基于虛擬儀器技術(shù)的光電測(cè)速裝置的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

落錘沖擊試驗(yàn)，通常是將一定質(zhì)量的重錘提升到某一高度后釋放，通過錘體的自由落體運(yùn)動(dòng)將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成沖擊能量，或者錘體在預(yù)加力機(jī)構(gòu)作用下，獲得一定的初始速度，對(duì)被測(cè)試樣（片、薄膜、制品）施加垂直方向的一定沖擊能量，來驗(yàn)證試樣承受沖擊載荷后的變形情況，進(jìn)而確認(rèn)試樣的抗沖擊能力[1]。落錘的沖擊能量是由落錘的質(zhì)量和沖擊瞬間的速度決定，因此，確定沖擊能量關(guān)鍵就在于獲取沖擊瞬間的速度[2]。由于光電型測(cè)速儀的高性價(jià)比，在沖擊試驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用于瞬時(shí)速度的測(cè)量。在這些試驗(yàn)中，瞬時(shí)速度測(cè)量結(jié)果反映了試樣承受沖擊的具體狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性決定試驗(yàn)的質(zhì)量。因此，光電型測(cè)速儀自身的準(zhǔn)確程度必須得到確認(rèn)，以判斷是否符合試驗(yàn)的要求。然而這些光電測(cè)速儀的工作一般都是和輔助系統(tǒng)集成在一起，難以拆卸送檢。即便拆卸送檢也可能脫離原系統(tǒng)的部分機(jī)構(gòu)而無法正常工作。對(duì)于沖擊過程的測(cè)量，通過加速度傳感器計(jì)算沖擊載荷為間接測(cè)量，對(duì)傳感器的準(zhǔn)確度要求高[3]；通過加速度二次積分計(jì)算位移存在傳感器零飄和電磁干擾而導(dǎo)致精度降低的可能[4]；通過高速相機(jī)和高速激光位移傳感器測(cè)量位移需要的硬件成本較為高昂[5-6]。因此，本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一種便攜光電測(cè)速裝置的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，提出了通過背靠背安裝標(biāo)準(zhǔn)光電傳感器和被測(cè)光電傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的光電測(cè)速裝置進(jìn)行性能確認(rèn)和數(shù)據(jù)處理的方法。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成主要包含光電傳感器和數(shù)據(jù)采集處理模塊，如圖1所示。光電傳感器選用TEOPTO公司型號(hào)為BGL 50A-004-S50的光電傳感器，工作電源為10 ～ 30 V。傳感器工作時(shí)，如果傳感器的出射光和接收端之間無遮擋，傳感器的輸出為常開或常閉；如果傳感器的出射光和接收端之間有遮擋，傳感器的輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)換為常閉或常開。因此，當(dāng)遮光片穿越傳感器的發(fā)射端和接收端的縫隙時(shí)，傳感器的輸出理論上會(huì)產(chǎn)生從低電平到高電平再到低電平或從高電平到低電平再到高電平的矩形波信號(hào)。

信號(hào)采集處理模塊采用美國(guó)NI公司的9232數(shù)據(jù)采集卡，可采集±30 V范圍內(nèi)模擬信號(hào)，配合基于TSN的以太網(wǎng)cDAQ-9185機(jī)箱搭建的系統(tǒng)方便攜帶，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，避免測(cè)試人員在落錘試驗(yàn)的危險(xiǎn)區(qū)域開展校準(zhǔn)。

圖1 系統(tǒng)組成

2 程序開發(fā)與算法設(shè)計(jì)

光電測(cè)速裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，采用基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，與計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單連接，通過設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，自定義友好的人機(jī)交互界面，創(chuàng)建符合工程師使用習(xí)慣的測(cè)量系統(tǒng)。LabVIEW程序中主要包含：人機(jī)界面、各功能模塊（如參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理）以及觸發(fā)停止等的邏輯判斷。程序流程圖和人機(jī)界面分別如圖2、圖3所示。

圖2 程序流程

圖3 人機(jī)界面

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)光電傳感器背靠背安裝，如圖4所示，測(cè)量?jī)烧叩墓恻c(diǎn)之間的高度差（通常光點(diǎn)在光電傳感器的中心位置，可認(rèn)為是背靠背安裝后連接體的厚度的一半），逐次提高落錘的高度，記錄每次的高度h和光電傳感器輸出信號(hào)。光電傳感器輸出信號(hào)的波形圖示例如圖5所示。其中X所在的上升沿和下降沿就是遮光片的上下邊緣經(jīng)過光電傳感器的瞬間，提取上升沿和下降沿中最靠近電位中心線的點(diǎn)作為脈沖的兩端，計(jì)算脈寬t。

圖4 安裝測(cè)量示意圖

圖5 光電傳感器輸出信號(hào)

假設(shè)：每次落錘沖擊試驗(yàn)的初速度v0和加速度a是一致的，一共有效測(cè)量n次。對(duì)于第i，j次測(cè)量，計(jì)算如下：

式中：ti；tj—— 第i，j次遮光片上下邊緣穿越光電傳感器的脈沖持續(xù)時(shí)間；

vi；vj—— 第i，j次遮光片中心線經(jīng)過光電傳感器的速度；

hi；hj—— 第i，j次遮光片中心線距離光電傳感器中心線的高度；

ai，j——基于hi～hj落錘沖擊過程的加速度

對(duì)于某型商用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)如表1所示，平均加速度計(jì)算結(jié)果為9.541 m/s2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

從測(cè)量結(jié)果可以看出：

1）修正后的測(cè)量結(jié)果和儀器顯示值基本一致，說明本文介紹的方法和設(shè)備的性能可靠，方便攜帶，便于溯源。

2）實(shí)際平均加速度小于重力加速度，采用v=數(shù)學(xué)模型[7]，計(jì)算值比實(shí)際值偏大。因此，忽略沖擊過程的摩擦力、空氣阻力，認(rèn)為落錘的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為落錘接觸試件時(shí)的動(dòng)能是不合適的[8]。

4 結(jié)語

1）本文介紹的光電測(cè)速裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)通過提取遮光片穿越光電傳感器持續(xù)的脈沖時(shí)間，利用安裝位置的高度差對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，測(cè)量結(jié)果符合預(yù)期。

2）本文介紹的光電測(cè)速裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)雖然都是針對(duì)落錘沖擊測(cè)量系統(tǒng)，不過對(duì)于初速度和加速度都沒有要求，理論上適用于每次沖擊的初速度v0和加速度a是一致的所有情況，包括水平和斜面。

3）程序設(shè)計(jì)中，為了提高數(shù)據(jù)的有效性，避免記錄觸發(fā)前后的無效數(shù)據(jù)，循環(huán)采集設(shè)置的時(shí)間長(zhǎng)度比較小，本文采用的是1 ms，使得記錄的光電信號(hào)矩形波形不甚美觀，有必要設(shè)置觸發(fā)前記錄數(shù)據(jù)和停止后記錄數(shù)據(jù)。

4）上升沿和下降沿過程中存在多個(gè)數(shù)據(jù)記錄，上升沿和下降沿中最靠近電位中心線的點(diǎn)作為脈沖的兩端是否符合光電傳感器的運(yùn)行原理，不同的光電傳感器之間的一致性如何有必要繼續(xù)研究。