年王奮雄 8通道纖維鋪放張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1][1].deflate（總結(jié))

1、摘 要纖維與樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)度與重量比明顯優(yōu)于金屬，其產(chǎn)品同時(shí)具有機(jī)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此在航天、國(guó)防和民用工業(yè)中正發(fā)揮越來越重要的作用。張力控制是纖維和樹脂復(fù)合材料生產(chǎn)工藝中極其重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程中能否獲得穩(wěn)定可控的張力是纖維材料制品是否高強(qiáng)可靠的關(guān)鍵所在。我國(guó)現(xiàn)有的纖維鋪放機(jī)中所是使用的張力控制儀的控制精度和張力可調(diào)節(jié)性能都比擬低，為此，本文進(jìn)行了 8通道纖維鋪放張力控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。通過分析張力控制的特點(diǎn)和要求，本文研究設(shè)計(jì)了金屬應(yīng)變式張力傳感器，包括金屬應(yīng)變效應(yīng)介紹、應(yīng)變信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，張力傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。同時(shí)還研究了張力控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流力矩

2、電機(jī)和工作特性和控制器的設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。文中同時(shí)涵蓋數(shù)據(jù)采集和處理，增量式數(shù)字 PID 控制方法的內(nèi)容并給出張力控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖以及張力控制局部的相關(guān)電路圖設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：張力控制儀，張力傳感器，直流力矩電機(jī)，PID 控制ABSTRACTDue to the better strength-weight ratio compared with that of metal, and because it has advantages like erosion endurance, the tow and resin-compound materials are becoming mor

3、e important in spaceflight, tension control is the crucial technique in the manufacturing process of the tow and resin-compound materials.KEY WORDS：tension-control equipment, tension sensor, the DC torque motor, the PID control mode目 錄第 1 章 概述.51.1 引言.51.2 纖維鋪放設(shè)備中張力控制國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.5本文研究意義及內(nèi)容.6第 2 章 張力控制系統(tǒng)

4、總體設(shè)計(jì).82.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.82.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.8 2.2.1 系統(tǒng)框圖.8 2.2.2 硬件電路設(shè)計(jì).9第 3 章 張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).163.1 電阻應(yīng)變片工作原理及橫向效應(yīng).16 3.1.1 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)及應(yīng)變片結(jié)構(gòu).16 3.1.2 橫向效應(yīng)簡(jiǎn)介.183.2 電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.193.3 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償.203.4 張力傳感器調(diào)整電路.22 3.4.1 電橋原理.22 3.4.2 張力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).24第 4 章 執(zhí)行結(jié)構(gòu)直流力矩電機(jī).274.1 直流力矩電機(jī)工作原理.274.2 直流力矩電機(jī)特點(diǎn).284.3 直流力矩電機(jī)特性.29 4.3.1 直流

5、力矩電機(jī)輸入輸出特性.29 4.3.2 帶控制器的直流力矩電機(jī)特性.304.4 張力控制算法.31 4.4.1 比例調(diào)節(jié)器P.32 4.4.2 比例積分調(diào)節(jié)器PI.33 4.4.3 比例微分調(diào)節(jié)器PD.33 4.4.4 增量式 PID 控制算法 .33第 5 章 總結(jié).36參考文獻(xiàn).37致 謝.38第第 1 章章 概述概述1.1 引言引言在工業(yè)生產(chǎn)的諸多行業(yè)中，經(jīng)常會(huì)遇到卷繞控制問題，如在紙張、紡織品、塑料薄膜、電線、印刷品、等的生產(chǎn)過程中，帶料或線材的收放卷的張力對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要，張力過大會(huì)造成加工材料的拉伸變形，張力過小會(huì)使卷取材料的層與層之間的應(yīng)力變形，造成收卷不整齊，影響加工質(zhì)量。

6、為此要求進(jìn)行恒定張力控制，即在卷繞的過程中使產(chǎn)品承受最正確壓力，且自始至終保持不變。尤其是在纖維復(fù)合材料的應(yīng)用中，由于纖維的強(qiáng)度與重量比明顯優(yōu)于金屬，產(chǎn)品又具有結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，所以在航天、國(guó)防和民用工業(yè)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，提高纖維以及一些樹脂復(fù)合材料的質(zhì)量就尤為重要1。在復(fù)合材料的成型工藝中，纖維纏繞成型工藝是指采用連續(xù)纖維在浸漬樹脂粘合劑后，在張力的作用下按照一定的線型有規(guī)律的排布在芯模上，然后通過加熱是粘合劑固化而制成一定形狀的工藝方法。纖維鋪放技術(shù)全稱是自動(dòng)絲束鋪放成型技術(shù)，也稱自動(dòng)鋪絲技術(shù)(Automatic Fiber Placement, AFP)。該技

7、術(shù)是 20 世紀(jì) 70 年代作為纖維纏繞和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的改革而開展起來的全自動(dòng)復(fù)合材料加工技術(shù)，也是近年來開展最快效率最高的復(fù)合材料自動(dòng)化成型制造技術(shù)之一。纖維鋪放技術(shù)既可以鋪凸面也可以鋪凹面，還可以鋪放復(fù)雜的雙曲率構(gòu)件，并具有在鋪層時(shí)切割絲束的功能，可以滿足對(duì)鋪層驚醒剪裁以適應(yīng)局部加厚，鋪層遞降和開口鋪層的需要，因此相比纖維纏繞技術(shù)和自動(dòng)鋪帶技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在復(fù)合材料的成型工藝中，合理的控制張力可以提高纖維的工作應(yīng)力，充分發(fā)揮纖維材料的高強(qiáng)特效2。復(fù)合材料制品的最終性能與其生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)密切相關(guān)。在鋪放發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、壓力容器時(shí)，鋪放張力的大小，各束纖維間的張力的均勻性及各鋪放層

8、間纖維張力的量級(jí)變化對(duì)制品強(qiáng)度影響極大。研究證明，張力選擇不當(dāng)或張力不穩(wěn)定，可使纖維纏繞制品的強(qiáng)度損失2030%。可見，性能優(yōu)良的纖維鋪放機(jī)必須配上準(zhǔn)確控制張力的張力控制器，才能對(duì)系統(tǒng)的高效可靠提供保障3,4。為了滿足高品質(zhì)纖維制品的生產(chǎn)要求，本課題就纖維鋪放過程中恒定張力的控制方法進(jìn)行了研究。在分析了系統(tǒng)的要求及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等各方面的要求后，對(duì)張力控制系統(tǒng)現(xiàn)象具有自動(dòng)報(bào)警功能的可控張力控制儀。1.2 纖維鋪放設(shè)備中張力控制國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀纖維鋪放設(shè)備中張力控制國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀資料顯示，國(guó)內(nèi)早期纖維線繩張力控制采用的是單純的加重錘法，這種方法不能根據(jù)張力的實(shí)際情況調(diào)節(jié)放線速度，可調(diào)節(jié)精度差。從 20

9、世紀(jì) 80 年代開始，出現(xiàn)了具有有限反響調(diào)節(jié)功能的機(jī)械式線繩張力控制裝置，這也是目前國(guó)內(nèi)主要使用的精度較低的機(jī)械式張力器，此裝置在線繩輥后部增加了一個(gè)摩擦片，可以一定程度上調(diào)整線繩張力，但反映不靈敏，調(diào)節(jié)范圍有限，控制精度也不太高，不易保證鋪放過程中的張力精確控制要求。其實(shí)控制紗線張力的實(shí)質(zhì)是控制紗線軸的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩，一個(gè)理想的張力控制系統(tǒng)應(yīng)能給出穩(wěn)定、可調(diào)的鋪放張力。20 世紀(jì) 80 年代后期開始，一些進(jìn)口成型機(jī)中常見的張力控制系統(tǒng)的線繩導(dǎo)開裝置常采用的恒定張力自動(dòng)控制系統(tǒng)，其線繩輥采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)采用 PWM調(diào)速，這樣的裝置有電流反響、張力反響等多環(huán)反響環(huán)節(jié)，并且由此之后出現(xiàn)了以磁

10、粉離合器、磁粉制動(dòng)器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的張力控制系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)已研制的一些張力控制系統(tǒng)主要是采用工業(yè)控制機(jī)為控制核心，磁粉離合器為執(zhí)行元件，半徑跟隨臂實(shí)時(shí)反響紗團(tuán)半徑變化?？墒牵欧垭x合器的磁通增長(zhǎng)速度取決于激磁線圈的電感量，磁通建立后，磁粉由離散狀態(tài)到形成橫過間隙的磁粉鏈時(shí)有延時(shí)過程；同時(shí)，纖維由于自身的伸展性也會(huì)延遲張力的建立，這使磁粉離合器帶有滯后的特性，因此，這種系統(tǒng)必須解決滯后問題，提高其響應(yīng)速度，否那么將影響整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度1。調(diào)查說明，力矩電動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，所以，如果把力矩電動(dòng)機(jī)用在張力控制系統(tǒng)中，作為自動(dòng)控制裝置來改良張力控制系統(tǒng)的時(shí)間滯后性，可以

11、有效地提高系統(tǒng)的控制精度6,7,8。當(dāng)前國(guó)外在整個(gè)工程上正在向集成模塊開展，其充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，把測(cè)量、控制、顯示等進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，尤其是在織機(jī)的張力控制系統(tǒng)中，國(guó)外的一些張力控制系統(tǒng)都具有極高的性能和智能化，如意大利的舒美特織機(jī)的“天馬超優(yōu)秀織機(jī)、瑞士的蘇爾壽系列織機(jī)、日本津田駒系列織機(jī)等等。這些織機(jī)都實(shí)現(xiàn)了電子卷取和電子送經(jīng)控制，具有較高的智能化控制水平，在國(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)重要的地位。所以，智能化的張力控制器也正是我們?cè)摦a(chǎn)業(yè)努力開展的方向。為了適應(yīng)現(xiàn)代智能化控制的開展方，使控制系統(tǒng)向一體化方向開展，同時(shí)，方便進(jìn)行復(fù)合材料制品的質(zhì)量跟蹤，提高纖維產(chǎn)品質(zhì)量，張力控制系統(tǒng)的研究有很重要的現(xiàn)實(shí)意義

12、。根據(jù)所選的檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)元件不同，可以有各種不同的張力控制方案，例如，可以根據(jù)帶料或線材收卷直徑的變化來控制張力，也可以根據(jù)帶料或線材的長(zhǎng)度變化來控制張力，當(dāng)然也可以用測(cè)力傳感器直接測(cè)量張力來實(shí)現(xiàn)控制。一般按照不同的工藝要求，有間接張力控制和直接張力控制兩種方法。間接控制是通過控制維持張力恒定的傳動(dòng)系統(tǒng)的電參數(shù)(往往是速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅)實(shí)現(xiàn)張力控制，一般采用最大力矩控制或恒功率控制等方式，適用要求不高的場(chǎng)合，可實(shí)現(xiàn)一般的簡(jiǎn)單張力控制要求。直接張力控制系統(tǒng)采用張力傳感器并構(gòu)成張力閉環(huán)調(diào)節(jié)，視傳感器結(jié)構(gòu)不用，可分為位置式控制和反響式控制，一般用在高精度，高速度的張力控制場(chǎng)合。這幾種方法各

13、有優(yōu)缺點(diǎn)，如何選取技術(shù)方案要綜合考慮技術(shù)與工藝要求、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等因素。由于纖維鋪放時(shí)紗線總是處于運(yùn)動(dòng)控制中，并且要求張力恒定，因此要求張力控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)，尤其是加、減速過程中能有效控制張力，也就是要求系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確補(bǔ)償由于加、減速及摩擦所帶來的動(dòng)態(tài)力矩，所以本文采用直接控制中的反響式張力控制 。所謂反響式張力控制是指采用微處理器為控制核心，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，硬件采用張力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)張力，構(gòu)成張力的反響以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。因此，文中張力控制系統(tǒng)將直接采用張力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)張力，以直流力矩電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用直流力矩電機(jī)工作時(shí)提供的阻力矩恒定纏繞纖維上的張力，通過 AT89C52 微處理器控制直流

14、力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩，以到達(dá)控制張力的目的。以下對(duì)張力控制裝置的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，讓讀者對(duì)本文的主要研究?jī)?nèi)容有個(gè)根本了解。(1) 纖維鋪放張力控制儀：張力控制儀正面是控制界面，控制儀正面左上方有 6 個(gè) 5 寸紅色數(shù)碼管組成的現(xiàn)實(shí)區(qū)域，可以實(shí)時(shí)現(xiàn)實(shí)張力值及設(shè)置的各個(gè)參數(shù)之；在面板的右面是功能按鍵和數(shù)字按鍵區(qū)域，可以按照要求完成一系列設(shè)置、檢測(cè)、控制的功能。在控制儀的后面有八個(gè)航空插頭，用于接入八路控制信號(hào)。該張力控制儀將在本文第 2 章作詳細(xì)的介紹。(2) 張力傳感器： 傳感器底部貼有金屬應(yīng)變片，應(yīng)變信號(hào)由信號(hào)線通過張力控制儀后的航空插頭送入張力控制儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。全套系統(tǒng)共有 8 個(gè)這樣的傳感器結(jié)構(gòu)

15、，用來檢測(cè) 8 路張力。本文的第 3 章將重點(diǎn)介紹應(yīng)變效應(yīng)，應(yīng)變傳感器的工作原理、根本結(jié)構(gòu)，電阻應(yīng)變片溫度誤差和補(bǔ)償，應(yīng)變信號(hào)調(diào)理電路及張力傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。(3) 直流力矩電機(jī)： 在每個(gè)傳感器的正下方都對(duì)應(yīng)有一個(gè)直流力矩電機(jī)。直流力矩電機(jī)是該控制系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它工作時(shí)提供的阻力距用于維持纖維線繩上的張力。在整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行過程中，對(duì)直流力矩電機(jī)的控制將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制精度和可靠性問題，它是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行核心和控制關(guān)鍵，因此對(duì)它的透徹研究和準(zhǔn)確分析將是重點(diǎn)。本文的第4 章將就此問題展開詳盡的討論，從直流力矩電機(jī)的工作原理著手，結(jié)合實(shí)驗(yàn)討論直流力矩電機(jī)的特性和輸入輸出控制關(guān)系，目

16、的在于找出張力和控制電壓之間的數(shù)量關(guān)系，是張力控制儀可以通過運(yùn)算得到穩(wěn)定張力需求的輸出控制電壓。在介紹完整個(gè)張力控制系統(tǒng)的相關(guān)檢測(cè)和執(zhí)行局部之后，在此根底上，本文將按照這個(gè)順序依次展開詳細(xì)討論。第第 2 章章 張力控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)張力控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求該系統(tǒng)將用于復(fù)合材料預(yù)浸紗鋪絲設(shè)備在鋪絲時(shí)的張力控制，以到達(dá)充分發(fā)揮纖維材料的高強(qiáng)度特性的目的。系統(tǒng)要求根據(jù)上位機(jī)輸入的張力控制閥值，對(duì) 8 根絲的張力同時(shí)進(jìn)行控制，將鋪絲過程中的張力控制結(jié)果實(shí)時(shí)記錄、顯示并且儲(chǔ)存，對(duì)斷絲進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，以便質(zhì)量跟蹤。要求該控制系統(tǒng)能夠到達(dá)以下這些性能指標(biāo)：(1)量程 03kg；(2)

17、控制精度要求在紗速為；(3)分辨率；(4)實(shí)時(shí)顯示 8 根絲的張力值(或通過通道切換，顯示其中任意一路)，當(dāng)張力小于或超過限定值時(shí)，進(jìn)行斷紗的聲光報(bào)警，并顯示斷紗的通道號(hào)；(5)具有串口通訊的功能；(6)檢測(cè)精度 1%。在這樣一套張力控制系統(tǒng)中，結(jié)合上述系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如要很好的完成這樣一套 設(shè)備，需要解決以下一些關(guān)鍵技術(shù)：(1)絲的張力檢測(cè)，主要是解決系統(tǒng)中張力傳感器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度問題和提高響應(yīng)頻率的問題，從結(jié)構(gòu)上保證絲的張力檢測(cè)的結(jié)果穩(wěn)定。(2)8 個(gè)通道之間的信號(hào)干擾問題，主要措施是在前置放大器的輸入端采用屏蔽。(3)微弱信號(hào)的非失真放大問題。(4)對(duì)制動(dòng)裝置(直流力矩電機(jī))的控制問題，

18、包括控制系統(tǒng)的方案選取以及控制參數(shù)的整定。(5)此噪聲放大器的設(shè)計(jì)問題。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖整套張力控制系統(tǒng)實(shí)行的是閉環(huán)反響控制。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先通過張力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示纖維線繩上的張力，然后再通過控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流力矩電機(jī)的阻力矩來穩(wěn)定纖維線繩上的張力，到達(dá)恒定張力，提高纖維復(fù)合材料質(zhì)量的目的。在鋪放過程中共，系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)纖維絲上的張力大小，經(jīng)過 CPU 與設(shè)定值進(jìn)行比擬計(jì)算后，由 D/A(數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào))輸出模擬控制電壓信號(hào)，再由功率放大器放大后制動(dòng)直流力矩電機(jī)，讓其恒定運(yùn)轉(zhuǎn)，提供恒定的阻力距，從而穩(wěn)定纖維絲上的張力大小以控制張力。整個(gè)系統(tǒng)的根本組成

19、如圖 2-1 所示。絲絲卷卷1 1計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)放放大大器器8 8控控制制器器力力矩矩電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)8 8力力矩矩電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)1 1絲絲卷卷8 8張張力力傳傳感感器器8 8張張力力傳傳感感器器1 1放放大大器器1 1多多路路轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器斷斷絲絲報(bào)報(bào)警警A A/ /D DD D/ /A A功功放放8 8上上位位機(jī)機(jī)功功放放1 1D D/ /A AR Rs s2 23 32 2張張力力輸輸入入圖 2-1 系統(tǒng)組成框圖 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)本節(jié)將重點(diǎn)介紹這套張力控制系統(tǒng)的各個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)的硬件電路設(shè)計(jì)，這些電路都被封裝在張力控制儀的內(nèi)部。下文就是電路中電源、濾波、放大等各個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)的電路設(shè)計(jì)、所

20、采用的電器設(shè)備以及電路連接等方面逐個(gè)進(jìn)行介紹。(1) CPU使用 AT89C52 單片機(jī)，程序容量 8K，晶振使用 11Hz。這是整個(gè)張力控制系統(tǒng)的運(yùn)算和控制中心。AT89C52 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)適用于較多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合?？臻e方式時(shí)停止 CPU 的工作，但是允許 RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串口通訊口及終端系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式時(shí)保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部

21、件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。鑒于以上種種性能優(yōu)點(diǎn)，因此，本文中的張力控制系統(tǒng)選用AT89C52 作為系統(tǒng) CPU。(2) 外部存儲(chǔ)器：使用 EEPROM2864。用于存儲(chǔ)設(shè)定的 8 根絲的張力值、各個(gè)通道的 PID 控制參數(shù)以及其他一些參數(shù)。EEPROM(Electrically Erasable Programmable Red Only Memory,電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)的擦除不需要借助其他設(shè)備，它是以電子信號(hào)修改內(nèi)容的，而是以 Byte 為最小修改單位，沒有必要將原來的資料全部洗掉才能寫入，這樣的性能徹底的擺脫了 ROM(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)、EPROM 在

22、編寫和擦除時(shí)各種束縛，得到很廣泛的使用。EPROM2684 是可讀寫掉電能保存的存儲(chǔ)器，可以被保護(hù)單元中存儲(chǔ)定值和調(diào)試所需的參數(shù)。但是在更換主機(jī)板時(shí) EEPROM2864 只能對(duì)應(yīng)原來的保護(hù)單元，否那么將造成保護(hù)單元的不能正常工作。(3) 通訊：采用 RS232 通訊方式，芯片為 MAX232。其中包含兩路接受器和驅(qū)動(dòng)器的 IC 芯片，適用于各種 EIA-232 和 V.29/V.24 的通信接口。從 MAX232 芯片中兩路發(fā)送接收中任選一路作為接口。使用時(shí)要特別注意其發(fā)送、接收的引腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如 T2in 引腳接單片機(jī)的發(fā)送端 TXD，那么 PC 機(jī)得 RS232 的接收端 RXD 一定

23、要對(duì)應(yīng) T2in 引腳；同時(shí),R2out 接單片機(jī)的 RXD 引腳，PC 機(jī)得 RS232 發(fā)送端 TXD 對(duì)應(yīng)接 R2in 引腳。其接口電路如圖 2-2 所示91011121314151687654321vCCC5C3+C4+C2+C189C52RXDTXDGND上位機(jī)GNDRS232RXDTXDMAX232R2outvCCGNDT1inT2inR2inT2outR1outV+C2+V-R1inC1+C1-C2-T1out圖 2-2 采用 MAX232 的串行通信連接電路圖 這里有一點(diǎn)說明：由于器件對(duì)電源噪聲很敏感，Vcc 必須對(duì)地加去藕電容 C5，其值為F。電容 C1C4 取同樣數(shù)值的鉭電

24、解電容F/16V,用以提高抗干擾的能力，電容連接時(shí)要盡量靠近芯片 MAX232。(4) 復(fù)位電路：初步選用上電復(fù)位兩種方式。復(fù)位功能是單片機(jī)的初始化操縱，其主要作用是把PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操縱錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。復(fù)位功能的信號(hào)是通過 89C52 單片機(jī)的 RESET 引腳輸入的，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間持續(xù) 24 個(gè)振蕩周期以上，本張力控制系統(tǒng)使用的晶振s 左右才能完成復(fù)位操縱。復(fù)位操作由上自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式：上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位

25、電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，只要電源 Vcc 的上升時(shí)間不超過 1ms 就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電路完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位又可以分為電平方式和脈沖方式兩種。前者是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與 Vcc 電源接通而實(shí)現(xiàn)的；后者那么是利用RC 微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的。圖 2-3 中，包含了上點(diǎn)自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。或非門接89C52信號(hào)RESET引腳VCC13251K1KS1RESET122uF/16VRESET21uF/16V74LS28圖 2-3 復(fù)位電路圖復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但是它的作用相當(dāng)重要。一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，首先要檢查的就是能否復(fù)位成功?？赏ㄟ^示波器探頭監(jiān)

26、視 RESET 引腳，按下復(fù)位鍵后，觀察是否足夠幅度的波形輸出(瞬時(shí)的)；還可通過改變復(fù)位電路的電阻電容值進(jìn)行試驗(yàn)9。(5) 報(bào)警電路：采用聲光報(bào)警，光報(bào)警擬利用數(shù)碼閃爍顯示的方式。當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)斷絲(即測(cè)量張力值小于設(shè)定的閥值下限)或者絲線纏繞(即測(cè)量張力值大于設(shè)定閥值上線)時(shí)，立刻通過聲音提示和顯示閃爍的方式通知使用者系統(tǒng)出現(xiàn)故障，讓其盡快解決問題，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。(6)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換：使用內(nèi)部帶有 20KHz 采樣頻率的采樣保持芯片 AD1674，結(jié)合模擬多路開關(guān)AD7501，實(shí)現(xiàn) 8 路張力電壓信號(hào)的采樣。AD1674 是美國(guó) AD 公司推出的一種完整的 12 位并行

27、(模/數(shù))轉(zhuǎn)換單片集成電路。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10 伏基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。AD1674 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，工作性能(尤其是上下溫穩(wěn)定性)較好，而且可以使設(shè)計(jì)板面積大大減小，因而可降低本錢并提高系統(tǒng)的可靠性。在張力控制系統(tǒng)中，AD1674 可以實(shí)時(shí)的采集各個(gè)傳感器的模擬參量，進(jìn)行快速、精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并傳給 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而有效地控制整個(gè)張力控制系統(tǒng)的檢測(cè)精度。正因?yàn)?AD1674 具有以上這些特點(diǎn)，在本套張力控制系統(tǒng)中，選用AD1674 作為 A/D 轉(zhuǎn)換的核心裝置，其連線原理如圖 2-4 所示。+12V-12

28、V11248+-320.1uF0.1uF-12VTP1LMoutLM35812+12V0.1uF143V-V+Vcc16142ABCS1S2S4S3S7S8S6S52423222120191817GNDA2A1A0OUTENAD7501S5S6S8S7S3S4S2S10.1uF0.1uF+12V-12VANout1VccQD4GNDWRQIORWA0QQD6QD5QD7QD0QD7QD5QD6QD2QD1QD3QD410912131487112564262527282019171822212324163VccREF-IN+VsREFout-Vs20VspnAN-GNDBPLRof10VspnA

29、D1674CSIsbDB0DB8DB7DB5DB6DB2DB1DB3DB4STATUSmsb-11DB9DB10A0/SCCER/C12/8圖 2-4 AD1674 連線圖本文所述系統(tǒng)中要同時(shí)進(jìn)行 8 路纖維鋪放設(shè)備中的張力控制，當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)變化較為緩慢的模擬量輸入時(shí)，常常采用模擬多路開關(guān)，利用它將各路模擬量輪流與A/D 轉(zhuǎn)換器接通，這樣使用一片 A/D 轉(zhuǎn)換器就可完成多個(gè)模擬輸入信號(hào)的依次轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省了硬件電路。目前已有多種型號(hào)的模擬多路開關(guān)集成芯片，它們的功能根本相同，僅在某些參數(shù)和性能指標(biāo)上有所差異。本文使用的是一種具有代表性的模擬多路開關(guān)芯片 AD7501，他是一種 8 路輸入，1

30、 路輸出的集成芯片。當(dāng) EN 高電平有效時(shí)，A0、A1、A2 三個(gè)輸入端狀態(tài)的組合決定接通 8 路輸入模擬信號(hào) S1S8 的某一路 Si，即將 Si 于 OUT 端接通輸出，真值表見表 2-1，AD7501 的連線如圖 2-4 所示。這里同時(shí)指出，由于模擬多路開關(guān)的引入也引入了誤差和延時(shí)，在選擇模擬多路開關(guān)時(shí)，要結(jié)合具體要求，綜合考慮這些性能指標(biāo)，從而進(jìn)行選擇表 2-1 AD7501 真值表 A0A1A2A3 接通 Si 0 001 S1 0 011 S2 0 111 S3 0 111 S4 1 001 S5 1 011 S6 1 101 S7 1 111 S8 X XX0 無(7) D/A(

31、數(shù)/模)轉(zhuǎn)換：采用 8 片 8 位的 DAC0832，分別驅(qū)動(dòng) 8 路控制器。 DAC0832 是采用 CMOS 工藝制造的 8 位單片 D/A 轉(zhuǎn)換器，主要由兩個(gè) 8 位存放器和一個(gè) 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器組成，使用兩個(gè)存放器(輸入存放器和 DAC 存放器)的好處是能簡(jiǎn)化某些應(yīng)用中的硬件接口電路設(shè)計(jì)。DAC0832 采用二次緩沖方式，這樣可以在輸出的同時(shí)，采集下一個(gè)數(shù)據(jù)，從而提高轉(zhuǎn)換速度；更重要的是能夠在多個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)多通道 D/A 的同步轉(zhuǎn)換輸出。DAC0832 分辨率位 8 位；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；可與所有的單片機(jī)或微處理直接接口，需要時(shí)亦不可與微處理器連接而單獨(dú)使用

32、；電流穩(wěn)定時(shí)間為 1；可雙緩沖、單緩沖或直通數(shù)據(jù)輸入；功耗低，約為s200mW。DAC0832 的輸出是電流型。然而在控制系統(tǒng)中，需要使用的是電壓信號(hào)，因此，需要通過運(yùn)算放大器將其轉(zhuǎn)換成單極性輸出，接線如圖 2-5 所示，對(duì)應(yīng)數(shù)字量00FFH 的模擬電壓 V0 的輸出范圍是 0-VREF，但是系統(tǒng)需要輸出電壓是+1.2+3.7V，因此通過反相器調(diào)整輸出電壓 VOUTV。-+VoutGND10K5K50KV0-12V+12V-+5VGND2181019891211+5V203GNDGNDVCCAGNDDAC0832WR2WR1VrefDGNDILERfbIout2Iout1D0(ISB)D1D3

33、D2D6D7(MSB)D5D4XferCS117161513145467圖2-5 DAC0832接線圖(8) 放大與濾波： 濾波器是一種能使用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制(或衰減)無用頻率信號(hào)的電子電路或裝置，實(shí)際工程上常用它來進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。以往濾波器主要采用無緣元件 R、L 和 C 組成，目前一般由集成運(yùn)放、R、C 組成(常稱為有源濾波器)。有源濾波器具有輸出阻抗約為 0，電壓放大倍數(shù)大于 1，體積小于重量輕等優(yōu)點(diǎn)。因集成運(yùn)放的帶寬有限，有源濾波器的工作頻率最大可達(dá) 1MHz。通常用頻率響應(yīng)來描述濾波器的特性。對(duì)于濾波器的幅頻響應(yīng)，常把能夠通過的信號(hào)頻率范圍定義為通帶，而把受

34、阻或衰減的信號(hào)頻率范圍成為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率叫做截止頻率。濾波器在通帶內(nèi)應(yīng)具備零衰減的幅頻特性和線性相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無限大的幅度衰減。假設(shè)按照受阻或衰減的信號(hào)頻率范圍，濾波器通常分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器以及帶阻濾波器等幾大類。本文中張力控制系統(tǒng)采用的是帶通濾波器。在濾波器的設(shè)計(jì)過程中，采用集成運(yùn)放、R、C 組成有源濾波器。在張力傳感器采集到原始應(yīng)變信號(hào)后，經(jīng)過應(yīng)變電橋的相應(yīng)處理轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)時(shí)其輸出信號(hào)比擬微弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，首先需要通過運(yùn)放 AD624 進(jìn)行信號(hào)放大，再將被放大的信號(hào)通過由集成運(yùn)放 OP-07 組成的帶通濾波

35、器進(jìn)行濾波處理之后才將信號(hào)輸出，以供后續(xù)數(shù)據(jù)處理使用。在濾波器前置放大器的目的是為了提高信號(hào)的信噪比。接線原理如圖 2-6 所示。輸出OP-076423-+817+12V-12V0.1pF0.2pF10K10K10K6910458+12VNULLOUT-12V151470.1pF0.1pF2000pF輸入模擬信號(hào)20K+IN-IN20K-+INNULL53162423161112131AD624+RG1RG2X500X200X100-圖 2-6 放大、濾波電路接線圖在這個(gè)電路設(shè)計(jì)中，為了保證信號(hào)放大之前的應(yīng)變電橋線性度，要求負(fù)載電阻足夠大，也就要求放大電路具有很高的共模抑制比、高增益、低噪聲和

36、高輸入阻抗，普通的放大電路很難實(shí)現(xiàn)，通常采用集成測(cè)量放大器來實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的放大。本文選用 AD 公司生產(chǎn)的 AD624 芯片，它是一種高精度、低噪聲、高增益精度、低增益溫度系數(shù)和高線性度的測(cè)量放大器，是應(yīng)用于高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想器件。它主要包含這些特點(diǎn)：良好的噪聲特效，在 1kHz時(shí)輸入噪聲的典型值小于 4nV/Hz；芯片內(nèi)提供 1、100、200、500、1000 倍的引腳可設(shè)增益，其他增益可通過一個(gè)外接電阻實(shí)現(xiàn)；所有預(yù)增益設(shè)置均保證失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、增益精度和增益溫度系數(shù)；具有完全獨(dú)立的輸入和輸出失調(diào)調(diào)零端，從而減少了增益調(diào)整過程中的失調(diào)電壓影響；帶有一個(gè)檢測(cè)端，使用戶能夠減

37、少長(zhǎng)引線導(dǎo)致的誤差，還有一個(gè)參考端以便調(diào)整輸出點(diǎn)偏移。而 OP-07 那么是一種性能優(yōu)良。價(jià)格低廉的低漂移型運(yùn)算放大器，其輸入級(jí)為共射-共基組態(tài)的差動(dòng)放大器，采用直接耦合型多級(jí)放大電路，其溫度漂移主要由輸入級(jí)決定。(9) 張力控制儀電源：采用 5V，12V，-12V 供電。第第 3 章章 張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在測(cè)試技術(shù)中，除了直接用電阻應(yīng)變絲(片)來測(cè)定試件的應(yīng)變和應(yīng)力外，還廣泛利用它制成各種應(yīng)變式傳感器來測(cè)定各種物理量，如力矩、壓力、加速度等，應(yīng)變式傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。應(yīng)變式傳感器的根本構(gòu)成通常分為兩局部：彈性敏感元件及應(yīng)變片(絲)。彈性敏感元件在被測(cè)物理量的作用

38、下產(chǎn)生一個(gè)與物理量成正比的應(yīng)變，讓后用應(yīng)變片(絲)作為傳感元件轉(zhuǎn)換為電阻變化。應(yīng)變式傳感器與其他類型傳感器相比具有以下特點(diǎn)：(1) 測(cè)量范圍廣：如應(yīng)變力傳感器可測(cè) 10-2107的力，應(yīng)變式壓力傳感器可測(cè) 10-1106Pa 的壓力；(2) 精度高：高精度傳感器的誤差可達(dá) 0.1%或更高；(3) 輸出特性的線性好。(4) 性能穩(wěn)定，工作可靠。(5) 能在惡劣環(huán)境、大加速度和振動(dòng)條件下工作，只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉?gòu)造設(shè)計(jì)及選用適宜的材料，還能在高溫或低溫、強(qiáng)腐蝕及核輻射條件下可靠工作10。由于應(yīng)變式傳感器具有以上特點(diǎn)，因此它在控制技術(shù)中心占有很重要的地位，在航空航天、機(jī)械、電力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)、汽車工

39、業(yè)等多種領(lǐng)域中有很廣泛的應(yīng)用。本章就從電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)及工作原理開始，詳細(xì)介紹應(yīng)變式傳感器，并重點(diǎn)說明在這套纖維鋪放張力控制系統(tǒng)中張力傳感器的設(shè)計(jì)。3.1 電阻應(yīng)變片工作原理及橫向效應(yīng)電阻應(yīng)變片工作原理及橫向效應(yīng).1 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)及應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)及應(yīng)變片結(jié)構(gòu)在介紹電阻應(yīng)變效應(yīng)之前，先從電阻應(yīng)變片的根本結(jié)構(gòu)說起。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)繁多，形式各異，但其根本結(jié)構(gòu)大體相同，它一般由敏感柵、基底、粘合劑、引線、蓋片等組成。敏感柵為應(yīng)變片的敏感元件，通常用高電阻率金屬細(xì)絲支撐，直徑0.10.05mm，并用粘合劑將其固定在基底上?；椎淖饔脩?yīng)保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確的傳遞到敏感柵上去，因

40、此它必須很薄，一般為 0.030.06mm，另外，它還應(yīng)有良好的絕緣性能、抗潮和耐熱性能，一般采用紙具、角膜基底、玻璃纖維布。紙具有柔軟、易于粘貼、應(yīng)變極限大和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但耐熱耐濕性差，一般工作在 70以下，假設(shè)浸以酚醛樹脂類粘合劑，使用溫度可提高到 180，且時(shí)間穩(wěn)定性好，適用于測(cè)力等傳感器。膠膜基底是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等有機(jī)粘合劑支撐的薄膜。膠膜基底具有比之更好的柔性、耐濕性和耐久性，適用溫度可達(dá)100300。玻璃纖維布能耐 400450高溫，多用作中溫或高溫應(yīng)變片基底。敏感柵上面粘貼有覆蓋層，敏感柵電阻絲兩端焊接引出線，用以好外接電路相連接。應(yīng)變片基長(zhǎng)為敏感柵軸向測(cè)量變形

41、的有效長(zhǎng)度，對(duì)具有圓弧端得敏感柵，是指圓弧外側(cè)之間的距離，對(duì)具有較寬橫柵的敏感柵，是指兩側(cè)內(nèi)側(cè)之間的距離。應(yīng)變片寬度是指最外兩敏感柵外側(cè)之間的距離。金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的電阻大小會(huì)隨它所受到的機(jī)械變形(拉伸或壓縮)而發(fā)生變化，因?yàn)榻饘俳z的電阻 R 與材料的電阻率及其幾何尺寸(長(zhǎng)度 L 和截面積 S)有關(guān)，當(dāng)金屬絲承受機(jī)械變形時(shí)，這些參數(shù)發(fā)生變化，因?yàn)橐鸾饘俳z的電阻變化。用公式表示為： (3-1)SLR式中： R電阻值 電阻系數(shù) L金屬絲長(zhǎng)度 S金屬絲橫截面積由此式可推導(dǎo)得： (3-2) xxdRdR/)21 (/式中： 金屬絲軸向應(yīng)變=xxldl 金屬絲材料的泊松系數(shù)令上式等于 K0，K0

42、稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其意為金屬絲產(chǎn)生單位變形時(shí)電阻相對(duì)變化的大小。顯然，K0越大，單位變形引起的電阻相對(duì)變化越大，即越靈敏。從(3-2)可以看出，影響 K0的兩個(gè)因素中第一項(xiàng)(1+2)是材料受力后其幾何尺寸發(fā)生變化引起的；第二項(xiàng)那么是材料發(fā)生變形時(shí)，其自由電子的活動(dòng)能力和數(shù)值均發(fā)生變化xd/所致，該項(xiàng)無法用解析式表達(dá)。因此，只能依靠實(shí)驗(yàn)求得 K0值。大量實(shí)驗(yàn)證明，在金屬絲彈性變形范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化 dR/R 與應(yīng)變成正比，因此 K0為一常數(shù)，那x么(3-2)可表達(dá)為： (3-3) xKRR0然而，當(dāng)將金屬絲材料做成的敏感柵后，其電阻應(yīng)變特性與金屬單絲時(shí)有所不同，必須按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)重新進(jìn)行試驗(yàn)

43、測(cè)定。測(cè)定時(shí)規(guī)定，將電阻應(yīng)變片貼在一維應(yīng)力作用下的試件上，例如受軸向拉壓的直桿或純彎梁等。試件材料規(guī)定為泊松系數(shù)的鋼，285. 0用一定加載方式使直桿或梁發(fā)生應(yīng)變，用精密電阻電橋或其他儀器測(cè)出應(yīng)變片相對(duì)應(yīng)的電阻變化，便可得到電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)變片的與的RRx關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線性關(guān)系，即：= 或 (3-4) RRxKXRRK/式中 K 為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)是通過抽樣法測(cè)定的，應(yīng)變片一旦粘貼到試件上，就不能取下再用，所以，只能在每批產(chǎn)品中按一定比例(一般為 5%)抽樣測(cè)定靈敏系數(shù) K 的值，然后取其平均值作為這批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，稱為“標(biāo)稱靈敏系數(shù)

44、。實(shí)驗(yàn)說明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 總小于同種材料金屬絲的靈敏系數(shù) K0。這是受到所謂橫向效應(yīng)的影響。3.1.2 橫向效應(yīng)簡(jiǎn)介橫向效應(yīng)簡(jiǎn)介橫向效應(yīng)是指金屬直絲在受到單位拉伸時(shí)，其任一微段所感受的應(yīng)變都相同，且每一段都是伸長(zhǎng)，因而，每一段電阻都將增加，線材總電阻的增加為各微段電阻增加的綜合，但是，將同樣長(zhǎng)度的線材彎曲成應(yīng)變片后，情況就不一樣了。假設(shè)將這樣的應(yīng)變片粘貼在單向拉伸的試件上，這是個(gè)直線段上的電阻絲只感受軸向拉伸應(yīng)變，x故各微段電阻都將是增加的；但是，各微段沿軸向(即微段圓弧的切向)的應(yīng)變并非，x所產(chǎn)生的電阻變化與直線段上同長(zhǎng)微段的不一樣，在的微圓弧段處最為明顯。2/由于單向拉伸時(shí)，除了沿

45、水平方向有拉應(yīng)力外，同時(shí)在垂直方向按泊松關(guān)系產(chǎn)生應(yīng)變-，因此，該微段的電阻不僅不增加，反而會(huì)減少，而在圓弧的其他各微段上，其軸x向感受的應(yīng)變由-變化到+。因此，圓弧段局部的電阻變化必然小于其等長(zhǎng)電阻絲xx軸向的電阻變化。所以直的線材繞成敏感柵后，即使總長(zhǎng)度相同，應(yīng)變狀態(tài)一樣，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化仍要小些，靈敏系數(shù)有所釋放。這就是應(yīng)變片的橫向效應(yīng)現(xiàn)象。由此可知，敏感柵感受應(yīng)變時(shí)，其電阻相對(duì)變化應(yīng)由兩局部組成：一局部與縱向應(yīng)變有關(guān)，另一局部與橫向應(yīng)變有關(guān)。由于橫向效應(yīng)的存在，當(dāng)電阻應(yīng)變片垂直方向應(yīng)變不符合泊松比關(guān)系時(shí)，如果仍按標(biāo)稱靈敏系數(shù)計(jì)算，必將造成誤差。要減少橫向效應(yīng)所造成的誤差，一般來說，

46、敏感柵窄、基長(zhǎng)愈長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差就小。因此，適用大基長(zhǎng)應(yīng)變片，橫向效應(yīng)引起的誤差小，但是當(dāng)應(yīng)力分布變化大時(shí)，必須使用小基長(zhǎng)的應(yīng)變片，因?yàn)閼?yīng)變片所測(cè)得的是在它基長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)變平均值。 電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性前面詳細(xì)介紹了金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)，金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理以及橫向效應(yīng)。同時(shí)，電阻應(yīng)變片測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，要同時(shí)考慮他的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)說明，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，機(jī)械應(yīng)變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料中傳播。應(yīng)變波有試件材料外表經(jīng)粘合劑，基底到敏感柵，需要一定時(shí)間。前兩者都很薄，可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)應(yīng)變波在敏感柵長(zhǎng)度方向上傳播時(shí)，就會(huì)有時(shí)間的滯

47、后，對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生誤差。應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性就是其感受隨時(shí)間變化的應(yīng)變時(shí)的響應(yīng)特性。應(yīng)變以波的形式從試件(彈性元件)材料經(jīng)基底、粘合劑，最后傳播到敏感柵，各個(gè)環(huán)節(jié)的情況不同。應(yīng)變波在他你信哪個(gè)材料中傳播時(shí)，其速度為：Ev 式中： E試件材料的縱向彈性模量； 試件材料的密度。應(yīng)變波由試件外表粘合劑、基底到敏感柵，需要的時(shí)間非常短，如應(yīng)變波在粘合劑中的傳播速度為 1000m/s，粘合劑和基底的總厚度為，那么所需時(shí)間為 5-6s，因10此可以忽略不計(jì)。而當(dāng)應(yīng)變波在敏感柵長(zhǎng)度方向上傳播時(shí)，情況與前三者不一樣。由于應(yīng)變片反映出來的應(yīng)變波形是應(yīng)變片絲柵長(zhǎng)度內(nèi)感受應(yīng)變量的平均值，即只有當(dāng)應(yīng)變波通過應(yīng)

48、變片全部長(zhǎng)度后應(yīng)變片所反映的波形才能到達(dá)最大值，這就會(huì)有一定的時(shí)間延遲，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量產(chǎn)生影響。故影響應(yīng)變片頻率響應(yīng)特性的主要因素是應(yīng)變片的基長(zhǎng)10。應(yīng)變片的可測(cè)頻率或者稱截止頻率可分成正弦應(yīng)變波和階躍應(yīng)變波兩種情況來分析。正弦應(yīng)變波響應(yīng)特性：應(yīng)變片反映的應(yīng)變波形是應(yīng)變片線柵長(zhǎng)度內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值，因此應(yīng)變片所反映的應(yīng)變波幅將低于真實(shí)應(yīng)變波，這就造成一定的誤差。應(yīng)變片的基長(zhǎng)增大，該誤差也增大。設(shè)應(yīng)變波的波長(zhǎng)為，應(yīng)變片的基長(zhǎng)為，其兩0l端的坐標(biāo)為，此時(shí)應(yīng)變片在其基長(zhǎng)內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變?yōu)?401lx2402lx0l最大值為：p (3-6)000120sin2sin21llxxxdxxxp故應(yīng)變波幅差

49、為 ：e (3-7)1sin0000llep由上式可知，測(cè)量誤差 與應(yīng)變波長(zhǎng)對(duì)基長(zhǎng)的相比照值有關(guān)，n 愈大，誤差愈e0/ln小，一般可取 n=1020，其誤差小于 1.6%0.4%。階躍應(yīng)變波的情況：由于應(yīng)變片所反映的波形有一定的時(shí)間延遲才能到達(dá)最大值，假設(shè)輸出從 10%上升到 90%的最大值這段時(shí)間作為上升時(shí)間，那么，應(yīng)ktvltk/8 . 00變片可測(cè)頻率。0/44. 0/35. 0lvtfk3.3 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償 電阻應(yīng)變片由于其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性限制了其使用的頻率范圍，同時(shí)，作為感應(yīng)應(yīng)變的電阻應(yīng)變片，我們希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，不受任何其他因素影響，但

50、實(shí)際上應(yīng)變片的電阻變化受溫度影響很大。例如把應(yīng)變片安裝在一個(gè)可以自由膨脹的試件上，使試件不受任何外力作用，此時(shí)如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，應(yīng)變片的電阻將隨之發(fā)生變化。電阻應(yīng)變片由于溫度所引起的電阻變化比試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎具有相同的數(shù)量級(jí)，如果不排除這種影響，勢(shì)必給控制帶來很大誤差，應(yīng)變片將無法正常工作。這種由于環(huán)境溫度帶來的誤差稱為應(yīng)變片的溫度誤差，主要由兩方面原因造成：(1) 敏感柵的金屬電阻絲電阻本身隨溫度將發(fā)生變化，電阻和溫度的關(guān)系可用下式表示：)1 (0tRRt (3-8)tRRRRtta00式中：溫度為 t 時(shí)的電阻值；tR 溫度為 t0時(shí)的電阻值；0R 溫度的變化值；t 溫度變

51、化時(shí)的電阻變化；taR 應(yīng)變絲的電阻溫度系數(shù)，表示溫度改變 1時(shí)的電阻的相對(duì)變化。(2) 試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形，從而造成電阻變化。取一段長(zhǎng)為的應(yīng)變絲，當(dāng)溫度改變時(shí)，應(yīng)變絲受熱膨脹到，而0ltstl應(yīng)變絲下的構(gòu)件伸長(zhǎng)為與溫度關(guān)系如下：0lgtl=stltlltls000)1 (tllllssts00tlltllgggs000)1 ( (3-9)tllllggtg00式中：溫度為 t0時(shí)的應(yīng)變絲長(zhǎng)度；0l 溫度為 t 時(shí)的應(yīng)變絲的自由膨脹長(zhǎng)度；stl 、應(yīng)變絲與構(gòu)件材料的線膨脹系數(shù)，溫度改變 1時(shí)長(zhǎng)度的相對(duì)變化；gs 、應(yīng)變絲與構(gòu)件的膨脹量。slgl由 3-9

52、 這組式子可知，如果與不相等，那么與就不等，但是應(yīng)變絲與構(gòu)件gsslgl是粘合在一起的，因此應(yīng)變絲被迫從拉長(zhǎng)到，這就使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形，slgll從而使應(yīng)變絲受到附加應(yīng)變而產(chǎn)生電阻變化，其中：tRtllllsgsg0)(tsg)( (3-10)tKRKRRsgt)(00式中：應(yīng)變絲與構(gòu)件材料的線膨脹系數(shù)，溫度改變 1時(shí)長(zhǎng)度的相對(duì)變化；sg、 K電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；因此，由溫度變化而引起的總額電阻變化為：tR (3-11)tRKtRRRRsgttat)(0折合成應(yīng)變量為： (3-12)tKtKRRsgtt)(/0由上式可知，因環(huán)境溫度改變而引起的附加電阻變化所造成的虛假式應(yīng)變，除與環(huán)境溫度變

53、化有關(guān)外，還與應(yīng)變本身的性能參數(shù)(K、)以及被測(cè)構(gòu)件的線膨脹系數(shù)有、關(guān)。實(shí)際上，溫度與應(yīng)變片特性的影響遠(yuǎn)非上述兩個(gè)因素所能概括。溫度變化還可通過其他途徑來影響應(yīng)變片的工作。例如溫度變化會(huì)影響粘合劑傳遞變形的能力，從而對(duì)應(yīng)變的特性產(chǎn)生影響，過高的溫度甚至使粘合劑軟化而完全喪失傳遞變形的能力。但是在一般常溫和正常工作條件下，上述兩個(gè)因素還是造成應(yīng)變片溫度誤差的主要原因10。要想正常使用電阻應(yīng)變片，它的溫度誤差要首先排除的。溫度補(bǔ)償方法通常有橋路補(bǔ)償法和應(yīng)變皮自補(bǔ)償兩大類。所謂的橋路補(bǔ)償也稱為補(bǔ)償片法，是效果較好而常用的一種發(fā)放。通常應(yīng)變片工作時(shí)是作為平衡電橋的一個(gè)橋壁測(cè)量應(yīng)變的，將工作應(yīng)變片粘貼在

54、試件上需要測(cè)量應(yīng)變的地方，補(bǔ)償片粘貼在一塊不受力而與試件材料相同的補(bǔ)償件上，補(bǔ)償件不受應(yīng)變，自由的放在試件上或附近，工作片和補(bǔ)償片分別為電橋的相鄰兩臂。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，工作片和補(bǔ)償片的電阻都發(fā)生變化，而他們由于溫度引起的電阻阻值變化也相同，橋路輸出不受溫度影響，只與被測(cè)件應(yīng)變有關(guān)，就起到了溫度補(bǔ)償作用。橋路補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，在常溫下不長(zhǎng)效果較好，缺點(diǎn)是在溫度變化梯度較大的條件下很難保證工作片和補(bǔ)償片所處的溫度環(huán)境完全一致，從而影響補(bǔ)償效果。應(yīng)變片自補(bǔ)償法是指在被測(cè)部位粘貼一種特殊的應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償方法，當(dāng)溫度變化，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種特殊應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。

55、上述三種補(bǔ)償片各有各自的有點(diǎn)和使用范圍，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇使用。3.4 張力傳感器調(diào)整電路張力傳感器調(diào)整電路 電橋原理電橋原理前面介紹的電阻應(yīng)變片通常是一個(gè)傳感器系統(tǒng)中的傳感元件，當(dāng)傳感元件把各種被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為 R、L、C 的變化后，必須進(jìn)一步把它轉(zhuǎn)換成電流或電壓變化，才有可能用電測(cè)儀器來進(jìn)行測(cè)定，電橋測(cè)量線路正是進(jìn)行這種變換的一種最常用的方法，下面從不平衡電橋的根本原理入手，分析本控制系統(tǒng)中運(yùn)用的傳感信號(hào)測(cè)量橋路。在測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，由于電阻變化較快，一般采用不平衡電橋法，即偏轉(zhuǎn)法來檢測(cè)應(yīng)變電阻變化。這時(shí)交流或直流供電均可，在電橋的輸出端接入檢流計(jì)或放大器，如圖 3-1 所示，UKUSC

56、3412R1+R1R2R4R3圖 3-1 交流不平衡電橋在輸出電流時(shí)，為使電橋有最大的電流靈敏度，要求電橋的輸出電阻指示器的內(nèi)阻盡量相等。由于放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)比電橋的輸出電阻大，故實(shí)際上要求電橋有較高的電靈敏度，比便較小的就產(chǎn)生較大的 Usc值。設(shè)交流電橋的供電電壓為 U，R1是RR/應(yīng)變片，R2、R3、R4均為阻值固定的電阻。當(dāng)應(yīng)變片未承受應(yīng)變時(shí)，電橋輸出電壓為零；承受應(yīng)變后，產(chǎn)生變化，電橋的不平衡輸出為：1R (3-13)/1)(/1 (/341211131421RRRRRRRRRRUUUUsc令 R2/R1=n，電橋的初始平衡條件為，以及忽略分母中的微小項(xiàng)，上式經(jīng)整理得： (3-14)

57、112)1 (RRnnUUsc因此，電橋的電壓靈敏度為： (3-15)21)1 (/nnURRUKSCU由上式可以看出，電橋電壓靈敏度與供橋電壓的橋臂電阻比值 n 二者有關(guān)，供橋電壓越高，電壓靈敏度越高。當(dāng) n=1,即 R1=R2,R3=R4的對(duì)稱條件下，電壓靈敏度最大，這種對(duì)稱電橋得到最廣泛的應(yīng)用。此時(shí)上面的表達(dá)式可簡(jiǎn)化為： (3-16)1141RRUUsc (3-17)UKU41上面的分析是基于應(yīng)變片的參數(shù)變化很小的根底之上的，即，因此在1/RR分析電橋輸出電流或電壓與各參數(shù)關(guān)系時(shí)，都忽略了分母中該項(xiàng)，從而得到的是線性關(guān)系，這是理想情況。當(dāng)應(yīng)變片承受很大應(yīng)變時(shí)，就不能忽略，于是，實(shí)際的RR

58、/非線性特性曲線與理想的線性特性曲線之間就有了偏差，即非線性誤差。在一些電阻相對(duì)變化較大，或者測(cè)量精度要求較高的情況下，這種非線性誤差不能忽略，必須采取措施來減小或者消除誤差。常用的方法有差動(dòng)電橋法和恒流源電橋法兩種方法。前者是根據(jù)被測(cè)試件的應(yīng)變情況，在電橋的相鄰兩臂同時(shí)接入兩片工作應(yīng)變片，使其中一片受拉力作用，一片受壓應(yīng)力作用，此時(shí)變成差動(dòng)電橋，也稱惠斯登電橋。由于差動(dòng)電橋的相鄰橋壁的電阻變化互相抵消，因此不僅沒有非線性誤差，而電壓靈敏片比單位工作時(shí)提高了一杯，同時(shí)還起到了溫度補(bǔ)償作用。如果在差動(dòng)電橋中接入四片工作片，其輸出將比單工作片提高四倍，鑒于差動(dòng)電橋具有以上優(yōu)點(diǎn)，在非電量電測(cè)技術(shù)中的

59、到了廣泛的應(yīng)用。歸根到底，差動(dòng)電橋法是使電橋工作臂支路中的電流不隨的變化而變，或者盡量減小變化，從而減小非線性誤差。從這里得到啟示，如1R果采用恒流源供橋，也一定能減小非線性誤差，實(shí)驗(yàn)證明，恒流源電橋的非線性誤差會(huì)減小一半。 張力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)張力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在介紹了應(yīng)變式傳感器以及惠斯登電橋的根底上，現(xiàn)在來看在這個(gè)張力控制系統(tǒng)中是如何使用應(yīng)變式傳感測(cè)量張力的。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，張力傳感器是保證控制精度的關(guān)鍵部件，其形式的設(shè)計(jì)或選用主要根據(jù)量程、精度和安裝要求綜合考慮。初步選用懸臂桿式三輥張力傳感器結(jié)構(gòu)，如圖 3-2 所示。在鋪放過程中，導(dǎo)向輪的位置不變，那么絲通過下輪后的夾角不變，作用在連

60、2接懸臂式傳感器的輪子上的集中力 R 為：R=2T (3-18)cos理論上 R 只與 T 有關(guān)，但由于導(dǎo)向輪的內(nèi)圈和外圈存在摩擦力，所以在實(shí)際控制系統(tǒng)中存在理論誤差，這時(shí)張力的控制是很不方便的，所以在選用軸承的時(shí)候，要選擇微型軸承，并且其摩擦系數(shù)要盡量的小。因?yàn)閼?yīng)變片測(cè)量的是集中力 R，從而圖 3-2 中可知，角度固定時(shí)，集中力 R 和張力 T 成線性關(guān)系，在實(shí)際張力控制過程中，為了保證應(yīng)變片的應(yīng)變只與張力的大小有關(guān)而和張力產(chǎn)生的位置無關(guān)，以提高控制精度，減小誤差，采用了圖 3-3 中傳感器結(jié)構(gòu)，此時(shí)可以保證被測(cè)的張力產(chǎn)生在應(yīng)變片 1 和應(yīng)變片 2 的中間位置上，從而應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變中將不包