型砂水分在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史先傳,馮蘇杭,顧玉凱,殷 帥,許議元

(常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

在鑄造生產(chǎn)中，型砂是常用的造型材料。型砂含水率是影響其性能的關(guān)鍵因素之一。水分過多或者過少，都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量低、廢品率高等問題[1-3]。因此，配置高質(zhì)量的型砂過程中，檢測含水率是一項(xiàng)非常重要的步驟。

根據(jù)資料，目前檢測型砂水分方法可分為直接法和間接法。直接法需要取樣測定，精度較高。其結(jié)果可作為實(shí)際含水率。但直接法比較消耗時(shí)間，不能滿足現(xiàn)代鑄造高效自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。間接法則通過檢測與水分變化密切相關(guān)的物理量來確定含水率，速度較快，可在線檢測[4-5]。間接法測型砂水分一般有電阻法[6]、電容法[7]、微波法[8]和紅外光譜法[9]等方法。其中：微波法能測高含水量型砂,但需要溫度和密度補(bǔ)償,而且儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高；紅外光譜法不與型砂直接接觸，反應(yīng)較快,但受型砂粒度影響很大,而且工業(yè)粉塵也會(huì)影響檢測結(jié)果；電阻法和電容法則在實(shí)際應(yīng)用中較多。其中：電阻法結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)較快，但受型砂溫度和組分影響，容易產(chǎn)生測量誤差；電容法受溫度、型砂組分影響較小，穩(wěn)定性較強(qiáng)，速度也在可以接受范圍之內(nèi)。然而，國內(nèi)目前基于電容法設(shè)計(jì)的水分檢測系統(tǒng)大部分采用模擬電路，抗干擾能力較弱。

針對此問題，本文基于電容法，設(shè)計(jì)了一種新型型砂水分在線檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用數(shù)字電路，抗干擾能力強(qiáng)，能準(zhǔn)確、快速地檢測型砂水分，并且能以4～20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流方式輸出水分信號，供上位機(jī)讀取，以便節(jié)省檢測時(shí)間、提高鑄件生產(chǎn)效率、降低廢品率。

1 檢測原理與方案

1.1 電容法水分檢測等效模型建立

型砂主要由原砂、粘土、水、煤粉等按一定比例混合而成。在這些組分中，含水率是影響其介電常數(shù)的主要因素，因此可以利用變介電常數(shù)平行極板電容傳感器來檢測型砂水分。其方法為：將2個(gè)電極平行插在型砂中，固定其距離和相對面積，則電容量只取決于極板間的介電常數(shù)，且與介電常數(shù)成正比；而介電常數(shù)與含水率大致呈線性關(guān)系，所以通過檢測2個(gè)電極之間的電容，可以間接獲得含水率的大小。

電容法型砂水分檢測等效模型如圖1所示。

圖1 電容法型砂水分檢測等效模型Fig.1 Equivalent model of molding sand moisture detection by capacitance method

在高頻交流激勵(lì)源下，型砂與極板組成的電容傳感器可以等效為1個(gè)電阻和1個(gè)電容并聯(lián)，如圖1虛線框所示部分。因?yàn)椴灰字苯訖z測2個(gè)電極之間電容的大小，所以采取采樣電阻法將電容信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌杉?/p>

當(dāng)施加高頻交變電壓信號Ui，則在采樣電阻RS兩端輸出交變的電壓信號UO可表示為：

(1)

式中：f為輸入電壓頻率；RX、CX分別為電容傳感器等效電阻和電容。

其中，電阻RX的阻值較大，且在高頻信號下，可以忽略RX的影響。當(dāng)輸入電壓信號Ui的幅值和頻率都固定不變，且采樣電阻RS為固定阻值時(shí)，輸出的電壓信號UO僅隨CX的容值變化而變化，也就是UO僅與型砂含水率相關(guān)聯(lián)。因此，通過測量電壓UO的大小，可以間接獲得型砂含水率。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確、快速地檢測和輸出型砂水分信號，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以32位ARM微控制器STM32F103RCT6為核心控制器。核心控制器主要集成了激勵(lì)源發(fā)生模塊、電容信號采集模塊、顯示模塊和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊。激勵(lì)源發(fā)生模塊產(chǎn)生的正弦交流信號通過電容傳感器接口施加到被測型砂和采樣電阻。采樣電阻產(chǎn)生的壓降經(jīng)過電容信號采集模塊處理后，以數(shù)字量傳給微控制器，再由工業(yè)電流輸出模塊輸出4～20 mA電流，可供上位機(jī)讀取。采集電壓和輸出電流讀數(shù)則通過顯示模塊進(jìn)行數(shù)碼顯示，以便觀察和調(diào)節(jié)參數(shù)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Overall system design block diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 激勵(lì)源發(fā)生模塊設(shè)計(jì)

激勵(lì)源發(fā)生模塊電路如圖3所示。

圖3 激勵(lì)源發(fā)生模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of excitation source generation module

合適的激勵(lì)源是保證水分信號采集準(zhǔn)確性的重要前提。本設(shè)計(jì)選擇低功耗、具有串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)的直接數(shù)字頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)AD9833產(chǎn)生正弦信號。微控制器通過SPI總線向AD9833發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。芯片輸出電壓先經(jīng)過電容C1濾除高頻雜波，再由電容C2隔直流，可產(chǎn)生振幅±0.6 V、頻率100 kHz的正弦信號。由于此時(shí)信號幅值太小，不利于后續(xù)電壓采集，所以先由運(yùn)放OPA227組成的同相比例放大電路進(jìn)行第一次放大，再由運(yùn)放OPA551組成的同相比例放大電路進(jìn)行第二次放大，從而得到高電壓和高電流輸出，以保證激勵(lì)源的穩(wěn)定性。2次放大后，可得幅值大約為±10 V、頻率為100 kHz的正弦信號。

2.2 電容傳感器接口設(shè)計(jì)

電容傳感器接口電路如圖4所示。

圖4 電容傳感器接口電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of capacitance sensor interface circuit

本設(shè)計(jì)中，正弦交流激勵(lì)信號由電容傳感器接口施加到被測型砂和采樣電阻。其中：P1為交流信號輸出端子，可通過傳輸線連接插入型砂的電極，為平行極板電容器提供輸入電壓；采樣電阻RS1則產(chǎn)生響應(yīng)電壓，供后續(xù)電路采集；雙向穩(wěn)壓管D1起到防止電壓過高，穩(wěn)定激勵(lì)源的作用。

2.3 電容信號采集模塊設(shè)計(jì)

采樣電阻產(chǎn)生的電壓為正弦波，微控制器無法直接讀取。因此，本設(shè)計(jì)先對交流電壓進(jìn)行帶通濾波處理，以去除高頻和低頻噪聲；然后，經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換電路將采集交流電變?yōu)橹绷?，再由增益調(diào)節(jié)電路對直流電壓進(jìn)行調(diào)零和放大；最后，由模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)采集電路將電壓模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，再由微控制器讀取。

2.3.1 濾波及有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于采樣電阻輸出的原始電壓信號微弱，本設(shè)計(jì)先將交流電壓U1進(jìn)行反相比例放大，以最大程度保留原始信號，再由無限增益多路反饋帶通濾波器進(jìn)行濾波處理。濾波及有效值轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 濾波及有效值轉(zhuǎn)換電路圖Fig.5 Circuit diagram of filtering and RMS conversion

此時(shí)，濾波電路的傳遞函數(shù)為：

(2)

式中：f0為中心頻率；KP為電壓增益；Q為品質(zhì)因數(shù)。

令C=C3=C4，則該濾波器的中心頻率f0、電壓增益KP、品質(zhì)因數(shù)Q為：

(3)

由于本設(shè)計(jì)中采樣電阻輸出電壓頻率為100 kHz，所以中心頻率f0設(shè)為100 kHz；濾波前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)放大功能，則增益KP設(shè)為1、品質(zhì)因數(shù)Q取5。

為了將濾波后的交流信號U1轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘朥2，設(shè)計(jì)了基于AD8436的有效值轉(zhuǎn)換電路。AD8436是一款低功耗、真有效值直流轉(zhuǎn)換器，可以精確地計(jì)算出任何包含直流的交流分量復(fù)雜輸入波形的真有效值，并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號。

2.3.2 幅值調(diào)節(jié)及A/D采集電路設(shè)計(jì)

幅值調(diào)節(jié)電路有以下2個(gè)作用。

①空載調(diào)零。

由減法運(yùn)算電路可得運(yùn)放UA7輸出電壓U5為：

U5=U4-U3

(4)

式中：U4為采樣電阻的電壓經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換后的電壓；U3為數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5683輸出的電壓，其范圍為0～5 V可調(diào)。

由于寄生電容等影響，當(dāng)沒有待檢測型砂時(shí)，也會(huì)采集到電壓。該電壓讀數(shù)很大，容易影響測量精度。因此，檢測前需要空載調(diào)零。通過調(diào)節(jié)U3的大小，使得U4=U3。此時(shí)，電壓U5為0。則微控制器讀取的A/D轉(zhuǎn)換值也為0。即：當(dāng)無待測型砂時(shí)，對應(yīng)含水率為0%。

②A/D數(shù)字量調(diào)節(jié)。

由同相比例運(yùn)算電路以及電壓跟隨器電路，可得運(yùn)放UA9的輸出電壓U6為：

(5)

式中：R17和R19為定值；R18為數(shù)字電位器輸出阻值。

型砂電容一般只有皮法級，導(dǎo)致采集電壓讀數(shù)較小。為了提高測量精度，通過改變R17的阻值，可以調(diào)節(jié)電壓U7的大小，從而使A/D采集數(shù)字量增大到合適的讀數(shù)。

幅值調(diào)節(jié)及A/D采集電路如圖6所示。

圖6 幅值調(diào)節(jié)及A/D采集電路圖Fig.6 Amplitude adjustment and A/D acquisition circuit diagram

A/D采集電路基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)AD7895-10。AD7895-10具有12位ADC、雙極性輸入和高速串行SPI接口等特點(diǎn)，只要單電源+5 V供電，就能采樣±10 V的電壓，能滿足本設(shè)計(jì)對A/D轉(zhuǎn)換精度和速度要求。為了保證轉(zhuǎn)換精度，采用AD780提供+2.5 V外部基準(zhǔn)電壓作為參考，采集到的電壓經(jīng)過一階低通濾波后，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.4 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊設(shè)計(jì)

型砂水分信號采集完成后，為了準(zhǔn)確、可靠地輸出信號供上位機(jī)讀取，將信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流形式輸出，使之不易受鑄造廠內(nèi)工業(yè)噪聲干擾、適合遠(yuǎn)距離傳輸[10]，本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-to- analog converter,DAC)AD5410的4～20 mA電流輸出模塊。AD5410是一款低成本、高精度、全集成、具有SPI的12位電流源DAC芯片，能夠提供可編程電流源輸出。微控制器通過SPI總線向AD5410發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生4～20 mA電流，經(jīng)過穩(wěn)壓后由P2接口輸出。晶體管Q1則起到減小片內(nèi)輸出晶體管中的電流、降低功耗的作用。

4～20 mA電流輸出電路如圖7所示。

圖7 4～20 mA電流輸出電路圖Fig.7 Schematic diagram of 4～20 mA current output circuit

2.5 顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊可觀察采集到的電壓讀數(shù)和輸出電流讀數(shù)，便于參數(shù)調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)中，顯示模塊主要由數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219、1個(gè)4位共陰極數(shù)碼管和1個(gè)3位共陰極數(shù)碼管組成。MAX7219具有SPI總線接口，最多能同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位7段共陰極數(shù)碼管。與直接用微控制器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管相比，該方法占用端口少，節(jié)省了微控制器I/O口資源。由于只驅(qū)動(dòng)7位數(shù)碼管，所以MAX7219芯片引腳DIG0～DIG6分別控制7位數(shù)碼管的位選狀態(tài)、Seg A～Seg G控制數(shù)碼管的段選狀態(tài)、Seg DP控制小數(shù)點(diǎn)顯示狀態(tài)。2個(gè)數(shù)碼管中，4位數(shù)碼管可顯示微控制器讀取的采集電壓的A/D轉(zhuǎn)換值，范圍為0～2 047；3位數(shù)碼管則顯示輸出電流讀數(shù)，范圍為4～20 mA。

數(shù)碼顯示電路原理如圖8所示。

圖8 數(shù)碼顯示模塊原理圖Fig.8 Schematic diagram of digital display module

3 軟件設(shè)計(jì)

型砂水分在線檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于Keil5平臺(tái)，采用C語言進(jìn)行程序編寫。其中主要包括正弦信號發(fā)生程序、A/D采集及數(shù)字濾波程序和D/A轉(zhuǎn)換程序。

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)首先上電15 min，等待穩(wěn)定和完成初始化，包括通用輸入/輸出口(general purpose input/output,GPIO)、SPI、嵌套向量中斷控制器(nested vectoredinterrupt controller,NVIC)和定時(shí)器等外設(shè)進(jìn)行初始化設(shè)置。然后，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，包括空載調(diào)零和采集電壓的數(shù)字量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完成后，系統(tǒng)通過型砂實(shí)際含水率與電壓數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)定，并在標(biāo)定完成后開始檢測型砂水分。最后，系統(tǒng)將檢測到的型砂水分信號以4～20 mA電流輸出，供上位機(jī)讀取。型砂水分在線檢測系統(tǒng)工作流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程圖Fig.9 Flowchart of system work

3.2 正弦信號發(fā)生程序

STM32微控制器通過SPI串行通信方式設(shè)定AD9833的波形和頻率，使其輸出所需頻率的正弦波。輸出頻率可表示為：

(6)

式中：fOUT為AD9833輸出波形頻率，即正弦信號頻率；F為載入所選頻率寄存器的值；fMCLK為外接有源晶振頻率。

AD9833數(shù)據(jù)寫入流程如圖10所示。

圖10 AD9833數(shù)據(jù)寫入程序流程圖Fig.10 Flowchart of AD9833 data writer

正弦波發(fā)生程序流程為：首先，初始化AD9833，即先將RESET置1，防止初始化時(shí)產(chǎn)生虛假的DAC輸出；然后，設(shè)置控制寄存器中的D15D14=00，B28位置1，表示一次性連續(xù)寫入28位數(shù)據(jù)；當(dāng)設(shè)定所需頻率，根據(jù)式(6)可以得出寫入頻率寄存器的32位16進(jìn)制值，分別提取14個(gè)最低有效位(least significant bit,LSB)和14個(gè)最高有效位(most significant bit,MSB)，將提取的數(shù)據(jù)寫入到頻率寄存器0；寫入完成后，使RESET置0，AD9833復(fù)位并進(jìn)入工作狀態(tài)，輸出正弦波形。

3.3 A/D采集及數(shù)字濾波程序

A/D采集及數(shù)字濾波程序是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究部分。其中：A/D采集程序主要實(shí)現(xiàn)將采集的電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由微控制器讀??；數(shù)字濾波程序用于在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，消除遇到的脈沖干擾和隨機(jī)誤差，可提高測量精度和穩(wěn)定性[11-12]。

A/D采集程序根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7895-10工作原理，配置SPI和TIM3定時(shí)器中斷程序。其中：SPI用于AD7895-10與微控制器數(shù)據(jù)傳輸；TIM3中斷程序則處理A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，2 ms中斷1次。當(dāng)TIM3第一次中斷產(chǎn)生啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；第二次則通過SPI總線向AD7895寫入數(shù)據(jù)，等待轉(zhuǎn)換；第三次中斷產(chǎn)生讀取A/D轉(zhuǎn)換值；轉(zhuǎn)換結(jié)束后清除TIM3中斷標(biāo)志位，等待下一次轉(zhuǎn)換的到來。

A/D采集流程如圖11所示。

圖11 A/D采集流程圖Fig.11 Flowchart of A/D acquisition

數(shù)字濾波程序采用去極值平均濾波法，連續(xù)對A/D轉(zhuǎn)換值進(jìn)行N次采集，然后去除其中最大值和最小值，再對剩余(N-2)個(gè)數(shù)據(jù)求出平均值作為最終采樣電壓讀數(shù)。其算法可表示為：

(7)

式中：Y為經(jīng)過濾波處理后的輸出值；Xi為第i次采集的A/D轉(zhuǎn)換值；Xmax、Xmin分別為A/D轉(zhuǎn)換值中的最大值和最小值。

數(shù)字濾波流程中，N取10。數(shù)字濾波流程如圖12所示。

圖12 數(shù)字濾波流程圖Fig.12 Flowchart of digital filtering

3.4 D/A轉(zhuǎn)換程序

AD5410的寄存器寬度為24位，由8個(gè)地址位和16個(gè)數(shù)據(jù)位組成。其中：0x01為數(shù)據(jù)寄存器地址；0x55為控制寄存器地址；0x56為復(fù)位寄存器地址。微控制器可通過軟件模擬SPI總線對芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。首先，向復(fù)位寄存器依次寫入0x00、0x01，使其復(fù)位；然后，向控制寄存器寫入0x10、0x05，使其電流輸出模式為4～20 mA。其中，輸出的電流模擬量可表示為：

(8)

式中：IOUT為模擬電流輸出值；D為載入DAC代碼的十進(jìn)制等效值；VAD為微控制器讀取電壓的A/D轉(zhuǎn)換值。

因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換芯片AD7895的讀數(shù)范圍是-2 048～+2 047，而D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5410的讀數(shù)范圍是0～4 095，所以D的取值為2倍的A/D轉(zhuǎn)換值。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 水分標(biāo)定

微控制器讀取的電壓數(shù)字量需要與型砂實(shí)際含水率進(jìn)行標(biāo)定，得出水分與電壓數(shù)字量的關(guān)系。標(biāo)定試驗(yàn)中，試驗(yàn)材料為鑄造廠提供的型砂，試驗(yàn)器材為SFY型砂水分測定儀、自制的型砂水分檢測儀。

本試驗(yàn)中，將SFY型砂水分測定儀測得的型砂含水率作為實(shí)際值進(jìn)行參考，根據(jù)含水率與電壓大致成線性關(guān)系，采用兩點(diǎn)標(biāo)定法。

空載時(shí)，將采集電壓數(shù)字量調(diào)0，對應(yīng)含水率為0%；以1%的含水率，將電壓數(shù)字量調(diào)至500，則水分與電壓關(guān)系如式(9)所示。

(9)

式中：W為型砂含水率；VAD為采集電壓數(shù)字量，取值范圍為0～2 047。

4.2 水分測試

型砂水分標(biāo)定試驗(yàn)完成后，需要進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)測試值的精度是否符合要求。仍然以SFY型砂水分測定儀測得的型砂含水率為實(shí)際值、自制的型砂水分在線檢測儀測得的含水率為測試值，通過再測幾組含水率不同的型砂，對比得出實(shí)際含水率與測試含水率之間的誤差值，同時(shí)記錄響應(yīng)時(shí)間。水分測試結(jié)果如表1所示。

表1 水分測試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：在6組對比數(shù)據(jù)中，系統(tǒng)水分測試值與實(shí)際值之間最大絕對誤差為0.08%，平均誤差為0.05%，檢測響應(yīng)時(shí)間不超過3 s。

5 結(jié)論

為快速、準(zhǔn)確地檢測型砂水分，本文開發(fā)了一種以STM32F103RCT6微控制器為核心的數(shù)字式型砂水分在線檢測系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)具有空載調(diào)零和電壓數(shù)字量可調(diào)功能，能靈活適應(yīng)不同鑄造廠的環(huán)境。通過水分標(biāo)定試驗(yàn)，本文給出了水分與電壓數(shù)字量關(guān)系。水分測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)測試值與實(shí)際值的絕對誤差控制在0.1%以內(nèi)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不超過3 s，能滿足現(xiàn)代鑄造對型砂水分檢測的準(zhǔn)確性和快速性要求。