    发布时间:2014-09-26 09:01
材料试验机设计的总体方案及各种元气件介绍
2.1设计的总体方案设想
2.1.1设计方案的改进
    在材料力学性能试验中,需要对试样按照一定的要求加载荷,这种加载用的设备称为材料试验机。随着科学技术的不断发展和测试技术的日趋完善,新技术、新工艺和新材料的应用,材料设计和研究对材料的力学性能指标测试精度要求更高了,提出了一些极为重要的新的试验方法。进入二十世纪七十年代以后,由于材料科学发展很快,对材料试验机提出了更高的要求,例如要求拉伸试验机加载过程中控制应力的应变速率和加载速率,宽范围的位移速率以及各种循环等等。这些均为现代材料性能极为重要的参数,于是迫使人们去研究新型材料试验机以满足要求。于是电子材料试验机问世了。如图2.1所示。
旧式材料试验机 
图2.1旧式材料试验机
 
但是这种旧式的电子试验机不是试验机的终点,随着时代的进一步发展,尤其是计算机技术的迅猛发展,这种旧式的电子试验机就不能满足现代材料测试的需要,它的一些缺点也日渐的暴露出来。例如,集成化不高,控制精度不高,控制方法单一不能实现应力速度控制,试验数据处理功能差。所以一种新的试验机设计呼之欲出。在新型的试验机中,旧式试验机中的控制采集系统(图2.1中虚线内)全部被一台计算机和一块板卡所代替,新型电子试验机的示意图如图2.2所示。
 新型材料试验机 
图2.2 新型材料试验机
 
2.1.2拉力试验机原理框图
如图2.3所示,此方案中采用单片机作为主控器件,在上位PC机的控制下对被测量进行采集与电机的控制,主要硬件电路是由传感器激励电路、传感器、前置放大电路、阻抗变换短路、A/D转换电路、单片机及通讯电路构成。其中:采用由电阻应变片电桥构成的传感器实现拉力-电量的变换,实现对小位移测量;采用光电编码器实现对大位移的测量;采用仪表放大器构成前置放大电路,实现对应变片传感器输出的毫伏级信号的放大;采用精密运放构成射级跟随电路,实现阻抗变换;采用24位∑-△型A/D转换器实现模拟量到数字量的测量变换;采用89C51单片机作为系统控制部件,实现A/D的校准、数据采集、通讯等功能。
拉力试验机原理框图 
图2.3 拉力试验机原理框图
2.1.3电阻应变片(小位移测量)
    拉力试验的测量原理是基于力—变形(F-△L)和应变(σ-ξ)实现的,目前,力值测量传感器主要是由采用惠斯通(Wheatstone)电阻电桥结构应变计构成,其内部主要是由金属电阻应变片构成的,是利用吸附在基体材料上的应变电阻随机械形成形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应,实现力值的步模拟转换。由于金属导体的电阻值可用式(2.1)表示:
                 R=ρL/S                             (2.1)
式中:  ρ---金属导体的电阻率(Ω.cm2/m)
S----导体的截面积(cm2)
L----导体的长度(m)
     以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,从上式中可以容易得出,其电阻即会发生改变。假如金属丝受外力作用而伸长时,其长度增加,而截面积减小,电阻值便会增大。只要测出电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压),即可获得应变金属丝的应变情况,进而获得相应的力值变化。
在一定的变形范围内,金属丝的电阻变化率与应变成线性关系。当将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面,并使敏感栅的栅轴方向与应力方向一致时,应变片电阻值的变化率△R/R与敏感栅的栅轴方向的应变ε成正比,如式(2.2)所示
                △R/R=Kε                        (2.2)
         式中:R---应变片的原始电阻值;
               △R----应变片电阻值的改变量;
K----应变片的灵敏系数;
应变电桥有一个重要的性质:应变电桥的输出电压与相邻量桥臂的电阻改变量之差、相对两桥臂电阻改变量之和成正比。对于平衡电桥,如果相邻两桥臂的电阻改变量大小相等、符合相同,或相对两桥臂的电阻改变量大小相等、符合相反,则电桥将不会改变其平衡状态。
应变片在电桥中的接法通常有半桥单臂接法、半桥双臂接法及全桥接法,其中同等条件下半桥双臂接法的输出是半桥单臂接法的两倍;全桥接法的输出是半桥单臂接法的四倍。
2.1.4光电编码器(大位移测量)
拉力试验的测量原理是基于力—变形(F-△L)和应变(σ-ξ)实现的,目前大位移测量通常采用码盘长度测控器,码盘长度测控器由长度脉冲信号发生器(码盘)、长度显示(6位7段数码管)以及长度测量与控制(MCS-51单片机及接口电路)等3部分组成。
技术条件要求长度设定位6位数字,即长度显示位999.999mm。长度显示是动态显示所测量材料的实际长度。准确的计算出发出控制命令的提前量是高精度测量的保证,测量材料长度的码盘与长度测量与控制电路(MCS-51单片机及接口电路)连接,6位7段数码管用于长度显示,码盘每转600个脉冲,因此脉冲当量位
                           δ=180∏/600=0.9425 mm             (1)
每检测到一个码盘脉冲就表示材料拉伸了0.9425mm。因此,通过码盘能够检测出材料的实际长度,进而在对码盘脉冲实时采集、处理和显示的过程中,实现对材料长度的准确控制。
硬件电路以89C51为核心, 由EPROM、RAM存储器、I/O芯片以及键盘显示电路组成。为保证系统在恶劣工业环境下可靠工作, 所有数字量输人/输出点都经过光电隔离, 模拟量采用变压器藕合隔离。
码盘定长控制器的抗干扰措施:
本测控器设计时充分考虑了抗干扰问题, 采取以下措施:
① 测控器装置了金属屏蔽罩, 输人信号线及输出信号线采用金属屏蔽线, 以屏蔽外界电磁信号
② 输人输出光电隔离, 由于检测输人和控制输出都与继电器、接触器、电机及开关等相连, 易受一「扰, 因此在输入输出电路设计中, 都采用了光电隔离, 这样可减少对单片机的干扰
③ 防止对电源的干扰, 电源仅供微机使用, 稳压输出采用滤波, 从而提高微机电源的质量, 保证微机正常运行
④ 由于外界干扰有可能使程序在运行过程中出现“ 跑飞” 现象, 因此设置软件陷阱, 在非程序区用连续填充, 一旦程序运行失控, 进入非程序区, 强迫使程序自动进人初始状态
2.1.5力值传感器电源
为使应变传感器产生一个与其受力大小相适应的电信号输出,必须为应变片电桥提供合适的激励源,为了获得较好的应用效果,通常采用恒压源或者恒流源激励电桥。
在典型的电阻式应变传感器应用中,由电阻应变片构成的电桥输出的电压差分信号与传感器受到的压力和对电桥施加的激励电压成一定比利,当应变量一定时电桥输出的差分电压信号精度受激励源影响,其影响程度与激励源波动程度相当,因此在力值测量中电阻式应变传感器激励源设计是十分重要的。
2.1.6信号调理单元(前置放大器)
电阻式应变电桥输出的电信号通常很微弱并且受到噪声、失调和增益误差的影响。在对电桥的输出信号数字化处理之前,必须先将其通过放大、滤波等环节进行调理以便与数模转换器(ADC)的输入范围想匹配。采用AD620仪用放大器构成力值传感器输出信号的前置放大单元。
2.1.7单片机控制单元
设计中采用89C51单片机作为单台拉力试验机的数据采集与电机控制器件,单片机控制电路主要由单片机系统电路与MAX232电平转换电路构成。
2.1.8单片机控制软件流程图
单片机上电后首先完成系统初始化及对AD的校准,然后等待上位PC机指令,收到指令后按照指令启动电机开始记录转换结果,并将转化结果按照事先设定好的数据量求和后上传给上位PC机,当PC发送停止指令后关闭电机完成测试过程,软件流程图如下图2.3
软件流程图如下图 
图2.3 单片机程序框图
2.2 A/D转换器的介绍
2.2.1CS5530 概述
CS5530 是美国Cirrus Logic 公司推出的一种具有极低噪音的、多通道Δ - Σ 型模拟/ 数字转换器,由于其采用电荷平衡技术和极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器,可得到高达24 位分辨率的输出结果,精度高,动态特性宽,是其它类型转换器所无法比拟的。CS5530 的差动输入端可以直接测量来自传感器的毫伏信号,简化了与外围电路的连接。可编程增益放大器可使放大倍数从1~32 进行设定(以2 倍步长增加) ,大大提高了系统的动态特性。多级程控数字滤波器使得数据输出速率可选择,范围为7. 5 Hz~3. 84kHz ,方便了与外设的连接。该A/ D 转换器有一个灵活而简便的同步串行接口,使转换数据以串行方式输出,它与SPI、Microwire 兼容。
此外, CS5530 内部有一个完整的自校正系统, 可进行自校准和系统校准,可消除A/ D 本身的零点增益和漂移误差,以及系统通道的失调和增益误差。宽动态特性、可编程输出速率、灵活的供电方式及简便的三线串行输出模式,使得该A/ D 转换器极易和单片机接口,广泛适用于工业过程控制、称重仪器、便携式仪表及其它高分辨率测量等场合。
2.2.2CS5530 引脚功能
CS5530 是双通道的A/ D 转换器,其封装形式有20 脚双列直插式和20 线贴片式。引脚排列如图1 所示。CS5530 各引脚的功能如表1 所示。
表1
引脚号 引脚名称 引脚功能
1 AIN1 + 通道1 输入端( + )
2 AIN1 - 通道1 输入端( - )
3 C1 增益放大器连接电容
4 C2 (常用22 nF)
5 VA + 模拟电源正
6 VA - 模拟电源负
7 A0 逻辑输出(模拟)
8 A1 逻辑输出(模拟)
9 XOUT 晶振连接端
10 XIN 晶振连接端
11 SCL K 串行时钟输入端
12 SDO 串行数据输出端
13 SDI 串行数据输入端
14 / CS 片选(低电平有效)
15 VD + 数字电源正
16 DGND 数字电源地
17 VREF - 参考电源地
18 VREF + 参考电源正
 
 
2.2.3CS5530 的结构及工作原理
CS5530 由多路开关、可编程增益放大器( PGIA) 、四阶差动Δ - Σ 调制器、程控多阶数字滤波器以及串口、时钟发生器、校准控制系统和输出锁存等组成。其结构如图2 所示。
图2.4 CS5530内部结构图 
图2.4 CS5530内部结构图
2.2.4模拟输入
CS5530 为双输入通道的A/ D 转换器,通过设置命令寄存器相应位选择转换通道。模拟输入范围为:5~85 mV ,80 mV~1. 2 V ,200 mV~2. 5 V ,参考电压输入范围为+ 1. 0~ + 5. 0 V.
CS5530 的可编程增益放大器( PGIA) 的增益设置为1 、2 、4 、8 、16 或32 。允许小信号输入、增益可编程等特点,从本质上讲,增加了系统的动态范围,简化了与传感器的接口。
该A/ D 转换器有3 种供电方式:
(1) V A + = + 5 V ; V A - = 0 V ; V D + = + 3~ + 5 V ;
(2) V A + = + 2. 5V ; V A - = - 2. 5V ; V D + = + 3~+ 5 V ;
(3) V A + = + 3 V ; V A - = - 3 V ; V D + = + 3 V ;
外部参考电压输入范围为+ 1. 0~ + 5. 0 V.
2.2.5内部寄存器
CS5530 芯片内有一微处理器,用来控制A/ D 与外设之间的数据传送。该微处理器内有一个命令寄存器,一个结构寄存器,4 个通道设置寄存器,一个转换数据寄存器(只读) 和各通道的增益寄存器、偏差寄存器。所有的寄存器,除了命令寄存器是8 个字节,其余都是32 字节。
2.2.6串行接口
CS5530 的串行接口有4 根控制线: CS 、SDI、SDO、SCL K。图3 为命令与数据传送时序图。CS 为片选端,串口始能控制线,低电平有效。SDI 为串行数据入。将数据信号传送给转换器。SDO 为串行数据出。将数据信号从转换器送出。/ CS 为高电平时,SDO 处于高阻状态。SCL K为串行移位时钟,控制A/D 串口数据的移位。
2.2.7软件设计
软件主要包括系统复位初始化模块、A/ D 转换控制模块、数据处理模块以及显示打印模块等。
2. 3单片机89C51介绍
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的89C51是一种高效微控制器,89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 
2.3.2主要特性: 
 ·与MCS-51 兼容 
 ·4K字节可编程闪烁存储器 
  寿命:1000写/擦循环 
  数据保留时间:10年 
 ·全静态工作:0Hz-24Hz 
·三级程序存储器锁定 
 ·128*8位内部RAM 
 ·32可编程I/O线 
 ·两个16位定时器/计数器 
 ·5个中断源 
 ·可编程串行通道 
 ·低功耗的闲置和掉电模式 
 ·片内振荡器和时钟电路 
2.3.2部分管脚说明: 
  P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 
  P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 
  P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 
  P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 
  RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 
  ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 
  /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。 
  /EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。  
2.3.3振荡器特性: 
  XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。  
  此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU停止工作。但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。 
2.3.4结构特点:
 ·8位CPU;
 ·片内振荡器和时钟电路;
 ·32根I/O线;
 ·外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K;
 ·2个16位的定时器/计数器;
 ·5个中断源,两个中断优先级;
 ·全双工串行口;
·布尔处理器;
2.4 RS232串行口及电平转换芯片MAX232介绍
2.4.1 RS232串行接口
RS232串行接口是个人计算机上的通讯接口之一,由电子工业协会(Electronic Industries Association,EIA) 所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个接脚 (DB-9) 或是25个接脚 (DB-25) 的型态出现,一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口,分别称为 COM1 和 COM2。 
  RS-232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号,C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线,包括一个主通道和一个辅助通道。 在多数情况下主要使用主通道。 
  串行通信接口标准经过使用和发展,目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。RS-323C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0~20000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题,如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备,因此,它作为一种标准,目前已在微机通信接口中广泛采用。  
  RS-232C规标准接口有25条线,4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线,常用的只有9根,它们是 
  (1)联络控制信号线: 
  数据装置准备好(Data set ready-DSR)——有效时(ON)状态,表明MODEM处于可以使用的状态。 
  数据终端准备好(Data terminal ready-DTR)——有效时(ON)状态,表明数据终端可以使用。 
  这两个信号有时连到电源上,一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效,只表示设备本身可用,并不说明通信链路可以开始进行通信了,能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。 
  请求发送(Request to send-RTS)——用来表示DTE请求DCE发送数据,即当终端要发送数据时,使该信号有效(ON状态),向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发送状态。 
  允许发送(Clear to send-CTS)——用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据,是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据,并向前发送时,使该信号有效,通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。  
  (2)数据发送与接收线: 
  发送数据(Transmitted data-TxD)——通过TxD终端将串行数据发送到MODEM,(DTE→DCE)。 
接收数据(Received data-RxD)——通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据,(DCE→DTE)。
2.4.2 MAX232
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
内部结构基本可分三个部分:
部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC(+5v)。
MAX232接口电路如图2.5所示
图2.5 MAX232接口电路   
图2.5 MAX232接口电路
2.5码盘的介绍
光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器,光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。 
光电码盘式位移控制器是较新型的位移测量及控制器件与机械式位移控制器如阻令控制器相比, 具有可靠性高、精度高、使用方便、易操作调试和维修等优点, 被广泛应用。如炼铁高炉的料位测量和控制。
推荐产品

正航仪器专注于拉力试验设备领域

15899687899

0769-89256365

东莞市正航仪器
正航简介
新闻中心
产品中心
产品视频
成功案例
联系正航
拉力试验机
- 拉力试验机-50KG
- 电脑式单柱拉力机
- 微电脑拉力试验机
- 龙门拉力试验机
剥离试验机
- 180°剥离试验机
- 90度剥离试验机
边压试验机
- 环压边压试验机
- 边压强度试验机
- 新款环压/边压试验机
备案号:粤ICP备12059146号网址:www.dgyq.net推荐网站:恒温恒湿试验箱 冷热冲击试验机盐雾腐蚀试验箱 网站地图


粤公网安备 44190002001177号