海綿／泡沫反復(fù)壓陷疲勞性能數(shù)字測量系統(tǒng)

梁 明

（江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

如今，食品產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，也帶動了一批食品機(jī)械相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。因此，對食品機(jī)械質(zhì)量進(jìn)行檢測的標(biāo)準(zhǔn)將越來越高，同時對其材料測控領(lǐng)域也會越來越嚴(yán)。目前，針對食品機(jī)械組成部分的質(zhì)量檢測儀器的開發(fā)，已成為市場新的機(jī)遇。本文論述的儀器主要是針對食品機(jī)械中的質(zhì)量檢測，即用于泡沫聚合材料的往復(fù)沖擊壓縮疲勞試驗(yàn)，測定其試樣的厚度減少值和硬度降低值（殘余變形率），并由此可以了解該材料的動態(tài)疲勞特性［1］。

1 測量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1。該儀器滿足食品機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JASOB 408——84等標(biāo)準(zhǔn)要求。

該儀器的平臺，即下壓盤，能完全支撐試樣，并有直徑約6mm、間距約為20mm的適于通氣的孔，以便使空氣從試樣下逸出。

儀器的壓頭，即上壓盤，直徑（250±1）mm，在其下邊緣有半徑（25±1）mm的圓角，該壓盤安裝在一個負(fù)荷周期能施加最大力為（750±20）N的設(shè)備上，壓頭牢固地安裝在其導(dǎo)桿上，其表面光滑但不拋光。通過曲輥或其他合適的機(jī)械裝置，試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能使承載試樣的臺板或壓頭支架往復(fù)運(yùn)動，壓頭在垂直于下壓盤表面的方向以（70±5）次／min的速率進(jìn)行沖擊，其沖擊幅度是可以調(diào)節(jié)的。壓頭支架、支架和平臺靠近在一起時，能通過沖擊點(diǎn)傳送這種凹入力，此時，全部的凹入力由試樣承受，壓頭可以自由地被支架桿托起以防止試片超負(fù)荷。

圖1 測量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Diagram of the mechanical structure

該儀器的測力裝置為精密壓力傳感器，利用它能測量通過壓頭對試樣施加的負(fù)荷，本系統(tǒng)將平臺固定在負(fù)荷傳感器上。

在壓力傳感器底部，有升降裝置用于手動調(diào)整沖擊試驗(yàn)的幅度，用以調(diào)節(jié)試驗(yàn)過程中的沖擊負(fù)荷，使之滿足標(biāo)準(zhǔn)所要求的負(fù)荷［2］。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

測量系統(tǒng)的控制部分的組成見圖2［3］。

該測定儀的前端傳感器，選擇由北京正開儀器有限公司生產(chǎn)的MCL－Z的精密壓力傳感器。該傳感器的推薦供電電壓為直流電壓12V，量程為2 000N，阻抗650Ω，在20℃條件下，非線性小于0.1%。在滿量程情況下輸出電壓為5V。

圖2 測量系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Diagram of the control system

系統(tǒng)的核心部件微處理器，由宏晶公司的STC1260S28位單片機(jī)組成，其在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)對壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集并判斷、記錄壓陷疲勞次數(shù)以及一次下壓過程中的壓力最大值，控制異步電機(jī)動作，以及與用戶的交互操作。壓力傳感器通過和單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換端口相連，將實(shí)時的試樣受力數(shù)據(jù)傳送至微處理器，用來判斷試驗(yàn)的進(jìn)行狀況，供用戶做出進(jìn)一步調(diào)整。

用戶能夠通過鍵盤上的5個按鍵選擇工作模式，完成標(biāo)定傳感器，清零的工作。控制系統(tǒng)通過12V繼電器與異步電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械部分的控制，繼電器與控制系統(tǒng)通過光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 整體軟件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)通過按鍵，與用戶實(shí)現(xiàn)交互。進(jìn)入按鍵中斷后，通過MCU的管腳電平變化情況識別鍵值，并修改相應(yīng)的標(biāo)志位。退出中斷返回主循環(huán)后，根據(jù)標(biāo)志位的取值，刷新相應(yīng)的顯示，改變系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，并且在試驗(yàn)開始后，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集判斷，以及次數(shù)紀(jì)錄。流程見圖3。

圖3 測量系統(tǒng)控制程序流程圖Figure 3 Flow chart of the control program

3.2 數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計

該儀器用于測定泡沫材料疲勞壓陷的試驗(yàn)次數(shù)，在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于機(jī)械振動等原因，對于數(shù)據(jù)的干擾十分嚴(yán)重，因此，為了保證測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這里采用了多種數(shù)據(jù)濾波的方法。首先對數(shù)據(jù)采集50次，作為一次結(jié)果，代碼如下：

接下來，對于采集到的結(jié)果進(jìn)行一階滯后濾波，方法如下：取a＝0～1，本次濾波結(jié)果＝（1－a）×本次采樣值＋a×上次濾波結(jié)果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于對周期性干擾具有良好的抑制作用，但是會引起信號在一定程度上滯后（滯后程度由a的大小決定）［4］。代碼如下：

以上兩種濾波方法基本可以實(shí)現(xiàn)濾除電信號對于AD采樣數(shù)據(jù)的干擾，保證對下壓過程中所采集的壓力最大值基本準(zhǔn)確。同時，還需要考慮在試驗(yàn)過程中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)及受力引起的振動，對傳感器造成的沖擊引起次數(shù)記錄的不準(zhǔn)確。因此，根據(jù)實(shí)際情況（AD采樣的速度以及壓陷周期），引入對最大值的判斷過程，即對200個AD結(jié)果取其中的最大值，然后將這些最大值取出，判斷壓力峰值的大小。代碼如下：

4 結(jié)束語

（1）本系統(tǒng)利用單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)中壓陷次數(shù)以及壓力峰值的準(zhǔn)確測量，保證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)證明，上述濾波方法和峰值的判斷方法是切實(shí)可行的。

（2）在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步增加自動升降的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用控制系統(tǒng)對于峰值的自判斷，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)平臺的自動升降，從而實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)的自動化。

1 劉玉長.自動檢測和過程控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

2 王化祥.自動檢測技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

3 劉君華.控制系統(tǒng)設(shè)計指南［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

4 王振清.材料工程計算機(jī)測控［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.