一種新型電子拉力機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

解涑轉(zhuǎn)，李 杰，王欣偉

（1.國網(wǎng)山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西 運(yùn)城 044000；2.國網(wǎng)山西省公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

一種新型電子拉力機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

解涑轉(zhuǎn)1，李 杰2，王欣偉2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西 運(yùn)城 044000；2.國網(wǎng)山西省公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

介紹了一種新型的電子拉力機(jī)，分析了系統(tǒng)硬件工作原理與軟件結(jié)構(gòu)。在原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加單片機(jī)控制模塊來完成數(shù)據(jù)采集與控制。該系統(tǒng)能夠滿足拉力測試的要求，可操作性強(qiáng)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量管理，能夠大幅度提高生產(chǎn)檢驗的準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率。

電子拉力機(jī)；系統(tǒng)設(shè)計；數(shù)據(jù)采集

拉力測試系統(tǒng)在電力行業(yè)對電力金具機(jī)械試驗中得到了廣泛應(yīng)用，在一定程度上可以代替人工操作，提高相關(guān)工具和材料的檢驗檢測水平。但目前市面上的拉力機(jī)都是針對特定應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計的，是具有特定功能的個體，其自動化水平較低，在具體應(yīng)用上存在很多局限，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：自動化水平低，在試驗過程中需要工作人員進(jìn)行干預(yù)，浪費(fèi)大量的時間和精力，實時性也較差；試驗檢測的結(jié)果單一，試驗結(jié)果很難進(jìn)行量化，往往只能給出一個簡單的結(jié)論，缺乏對試驗結(jié)果的定性分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計

針對拉力機(jī)存在的一些問題，本文設(shè)計了一種新型電子拉力機(jī)系統(tǒng)，在盡量保持原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加微處理器控制模塊，來完成數(shù)據(jù)采集與控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子拉力機(jī)系統(tǒng)圖

電子拉力機(jī)系統(tǒng)主要由兩部分組成：傳統(tǒng)拉力機(jī)機(jī)械構(gòu)造部分和微處理器控制模塊。機(jī)械構(gòu)造部分分為加力系統(tǒng)和測力系統(tǒng)，其中如何對測力系統(tǒng)完成自動化操作是設(shè)計的關(guān)鍵，拉力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可以看出，系統(tǒng)通過傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊將拉力轉(zhuǎn)換為電信號，并進(jìn)行放大和濾波等預(yù)處理。微處理器控制模塊用來完成數(shù)據(jù)采樣量化、試驗控制、信息分析存儲等功能。最后通過串口通訊，將存儲的分析結(jié)果進(jìn)行實時顯示。

2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

為了使傳統(tǒng)拉力機(jī)具有自動化功能，需要對相關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行改造，改造主要涉及以下部分。

a）根據(jù)具體應(yīng)用情況配置放大倍數(shù)合適的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換完成后通過信號處理模塊對得到的信號進(jìn)行濾波、平滑處理?？梢赃x用12位逐次快速逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，例如采用AD1674，該芯片內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與微處理器相連，并且該芯片含有高精度時鐘電路，可以在不需要外部時鐘和電路的情況下完成A/D轉(zhuǎn)換。

b）選擇精度高、性能好的傳感器。如可以選用恒壓電橋類電阻應(yīng)變式傳感器，該類傳感器具有線性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，輸出直流電壓信號。

c）信號放大電路的設(shè)計。采用二級放大的方式。第一級采用差分電路，第二級采用加法電路。這樣設(shè)計可以放大電路具有高共模抑制比，獲得較高的輸入阻抗，漂移小，對微弱電壓也十分敏感，特別適合與傳感器搭配使用。硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

恒壓傳感器橋由4個應(yīng)變電阻組成，其阻值隨所受力的變化而變化，能夠使電橋輸出1個正比于力的電壓信號，經(jīng)放大電路處理后送入A/D轉(zhuǎn)換器，用2個寄存器保存轉(zhuǎn)換結(jié)果高8位和低4位，通過數(shù)據(jù)總線送入微處理器內(nèi)部。

微處理器控制模塊是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，需要處理的技術(shù)問題包括以下部分。

a）采樣周期。采樣周期的選取影響到采樣數(shù)據(jù)的精度和測試曲線的變化。通過采用軟件控制的方法，可以根據(jù)位移精度和試品的變形速度動態(tài)的計算采用周期。

b）消除由于零點(diǎn)漂移而帶來的誤差。在實際具體操作過程中，系統(tǒng)電路會不可避免地產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，造成采樣誤差。我們可以通過增加重采樣輸入電路，消除零點(diǎn)漂移。

c）為了實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)存儲功能，可以采用存儲芯片2764和6264分別擴(kuò)展作為外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。

3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

圖3 硬件設(shè)計框圖

系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖如圖4所示。在數(shù)據(jù)采集過程中有個值得注意的問題，就是由于信道中干擾信號的存在，對于緩慢輸入的拉力信號，如何進(jìn)行準(zhǔn)確采集。雖然在硬件設(shè)計環(huán)節(jié)已經(jīng)采用濾波器對采用信號進(jìn)行了模擬濾波，但仍不能保證將干擾信號全部去除。為此，在軟件設(shè)計環(huán)節(jié)采用動態(tài)數(shù)據(jù)在線濾波算法來提高信噪比，采用最大值檢測方法進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，以進(jìn)一步減少采樣數(shù)據(jù)誤差，保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性（見圖5）。

在軟件的具體實現(xiàn)上，根據(jù)微處理器的不同選型可以有不同的實現(xiàn)方法。如果選用單片機(jī)，則采用高級語言C51實現(xiàn)程序，應(yīng)用MPLAB、KEIL C51完成程序編譯?；蛘哌x用ARM直接構(gòu)建片上系統(tǒng)，例如Freescale系列的高性能處理器，直接采用廠家提供的BSP開發(fā)包搭建開發(fā)環(huán)境，C語言實現(xiàn)程序功能，GCC通用編譯器進(jìn)行程序編譯。兩種方式都可以直接將算法程序編譯后，燒錄到外部程序存儲器，提高軟件設(shè)計效率。

根據(jù)傳感器具體采集速率來選擇數(shù)據(jù)的傳輸方式。數(shù)據(jù)傳輸方式有軟件觸發(fā)、中斷和DMA。如果傳感器的采集速率在每秒幾千字節(jié)之內(nèi)，可以用軟件觸發(fā)和中斷的方式實現(xiàn)。如果采集速率要求比較高，則采用DMA直接完成數(shù)據(jù)傳輸，不需要CPU參與。采集得到的數(shù)據(jù)可以先存入自帶FIFO緩沖區(qū)，經(jīng)過DMA數(shù)據(jù)傳輸直接完成對采樣數(shù)據(jù)的保存。

圖4 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 A/D轉(zhuǎn)換子程序

4 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括串口數(shù)據(jù)通信、拉力函數(shù)的實現(xiàn)和拉力數(shù)據(jù)的實時顯示。串口通訊主要是編寫串口函數(shù)實現(xiàn)與試驗系統(tǒng)的通訊，包括完成串口掃描，波特率的設(shè)置等。拉力函數(shù)主要是通過確定受力與采樣數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，通過函數(shù)關(guān)系得出具體的拉力值用于實時顯示。拉力數(shù)據(jù)的實時顯示通過定時器或者軟件中斷來完成。目前的微處理器都提供多種精度的定時器，利用定時器每隔一段時間發(fā)送一條消息，系統(tǒng)捕獲消息就調(diào)用拉力函數(shù)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。軟件中斷的原理類似，系統(tǒng)通過捕獲中斷信號，調(diào)用與其相關(guān)聯(lián)的中斷處理函數(shù)完成數(shù)據(jù)的實時顯示。

5 具體應(yīng)用

架空導(dǎo)線在入網(wǎng)掛線前，按照相關(guān)要求，需進(jìn)行力值測試試驗。新入網(wǎng)的架空導(dǎo)線進(jìn)行力值測試時，導(dǎo)線一般采用鉤掛式固定，因此必須在測試導(dǎo)線兩端壓接耐張線夾，以便于導(dǎo)線的鉤掛和固定，測試結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 測試結(jié)構(gòu)示意圖

在力值測試試驗時，首先利用液壓夾具對架空導(dǎo)線進(jìn)行固定，通過電子拉力機(jī)的控制可以使液壓夾具壓力值保持在7 000 N/cm2的力值，保證導(dǎo)線和液壓夾具連接可靠穩(wěn)定。液壓夾具的開合都由液壓控制泵控制，不同規(guī)格的導(dǎo)線其拉力試驗值也不同，通過電子拉力機(jī)控制液壓控制泵來調(diào)節(jié)液壓夾具的力值，從而避免了夾具對導(dǎo)線的損傷，保證了試驗數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果的穩(wěn)定可靠。

通過電子拉力機(jī)控制液壓控制泵1和液壓控制泵2將架空導(dǎo)線壓緊，即可進(jìn)行導(dǎo)線拉力試驗，試驗完成后，控制液壓控制泵1和液壓控制泵2進(jìn)行松弛，全部試驗完成。

The Design and Realization of a New Type of Electronic Tensile M achine

XIE Suzhuan1，LI Jie2，WANG Xinwei2
（1.State Grid Yuncheng Power Supply Company of SEPC，Yuncheng，Shanxi 044000，China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

In this paper，a new type of electronic tensilemachine is introduced.Theworking principle of hard-ware and software structureof the system are analysed.On thebasisof theoriginalmechanicalstructure，themicrocomputer controlmodule isadded to the electronic tensilemachine to complete the data acquisition and control.Itisproved that the system canmeet the requirementsof tensile testing system and carry outdataanalysisand qualitymanagementeasily.Thismachine can greatly improve the accuracy and production efficiency of the production test.

electronic tensilemachine；system design；data collection

TP358

B

1671-0320（2015）05-0025-03

2015-07-04，

2015-08-11

解涑轉(zhuǎn)（1971），女，山西運(yùn)城人，1999年畢業(yè)于華北工學(xué)院電氣工程專業(yè)，工程師，從事輸變電設(shè)備電氣性能檢測、診斷工作；

李 杰（1985），男，山西長治人，2013年畢業(yè)于北京科技大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，博士，工程師，從事變電設(shè)備試驗及控制理論研究工作；

王欣偉（1979），男，山西陽泉人，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，工程師，從事配電線路研究工作。