基于稱重傳感器的木材蠕變儀的研制

楊勇　馬玉媛　侯庭瑞

摘 要 為研究木材在水分吸著過程中的蠕變特性以及其蠕變的影響因素，研制出可施加一定范圍內(nèi)的恒力的木材蠕變儀。該儀器采用5相步進電機作動力；精密稱重傳感器作為測力敏感元件；紅外激光位移傳感器作蠕變測量元件；通過RS232串口線與電腦（PC機）配合使用。它具有改變、顯示施力大小、保存木材蠕變數(shù)據(jù)、可拆卸功能，并且操作簡便，適用于需要施加一定范圍內(nèi)的恒力的木材機械吸濕蠕變實驗。

關(guān)鍵詞 稱重傳感器；步進電機；蠕變

中圖分類號：TH715 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的這種特殊的機械吸濕蠕變性質(zhì)后，許多科學家又從不同角度對木材的機械吸濕蠕變現(xiàn)象做出了解釋。研制裝置并進行試驗來進一步解釋其本質(zhì)，一方面完善了木材科學理論，另一方面將促進產(chǎn)生新的木材工藝技術(shù)[1]。

然而目前應(yīng)用于木材機械吸濕蠕變實驗的施力系統(tǒng)主要是通過人工手動施力來完成，無法實現(xiàn)自動檢測控制。本文旨在研制一種配合恒溫恒濕箱使用的、實現(xiàn)可程式施、卸載、自動測量、控制的木材蠕變測定儀。

1 木材吸濕蠕變儀測量原理

在傳統(tǒng)的測試蠕變的裝置中，施力通常選用固定荷重，而在現(xiàn)裝置中，我們依靠傳感器與單片機、步進電機的交互實現(xiàn)了力的變化，用戶可以隨意設(shè)置力的大小。

木材機械吸濕蠕變儀測量原理如圖1所示，根據(jù)試驗要求，步進電機被固定在試驗箱的內(nèi)壁；稱重傳感器的一端由螺絲固定在步進電機上；整個稱重支架再由螺絲固定在傳感器上，并以此給傳感器一個初始值，這個初始值大于所期望施加的力的大小，例如，給木材最大所要施加的力為5 N，那么步進電機開始工作向下運動給樣品施力時，樣品同時給傳感器反作用力，使得傳感器從最大的初值開始減小，因此這個裝置完全可以提供給樣品0～5 N范圍的力；稱重裝置與木材接觸的施力點為兩個圓柱；木材支撐點支撐木材的兩邊，實現(xiàn)樣品的固定；兩個激光傳感器在木材樣品的上下兩端，下方的激光傳感器用于檢測木材下表面的位移量，進而轉(zhuǎn)化成木材蠕變量，上方的激光傳感器通過同時測量木材上表面位移，來消除木材本身形變帶來的誤差。

試驗開始時，傳感器將稱重支架提供的初始值轉(zhuǎn)化成電壓信號給單片機，經(jīng)過放大后并通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給單片機，同時用戶將目標力輸入單片機，于是單片機將首先比較初始值與目標力間的差值大小，然后控制步進電機向下施力，傳感器隨時捕捉力的變化，在向樣品施力的過程中，系統(tǒng)不斷比較施力的大小和初始值與目標值差的大小，做出相應(yīng)的判斷來控制5相步進電機的上下運動，從而改變圓柱體對木材的施力，如果達到目標力，則使步進電機停止運動，如果步進電機具有慣性，施力大于目標力的大小，系統(tǒng)依然可以進行判斷并使步進電機向上運動，直到最終滿足目標力后，步進電機完全靜止，完成一次施力過程，在施力完成后，兩個紅外傳感器時刻檢測木材吸濕蠕變的大小。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉(zhuǎn)換的單片機STC12C5A60S2、5相步進電機控制電路、雙孔平行梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化；單片機系統(tǒng)主要完成信號的采集、數(shù)據(jù)通信；步進電機主要實現(xiàn)力的大小的轉(zhuǎn)變；稱重傳感器用于檢測力的大小，同時向單片機傳輸數(shù)據(jù)；激光位移傳感器則實時檢測木材蠕變的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給計算機；計算機完成數(shù)據(jù)接收、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計算、顯示等功能[2]。

2.1 稱重傳感器測量電路

圖3為測量電路的簡化圖，R1，R2，R3，R4四個應(yīng)變電阻器是橋式測量電路的主題，Rm為溫度補償電阻器，E為激勵電壓，V是測量輸出的電壓值。在系統(tǒng)沒有開始測量時，如不考慮Rm，則輸出的電壓值V滿足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知測量前輸出為0。

（1）

當應(yīng)變片的電阻R1、R2、R3、R4變成、、、時，電橋的輸出電壓變?yōu)椋?/p>

（2）

通過化簡，上式則變?yōu)椋?/p>

（3）

開始測量后，應(yīng)變電阻阻值改變，且滿足，其中

ΔR為變化的電阻值，K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，ε為應(yīng)變量。于是公式（3）可改寫為公式（4）。

（4）

上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應(yīng)變片所感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比，這就是橋式測量電路原理。

圖3 橋式測量電路

2.2 步進電機控制電路

圖4 步進電機參數(shù)圖

本系統(tǒng)選用DRL42PA2G-04MG五相步進電機如圖4所示，以及CSD5814N-P驅(qū)動器，如圖5所示。電機控制電路控制步進電機的前進，后退，停止等功能。驅(qū)動器接通24 V直流電。通過程序控制CW和CWW兩個端口的高低電平來產(chǎn)生脈沖，并通過改變脈沖數(shù)以及脈沖頻率來改變電機運轉(zhuǎn)的步數(shù)和速度。首先通過傳感器傳送目前稱重信號給單片機，單片機通過判斷目前系統(tǒng)所提供的力與目標力的大小比值，進而做出相應(yīng)的變化，控制電機的進退來改變力的大小，直到滿足了所需要的目標值。

圖5 CSD5814N-P驅(qū)動器示意圖

3 結(jié)束語

通過本裝置，在進行木材機械吸濕蠕變實驗時，可以更自動化的控制實驗進展，方便可拆卸的裝置也使的儀器變得更具可移植性。精確的數(shù)字化自動控制，讓實驗數(shù)據(jù)更加的可信，更貼近實際數(shù)據(jù)。

儀器存在的不足是現(xiàn)有的代碼不能實現(xiàn)力的種類的變化，比如正弦力或矩形力，但這也是本儀器要發(fā)展的方向，代碼將進一步被改進，以模擬出與變化的現(xiàn)實中的力更加貼近的荷重，進而使得試驗數(shù)據(jù)更有實用價值。

參考文獻

[1]曹金珍，趙廣杰.木材的機械吸濕蠕變[J].北京林業(yè)大學學報，1998，20（5）：94-100.

[2]黨安明，劉南平.基于精密稱重傳感器的易開蓋拉力測量分析儀的研制[J].山東理工大學學報，2006，20（5）：74-77.

[3]殷衛(wèi)寧.電子計價秤維修大全[M].北京：電子工業(yè)出版社，1994：3-65 .

[4]王鎖弘.稱重傳感器在恒張力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器電子技術(shù)，2003，22（4）：60-61.endprint

摘 要 為研究木材在水分吸著過程中的蠕變特性以及其蠕變的影響因素，研制出可施加一定范圍內(nèi)的恒力的木材蠕變儀。該儀器采用5相步進電機作動力；精密稱重傳感器作為測力敏感元件；紅外激光位移傳感器作蠕變測量元件；通過RS232串口線與電腦（PC機）配合使用。它具有改變、顯示施力大小、保存木材蠕變數(shù)據(jù)、可拆卸功能，并且操作簡便，適用于需要施加一定范圍內(nèi)的恒力的木材機械吸濕蠕變實驗。

關(guān)鍵詞 稱重傳感器；步進電機；蠕變

中圖分類號：TH715 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的這種特殊的機械吸濕蠕變性質(zhì)后，許多科學家又從不同角度對木材的機械吸濕蠕變現(xiàn)象做出了解釋。研制裝置并進行試驗來進一步解釋其本質(zhì)，一方面完善了木材科學理論，另一方面將促進產(chǎn)生新的木材工藝技術(shù)[1]。

然而目前應(yīng)用于木材機械吸濕蠕變實驗的施力系統(tǒng)主要是通過人工手動施力來完成，無法實現(xiàn)自動檢測控制。本文旨在研制一種配合恒溫恒濕箱使用的、實現(xiàn)可程式施、卸載、自動測量、控制的木材蠕變測定儀。

1 木材吸濕蠕變儀測量原理

在傳統(tǒng)的測試蠕變的裝置中，施力通常選用固定荷重，而在現(xiàn)裝置中，我們依靠傳感器與單片機、步進電機的交互實現(xiàn)了力的變化，用戶可以隨意設(shè)置力的大小。

木材機械吸濕蠕變儀測量原理如圖1所示，根據(jù)試驗要求，步進電機被固定在試驗箱的內(nèi)壁；稱重傳感器的一端由螺絲固定在步進電機上；整個稱重支架再由螺絲固定在傳感器上，并以此給傳感器一個初始值，這個初始值大于所期望施加的力的大小，例如，給木材最大所要施加的力為5 N，那么步進電機開始工作向下運動給樣品施力時，樣品同時給傳感器反作用力，使得傳感器從最大的初值開始減小，因此這個裝置完全可以提供給樣品0～5 N范圍的力；稱重裝置與木材接觸的施力點為兩個圓柱；木材支撐點支撐木材的兩邊，實現(xiàn)樣品的固定；兩個激光傳感器在木材樣品的上下兩端，下方的激光傳感器用于檢測木材下表面的位移量，進而轉(zhuǎn)化成木材蠕變量，上方的激光傳感器通過同時測量木材上表面位移，來消除木材本身形變帶來的誤差。

試驗開始時，傳感器將稱重支架提供的初始值轉(zhuǎn)化成電壓信號給單片機，經(jīng)過放大后并通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給單片機，同時用戶將目標力輸入單片機，于是單片機將首先比較初始值與目標力間的差值大小，然后控制步進電機向下施力，傳感器隨時捕捉力的變化，在向樣品施力的過程中，系統(tǒng)不斷比較施力的大小和初始值與目標值差的大小，做出相應(yīng)的判斷來控制5相步進電機的上下運動，從而改變圓柱體對木材的施力，如果達到目標力，則使步進電機停止運動，如果步進電機具有慣性，施力大于目標力的大小，系統(tǒng)依然可以進行判斷并使步進電機向上運動，直到最終滿足目標力后，步進電機完全靜止，完成一次施力過程，在施力完成后，兩個紅外傳感器時刻檢測木材吸濕蠕變的大小。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉(zhuǎn)換的單片機STC12C5A60S2、5相步進電機控制電路、雙孔平行梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化；單片機系統(tǒng)主要完成信號的采集、數(shù)據(jù)通信；步進電機主要實現(xiàn)力的大小的轉(zhuǎn)變；稱重傳感器用于檢測力的大小，同時向單片機傳輸數(shù)據(jù)；激光位移傳感器則實時檢測木材蠕變的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給計算機；計算機完成數(shù)據(jù)接收、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計算、顯示等功能[2]。

2.1 稱重傳感器測量電路

圖3為測量電路的簡化圖，R1，R2，R3，R4四個應(yīng)變電阻器是橋式測量電路的主題，Rm為溫度補償電阻器，E為激勵電壓，V是測量輸出的電壓值。在系統(tǒng)沒有開始測量時，如不考慮Rm，則輸出的電壓值V滿足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知測量前輸出為0。

（1）

當應(yīng)變片的電阻R1、R2、R3、R4變成、、、時，電橋的輸出電壓變?yōu)椋?/p>

（2）

通過化簡，上式則變?yōu)椋?/p>

（3）

開始測量后，應(yīng)變電阻阻值改變，且滿足，其中

ΔR為變化的電阻值，K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，ε為應(yīng)變量。于是公式（3）可改寫為公式（4）。

（4）

上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應(yīng)變片所感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比，這就是橋式測量電路原理。

圖3 橋式測量電路

2.2 步進電機控制電路

圖4 步進電機參數(shù)圖

本系統(tǒng)選用DRL42PA2G-04MG五相步進電機如圖4所示，以及CSD5814N-P驅(qū)動器，如圖5所示。電機控制電路控制步進電機的前進，后退，停止等功能。驅(qū)動器接通24 V直流電。通過程序控制CW和CWW兩個端口的高低電平來產(chǎn)生脈沖，并通過改變脈沖數(shù)以及脈沖頻率來改變電機運轉(zhuǎn)的步數(shù)和速度。首先通過傳感器傳送目前稱重信號給單片機，單片機通過判斷目前系統(tǒng)所提供的力與目標力的大小比值，進而做出相應(yīng)的變化，控制電機的進退來改變力的大小，直到滿足了所需要的目標值。

圖5 CSD5814N-P驅(qū)動器示意圖

3 結(jié)束語

通過本裝置，在進行木材機械吸濕蠕變實驗時，可以更自動化的控制實驗進展，方便可拆卸的裝置也使的儀器變得更具可移植性。精確的數(shù)字化自動控制，讓實驗數(shù)據(jù)更加的可信，更貼近實際數(shù)據(jù)。

儀器存在的不足是現(xiàn)有的代碼不能實現(xiàn)力的種類的變化，比如正弦力或矩形力，但這也是本儀器要發(fā)展的方向，代碼將進一步被改進，以模擬出與變化的現(xiàn)實中的力更加貼近的荷重，進而使得試驗數(shù)據(jù)更有實用價值。

參考文獻

[1]曹金珍，趙廣杰.木材的機械吸濕蠕變[J].北京林業(yè)大學學報，1998，20（5）：94-100.

[2]黨安明，劉南平.基于精密稱重傳感器的易開蓋拉力測量分析儀的研制[J].山東理工大學學報，2006，20（5）：74-77.

[3]殷衛(wèi)寧.電子計價秤維修大全[M].北京：電子工業(yè)出版社，1994：3-65 .

[4]王鎖弘.稱重傳感器在恒張力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器電子技術(shù)，2003，22（4）：60-61.endprint

摘 要 為研究木材在水分吸著過程中的蠕變特性以及其蠕變的影響因素，研制出可施加一定范圍內(nèi)的恒力的木材蠕變儀。該儀器采用5相步進電機作動力；精密稱重傳感器作為測力敏感元件；紅外激光位移傳感器作蠕變測量元件；通過RS232串口線與電腦（PC機）配合使用。它具有改變、顯示施力大小、保存木材蠕變數(shù)據(jù)、可拆卸功能，并且操作簡便，適用于需要施加一定范圍內(nèi)的恒力的木材機械吸濕蠕變實驗。

關(guān)鍵詞 稱重傳感器；步進電機；蠕變

中圖分類號：TH715 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的這種特殊的機械吸濕蠕變性質(zhì)后，許多科學家又從不同角度對木材的機械吸濕蠕變現(xiàn)象做出了解釋。研制裝置并進行試驗來進一步解釋其本質(zhì)，一方面完善了木材科學理論，另一方面將促進產(chǎn)生新的木材工藝技術(shù)[1]。

然而目前應(yīng)用于木材機械吸濕蠕變實驗的施力系統(tǒng)主要是通過人工手動施力來完成，無法實現(xiàn)自動檢測控制。本文旨在研制一種配合恒溫恒濕箱使用的、實現(xiàn)可程式施、卸載、自動測量、控制的木材蠕變測定儀。

1 木材吸濕蠕變儀測量原理

在傳統(tǒng)的測試蠕變的裝置中，施力通常選用固定荷重，而在現(xiàn)裝置中，我們依靠傳感器與單片機、步進電機的交互實現(xiàn)了力的變化，用戶可以隨意設(shè)置力的大小。

木材機械吸濕蠕變儀測量原理如圖1所示，根據(jù)試驗要求，步進電機被固定在試驗箱的內(nèi)壁；稱重傳感器的一端由螺絲固定在步進電機上；整個稱重支架再由螺絲固定在傳感器上，并以此給傳感器一個初始值，這個初始值大于所期望施加的力的大小，例如，給木材最大所要施加的力為5 N，那么步進電機開始工作向下運動給樣品施力時，樣品同時給傳感器反作用力，使得傳感器從最大的初值開始減小，因此這個裝置完全可以提供給樣品0～5 N范圍的力；稱重裝置與木材接觸的施力點為兩個圓柱；木材支撐點支撐木材的兩邊，實現(xiàn)樣品的固定；兩個激光傳感器在木材樣品的上下兩端，下方的激光傳感器用于檢測木材下表面的位移量，進而轉(zhuǎn)化成木材蠕變量，上方的激光傳感器通過同時測量木材上表面位移，來消除木材本身形變帶來的誤差。

試驗開始時，傳感器將稱重支架提供的初始值轉(zhuǎn)化成電壓信號給單片機，經(jīng)過放大后并通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給單片機，同時用戶將目標力輸入單片機，于是單片機將首先比較初始值與目標力間的差值大小，然后控制步進電機向下施力，傳感器隨時捕捉力的變化，在向樣品施力的過程中，系統(tǒng)不斷比較施力的大小和初始值與目標值差的大小，做出相應(yīng)的判斷來控制5相步進電機的上下運動，從而改變圓柱體對木材的施力，如果達到目標力，則使步進電機停止運動，如果步進電機具有慣性，施力大于目標力的大小，系統(tǒng)依然可以進行判斷并使步進電機向上運動，直到最終滿足目標力后，步進電機完全靜止，完成一次施力過程，在施力完成后，兩個紅外傳感器時刻檢測木材吸濕蠕變的大小。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉(zhuǎn)換的單片機STC12C5A60S2、5相步進電機控制電路、雙孔平行梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化；單片機系統(tǒng)主要完成信號的采集、數(shù)據(jù)通信；步進電機主要實現(xiàn)力的大小的轉(zhuǎn)變；稱重傳感器用于檢測力的大小，同時向單片機傳輸數(shù)據(jù)；激光位移傳感器則實時檢測木材蠕變的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給計算機；計算機完成數(shù)據(jù)接收、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、計算、顯示等功能[2]。

2.1 稱重傳感器測量電路

圖3為測量電路的簡化圖，R1，R2，R3，R4四個應(yīng)變電阻器是橋式測量電路的主題，Rm為溫度補償電阻器，E為激勵電壓，V是測量輸出的電壓值。在系統(tǒng)沒有開始測量時，如不考慮Rm，則輸出的電壓值V滿足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知測量前輸出為0。

（1）

當應(yīng)變片的電阻R1、R2、R3、R4變成、、、時，電橋的輸出電壓變?yōu)椋?/p>

（2）

通過化簡，上式則變?yōu)椋?/p>

（3）

開始測量后，應(yīng)變電阻阻值改變，且滿足，其中

ΔR為變化的電阻值，K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，ε為應(yīng)變量。于是公式（3）可改寫為公式（4）。

（4）

上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應(yīng)變片所感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比，這就是橋式測量電路原理。

圖3 橋式測量電路

2.2 步進電機控制電路

圖4 步進電機參數(shù)圖

本系統(tǒng)選用DRL42PA2G-04MG五相步進電機如圖4所示，以及CSD5814N-P驅(qū)動器，如圖5所示。電機控制電路控制步進電機的前進，后退，停止等功能。驅(qū)動器接通24 V直流電。通過程序控制CW和CWW兩個端口的高低電平來產(chǎn)生脈沖，并通過改變脈沖數(shù)以及脈沖頻率來改變電機運轉(zhuǎn)的步數(shù)和速度。首先通過傳感器傳送目前稱重信號給單片機，單片機通過判斷目前系統(tǒng)所提供的力與目標力的大小比值，進而做出相應(yīng)的變化，控制電機的進退來改變力的大小，直到滿足了所需要的目標值。

圖5 CSD5814N-P驅(qū)動器示意圖

3 結(jié)束語

通過本裝置，在進行木材機械吸濕蠕變實驗時，可以更自動化的控制實驗進展，方便可拆卸的裝置也使的儀器變得更具可移植性。精確的數(shù)字化自動控制，讓實驗數(shù)據(jù)更加的可信，更貼近實際數(shù)據(jù)。

儀器存在的不足是現(xiàn)有的代碼不能實現(xiàn)力的種類的變化，比如正弦力或矩形力，但這也是本儀器要發(fā)展的方向，代碼將進一步被改進，以模擬出與變化的現(xiàn)實中的力更加貼近的荷重，進而使得試驗數(shù)據(jù)更有實用價值。

參考文獻

[1]曹金珍，趙廣杰.木材的機械吸濕蠕變[J].北京林業(yè)大學學報，1998，20（5）：94-100.

[2]黨安明，劉南平.基于精密稱重傳感器的易開蓋拉力測量分析儀的研制[J].山東理工大學學報，2006，20（5）：74-77.

[3]殷衛(wèi)寧.電子計價秤維修大全[M].北京：電子工業(yè)出版社，1994：3-65 .

[4]王鎖弘.稱重傳感器在恒張力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器電子技術(shù)，2003，22（4）：60-61.endprint