（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）皮革收縮溫度測量儀的研制與改進.pdf

耵 p r o v e m e n to fi n s t r u m e n tf o r m e a s u r i n gs h i u n k a g e t e m p e r a t u r 衛(wèi)o fl e a t h e r at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r p r o f e s s o r 盥i 墮g 墜叢q m a y 2 0 1 0 惻燃嬲 皮革收縮溫度測量儀的研制與改進 摘要 本文針對傳統(tǒng)的皮革收縮溫度測量儀在測量過程中人工記錄數(shù)據(jù)效率 低 誤差大等缺陷和不足進行了更新設計和技術改造 利用霍爾效應的原理 將傳統(tǒng)的機械接觸式測量改進為非接觸式測量 由單片機來控制整個測量過 程 最后將測量到的收縮溫度值自動鎖存 設計參數(shù)均滿足輕工行業(yè)標準 q b t2 7 1 3 2 0 0 5 對皮革收縮溫度測量的要求 與傳統(tǒng)測量儀器相比 本次 設計的重點主要集中在以下方面 1 實現(xiàn)2 m i n 均勻攪拌升溫環(huán)境 使加熱介質內部溫差不超過1 2 采用控制程序來確定收縮比 收縮點長度 樣品原長 9 7 3 用專門定做恒力彈簧代替標準中3 9 砝碼來實現(xiàn)負重預緊 4 設計了標準的皮革取樣器 保證了初始測量樣品的一致性 新型皮革收縮溫度檢測儀器的數(shù)據(jù)采集模塊是采用成熟的傳感器元件 設計出高精度的位移和溫度信號采集模塊 將采集的溫度信號進行放大處理 后與位移信號一起進行數(shù)模轉換 將轉換后的數(shù)據(jù)送入單片機進行處理 單 片機一方面將送入的信息在液晶顯示屏上實時顯示 同時依據(jù)傳感器采集到 的溫度值控制加熱模塊實現(xiàn)均勻升溫 通過編寫的上位機軟件 可以動態(tài)觀 察四個皮革樣品的收縮全過程 并全程記錄對應數(shù)據(jù) 采用標準取樣器從皮樣上制取樣品進行掛樣實驗 通過對新型皮革收縮 溫度測量儀器測量得到的實驗數(shù)據(jù)進行分析后得到結論 新型的皮革溫度收 縮儀器在測量精度 動態(tài)數(shù)據(jù)顯示精度 升溫過程中液體內部的溫度差值及 上位機動態(tài)監(jiān)測軟件的鎖定數(shù)據(jù)值均滿足皮革收縮溫度測量標準中的誤差 要求 論文最后對儀器的成熟度進行了深入的探討 主要包括儀器長期使用過 程中測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性以及人機操作舒適性方面的問題 通過用戶在使用過程中的反饋信息 新型的皮革收縮溫度測量儀器無論 從測量精度 測量效率還是操作舒適度方面 都比傳統(tǒng)的機械式皮革溫度收 縮儀器具有明顯的優(yōu)勢 關鍵詞 測量儀器 皮革收縮溫度 測量精度 均勻升溫 儀器可靠度 i i e 坦p r o v e m e n to fi n s t r u m e n tf o r m e a s u r i n gs h r i n k a g e t e m p e r a t u r 衛(wèi)o fl e a t h e r a b s t r a c t t h i s p 印e r i sb a s e do nr e f o r ma n d i m p r o v e m e n t o ft h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n g s h r i n k a g et e m p e r a t u r eo fl e a t h e r i m s t l w h i c h h a sm a n yd e f e c t sa sl o w e f f i c i e n c ya n dm o r ee r r o r s i th a sb e e ni m p r o v e df r o m t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l c o n t a c tm e a s u r e m e n tt ot h en o n c o n t a c t m e a s u r i n g s t y l eb y t h eh a l le f f e c to f m a g n e t i c f i e l d t h ew h o l e m e a s u r i n g p r o c e s si sr e g u l a t e db ym c u a n dt h ef i n a ls h r i n k a g e t e m p e r a t u r ed a t a a r el o c k e da u t o m a t i c a l l y t h ep a r a m e t e r sa r ea c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d s q b t 2 713 2 0 0 5 p u b l i s h e d b yn a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dr e f o r mc o m m i s s i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li m s t l t h en e w s t y l ei m s t l i sd e s i g n e do nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s 1 u n i q u eh e a t i n gs i t u a t i o nw i t ht h er a t eo f2 c m i n t h et e m p e r a t u r eb e t w e e n u p p e ra n d b o r o mi nh e a t i n g c u pi sn om o r et h a n1 c m i n 2 s h r i n k a g er a t e t h el e n g t ho fs h r i n k a g ep o i n t o r i g i n a ll e n g t ho fs a m p l e r 9 7 3 u s i n gc o n s t a n ts p r i n gt os u p p l yt h es t a n d a r df o r c ew i t h3 9 4 u s i n gs t a n d a r ds a m p l e rt oc u tt h el e a t h e r t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e so fn e w s t y l ei m s t la r ed e s i g n e db ym e a n s o fs o p h i s t i c a t e ds e n s o rd e v i c e a n dt h e s ea r ec o m p o s e do ft h eh i g h p r e c i s i o n d i s p l a c e m e n ta n dt e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nm o d u l e s a f t e rt h et e m p e r a t u r es i g n a l a m p l i f i c a t i o n t o g e t h e r w i t ht h e d i s p l a c e m e n ts i g n a l a r e a l ll o a d e di n a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n t h en e x ts t e pi st r a n s m i t t e dd i g i t a ld a t at om c u a f t e r t h ep r o c e s sb ym c u t h ec u r r e n td a t ai sd i s p l a yo nl c d w h i l e m c us e n d st h e o r d e rt oc o n t r o lt h eh e a t i n gs y s t e m w i t ht h eh e l po ft h er s 2 32s e r i a lp o r tw i r e t h ee n t i r ed y n a m i cp r o c e s so fl e a t h e rc a nb ew e l lo b s e r v e db yt h eu p p e rm o n i t o r i i i s o f t w a r ea n dt h ew h o l ea c q u i s i t i o nd a t ab er e c o r d e da s t x tf i l e i no r d e rt ov e i l 氏t h ea c c u r a c yo fn e w s t y l ei m s t l s a m p l e r sa r em a d e f r o mt h es t a n d a r ds a m p l e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to fn e w s t y l ei m s t l i tc a n b ec o n c l u d e dt h a tm e a s u r e m e n ta c c u r a c y d y n a m i cd a t aa c c u r a c y h e a t i n g p r o c e s s t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n t e r n a ll i q u i d p cl o c kd a t a v a l u e sa r ew e l lt om e e tt h es t a n d a r d s f i n a l l y t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g np r o c e s si nm a t u r i t yc o n s i d e r a t i o n s i n c l u d i n gl o n g t e r mu s eo ft h ep r o c e s se q u i p m e n ts t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo f m e a s u r e m e n td a t aa n dt h em a c h i n eo p e r a t o rc o m f o r ti s s u e s d u r i n gu s eb yt h eu s e rf e e d b a c k n e w s t y l ei m s t lh a sm o r eo b v i o u s a d v a n t a g e st h a nt h et r a d i t i o n a lo n ei nt e r m so fa c c u r a c y e f f i c i e n c ya n do p e r a t i o n o f m e a s u r i n gc o m f o r t k e yw o r d s m e a s u r i n gi n s t r u m e n t l e a t h e r s h r i n k a g et e m p e r a t u r e a c c u r a c y o f m e a s u r e m e n t u n i f o r mh e a t i n g i n s t r u m e n tr e l i a b i l i t y i v 目錄 摘要 i a b s t r a c t i i i 目錄 i 1 緒 侖 1 1 1 原理性收縮溫度測量儀簡介 1 1 1 1 原理性收縮溫度測量裝置 1 1 1 2 測量步驟 2 1 2 皮革溫度收縮儀發(fā)展現(xiàn)狀 3 1 3 論文的體系結構 4 2 方案設計與模型分析 一5 2 1 測量原理分析 5 2 2 設計方案 5 2 3 模型分析 6 2 3 1 霍爾傳感器組件模型 6 2 3 2 溫度傳感器組件模型 8 2 3 3 加熱系統(tǒng)模型 9 2 4 本章小結 1 l 3 儀器物理實現(xiàn) 1 2 3 1 硬件部分 1 2 3 1 1 傳感器設計 1 2 3 1 2 電路設計 1 4 3 1 3 外觀結構設計 2 0 3 2 軟件部分 2 2 3 2 1 單片機主控制程序實現(xiàn) 2 2 3 2 2 上位機軟件實現(xiàn) 2 5 3 3 本章小結 2 8 4 運行參數(shù)分析 2 9 4 1 收縮溫度參數(shù)分析 2 9 4 1 1 水介質中的測試數(shù)據(jù) 2 9 4 1 2 甘油介質中的測試數(shù)據(jù) 3 2 4 2 升溫過程參數(shù)分析 3 3 4 2 1 攪拌模式溫度梯度 3 3 4 2 2 顯示值與實測值 3 4 4 2 3 串口通信延遲測試 3 7 4 3 本章小結 38 5 成熟度分析 3 9 5 1 儀器可靠性設計 3 9 5 1 1 可靠性概率指標 3 9 5 1 2 產(chǎn)品壽命 3 9 5 1 3 提高可靠性方法 4 0 5 1 4 包裝和運輸 4 1 5 1 5 可靠性測試 4 2 5 2 人機工程設計 4 3 5 2 1 人一機系統(tǒng)的設計 4 3 5 2 2 人一機一環(huán)境的關系 4 4 5 3 本章小結 一4 5 6 全文總結 4 6 至l 謝 4 7 參考文獻 4 8 附錄a 數(shù)字式皮革收縮溫度測量技術及裝置的研究 鑒定證書 5 0 附錄b 鑒定委員會專家鑒定意見 5 1 附錄c 主要研制人員名單 一5 3 附錄d 鑒定委員會專家名單 5 4 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文目錄及專利 5 6 原創(chuàng)性聲明 5 7 i i r 1 皮革收縮溫度測量儀的研制與改進 1 緒論 儀器是人們認識世界的工具 它是人類延長的感官系統(tǒng) 隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學研究 的不斷深入 許多傳統(tǒng)的儀器已經(jīng)不能夠滿足實際生產(chǎn)的需要 于是 人們對現(xiàn)代化儀 器的渴求變的越來越強烈 著名科學家門捷列夫說過 科學總是從測量開始的 沒有測量就沒有科學 測量 是靠測量儀器來完成的 每個時代最新最有價值的研究成果都是依靠當時最先進的科學 測量分析儀器為基礎而取得的 統(tǒng)計資料顯示 從2 0 世紀2 0 年代至今8 0 多年來獲得諾 貝爾獎的科學家當中 有4 0 多人的研究成果直接與科學分析儀器有關 儀器是指具有測 量 檢測和測試功能的工具 裝置和設備 它通過對被測對象的測量 與基準量比較后 所得出的測量信息 然后再將這種測量信息通過一些輔助手段轉化為人們能夠識別和理 解的數(shù)據(jù)或文字顯示出來 工業(yè)技術發(fā)展到今天 各種各樣的測量儀器都已經(jīng)出現(xiàn) 并且測量儀器的精度和測 量范圍都不斷提高 但是 人們的認識無止境 人們對儀器從功能上的要求也無止境 雖然國內外有很多企業(yè)和單位都致力于測量儀器的開發(fā)與研究 但某些行業(yè)的測量儀器 的發(fā)展水平仍然不盡人意 就以皮革行業(yè)的測量儀器為例來說 國家從7 0 年代開始就發(fā) 展振興輕工業(yè) 經(jīng)歷3 0 多年的行業(yè)建設 綜觀國內的許多大學及研究院所 對皮革收縮 溫度的測量還是沿用最早的原理性機械式測量儀器 這種測量不但效率低下 而且通過 人為讀數(shù)所帶來的誤差也是不可避免的 1 1 原理性收縮溫度測量儀簡介 皮革收縮溫度是指皮革在緩緩受熱后 皮革纖維開始沿著自己的縱軸方向收縮 即 長度開始減小 直徑開始增加時的溫度 從熱力學的角度看 皮革的熱收縮過程是一個 焓增 熵增的過程 皮革收縮后 減少了膠原纖維的鏈間橫鍵 失去了定向力 使化學 鍵結構的排列發(fā)生了變化 導致物理機械性能降低 中國輕工業(yè)聯(lián)合會于1 9 8 4 年1 0 月 首次發(fā)布 皮革收縮溫度的測定 輕工業(yè)標準 該標準是根據(jù)國際皮革工藝師和化學聯(lián) 合會 i u l t c s 制定的標準 1 e a t h e r p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lt e s t d e t e r m i n a t i o no fs h r i n k a g e t e m p e r a t u r eu pt o1 0 0 發(fā)展而來的 該標準定義收縮溫度為加熱液體中的試樣 當液 體以規(guī)定的升溫速度升溫 試樣突然收縮時所對應的溫度陋1 1 1 1 原理性收縮溫度測量裝置 主要部件包括 1 燒杯容器 體積大于5 0 0 m l 深度大于l l o m m 2 試樣固定物 固定在距離容器底部 3 0 5 m m 處 陜西科技大學碩七學位論文 測試鉤 一端接試樣頂部 一端連接在穿過滑輪的連線上 連線的另一端 連接一個比移動鉤重3 9 的負重塊 指示器 用來監(jiān)測移動情況 溫度計 刻度分度為1 誤差士0 5 蒸餾水或其他加熱介質 加熱器 能夠以 2 o 2 m i n 的速度加熱容器中的蒸餾水 攪拌器 有效攪拌容器中的水 使試樣頂部和底部的溫度差不超過1 標準試樣 樣品厚度 3 m m 取樣尺寸為 5 0 2 m m 3 0 0 2 t u r n 樣品厚度 3 m m 5 0 2 m m 2 0 0 2 r n n l i 一滑輪 2 一撓錯t 3 9 3 一籀樂器 4 一瀑度 i 5 一試樣磚l 定鈁 6 一容器l 7 一試撣 s 一測試鈞 圖1 1 毛皮收縮溫度測定儀原理圖 f i g1 1t h es c h e m eo fm e a s u r i n g t h el e a t h e r ss h r i n k a g et e m p e r a t u r e 1 1 2 測量步驟 1 在玻璃試管中加入 5 5 士0 5 m l 的蒸餾水 將試樣浸入其中 2 將試管放入干燥器中 使試管保持合適的狀態(tài) 將干燥器抽真空并保持真空 度在4 k p a 以下l m i n 一2m i n 3 將空氣進入干燥器 繼續(xù)保持試樣浸潤在水中l(wèi) h 2 h 4 將試樣的一端固定在式樣固定物上 另一端連接在測試鉤上 調整細線 滑 輪和負重塊 使式樣能夠被正常拉伸 5 將足夠的濕熱的蒸餾水加入到容器中 使水面至少超過式樣頂部3 0 m m 6 加熱水 并保持水的升溫速度為 2 士0 2 m i m 7 每隔3 0 s 記錄一次溫度和相應的指示器的讀數(shù) 直到式樣明顯地收縮時記錄 2 3 4 5 6 7 8 9 l l l k k k k 皮革收縮溫度測量儀的研制與改進 對應的溫度直到沸騰 8 檢查記錄數(shù)據(jù)或指示器與響應溫度所形成的曲線 找出試樣從最大長度收縮 到9 9 7 時的對應溫度 記錄這個溫度為收縮溫度 從以上的操作過程可以看出 這種測量收縮溫度的方法有幾處難以實現(xiàn) 首先 要 保持水的均勻升溫過程 就需要采用一定的加熱控制方法 其次 每隔3 0 秒進行一次數(shù) 據(jù)記錄 如果皮革樣品的收縮溫度在8 0 c 左右 而水是從3 0 c 開始加熱算起 按照每分 鐘2 c 的均勻升溫 那么就要將近做1 0 0 多次記錄 而這如果要用人工來完成 其工作 量是相當大的 并且人工記錄過程中也存在著讀數(shù)誤差甚至讀錯數(shù)字 還有 采用原理性 收縮溫度儀進行測量的這種測量方法效率低下 再加之要對記錄數(shù)據(jù)的人工處理才能得 出結論 自動化水平遠不能達到現(xiàn)代測量儀器的要求口1 1 2 皮革溫度收縮儀發(fā)展現(xiàn)狀 從2 0 世紀7 0 年代開始制定測量標準以來 收縮溫度測定儀相繼經(jīng)歷了機械指針式 磁控加熱式 傳感器感應接觸式等不斷的升級換代產(chǎn)品 例如浙江余姚生產(chǎn)的g j 9 0 型 指針式皮革溫度收縮儀 其工作就是按照基本原理來進行測量 并且加熱過程中的均勻 升溫也沒有得到有效控制 還有成都樺明公司和山東紡織研究院分別研制的收縮溫度測 定儀 都因為在產(chǎn)品功能和操作性能方面不能很好滿足客戶需求而未被市場廣泛認可和 接受 因此 市場對皮革收縮溫度測量儀不斷升級改進的需求從來就沒有停止過 以陜 西科技大學陽光電子研究所寧鐸教授牽頭 聯(lián)合資源環(huán)境學院馬建中教授和機電學院曹 西京教授 經(jīng)過多年致力于對皮革收縮溫度儀器的研究 先后進行了幾代產(chǎn)品的研發(fā)設 計和改進 第一代產(chǎn)品是完全根據(jù)收縮溫度標準測量的原理機的要求 原理機是純粹基 于機械結構的基礎上進行測量的 雖然是按照標準的原理來進行設計測量的 但測量的 精確度并不理想 且由于人為造成的安裝和讀數(shù)誤差直接影響測量的重復性 第二代產(chǎn) 品從測量原理上對原理機的測量方法進行了改良 將以前的直接式測量改為間接式測量 將機械式測量升級為機電結合式測量 測量方法的改進 直接促使了測量效率 測量精 度以及測量靈敏度的提高 隨著用戶提出要同時進行對比性測量試驗和多樣品測量的需 求 第三代產(chǎn)品也就隨之產(chǎn)生 借助于電飯煲的可控加熱環(huán)境 不但實現(xiàn)了原定標準中 對水溫均勻上升的要求外 同時也實現(xiàn)了一次測量多個樣品的愿望 然而 需求無止境 有些皮革樣品的收縮溫度高于水的沸點 所以電飯煲由于加熱介質水沸點的限制 就不 能再滿足要求了 并且 電飯煲的加熱控制規(guī)律并不是標準中要求的2 c m i n 的均勻加 熱升溫過程 為了嚴格實現(xiàn)標準中各個參數(shù)要求 第四代產(chǎn)品就基本上摒棄了原來的借 助于其他產(chǎn)品來設計產(chǎn)品的老辦法 而采用完全獨立的設計風格 從傳感器安裝盒到主 機控制箱都完全根據(jù)傳感器設計的幾何尺寸和電路控制板電氣規(guī)范來完成整機總體樣式 的設計 最終 目前我們所看到的第四代收縮溫度測量儀器是采用非觸式測量 利用現(xiàn) 陜西科技大學碩士學位論文 代傳感器技術 結合單片機控制和通信手段 將古老傳統(tǒng)的測量儀器改進為滿足實際生 產(chǎn)需要的機電 通信一體化相結合的現(xiàn)代化測量儀器h m 引 1 3 論文的體系結構 本論文以精密測量儀器的研發(fā)過程為主線 對象為第四代數(shù)字皮革溫度收縮儀器 該儀器的研發(fā)曾得到陜西省科學技術研究發(fā)展計劃項目的支持 論文主要以應用層面來 進行論述 研發(fā)的成果最終將以商品的形式投放到市場加以推廣 從而實現(xiàn)科技成果產(chǎn) 業(yè)化 整篇論文按照以下順序論述 第一章為緒論 通過對測量儀器的重要性概述引出皮革收縮溫度的工業(yè)標準 然后 總體概述皮革收縮溫度測量儀器的研究歷程和目前的水平 第二章為方案設計和模型分析 圍繞測量過程中的關鍵量溫度和位移來介紹最新儀 器的設計思路 然后就三個關鍵的功能模塊以模型化來進行參數(shù)設計分析和討論 第三章是儀器物理實現(xiàn) 分別從傳感器部分 電路部分 軟件部分及外圍結構四部 分進行具體的設計 第四章是儀器運行參數(shù)分析 根據(jù)不同單位使用儀器測量時所獲得測試數(shù)據(jù)與標準 要求進行分析 確定儀器的設計精度和標準參數(shù)是否符合要求 第五章是儀器成熟度分析 站在真正的工業(yè)產(chǎn)品的高度 對儀器進行更深入的設計 指標考量 從儀器的可靠性 可維護性和外觀設計方面考察收縮溫度測量儀器的成熟度 問題 第六章為全文總結 對整篇論文進行概括 總結出自己的設計心得和獲得的經(jīng)驗 對儀器的使用前景進行評估 4 皮革收縮溫度測量儀的研制與改進 2 方案設計與模型分析 2 1 測量原理 根據(jù)輕工行業(yè)皮革收縮溫度的測量標準 q b t2 7 1 3 2 0 0 5 皮革收縮溫度描述為皮 革在均勻升溫的液體介質中皮革試樣收縮到原來長度的9 9 7 時所對應的收縮溫度 從 定義可以看出 在皮革收縮溫度的測量過程中 有兩項指標需要進行嚴格的控制 一個 是均勻升溫速度 2 r a i n 另一個是判斷收縮長度為原長的9 9 7 因此 在皮革收縮過程中 主要監(jiān)測兩個物理量 溫度 t 和位移 d 其中溫 度量的上升是一個獨立的過程 通過特定的加熱控制裝置來實現(xiàn) 測量試樣的位移量與 其所處的溫度環(huán)境是相關聯(lián) 它是隨著溫度的變化呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律 也就是說 皮革樣品的位移量與所處的環(huán)境溫度滿足一定的函數(shù)關系 d f t 2 1 在實際過程中 我們通過監(jiān)測預期位移 d o 的變化而得出對應的收縮溫度 t o 可以 通過反求 2 1 得到 t o f j d o 2 2 通過對皮革收縮規(guī)律的測量統(tǒng)計分析 皮革在受熱環(huán)境中的收縮形變規(guī)律是非線性 而 且這種非線性的影響因素特別多 具體的影響因素將在后續(xù)章節(jié)中來討論 2 2 設計方案 一套功能完善 工作可靠的測量儀器 需要諸多方面知識來支撐 需要不同領域的 專家來共同完成的 對測量儀器來說 其測量精確度是首要的設計目標 因為儀器給出 的數(shù)據(jù)基本上都是提供給其他工程設計的標準數(shù)據(jù) 如果標準數(shù)據(jù)精度都不夠的話 其 他的設計就無從談起 6 儀器要具備競爭力 適應多樣的工作環(huán)境 就必須提高其工作 可靠性以及可維護性 另外 被市場接受的產(chǎn)品成熟度衡量指標還有一項就是外形設計 它是用來考慮產(chǎn)品設計的人性化 它是在產(chǎn)品設計的高級階段 考慮到人的工作舒適度 和人們的日常工作習慣 再結合科學的操作方法而進行的工程設計 最新改進型的皮革收縮溫度檢測儀依然是立足于基本量位移和溫度的測量 其目的 仍然是測量毛皮類物品的受熱收縮溫度 但現(xiàn)在的測量方法是通過感知電磁量的變化進 行非接觸式的間接測量 利用霍爾傳感元件將變化的磁場轉化為可處理的電信號作為輸 出 將位移的變化通過磁場的變化反映出來 再通過信號調理電路送入單片機進行處理 處理結果的信息通過液晶和上位終端來進行實時顯示 7 均勻升溫的過程采用單片機來 控制 通過負反饋的控制方法來保證對被加熱液體進行均勻加熱升溫 同時 考慮到規(guī) 范的專業(yè)化測量 測量的樣品采用專門設計的取樣器來獲得 來保證測量效果的一致性 陜西科技大學碩士學位論文 和準確性 8 1 檢測儀器的系統(tǒng)方案設計的主要組成模塊如圖2 1 所示 傳感器卜 叫變送電路 a d 轉換電路 中央處理單元 旦 筮送皇墅il 叫其他接u 電 圖2 1 儀器的基本組成原理圖 f i g2 1t h e b a s i cp r i n c i p l ef o ri n s t r u m e n td e s i g n 確定了以上的總體實施方案后 接下來就應該對每一個功能單元模塊進行實現(xiàn) 不 同的功能模塊完成不同的功用 也就需要相關的理論知識 綜合整個系統(tǒng)來看 要完成 整臺儀器的制作 需要具備的知識包括 傳感器理論 信號處理 數(shù)字模擬量相互轉換 自動控制理論 液晶顯示理論 通信理論 基本電路理論以及機械結構設計 同時 基 于測量檢測儀器的設計也要注意到以下的設計目標 1 測量精度 常用測量誤差的大小來表示 包括絕對誤差和相對誤差 2 測量范圍 在達到和滿足預定測量精度的條件下 儀器能測量或檢測的被測物 理量的區(qū)間大小 3 靈敏度 儀器輸出變化量與相應輸入變化量的比值 4 分辨率 儀器讀數(shù)能分辨的最小物理量 5 線性度 由于儀器輸入輸出測量特性曲線的非線性特性所導致的實際測量特性 曲線與參比直線之間的最大偏差與儀器量程的比值j 6 穩(wěn)定性 儀器在任何時刻對于同一物理量進行測量 所獲得的測量結果的一致 程度 7 重復性 當被測量在全量程范圍內連續(xù)變化時 儀器在相同條件下按照被測量 同一變化方向經(jīng)過多次重復測量 所得的輸入輸出測量特性曲線的一致性程度 2 3 模型分析 2 3 1 霍爾傳感器組件模型 根據(jù)皮革材料收縮溫度的測量原理 最終要獲得的數(shù)據(jù)是樣品在熱環(huán)境中的收縮到 標準規(guī)定收縮量時對應的溫度值 但其測量的實質是觀測樣品長度的變化量 因此采用 霍爾傳感器來感知長度的變化無疑是一個非常好的選擇 因為霍爾傳感器是根據(jù)磁場變 化來工作的 這罩將位移的變化通過磁場的變化來反映 一方面可以改善機械式測量中 6 量一 一 理一 一器物t i 上行 塑 一執(zhí) 皮革收縮溫度測量儀的研制與改進 摩擦力對測量精度的影響 另一方面還可以實現(xiàn)非接觸式測量 從而保證了傳感器的工 作可靠性和使用壽命 將鋁鎳鈷圓柱磁鋼與被測樣品連成一體 通過選擇一定虎克系數(shù) 的彈簧提供拉伸預緊和零狀態(tài)恢復 霍爾傳感器則固定不動 樣品的收縮變化帶動磁鋼 移動 從而為傳感器提供了一個變化的磁場 這個變化的磁場能夠反映位移量 從而將 位移量通過磁場媒介 最終以電壓量的形式送入控制系統(tǒng)來進行處理 3 具體的霍爾傳 感器組件模型如圖2 2 所示 表2 1 霍爾傳感器組件設計參數(shù)表 t a b2 1p a r a m e t e ro fh a l ls e n s o rg r o u p w a r e 主要項目參數(shù) 工作電壓 v d c 工作磁場區(qū)域 輸出電壓范圍 v 靈敏度 m v g 線性度 o fs p a n 虎克系數(shù) n m m 5 v 一6 7 0 g s 6 7 0 g s 0 2 一4 8 3 1 2 5 0 1 2 5 1 o 0 1 圖2 2 霍爾傳感器組件模型圖 f i g2 2t h em o d e lo fh a l ls e n s o rg r o u p w a r e 從理論上來講 霍爾傳感器 s s 4 9 5 的輸出電壓與磁感應強度在一定的范圍內表 現(xiàn)出很好的線性關系 資料表明 10 1 在一6 4 0 9 a u s s 到6 4 0 9 a u s s 之間 傳感器的輸出電壓 與磁感應強度保持很強的線性關系 如圖2 3 所示 v o u t 了v u l l 么 5v o l t s i 6 4 0 3 2 0 03 2 0 6 4 0 g a u s s 圖2 3 輸出電壓與磁感應強度曲線 f i g2 3t h ec u r v eo fo u t p u tv o l t a g ea n dm a g n e t i z a t i o n 但是 采用直徑7 2 5 m m 的鋁鎳鈷圓柱磁鋼 3 從其軸線截面a 位置 磁感應強度約 為7 0 0 9 a u s s 到軸線截面b 位置 磁感應強度約為5 3 0 9 a u s s 相距5 m m 的空間內 磁場 陜西科技大學碩士學位論文 強度大致可降為1 7 0 高斯 磁鋼周圍的磁場分布如圖2 4 所示 沿軸截面線的磁感應強 度變化曲線如圖2 5 j o 影弋心乇 緲一7 j 圖2 4 磁鋼周圍的磁場分布 f i g 2 4m a g n e t i cd i s t r i b u t i o na r o u n dt h ea l n i c o 圖2 5 沿軸截面線磁感應強度變化曲線 f i g2 5t h ec u r v eb e t w e e no u t p u t v o l t a g ea n dd i s p l a c e m e n t 從以上的圖線可以得知 在0 3 m m 范圍內存在飽和區(qū) 從3 m m 5 m m 位移區(qū)間的磁 感應強度變化線性度較好 皮革材料的收縮規(guī)律也表明 在收縮溫度點附近 樣品的收 縮量遠遠超過原長0 3 收縮過程為突變過程 所以可以這樣認為 在保證滿足一定的 測量誤差的前提下 磁感應強度在3 m m 5 m m 位移區(qū)間內的非線性對收縮溫度的測量的 影響是可以忽略的 2 3 2 溫度傳感器組件模型 系統(tǒng)設計要求實現(xiàn)2 m i n 加熱升溫條件 因此對溫度傳感器的選擇和及其組件的 設計都要有相當高的要求 這里選用美國模擬器件公司生產(chǎn)的a d 5 9 0 溫度傳感器作為溫 度采集單元 a d 5 9 0 是單片集成兩端感溫電流源 其實質是一種半導體集成電路 它是 利用晶體管的b e 結壓降的不飽和值v b e 與熱力學溫度t 和通過發(fā)射極電流i 的關系實現(xiàn) 8 皮革收縮溫度測量儀的研制與改進 對溫度的檢測 1 2 集成溫度傳感器具有線性好 精度適中 靈敏度高 體積小 使用方 便等優(yōu)點 得到廣泛應用 由于溫度傳感器是整個測量溫度最關鍵的部分 同時 溫度 傳感器又經(jīng)常工作在相對惡劣的環(huán)境中 因此 為了保證溫度傳感器保持長期可靠地工 作 就必須為此設計一套安全可靠的保護外殼 具體的組件安裝如圖2 6 所示 溫度傳 感器組件 a d 5 9 0 的設計參數(shù)見表2 2 卜信號線2 一密封膠3 一定位塊 4 一固定絲5 一保護套管6 一導熱硅脂7 a d 5 9 0 圖2 6 溫度傳感器組件模型圖 f i g2 6t h em o d e lo f t e m p e r a t u r es e n s o rg r o u p w a r e 表2 2 溫度傳感器組件 a d 5 9 0 的設計參數(shù) t a b2 2p a r a m e t e ro ft e m p e r a t u r es e n s o rg r o u p w a r e 主要項目參數(shù) 工作電壓 v d c 工作溫度范圍 輸出電流變化率 靈敏度 m v g 線性度 o f s p a n 輸出電阻 q 管容器規(guī)格 安裝體積 m m 3 整個傳感器組件的設計要求安裝方便 工作可靠 外層保護殼的選擇是按照以下因 素來考慮實現(xiàn)的 一方面 要耐腐蝕性好 因為溫度傳感器組件是長期浸在液體中 液 體中有時候還存在很多酸堿性物質 因此 要盡量選擇很強的耐腐蝕的材料作為保護外 殼 另一方面 保護外殼需要有良好的導熱性能 因為 關鍵的感溫器件 a d 5 9 0 是 放置在保護殼內部的 設計的系統(tǒng)是一個溫度要求動態(tài)變化的系統(tǒng) 感溫元件要能夠及 時感應到外界的溫度變化 中間的這層保護殼就必須存在很小的熱阻 以使得外部的熱 溫度信息能夠及時地傳遞給內部的溫度傳感器 這樣才能保證系統(tǒng)工作的精確度 這里 采用導熱良好的不銹鋼材料 同時在感溫元件和保護殼之間填充導熱硅脂 以便使得感 溫元件能夠很好的工作 2 3 3 加熱系統(tǒng)模型 加熱環(huán)節(jié)是由單片機控制可控硅來實現(xiàn)加熱條件 加熱控制信號由單片機提供 溫 度傳感器將實時采集到的溫度信號送入單片機控制單元 由程序判斷是否需要加熱 發(fā) 出控制加熱指令 其加熱系統(tǒng)方塊圖 1 3 如圖2 7 所示 9 坦 一 一 一 一 一 一 陜西科技大學碩士學位論文 圖2 7 加熱系統(tǒng)方塊圖 f i g2 7t h eb l o c kd i a g r a mo fh e a t i n gs y s t e m 由于本系統(tǒng)為低電平控制高電壓工作 為保證其工作安全性和可靠性 故在加熱電 路中采用光耦開關來進行隔離 1 4 通過間接控制晶閘管的導通 來控制是否加熱 另外 晶閘管的關斷是在其過零時刻自動關斷 實際系統(tǒng)中選用的晶閘管型號為b t a 0 6 a 容 許的最大工作電流為6 a 工作期間雙向導通 具體的工作電路圖2 8 所示 圖2 8 加熱系統(tǒng)電路控制圖 f i g2 8t h es c h e m a t i cc i r c u i to fh e a t i n gs y s t e m 在加熱過程中 對流 傳導和輻射三種熱傳遞的方式都存在 加熱爐絲對容器的加熱方 式以輻射為主 而液體內部則主要以對流方式進行傳熱 l5 1 由于對流作用需要時間 因 此 容器和內部液體構成了一個傳熱延時系統(tǒng) 液體內部的熱阻使得溫度的變化具有一 定的慣性 溫度控制過程表現(xiàn)在動態(tài)圖表就會是一個鋸齒狀的上升過程 如圖2 9 所示 圖2 9 加熱過程溫度曲線圖 f i g2 9t h et e m p e r a t u r ec u r v ed u r i n gt h eh e a t i n gp r o c e s s 1 0 皮革收縮溫度測量儀的研制與改進 2 4 本章小結 本章首先從收縮溫度測量儀器的測量原理給出了數(shù)學模型 提出了實現(xiàn)準確測量的 兩個關鍵量 溫度和位移 然后根據(jù)總體設計要求和客戶提出的新需要 從可靠性 可 維護性 美觀性以及后續(xù)的可升級性的角度 提出了第四代測量儀的總體設計方案 最 后給出了實現(xiàn)總體設計方案的三個關鍵模型 霍爾傳感器組件模型 溫度傳感器組件模 型 以及加熱系統(tǒng)模型 并且給了概括性的說明 為后面收縮溫度測量儀器的物理實現(xiàn) 提供了理論依據(jù) 陜西科技大學碩士學位論文 3 儀器物理實現(xiàn) 3 1 硬件部分 硬件部分是整個儀器中參數(shù)不可改變的部分 包括傳感器部分 電路板控制部分 機體結構部分 硬件的設計本著簡單 可靠 美觀 實用的原則 依照功能實現(xiàn) 精度 達標 高可靠性和人機工程的開發(fā)思路 具有可擴展和可升級功能 3 1 1 傳感器設計 傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉化為與之有確定性對應關系的 便于利 用的某物理量的元件或裝置 它是測控儀器最關鍵的部分 系統(tǒng)的所有原始數(shù)據(jù)都來自 傳感器的信號輸出 傳感器的技術特性指標分為靜態(tài)技術指標和動態(tài)技術指標 靜態(tài)技 術特性指標包括測量范圍與量程 線性度 靈敏度 靈敏度誤差 延遲特性 重復性 分辨力與分辨率 穩(wěn)定性與工作溫度范圍 靜態(tài)綜合誤差特性 動態(tài)技術特性指標包括 響應時間與穩(wěn)定時間 傳感器的帶寬 臨界頻率 臨界速度 動態(tài)綜合誤差特性 l 6 傳感器是儀器系統(tǒng)關鍵的部分 它直接接受外界的信號 并將接受到的信號傳入中 央處理單元來進行處理 傳感器傳入信號質量的好壞將直接決定著系統(tǒng)對外界問題的處 理結果 因此可以說 傳感器的設計 從儀器的系統(tǒng)級設計角度來講 就變的至關重要 表3 1 傳感器選擇應考慮的因素表 t a b3 1i n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rc h o o s i n gs e n s o r 皮革收縮溫度測定儀中的傳感器部分包括溫度傳感器和位移傳感器 其安裝結構圖 可參見第二章中傳感器組件模型的設計 設計時按照表3 1 中提到的需要考慮的因素來 進行設計 結合需要達到的測量標準和整體設計尺寸通盤考慮 這里主要考慮的因素是 工作靈敏度和工作可靠性問題 因為位移是與被測的皮革樣品連接在一起的 工作時位 移傳感器一直處于高溫高濕的蒸汽環(huán)境中 雖然外圍采用了保護裝置 但長期處于濕熱 的蒸汽環(huán)境中 勢必加速了空氣對傳感器外層保護殼的氧化浸蝕作用 影響到傳感器的 1 2 長期工作的可靠性 要提高工作可靠性 目前就是通過選擇外層保護殼體的材質 以及 內部長期疲勞工作的彈簧 來滿足對系統(tǒng)的可靠性方面的要求 結合成本和制作工藝性 等方面的考慮 采用不銹鋼材料可以制作傳感器保護外殼 內部近程恒力彈簧也選擇不 銹鋼材料來制作 保證長期使用過程中的可靠回復力 以及取得長期耐用的效果 溫度傳感器設計主要考慮的是工作可靠性的問題 溫度采集單元 a d 5 9 0 是直接 購買的現(xiàn)成芯片 這里要做的事情就是把a d 5 9 0 進行可靠封裝 能夠靈敏感應到外界溫 度變化 通過實驗及樣機使用客戶反饋回來的故障率信息得出結論 溫度傳感器是整個 測試儀器故障率最高的部分 究其原因 主要是因為溫度傳感器是通過一層保護裝置直 接浸沒在加熱介質水或者甘油中 通常加熱介質是水 由于長時間在加熱介質水中浸泡 水中的氧化作用要明顯強于空氣 再加之皮革樣品一般也都是經(jīng)過化學處理過的物質 樣品浸入水中后將導致水中的酸堿離子濃度增加 這樣就更加劇了水對傳感器保護殼的 腐蝕作用 結果就難免要破壞保護殼的完整性 對傳感器的工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響 早期 出于對于成本和加工難易程度方面的考慮 采用合金鋁材料作為保護外殼 通過使用發(fā) 現(xiàn) 合金鋁材料的耐腐蝕性能不理想 長期使用后表面會出現(xiàn)腐蝕坑點 嚴重時會有穿 孔現(xiàn)象產(chǎn)生 這就導致液體滲入保護殼內 從而使溫度傳感器出現(xiàn)短路故障 無法保證 傳感器正常工作 因此從長期使用的高可靠方面來講 這種問題必須進行有效解決 通 過對市場上常用材料的選用測試 最終將合金鋁材料改換成不銹鋼材料后 效果明顯改 善 不銹鋼材料的自潔能力很強 每次測量完成后溫度傳感器從液體中取出 表面幾乎 不粘連其它的物質 多次測量后表面依舊如新 位移傳感器的設計 它的設計思路是采用非接觸式位移測量原理 本位移測量系統(tǒng) 是利用霍爾傳感器實現(xiàn)的n7 1 其原理示意圖如圖3 1 所示 位移測量系統(tǒng)中的霍爾傳感 器和磁鋼元件按照圖3 1 所示的位置進行安裝 磁鋼和被檢測皮樣連接在一起 在整個 測量過程中 只有掛樣架和皮樣浸入在高溫加熱介質中 這種測量方式能夠避免高溫介 質對霍爾傳感器的性能參數(shù)產(chǎn)生影響 從而保證測量結果的準確度和穩(wěn)定性 陜西科技大學碩士學位論文 霍 檢測架 樣絮 圖3 1 非接觸式位移傳感器的示意圖 f i g3 it h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i s p l a c e m e n ts e n s o rw i t hn o n t o u c hm e a s u r e m e n t 為了保證實施標準關于皮革樣品必須在3 9 恒力下測量的規(guī)定 磁缸下面裝有經(jīng)過測 試的胡克系數(shù)為o 1 n m m 的恒拉力彈簧 其恒拉力是保證皮革樣品在整個測試過程中始 終受到向上的3g 恒力作用 保證原始測量標準中對測量過程中恒定拉力的要求 向上 的3 9 恒拉力由彈簧彈力減去標準掛鉤和皮革樣品的重力來實現(xiàn)的 3 1 2 電路設計 電路設計是儀器設計的核心部分 關鍵功能的實現(xiàn)和儀器的測量精度都與電路處 理部分息息相關 從傳感器傳送來的電信號 要經(jīng)過放大處理以匹配到a d 轉換的基 準電平 模擬量要轉換成數(shù)字量才能被單片機處理 在整個工作工程中要保證不同單 元的邏輯工作順序 同時也要考慮強電對弱電的影響 強電轉換過程中的發(fā)熱問題等 電路部分的設計總體上按照數(shù)字部分和模擬部分分別進行設計 其數(shù)字部分基本上采 用市面上比較成熟的集成芯片來直接利用 集成芯片都是經(jīng)過規(guī)范設計和測試 做的 可靠的模塊 這樣不僅降低了設計難度和研發(fā)成本 同時也使得整個控制電路安全性 和可靠性大幅度的提高 模擬電路的功能是要完成采集信號的放大 模擬數(shù)字相互轉 化 串口通信以及顯示驅動 下面將一一介紹 1 運算放大電路 運算放大是對輸入信號的處理 它是a d 轉換模塊之前的一個工作環(huán)節(jié) 主要任 務是將輸入信號轉換為與a d 轉換模塊標準工作電平相對應的電壓區(qū)域 a d 5 9 0 在 2 5 時對應輸出電流為 2 9 8 2 5 ua 其測量上限到 1 5 0 按照lp k 的線性升 溫 1 5 0 對應的電流輸出應該是 4 2 3 2 5 ua 約為4 2 5l aa 的電流通過i o k q 的電阻后對應的電壓為4 2 5 v 然后再通過放大器b 的線性平移 最終在放大器c 上的 1 4 皮革收縮溫度測量儀的研制與改進 輸入電壓設計為1 5 v 1 5 0 c 時對應電壓 對應a d 轉換模塊上的標準5 v 電平 所以 需要對傳感器的輸入電壓進行放大處理 放大倍數(shù)為b 5 1 5 3 3 3 圖3 2