传感装置（精选8篇）
传感装置 篇1
摘要：基于CATIA虚拟样机技术对称重传感器误差标定装置进行参数化建模设计和虚拟装配。考虑到装置主要承力部件如果刚度、强度、挠度达不到使用要求, 易发生弯曲变形甚至疲劳断裂等现象。因此有必要运用有限元分析软件ANSYS对装置主要承力部件进行强度刚度校合。其分析结果表明:托盘的提升装置设计合理, 没有发生干涉现象;机构刚度好, 所承受荷载大, 提升运动过程平稳。分析结论为称重传感器误差标定装置在设计和选用过程中提供了理论依据, 具有指导作用。
关键词：称重传感器误差标定装置,托盘提升机构,CATIA,ANSYS
0 引言
随着传感器设计与制造技术的不断发展创新, 传感器应用范围越来越广。为了保证传感器的市场综合竞争力, 出厂前的检测是保证称重传感器产品质量的必要环节, 因此称重传感器误差标定装置在传感器生产工厂中被广泛使用。传统的四角标定机由人工完成大部分工序, 标定过程中存在劳动强度大、工作效率低、测量误差大等不足。现有的标定装置已不能很好地满足客户的实际需求, 厂家迫切需要一种集自动化、高效率、小误差为一体的标定装置来满足市场需求。
目前国内对称重传感器误差标定装置的研究报道较多, 据不完全统计这些装置中包含提升装置的约占36.3%, 仍有很大一部分是有工人手动完成托盘的提升工序。这些设计虽然可以完成传感器误差标定作业, 但是其存在劳动强度大、工作效率低下等不足。特别是如果提升的托盘质量较大时, 很难有人工完成托盘的提升作业。针对工厂关于称重传感器误差标定的实际需求, 并对市场上已存在的称重传感器标定误差装置进行深入分析, 其中传感器误差标定装置中斜块提升装置的设计研究尚未见具体报道。
本文基于CATIA虚拟样机技术设计了一种新型称重传感器高效误差标定装置, 所设计的提升托盘装置采用斜块提升机构, 确保在实际标定作业时快速稳定地提升托盘。机构横梁作为主要承力部件, 其刚度、强度、挠度对整个机构的正常运行影响很大。如果其刚度、强度、挠度达不到使用要求, 就容易发生弯曲变形甚至疲劳断裂等现象。本文运用ANSYS软件对机构主要承力部件进行分析, 对其在极限载荷下的强度刚度进行校核。
1 称重传感器误差标定装置
1.1 工作原理
称重传感器误差标定装置是用于称重传感器出厂前检测其误差精度并判断其是否合格。总体结构如图1所示。主要由托架、X坐标运动机构、Y坐标运动机构、气缸砝码组机构、托盘、托盘推起机构、传感器、夹具机构、夹紧机构、控制系统等组成。
本装置使用单组固定砝码加载的方式对称重传感器进行加载:首先通过工人手动装夹传感器, 然后通过托盘提升机构降下托盘;其次称重传感器误差标定装置X、Y坐标运动机构将气缸砝码组机构传送到加载位置 (托盘) 上方;之后气缸砝码组机构的气缸将砝码缓缓加载到托盘上 (首次加载砝码到托盘中间, 之后到四个角的位置) 。待砝码加载到位后, 电脑软件开始采集数据。根据首次四角标定数据可判定锉修角位及四角误差量。待人工锉修完毕后再次测量四角标定数据来判定是否合格, 合格后采集记录数据, 不合格可继续判定提示锉修角位, 直至合格后采集记录数据。最后通过托盘提升机构将托盘提起, 更换传感器及夹紧装置, 完成传感器的误差标定过程。
1.托架2.Y坐标运动机构3.气缸砝码组机构4.托盘5传感器以及夹具机构6.夹紧机构7.X坐标运动机构8.托盘提升机构
1.2 主要技术参数
外形尺寸为1 800 mm×1 000 mm×1 100 mm;X坐标运动最大速度为200 mm/s;Y坐标运动最大速度为200 mm/s;标定错修数据采集总时间为90 s;气缸额定工作空气压力0.4 MPa下的拉力为1 814.4 N。
2 应用CATIA的虚拟样机设计
近年来计算机技术得到了飞速发展, 为传感器误差标定装置实现集成化和智能化创造了有利条件。特别是虚拟样机技术的开发与应用将产品制造工艺的过程可视化。虚拟样机技术已经成为当前设计制造领域的一项新技术, 运用虚拟样机技术开发机械产品, 可以大幅度缩减研发周期和研发费用。大型三维建模软件CATIA集建模技术与多体系统运动学与动力学建模技术为一体, 覆盖所有产品的设计与制造领域, 该技术已完全应用到工厂检测装置的设计研发上。首先利用三维设计软件对零部件进行特征建模和虚拟装配, 可以得到与实际产品一致的虚拟装置;再通过DUM电子样机运动仿真功能, 模拟装置实际工作时各零部件的静力学和运动学关系, 对出现的问题可以直接在计算机上处理, 最终根据虚拟样机制造出实际样机[1,2,3]。
3 虚拟样机设计
3.1 托盘提升装置设计原理
托盘提升装置 (斜块拉杆提升机构) 如图2所示, 主要由侧装气缸、气缸转接头、拉杆、斜块、导向架、斜块导轨、推杆以及推杆导轨等组成。斜块提升机构采用单个气缸带动装置, 保证4根推杆将托盘水平顶起。如图3所示, 推杆下方螺纹连接万向球。斜块上斜面成28°, 开弧形槽。采用这种方式的原因有:
1) 通过点接触比面接触更容易将力传递到推杆的中心上, 受力更容易控制。
2) 螺纹连接可以帮助调整上方连接导轨的水平度。
3) 万向球价格便宜, 便于拆卸, 滚球与槽接触摩擦力小, 工作运动比较平稳。
3.2 电子样机的空间分析
CATIA软件的电子样机空间分析模块提供了一系列测量和分析工具。通过对所建立的样机模型进行组内及组间物体之间最短距离的测量, 获得模型的数据信息;通过切削平面对样机进行截面剖分, 显示模型内部结构并判断干涉部位;对装配模型进行碰撞分析、接触分析和间隙分析, 判断元件之间的干涉程度, 并将干涉结果以报告的形式输出。利用这些分析工具校验样机模型是否合理。图4所示为装配图的空间分析。
4 结构件的静力学有限元分析
4.1 系统的有限元建模
考虑到实际生产情况, 主要承力件选用Q235方钢材料, 其尺寸规格如表1所示。其他承力件采用焊接连接方式, 整体结构采用螺栓连接。
配置好CATIA与ANSYS接口后, 将三维模型导入ANSYS Geometry模块中, 如图5所示。材料选用Q235方钢, 设置其弹性模量E=200 GPa、泊松比μ=0.3, 密度ρ=7.85 g/cm3。SOLID187是ANSYS中的一个高阶三维实体单元, 适合于CAD/CAM中不规则的复杂模型, 该单元有10个节点, 每个节点有3个自由度, 单元具有塑性、蠕变、高弹性、膨胀应力刚化、大变形、大应变等功能, 因此本文选用SOLID187单元, 并采用自由划分网格方式得到托架的有限元模型, 如图6所示。
4.2 静力结构强度分析
静力学分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应, 计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。静力学分析也可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响, 如重力和离心力, 以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷的作用[4,5,6]。静力学分析计算可以是线性的, 也可以是非线性的:大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触单元、超弹性单元等[7,8]。
线弹性静力学结构的总体平衡方程为
[K]{u}={F}。
式中:[K]为结构总体刚度矩阵;{u}为结构节点位移矢量;{F}为结构载荷矢量, 包括节点载荷、压力载荷和惯性载荷。
本文利用有限元分析软件ANSYS的Static Structural模块分析主要承力件的强度、刚度及动态特性, 从而验证所设计的零部件是否满足需求。取称重传感器误差标定装置工作中托盘提升机构, 可能出现最大载荷的位置, 分析其在无偏载工况下的强度、刚度特性。根据托盘提升机构的整体变形云图、Z方向上变形云图初步分析结果判断所设计的结构。如图7所示, 结果表明托盘提升机构的变形量较小, 因此刚度较好, 完全可以满足实际使用需求。
5 结论
本文应用CATIA软件对称重传感器误差标定装置进行三维实体建模和虚拟装配, 可以直观表达出装置中各零部件的相互位置关系, 产品的设计质量得到明显提高, 降低了产品的开发成本。同时也为CATIA软件在其它机构设计过程中的应用提供了一定的参考和借鉴。
1) 称重传感器误差标定装置中设计的托盘提升机构在整个标定过程中基本上实现自动化, 大大降低了人工劳动强度, 提高了工作效率。
2) 托盘提升机构在极限载荷作用下, 主要承力部件出现较小的相对变形。机构整机刚度较好, 符合使用要求。
参考文献
[1]龚杰.基于CATIA和ADMAS的汽车变速器参数化设计及仿真[D].武汉:武汉理工大学, 2012.
[2]张锐.基于CATIA的参数化建模及虚拟装配设计[J].企业科技与发展, 2014 (12) :26-28.
[3]马鑫杰, 蔡明玮.基于ANSYS Workbench的鞍座举升摇臂有限元分析及结构优化[J].重型汽车, 2014 (4) :17-19.
[4]朱金光, 李正宇, 李洪江, 等.某拖拉机前托架结构有限元分析[J].农业装备与车辆工程, 2013, 51 (10) :29-42.
[5]明哲, 权世华.基于CATIA的灭茬起垄机的设计[J].制造业自动化, 2014, 36 (10) :123-125.
[6]李红涛, 李晔.自升式钻井平台结构强度分析研究[J].中国海洋平台, 2010, 25 (2) :28-33.
[7]刘放, 程文明, 赵南.基于ANSYS的携行式外骨骼机械结构强度分析[J].机械设计与制造, 2012 (9) :78-79.
[8]庹奎, 胡启国, 谢国宾.基于ANSYS的连杆结构强度混合可靠性分析[J].组合机床与自动化加工技术, 2014 (6) :113-117.
传感装置 篇2
下面，我就传感器支承装置的变形，对称量准确性的不良影响进行分析。称重传感器是力传感器。被测物料将所受重力作用给传感器，传感器将其转换成电信号后传递给称重仪表进行处理。一般情况下初期安装传感器，其受力方向是垂直的，与被测物料所受重力的方向一致（见图1）。但是，经过使用一段时间后，观察设备状态时会发现传感器支承装置变形，通常发现变形时，往往已经引起称重不准的现象。
由于传感器支承装置变形，使传感器的受力方向与被测物料所受重力方向发生改变，形成了夹角β（见图2），图2的等效受力图为图3。作用到传感器上的力F是物料所受重力G与横向力H的合力，与上部支承装置提供的力F,互为反作用力。根据力的合成与分解法则： F = G / COSβ
正常情况下，传感器的受力方向与被测物料所受重力的方向一致，夹角
β= 0 ，横向力H=0。作用到传感器上的力F可写为：
F = G / COSβ
= G / COS 0
= G / 1
= G
在变形情况下，β>0, COSβ<1,则F>G
上面的分析说明，当传感器的受力方向与被测物料所受的重力方向一致时，传感器所受的力就是被测物料所受的重力。但是，若传感器的受力方向与被测物料所受的重力方向不一致，夹角 β≠ 0 ，即 COSβ＜ 1 ，作用到传感器上的力则大于被测物料所受的重力。
新安装的电子称，其传感器的受力方向一般是垂直的，与被测物料所受重力的方向一致。但是使用一段时间之后，由于重载或其它机械外力的作用，导致传感器支承装置变形，使传感器的受力方向与被测物料所受的重力方向发生了改变，就会对电子称的称量准确性造成不良影响。
传感器支承装置的变形一般由下述两种原因造成，一是机械外力冲击，二是传感器支承装置自身刚度不足。本文仅对传感器支承装置的刚度不足对电子称称量准确性的不良影响进行分析。
刚度是指物体受力后抗变形的能力。如果一个物体虽然强度足够，但受力后发生了影响使用要求的变形，则称这个物体刚度不足。
对多年来处理过的电子称称量不准的案例进行分类和分析发现，其中相当比例的案例是因为刚度不足而导致传感器支承装置变形，使传感器的受力方向发生了改变，从而影响了电子称的称量准确性。例如某搅拌站现场，因重载作用其称斗的传感器支承装置产生了如图4所示的上翘变形，由于传感器支承装置开的是长孔，所以传感器受力方向与重力方向形成如图所示的夹角β，其对电子称称量准确性的影响表现为称量显示值明显大于物料的实际重量。再例如某搅拌站现场，其称斗的传感器支承装置----固定传感器的横梁（槽钢），因重载作用而出现了如图5所示的扭转变形（为方便看清变形情况，图画的比较夸张）和弯曲变形，当物料压在承载器上时如图中深色图形所示，而将物料卸下时如图中浅色图形所示。其对电子称称量准确性的影响表现为明显的非线性。显然，上述几种变形，都是因为承载器的传感器支承装置的刚度不足导致的。所以，传感器支承装置的刚度不足是导致传感器受力方向發生改变的主要原因。
姿态传感器测试装置设计 篇3
该综合测试与校准系统主要由姿态传感器、压力表、象限仪、药温传感器、高低调炮系统、方向调炮系统等校准装置组成。本文主要完成姿态传感器测试装置的设计。
姿态传感器测试装置组成
姿态传感器测试装置由电动测试平台、高精度倾角传感器、数据采集装置、手动微调装置等组成, 如图1所示。
英国Schaevitz公司Sherborne Schaev itz系列高精度闭环倾角传感器, 可获得无限分辨率, 极度敏感水平和垂直倾斜。高精度闭环倾角传感器的精度相对于电解质原理或者电容原理的倾角传感器在非线性、重复性、迟滞、温漂、抗冲击、振动等性能上优越很多, 产品型号主要有LSOC/LSOP、T233/T235、LSRP、T335和LSW系列[4]。根据系统需求, 测试装置选择了LSOP50, 测量范围±50°, 准确度12″, 精度达到要求, 价格也较为合理。
电动测试平台采用精密加工的蜗轮蜗杆传动机构, 由步进电机驱动, 手动调整机构用于精确调整平台。
电动测试平台设计
结构组成
电动测试平台包括高精度转台及其控制系统, 如图2所示, 它由平台、驱动装置、转动装置以及执行机构组成。它选用步进电机作为驱动装置, 经细分驱动电路, 蜗杆蜗轮减速后输出旋转运动。转台固定在机架上。将被测试姿态传感器固定于平台上, 控制电机进行旋转, 比较系统的输出即可。
结构设计
电动测试平台的机械结构由框架结构、轴系结构、支撑结构、步进电机、驱动机构等组成, 如图3所示。
(1) 框架结构
一般转台的框架结构有封闭的O型和矩形, 敞开式的U型和T型4种。其中, 矩形结构具有对称性好、整体刚度大、易于实现整圈旋转、结构紧凑、体积小等特点。
本电动测试平台属于角秒级的高精度测试转台, 为避免长期工作导致联接处磨损或松动, 保证精度, 采用封闭矩型结构。
(2) 轴系结构
轴系是实现电动测试平台各零部件有机联系的关键。轴系设计包括结构设计和工作能力计算两部分。结构设计主要是根据轴上零件的安装、定位及轴的制造工艺等方面的要求, 合理确定轴的结构形式和尺寸;工作能力计算主要涉及刚度、强度及振动稳定性等方面的计算。
为保证轴的同轴度, 尽可能地减小或消除其误差带来的影响, 本测试台采用整体加工方式, 轴台材质选用45钢。
(3) 支撑结构形式
支撑结构应能提供较高的定位精度、支撑动静刚度和承载能力, 对于轴承支撑处还应使摩擦阻力低而平均。常用形式有:机械轴承、空气轴承和液压轴承。
由于机械轴承易于保证较高的旋转和定位精度, 所以本测试台采用结构紧凑、支撑刚度可调、有预紧力的自润滑高精密 (P4级) 角接触球轴承。
(4) 动力源
步进电机选择德国bergerlahr公司EX系列防爆三相混合式步进电机, 具有外壳结实, 与同种规格电机相比, 出力大等优点[5,6]。电机结构设计紧凑, 体积小, 单位体积出力大。采用优质冷轧高矽片, 优化磁路设计, 磁损耗低。电机寿命长, 不受电机堵转影响。根据系统要求, 选择ExRDM3913N作为系统步进电机, 足以满足需求。步距角选择为0.09度。
(5) 步进电机驱动器及驱动方式分析
由于步进电机步距角为0.09度, 根据计算, 要满足系统精度, 需驱动器达到40细分以上, 因此选择北京前苏电子科技公司的ST-3HB驱动器。它采用新型的步进电机驱动电路, 交流伺服工作原理, 驱动电机运行非常平滑, 高速度, 高扭矩, 实现最大50细分高性能驱动, 适合驱动6A以下86, 110系列三相混合式步进电机, 其电路接线如图4所示, 输入信号电平为24V, 输入端串联一只2kΩ电阻。
驱动方式有单端驱动、双端驱动, 或直接驱动和采用减速器间接驱动。
因减速器的转动惯量一般较小, 因此可忽略, 对转台有:Jmotor≤Jframe。
当传动比较大 (如i=1/50) , 且
式中:J为转动惯量;i为传动比, 下标motor指电动机, 下标frame指框架;ω为转动速率。可见, 间接驱动可以提高系统固有频率。
由于本测试台需要超低速、宽调速, 故选择单端间接驱动方式。
控制电路设计
控制电路完成对姿态测试台的转动角度控制和转动速率控制, 测试台对应于姿态传感器角的变化。其中, 电机控制系统主芯片采用MSP430F149。电机隔离, 增强了电路的抗干扰性。电机控制指令通过上位机主控系统PXI模块发出, 控制器与上位机运行时, 产生的反向电动势对电路特性影响较大, 为此, 设计中对控制电机的信号使用RS232接口通信, 见图1。电机控制与驱动电路结构如图5所示。
数据采集、处理模块硬件设计
数据采集、处理模块基本结构
姿态传感器测试装置的数据采集、处理模块由主芯片MSP430F149、键盘、液晶显示屏和通信接口组成, 结构如图6所示。数据采集、处理模块电路由主控制电路、显示电路、键盘电路组成。
数据采集、处理模块主芯片选型
数据采集与处理模块采用MSP430F149作为主芯片, 该芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器[7]。MSP430F149内部集成了两个16位定时器模块, 一个看门狗定时器模块, 两个具有中断功能的8位并行端口, 4个8位并行端口, 两个串行通信模块以及12位A/D模块。MSP430系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的, 故其程序的编写相对简单。编程开发时通过专用的编程器, 可以选择汇编或C语言编程, IAR公司为MSP430系列的单片机开发了专用的C430语言, 可以通过Workbench和C-SPY直接编译调试, 使用灵活简单。
主控制电路设计
(1) 电源电路设计
技术要求:MSP430F149电源电压范围为1.8~3.6V;ST-3HB步进电机驱动器电源电压为24V。
电路设计:根据模块对电源的要求, 电源电路设计为降压电路, 选用由台湾生产的降压稳定的单组交换式电源供应器MEAN WELL的ELN-60-24V, 输出电压24V, 输出电流2.5A。再选用由TI公司生产的单路非隔离插入式DC-DC电源模块PT5103N, 其输出电压3.3V, 输出电流1A, 输入电压最小为9V、最大为26V。构成的电源电路可满足数据采集、处理模块各元器件及外设器件的需求。
(2) 晶振电路设计
对于一个高可靠性的模块设计, 晶体的选择非常重要。这是因为低供电电压提供给晶体的激励功率减少, 造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显, 原因是上电时电路有足够的扰动, 很容易建立振荡。在开始工作时, 电路的扰动要比上电时小得多, 起振变得很不容易。在振荡回路中, 晶体既不能过激励 (容易振到高次谐波上) 也不能欠激励 (不容易起振) 。
MSP430F149可接入2个外部振荡器, 一个为低速晶体振荡器, 通过XIN和XOUT两个引脚相连, 另一个为高速晶体振荡器, 通过XT2IN和XT2OUT两个引脚, 根据需要外接电容, 范围可以为450kHz~8MHz。
系统频率的选择与系统的工作电压密切相关, 需要较高的工作电压, 就需要为系统提供较高的频率。根据系统频率与工作电压的关系, 系统选择了4MHz的晶振。
(3) 复位电路设计
系统复位电路的设计一定要使系统能够充分复位, 在各种复杂情况下能稳定可靠地工作, 复位性能不好会影响系统的正常运行。MSP430F149有一RST复位管脚, 它与不可屏蔽中断功能管脚复用, 可由软件选择其功能, 正常情况下为复位功能。系统采用外接芯片复位的方法, 在复位脚上连接复位芯片HT7027, 具体电路如图7所示。
显示电路设计
在单片机应用系统中常用的显示器有发光二极管显示器 (LED) 和液晶显示器 (LCD) 。LCD具有体积小、质量轻、功耗低等优点, 姿态传感器测试装置的显示器选用液晶显示屏TS128-64。
TS128-64是一款图形点阵液晶显示屏, 它主要由行驱动器、列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成, 可完成图形显示, 也可以显示8×4个 (16×16点阵) 汉字。TS128-64共有20个引脚。
液晶显示屏通过一个20脚的插座与主芯片相连, 电路如图8所示。由图8可知, 液晶显示屏引脚与主芯片引脚的连接关系, P4的8个引脚作为数据引脚, P5.0和P5.1作为液晶的片选信号, P5.3控制使能信号, P5.4控制数据的读/写, P5.5控制液晶显示数据/显示指令数据, P5.6控制液晶的背光显示, P5.7控制液晶的驱动电压, 通过一个20kΩ的可调电阻调节驱动电压的大小, 从而控制液晶的亮度。
键盘电路设计
根据系统的功能及输入需要, 共设计有16个按键, 分别是退回键、方向左键、方向右键、确认键、0~9数字键、开/关机键和功能键, 部分按键具有双重功能。
MSP430F149单片机共有64个引脚, 其中P1和P2端口具有独立的中断功能, 在数据采集、处理模块中, P1和P2端口全部作为键盘控制脚。设计键盘电路时, 采用单键输入式键盘。单键输入式键盘是指直接用I/O端口线构成的单个按键电路键盘。每个单键输入式按键独占用一根I/O线, 每根I/O线上的按键工作状态不会影响其他I/O线的工作状态。16键键盘的电路如图9所示, 主芯片上的P1和P2各个引脚直接和总线相连。
数据采集、处理模块软件设计
数据采集、处理模块软件的主要任务有:硬件系统如特殊功能寄存器和I/O口等的初始化;按键功能设计和数据输入模块设计;显示屏显示采集到的数据。
数据采集、处理模块软件的主程序采用循环查询按键的方式监测按键标志, 根据按键进入相应的处理模块, 其处理过程为输入密位数, 电机启动;开启数据采集、处理模块的数据测量, 接收到数据后, 显示数据, 并计算修正量, 显示修正量。数据采集、处理模块主程序流程如图10所示。
结束语
本文完成了姿态传感器测试装置的设计, 首先给出了姿态传感器测试装置的组成, 然后设计了电动测试平台, 重点阐述了数据采集、处理模块硬件和软件设计。姿态传感器测试装置设计原理可行、工作稳定、精度可靠, 对提高部队的训练水平和作战能力具有重要意义。
摘要：某型自行加榴炮系统缺乏专门的综合测试手段, 在重大任务前一般只能进行定性和简单的定量检查, 无法保证装备的量值准确、统一, 因此, 有必要设计一套综合测试与校准系统, 本文主要阐述了姿态传感器测试装置的设计。首先给出了姿态传感器测试装置的组成, 然后介绍了电动测试平台设计, 并详细阐述了数据采集、处理模块硬件设计, 最后介绍了数据采集、处理模块软件设计。
关键词：姿态传感器,测试,数据采集,MSP430F149
参考文献
[1]童脘.基于虚拟仪器的火炮动态测试技术[J].火炮发射与控制学报, 2007, (1)
[2]刘克福, 李忠虹.基于PLC的火炮性能测试调平系统设计[J].机械工程师, 2008, (7)
[3]王化龙.基于MEMS和MR传感器的嵌入式系统姿态测量[J].微计算机信息, 2008, (6)
[4]贾伯年, 俞朴.传感器技术[J].南京:东南大学出版社, 2000, (8)
[5]王宗培, 段卫国.运动控制电机之步进电机[J].微电子, 2008, (9)
[6]王晨光, 孙运强, 许海鹰.步进电机的单片机控制设计分析[J].国外电子测量技术, 2008, (9)
压力式液位传感器自动检测装置 篇4
1 实现方式
如图1所示, 自动检测装置主要由液位变化系统部分、采集部分、基准传感器、控制部分和计算机自动记录系统部分组成。
1.1 液位变化系统部分
这个部分是整个装置的主体结构, 它包含了恒温水箱、自吸泵、上水电动阀、放水电动阀、安装传感器的水平管路、垂直于水平面的有机玻璃管、装置支架、回流通道、手动阀门等, 各部件通过波纹管进行连接, 成为系统整体, 如图2所示。
压力式液位传感器在不考虑温度漂移或温度补偿后的理论输出曲线是线性的, 并且与测量的液位高度是成正比的, 为了能很好的知道有机玻璃管内液位的高度, 自动检测装置中安装了基准传感器, 测量量程是0-3米, 输出信号是4-20m A, 用PLC直接采集, 使用前将它准确校正, 安装在被测传感器相同平面上。系统运行前要恒温水箱里有足够的干净的水, 保证系统使用, 调节阀门在合适的位置, 使有机玻璃管内的液位按要求慢慢升高, 当满足要求时, 电动阀门关闭, 自吸泵停止。使液位保持, 进行数据采集分析, 在放水的过程中, 要准确控制液位的高度, 应保证电动阀停止前的时间, 除了控制时间外, 对手动阀门的调节也是必须要考虑的, 在液位降为零点的过程中应打开放水电动阀, 使水迅速流回水箱, 使测量点为零。每批次测量时会拆卸传感器, 管路内存留的少量水流出, 为了更好的回收到水箱, 在装置中设置了水回流通道。
1.2 采集部分
采集部分的核心是采集模块, 模块电路的主芯片采用Free Scale单片机, 通过光藕转换电路接受传感器脉冲信号, 信号经过程序处理, 计算出传感器对应的参数值, 需要的参数值包括最大值、最小值、当前值。最大值是指测量范围内最大量程对应的模数转换值, 最小值是指测量范围内“0”点对应的模数转换值, 当前值是测量范围内实际测量对应的模数转换值。这些值是软件运算、判断、计算关键数据的依据。每个采集单元可以采集两支压力式液位传感器, 当然, 根据硬件结构可以设计多路采集。采集部分和控制部分的接口是RS485接口, 采用了标准MODBUS协议, 采集单元可通过拨码开关进行地址编码, 最大地址码为255, 整个采集部分可以组成RS485数据总线, 与控制器部分可编程控制器 (PLC) 相连, 这样整个装置理论上可以同时检测512支传感器, 为了使相应速度提高, 满足特定测试规模的需求, 使装置尽可能不占用场地, 装置上配置了14个采集单元, 可以同时测试28支传感器。
1.3 基准传感器
基准传感器是经过严格检验, 且标定后的压力式液位传感器, 它直接将采集的信号发送给控制部分的主控单元, 应当选择合适的基准传感器, 它直接影响被测传感器的精度和准确度。每次使用检测装置前都要按要求检验基准传感器。
1.4 控制部分
自动检测装置最重要的部分就是控制部分, 它是以可编程控制器 (PLC) 为主控单元, 配置了7寸人机界面, 界面操作屏为触摸屏, 可以显示各传感器的实时值, 也可以对关键点参数进行预设定。控制对象包括:各传感器的定标节点 (Kx) 、上水电动阀 (E1) 、放水电动阀 (E2) 、自吸泵 (P1) , 采集对象为各传感器对应的电压值 (Vx) 、基准水位值 (S1) , 根据压力式液位传感器的特性, 设计的控制流程为图3。
点击自动检测装置上的启动按钮, 测试开始, PLC与装置中的各采集部分以及基准传感器进行数据交互, 得到各传感器的当前值和基准传感器测量值, 且自动进行定标, 称之位定下限。定标时玻璃管液位的高度为0 m, 采集的各传感器当前电压值应满足设定范围 (依据设计我们确定的范围是0.2-0.5V, 这个范围主要是依据传感器的技术参数和电路设计原理确定, 以下各关键点设定范围的确定方法同理) , 检测到不满足要求时, 自动提示报警, 可选择立即处理, 也可以测试结束再做处理。装置继续自动运行, 启动E1和P1, 玻璃管液位上升, 实时判断基准传感器测量的液位, 达到设定的上限值后 (1.5m) 停止E1和P1, 此时PLC采集当前值并进行计算, 如果是第一次循环, 进行上限的定标, 称之为定上限。随后判断各传感器的当前电压值是否满足设定范围 (2.0-2.5V) , 检测到不满足要求时, 自动提示报警, 否则继续。启动E1和P1, 液位继续上升, 实时判断基准传感器反馈的液位, 达到设定的上限值后 (2m) 停止E1和P1, 此时PLC采集当前值并进行计算, 判断各传感器的当前值是否小于设定值 (3.2V) , 若大于设定值则自动报警、记录, 否则继续运行, 启动E1, 玻璃管液位缓慢下降, 当下降到设定最大上限中间值 (1m) 停止E1, 采集各传感器当前值, 分别与0m时对应的当前值进行差值计算, 得出的值应满足设定 (>=1.2V) 要求。启动E1, 液位继续缓慢下降, 当下降到设定上限的中间值 (0.75m) 停止E1, 采集各传感器当前值, 分别判断是否满足对应传感器的设定上限值 (50±2%) 的要求。之后启动E1, 液位继续缓慢下降, 当基准传感器反馈液位高度为0m时, 第一次循环判定结束, 然后按照设定的循环次数据, 继续检测, 后续的检测过程主要起老化作用, 直到自动检测全部结束并形成最终的数据、故障记录。在上述的分析中, 测量中间值的目的主要是检测传感器线性度是否满足要求。另外说明的是循环次数, 根据制造工艺的不同选择适合检验目的的循环次数, 次数越多越好, 但是, 测试完成的时间就比较长。要因地制宜, 合理取值。市场上很多压力传感器的上、下限标定是通过硬件完成的, 有些还预留了上、下限标定的接口, 对于留有接口的传感器我们就可以全自动进行出厂控制, 对于没有预留接口的可结合采集部分来实现。最终满足计算机软件对数据进行自动记录和分析。
1.5 计算机自动记录系统部分
检测装置在自动检测过程中有较多的关键数据需要记录, 计算机自动记录系统软件可以记录检测装置工作过程中的必要数据, 按测试要求记录每支传感器的最大电压值、最小电压值、中间电压值、故障情况, 它可以对每批次传感器进行编号、统计。计算机软件采用VS2008开发环境, 使用vb.net编程语言, 采用串口监听方式被动接收自动检测装置上传的数据, 其优点是可以将测试装置测试的每个步骤产生的数据及结果实时显示在界面上。软件一共分为四部分:串口设置, 编号设置, 采集显示, 保存文档。使用前应注意:在自动检测装置上设置完参数之后, 不要急于点击启动按钮, 先打开软件, 设置串口号, 点击软件上“开始测试”按钮之后再操作检测装置。当检测装置发出测试完毕信号之后, 软件会将所有采集的历史记录自动存储成Excel格式的文件存放在硬盘上, 并且已经分类, 方便我们观察和研究。整个过程自动完成。
我们将图3中发送数据环节定为关键点, 在第一次循环过程中记录对应关键值, 这些值直接反映了各压力式液位传感器的技术参数。在后续的循环过程中, 继续统计记录每支传感器发生的报警次数, 报警一次就累计加一, 结束后自动统计对应的故障次数, 我们依据每支传感器的故障情况可以统计出这批次的一次合格率, 并根据计算机软件统计的数据报表进行故障分析。 (图4)
2 测量数据
测量数据自动存储在计算机硬盘上, 可以方便的通过Excel进行分析。表1中描述了编号为01013产品的测量数据的关键值以及在整个检测过程中出现的故障次数。这支传感器的测量量程是0-2米, 表1中”第1次”列的数据是传感器的关键出厂值, 也就是二次判定好坏的数据。根据0米和1.5米对应的数据值, 可以得到传感器的线性曲线 (图5) 。为了更好的检验传感器, 在实际过程中需要自动完成2米、1米的测量和数据检验, 由于各传感器元件的差异。用△V来保证测量精度。0.75米对应的数据是产品的特殊检验数据, 它是根据应用要求设定的。表中的52代表的是0.75米时占总量程的百分比, 类似这样的参数是根据产品检验实际要求制定的。
3 结束语
基于霍尔传感器的电机测速装置 篇5
1 霍尔转速传感器检测装置
转速测量系统安装示意图如图1所示,下面对检测装置主要部件进行介绍。
1)霍尔转速传感器。该传感器是利用霍尔效应原理工作的:一个金属或半导体薄片置于磁场中,磁场垂直于薄片,当薄片通以电流IC时,在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH,如果改变磁场的强度,霍尔电压的大小亦随之改变,当磁场消失时,霍尔电压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号,很适合于数字控制系统,抗干扰能力强。
2)齿轮信号盘。信号盘可用一般的黑色钢板制成,结构图如图2所示。它就是转速测量时所用的转盘,盘上共有24个齿。中心孔用来在电机转轴上定位,从而信号盘与电机的转轴一起转动,传感器固定在支架上,垂直于信号盘,其安装图如图3所示。当信号盘随电机转轴旋转时,信号盘的每个齿经过探头正前方时产生感应,探头就输出一个标准的脉冲信号。对该信号盘而言,每24个脉冲对应电机的1个工作循环。因此,脉冲信号的频率大小就反映了信号盘转速的高低,可由单片机进行测量并换算为转速。
根据以上检测装置的设计,文中选用的是国产的HZL201霍尔齿轮传感器,该霍尔传感器是一种用于测量速度、角度、转速、长度等的新型传感器。由传感黑色金属齿轮或齿条的齿数转换成电压脉冲信号来测量物体的速度、转速等参量。该传感器红色端接电源正极,黑色端接地,绿色端为输出端。而它的特点在于传感黑色金属目标、输出幅度与齿轮转速无关,低速性能优异,工作频率高达20 k Hz,具体技术指标如表1所示。
2 转速数字式测量方法
旋转设备转动速度的数字检测基本方法是利用与该设备同轴连接的霍尔转速传感器的输出脉冲频率与转速成正比的原理,根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列,测量转速和判别其转动方向。根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有[1]:M法(测频率法)、T法(测周期法)和M/T法(频率/周期法)。
1)M法。在规定的检测时间内,检测霍尔传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性,因此M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的数量较大时,才有较高的测量精度,因此M法适合于高速测量。
2)T法。它是测量霍尔传感器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下,时间的测量会产生±1个高频脉冲周期,因此T法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时,才有较高的测量精度,所以T法适合于低速测量。
3)M/T法。它是同时测量检测时间和在此检测时间内霍尔传感器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数,因此只要“同时性”处理得当,M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度[2]。
传感器输出脉冲的间隔对M法有很大的影响。采用M法时,平均速度越准确(相对误差小),其估计的瞬时速度就越不准确,反之瞬时速度越准确,其平均速度的相对误差就越大。M/T法相对于其他两种方法有较高的精度,但它的实时性差。T法实际上是对计时器进行计数,相对于M法对脉冲进行计数,该方法有着较高的精度。另外T法对每个转速脉冲都进行了转速的计算,最大限度地利用了传感器所提供的转速信息,能实时地反映转速的变化过程。综合考虑文中系统采用了测周期法(T法)。
3 转速信号处理电路设计
按照转速装置设计方案,转速信号处理流程图如图4所示。HZL201霍尔齿轮传感器接受齿轮信号盘的转动,转化为近似方波脉冲信号。由于要使用单片机进行转速信号计数,霍尔传感器输出的方波脉冲信号必须转化为标准TTL电平,所以在信号处理流程图中加入了信号处理电路。通过这个电路就能将霍尔传感器输出的电压信号变为标准的TTL电平,之后要做的工作就是将该转速信号显示在LED上,通过一系列的处理,就能实时地反应转速信号的变化。
1)信号处理电路。根据转速信号处理流程图,首先设计了信号处理电路,传感器输出的转速信号为方波脉冲信号,它的高电平低于15 V高于14 V,而低电平接近0。可见该脉冲信号的电压幅值与单片机接口不匹配,因此该电路又选用了一个由三极管(8050)组成的整形电路处理转速信号使其满足单片机的接收要求。当输出为高电平信号时,三极管VT1的基-射级处于正向偏置状态,故集-射极处于正向通路状态,其输出电压约为0;当输出为低电平信号时,三极管VT1的基-射级处于反向偏置状态,故集-射极处于断路状态,其输出电压约为+5 V。处理电路如图5所示,经处理后的方波脉冲信号满足单片机的接收要求。
2)LED显示电路[3]。由于AT89C52单片机的I/O口线不是很充足,数据采用串行输出的方法。图6给出了LED显示电路,该电路采用TOS-8106BHK型号的共阳极LED显示器,其工作电压为5 V。它只使用AT89C52的3个端口,配接4片串入并出移位寄存器74LS164与1片三端可调稳压器LM317T。其中74LS164的引脚Q0~Q7为8位并行输出端,引脚A、B为串行输入端,引脚CLK为时钟脉冲输入端,在CLK脉冲的上升沿作用下实现移位,在CLK=0、清除端时,74LS164保持原来数据状态;时,74LS164输出清零。其工作过程如下:AT89C52的串行口设定在方式0移位寄存器状态下,串行数据由P3.0发送,移位时钟由P3.1送出。在移位时钟的作用下,串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164中。4片74LS164串级扩展为4个8位并行输出口,分别连接到4个LED显示器的段选端作静态显示。需要指出的是,由于74LS164无并行输出控制端,因而在串行输入过程中,其输出端的状态会不断变化,造成不应显示的字段仍有较暗的亮度,影响了显示的效果。
为了改善不应显示的字段仍有较暗的亮度,在该显示电路上添加1片三端可调稳压器LM317T,该稳压器的3、2脚分别是电压输入、输出端,1脚是电压调整端,2脚输出电压随1脚电压而变化。1脚与接地电阻之间并一个NPN三极管,它的基极受P1.7口线控制,串行输入时P1.7口线为高电平,三极管饱和导通使LM317T的1脚约为0.3 V,2脚输出电压随之下降到1.25 V,不足以使共阳极LED发光,故此时串行输入的影响不会反映到LED上;串行输入结束后,使P1.7口线为低电平,三极管截止,适当调节P1阻值,使2脚输出电压上升到5.0 V从而使LED正常发光。因此,1片三端可调稳压器LM317T起到了4片锁存器的作用使LED显示不会闪烁。该电路的另一优点是通过可调电位器P1可在线调整2脚的输出电压,使LED的显示亮度均匀可调,而且省掉了大量的LED限流电阻。
4 软件设计
检测装置的软件系统主要包括:测速主程序、二进制码与BCD码转换的子程序以及显示子程序。文中主要介绍测速主程序和显示子程序。
信号处理电路输出端与AT89C52单片机的引脚相连,由引脚接收转速脉冲信号,进而控制单片机内部定时计数器T1的启动和停止。当低电平时启动计数,高电平时停止计数。此时计数器中记得的数值m为12分频时钟的周期数。由上可知定时计数器T1的工作方式为方式1,即C/T=0。故TMOD=1001××××B,令TMOD=90H[4]。另外该装置采用T法测速,因此转速测量公式为n=60f/zm。其中f为AT89C52的内部时钟脉冲频率,m为单片机响应中断从计数器T1读出的计数值,z为齿轮信号盘每转输出的脉冲个数。
针对显示子程序,由于移位寄存器74LS164仅有串入并出作用没有译码功能,因此,在编写显示驱动程序之前,首先需要计算列写出与该电路对应的LED段选码,然后由AT89C52的P3.0口送入74LS164的串行输入端,再并行输出到LED的段选端。可见这种稳定的静态显示方式也省去了CPU的动态扫描过程。电路中设计了4位LED显示器,其功能为:左首位为千位数或标志位,左二位为百位数,左三位为十位数,左四位为个位数。据此,给出如图7所示的显示子程序流程图。
5 结语
转速检测装置选用集成霍尔齿轮传感器采集转速信号,具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器输出的信号经信号调理后,通过单片机对连续脉冲计数来实现转速测控,具有线路简单、实时性好、成本低、安装调试方便和节省空间等特点,尤其是在测量空间有限、轴偏心或传感器不便安装的条件下,该测量方法有明显的优势。而对于该装置使用的T法测速方式,它的误差率与时钟脉冲个数成反比,从而能实时地反映电机转速的变化过程。最好采用串行口扩展的LED显示接口电路可以在线调整LED发光的亮度,获得视觉与功耗的最佳效果。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003:103-107.
[2]宋跃辉,宋杨,周毅,等.基于单片机的齿轮转速测量系统[J].信息技术,2007(11):110-112.
[3]林敏,于忠得,舒奎.74LS164在2051单片机LED显示电路中的应用[J].大连轻工业学院学报2001(2):95-96.
矿用气体传感器检定装置的研制 篇6
矿用气体传感器是指在煤矿开采过程中需要安装在采矿区、主巷道或通风巷道中的甲烷、一氧化碳、氧气等气体传感器。诸多气体传感器中以甲烷传感器的作用最重要、用量最多。本文中所提到的矿用气体传感器主要是指甲烷传感器。
矿用气体传感器的工作状态直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度, 对监测监控起着决定作用。为保证矿用气体传感器测量的准确性, 国家安全生产监督管理总局规定:“安全监控设备必须定期进行调试、校正, 每月至少1次。甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备, 每7天必须使用校准气样和空气气样调校1次。每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试”[1]。
国产甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件制作, 按照其输出信号的不同, 甲烷传感器分为以下几种: (1) 电流型:即输出1～5 mA或4～20 mA的直流电流; (2) 频率型:即输出5～15 Hz或200～1 000 Hz、脉冲宽度大于0.3 ms的频率信号; (3) 数字信号型:即输出电平值不小于3 V的数字信号, 传输速率可以为1 200 bit/s、2 400 bit/s、4 800 bit/s、9 600 bit/s。笔者研制的矿用气体传感器检定装置根据国家安全生产监督管理总局出台的一系列矿用气体传感器的行业标准, 可自动给出矿用气体传感器的显示值稳定性、基本误差、响应时间和报警功能测评结果, 可方便快捷地完成矿用气体传感器的周期性检测工作。
1 矿用气体传感器检定装置硬件设计
因不同厂家生产的气体传感器设计上的不同, 传感器输出的电压、电流、频率等有效参数也各不相同。矿用气体传感器检定装置要根据不同的传感器输出参数, 选择不同的电路相互组合完成检测, 再根据各个功能电路检测的结果计算出传感器的静态特性完成校验。矿用气体传感器检定装置的整体配置如图1所示。
图1中:虚线框1为核心处理电路;虚线框2为信号检测电路;虚线框3为电源电路。对于测电流电路部分, 如果气体传感器的输出为电流值, 则实线箭头成立, 虚线箭头不成立, 此时电流值作为输出, 经过数字化后进入主控芯片;如果气体传感器的输出不为电流值, 则虚线箭头成立, 实线箭头不成立, 此时电流值仅作为气体传感器工作电流, 以备参考。
1.1 核心处理电路
矿用气体传感器检定装置采用以PHILIPS公司生产的ARM LPC2131微控制器为主控芯片, 再配以其它辅助电路的方式组成核心处理电路, 如图2所示 (以气体传感器输出信号为频率为例) 。
LPC2131是一个基于16位ARM7 TDMI-STM CPU的微控制器, 带有32 KB嵌入的高速FLASH存储器, 128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行;对代码规模有严格控制的应用可采用16位Thumb模式, 可将代码规模降低30%以上, 而性能的损失却很小;较小的封装和极低的功耗使LPC2131可理想地用于小型系统中;宽范围的串行通信接口和片内8 KB的SRAM可提供巨大的缓冲区空间和强大的处理能力;4个32位定时器、1个10位8路ADC、6个PWM通道、47个GPIO以及9个边沿或电平触发的外部中断, 使LPC2131特别适用于工业控制系统。
1.2 信号检测电路
根据矿用气体传感器检定装置的功能, 其信号检测电路主要完成电流、电压、频率的检测和输出秒表信号的任务。图3为矿用气体传感器检定装置的信号检测电路。
图3中, 电流、电压的检测采用ICL7139芯片, ICL7139是多档位、4位半显示万用表的核心检测芯片;频率的检测则是通过555芯片的整波后进入LPC2131的计时器捕获端CAP1.0, 将频率的检测转换成周期时间的测量;秒表的显示也是利用LPC2131所具备的万年历功能。各参数的显示采用74HC373数据锁存器驱动LED持续显示数据。
1.3 电源电路
根据核心处理电路和信号检测电路可知:为了使矿用气体传感器检定装置正常运行, 电源电路应该提供DC 5 V和DC 3.3 V两种电压, 并且电源电路为了能使气体传感器符合检定标准, 还应提供DC 9～24 V连续可调的电压以检测气体传感器能否在DC 9～24 V电压范围内正常工作。矿用气体传感器检定装置的电源电路如图4所示。
图4中, AC 220 V电压通过三端插件P1接入矿用气体传感器检定装置后, 经过滤波、整流进入TOP222。TOP222为三端大功率电压转换器件, 比起传统的变压器变压, 通过TOP222的电压转换效率更高;TOP222具有电流反馈式调节功能, 可以有效控制输出电流的大小, 既能提供给气体传感器足够大的电流, 也能防止烧坏硬件电路的元器件。转换后的电压通过三圈变压器T1降压, 在AB两端输出DC 24 V电压, 以驱动气体传感器。然后再通过一次电压转换, 将AB端的DC 24 V电压降到CD端的DC 5 V电压, 以供硬件电路使用。为防止电流瞬间冲击, 2个三圈变压器的副线圈输出端分别加入了稳流电感L1、L2。
实际应用中气体传感器的供电电压要求DC 9～24 V可调供电, 因此, 加入分压电阻R8、R9实现电压可调的目的。气体传感器供电端为图4中的AE两端。核心处理电路中, 由于LPC2131需要DC 3.3 V电压, 而其它芯片需要DC 5 V电压, 因此, 加入了由LM1117_3.3和C10、C11组成的电压转换电路, 其中R6、D10为LPC2131供电指示电路。实际上, LPC2131的供电端为图4中的FD端。
2 软件部分
矿用气体传感器检定装置软件的集成开发环境为ADS (ARM Developer Suit) 系统。ADS系统是ARM公司推出的ARM核微控制器集成开发工具, 成熟版本为ADS1.2。ADS1.2支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器, 支持软件调试及JTAG硬件仿真调试, 支持汇编、C、C++源程序;具有编译效率高、系统库功能强等特点;可以在Windows98、WindowsXP、Windows2000以及RedHat Linux上运行。
该矿用气体传感器检定装置软件程序流程如图5所示。
从图5可看出, 矿用气体传感器检定装置初始化后要进行气体传感器输出信号的判别, 实际操作中, 该过程由人工按键选择, LPC2131通过扫描按键控制电子开关以连接信号检测电路中的应用电路。在信号检测电路搭接好后矿用气体传感器检定装置进行3 min延时, 以使气体传感器能够在稳定浓度的目标气体中运行。待气体传感器输出稳定后, 则根据用户选择测试的显示值稳定性、基本误差、响应时间和报警功能等项调用相应的软件程序, 进行1 min参数检测和结论计算。
3 结语
目前, 笔者所研制的矿用气体传感器检定装置已经通过实验室调试和现场试运行, 结果表明, 该装置操作简单、稳定性好、易维护;数据处理能力强、检定精度高、抗干扰能力强, 为矿用气体传感器的自动检定提供了一种切实可行的方案。随着现代计算机技术的飞速发展, 高效、准确和可靠这些指标已成为气体传感器检定工作的发展趋势和需要。利用虚拟仪器技术、高速通信端口技术、嵌入式微处理器技术, 气体传感器检定装置已经可以与计算机相连接, 实现计算机实时在线检测和远程校验控制气体传感器功能。
参考文献
[1]赵敏, 董毓智.载体催化元件在使用中应注意的若干问题[J].山西煤炭, 1999 (6) .
[2]林占江, 林放.电子测量仪器原理与使用[M].北京:电子工业出版社, 2006.
[3]周行慈, 朱兆优, 李跃忠.智能仪器原理及设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
[4]国家安全生产监督管理总局.AQ6203—2006低浓度载体催化式甲烷传感器[S].北京:煤炭工业出版社, 2006.
[5]杨振江, 孙占彪, 王曙梅, 等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.
[6]孙秋野, 孙凯, 冯健.ARM嵌入式系统开发典型模块[M].北京:人民邮电出版社, 2007.
传感装置 篇7
在多传感信息检测系统中,往往存在噪声干扰、信息耦合和滞后等情况,要解决这些问题,就必须正确描述传感器观测到的数据信息,并确定校正补偿环节,实现对传感信息的软建模。目前软建模的方法有:基于人工智能的方法、基于概率分布函数的方法、回归分析和曲线拟合的方法以及基于多尺度的建模方法[1],而复杂工业环境的传感信息往往难于用单模型进行分析,因此多维多模型的建模方法,越来越受到学者的重视。目前在线软测量方法的研究主要集中在:1)传感信息预处理和处理;2)综合性能的提高。
另一方面,随着计算机、网络通信、测量控制等信息技术的不断发展,测控系统的应用领域越来越广泛,面对的对象也日益复杂,测控系统正逐渐向着网络化、集成化、智能化、开放性的方向发展。研发基于软测量的多传感信息智能在线检测装置,目的在于研究多传感信息的软建模技术,开发具有精度高,实时性和通用性好的检测装置,实现工业环境下多传感信息的实时网络化监控;本文将主要介绍在线检测装置的软硬件设计和相应的传感信息预处理及处理软件模块。
1 在线检测装置的硬件设计
为了满足检测装置有足够的数字处理能力、便于实现网络化的测控、适用于工业控制的目的,本系统以DSP和ARM芯片为核心[2],其硬件结构如图1所示。该装置由传感信息检测调理模块、DSP数据采集与处理模块、人机交互模块、ARM9处理模块、以太网通讯模块、混合信号I/O控制模块、移动硬盘接口模块和电源模块等8个模块组成。
传感信号Si(i=1,2,...,n)在检测调理电路中采用数字化、频率化的方法,转化为频率信号后,输至DSP板,DSP模块采用测频测周方法[3]进行信号检测,该方法较巧妙地实现了装置对不同类型传感器使用的通用性,并且保证了较高精度的测量结果。DSP采集信息后结合键盘输入参数用在线处理软件进行信息去异值处理、信息解耦计算和预测补偿,然后将处理结果继续传给ARM板进行存储、显示和通信。为了满足通用性的要求,DSP模块采用了美国德州仪器(TI)的TMS320LF2812作为主控芯片,该芯片提供多种信号类型的采集通道以及调理电路,满足大多数工业环境下测控的要求。
ARM模块由S3C4510B型微处理器组成,它有丰富的外围电路,通过ARM上的处理软件可方便实现检测结果的存储、显示、现场USB&CF通信和网络通信功能。S3C4510B型芯片融合了嵌入式微型因特网互联技术(EMIT)和嵌入系统(ECS)技术,它与Intel公司的集成网络通信芯片LXT971,构成了符合IEEE802.3标准的10/100Mb的双绞线通信应用。网络信号的发送和接收端由网络隔离变压器H1102和RJ45接口组成,通过此接口可实现在复杂工业环境下传感信息的网络化监控。
2 软件总体结构设计
检测装置的软件由预处理软件模块、在线处理软件模块和外围软件模块3大部分构成,如图2所示。预处理软件模块在装置使用前,用于完成装置的实验标定、信息预处理和尺度计算,达到系统降维和获得自变量尺度的目的,它是进行多尺度插值解耦计算的基础。在线处理软件模块在DSP模块上,主要实现判别按键及参数设置、数据采集及预处理、传感信息分析和计算以及通信控制等操作,在这个环节实现传感信息解耦计算和预测补偿;外围软件模块主要实现外部存储、显示、USB和远程网络通信等其功能,它由ARM模块嵌入实时操作系统uClinux来实现。
装置通过传感信息预处理软件模块、信息解耦软件模块和动态预测补偿软件模块实现传感信息软测量,达到降低装置复杂性和制作成本、实现信息解耦及滞后补偿的目的,并在此基础上通过网络通信软件实现网络化监控。
2.1 基于PLSR的预处理软件模块
偏最小二乘回归法(PLSR)能在小样本容量情况下进行回归建模,它采用一种信息分解与提取的策略,在自变量X=[x1,x2,...,xp]T中逐次提取综合变量进行重新组合及提取,从而得到对因变量Y=[y1,y2,…,yq]T的解释能力最强、同时又最能概括自变量集合X中信息的综合变量,而对Y没有解释意义的信息则被自然地排除掉[4]。基于PLSR的软件模块进行信息预处理的步骤为:
1)采用均匀实验方法对装置进行在线实验标定;
2)根据工业环境下多传感信息系统中非线性信息耦合等特点,采用基于INLR(Implicit Nonlinear PLS Regression)-PPLS(Polynomial PLS)非线性偏最小二乘回归建模方法[5]对实验数据进行处理。基于INLR-PPLS的方法首先用线性PLSR对传感检测标定信息进行预处理,实现降维的效果,之后用非线性PLSR,对Y与X进行非线性拟合,预处理和建模过程如图3所示。通过基于INLR-PPLS建模方法得到的回归模型为:
其中xi*(i=1,2,...,n)为主元成分,为因变量,βji(i=1,2,...,3n)为回归方程系数,Fnj为残差矩阵。
基于INLR-PPLS方法可以实现多传感信息预处理、完成传感系统的降维处理和传感系统中多信息耦合传感器的特性标定;
3)根据标定数据,采用文献[6]的方法计算主元成分xi*的分辩级mi。
2.2 基于多尺度逼近的信息解耦软件模块
从(1)式可知传感检测信息与xi*存在非线性耦合,因此如何根据多传感检测信息快速准确地进行逆向求解xi*,是检测装置进行实时监测的关键。信息解耦软件模块采用基于多尺度的插值解耦方法[5],其传感信息解耦的一般原理为:根据各自变量xi*的尺度mi大小,选择不同插值方法对非测量目标xi*(j≠i)逐步进行如(2)式的插值计算,缩小关系函数的自由度,并转换为的形式,从而得到与xj*一一对应的特征函数。其解耦实现公式如下:
其中,δ为拟定的尺度阈值αi(x*),βi(x*)为Hermite插值基函数,lk(xj*)为分段线性插值基函数,xjk*为相应自变量的标定点。
从解耦的公式可以看出,由预处理软件获得基本标定曲线后,通过插值可以获得特定环境条件下传感特性曲线则由检测值即可完成xj*的逆向求解。
2.3 基于MARP的预测补偿软件模块
对传感信息检测中响应滞后问题的处理,是传感检测快速响应的关键,其常用的方法有零极点相消法和配置法,但该两类方法均依赖于传感器数学模型的建立,它们在确定数学模型时,为避免建模所带来的复杂性,会作一些简化和假设,从而会新带来一些动态测试误差;而根据传感器的实测信息,利用预测模型对传感信息实现动态补偿的方法,已取得了较理想的结果[7],该方法无需依赖传感器数学模型,不会带来新的动态误差。为此本装置采用多尺度回归预测(Multiscale Analysical Regressive Prediction,MARP)模型进行传感信息动态补偿。该方法利用小波多尺度分析,可以将非平稳时间序列分解为多个平稳的细节信息和比原序列平稳的近似信号,从而保证了时间序列的平稳性,同时小波多尺度方法还具有很好的时频局部特性和去相关性。因此,将具有多尺度分析能力的小波变换与模型预测方法相结合,可以使预测更准确,并具有良好的鲁棒性。基于MARP的软件模块基本工作流程为:
1)用浮动窗口方法对N个传感检测信息C(0)(n)进行J尺度的在线多尺度分解计算[8];
其中分别为常规尺度函数的相邻两项间加入(2j-1-1)个零构成的滤波器。传感信息的最佳分解尺度J可以根据计算得到的各传感信息源xi*的分辩级m来确定。
那么,根据分解后的信息和实验标定的传感信息滞后步数τ,可获得xN+τ的动态预测估计值:
其中细节信息预测用AR(Auto-Regressive,自回归)模型进行,平滑层信息则用多项式预测,且参与预测的数据采用间隔选取方法,间隔大小与传感信息滞后步数τ一致;
2)采用文献[9]中的RIV-Kalman递推算法对(4)式中AR模型参数θ=[aj1,...,aj2,ajAj]T进行计算:
式中Κj(k)为Kalman增益矩阵;yj(k)为最新分解的细节信息,hj(k)=-[dj,N-1,dj,N-τ-1,...,dj,N-(Aj-1)τ]T;并用AR模型参数θj(k)计算得到dj,N+τ;
3)计算(4)式中预测多项式参数:A=[aJ+1,0,...,aJ+1,K]T=(XTX)-1XTY=W-1XTY,其中Y为间隔τ选取的平滑信息由此可知W-1XT只与nk有关,一旦确定nk,就可以预先计算出W-1XT,从而可快速计算出预测多项式参数,并以此计算CJ,N+τ;
4)根据计算得到的dj,N+τ和CJ,N+τ用(4)式进行重构,得到预测估计值XN+τ,完成传感信息的预测补偿。
2.4 网络通信软件模块
网络通信软件通过嵌入在ARM微处理器中的u Clinux系统的TCP/IP协议模块来实现,只需对TCP/IP协议栈进行适当的配置和修改,就可以进行移植。在具体设计实现TCP/IP协议栈之前,还要解决对LXT971的驱动问题。在uClinux中,相关的网络设备驱动文件为u Clinuxlinux-2.4.xdriversnetfec.c。
根据ARM芯片S3C4510B的编址规则,在驱动文件整体框架不变的情况下,对fec.c中网卡基地址和中断号进行如下有针对性的改动,就可实现LXT971在S3C4510B组成的uClinux平台上的驱动移植:
dev->base_addr=base_addr=ARM_LXT971_BASE;//定义网卡基地址
dev->irq=ARM_LXT971_IRQ;//定义中断号
3 检测试验
将基于传感软测量的在线检测装置SCUT-1应用在液态乙醇浓度测控中,它利用气液转换的原理,通过气态乙醇浓度的检测来实现液态乙醇浓度的软测量。其检测应用的环境较为复杂,各传感量之间存在信息耦合且存在较大的检测滞后现象,是一个典型的多传感信息工业实用例。
工业上的液态乙醇是一个多组分溶液,通常还含有杂醇油、酯、酸、醛类等物质,不过其含量相对较少,最大含有量通常不超过酒精产量的0.7%,同时,温湿度对乙醇传感器都有比较大的影响。通过实验标定,由本文设计的基于PLSR软件分析确定其主元成分为温度、湿度和气态乙醇浓度,并确定它们的分辩级分别为2-3、2-4、2-5。因此,只需将温度、湿度、乙醇的标定数据以及其尺度信息、传感器相关参数等存入装置的ROM中,装置就可以实现传感信息解耦计算和预测补偿,完成乙醇浓度在线测量。
本在线检测装置用热敏电阻、湿度传感器WYG1、乙醇气敏传感器TGS2620分别测量温度、湿度和乙醇浓度,并在酒厂的发酵车间进行了现场测试。现场仪器的安装如图4所示,将包含温度,湿度和乙醇浓度传感器组从发酵罐的上盖的观测孔放入,然后将其接入液态乙醇浓度检测仪,检测仪通过交换机连接,这样就可以实现在对多个发酵罐内液态乙醇浓度的在线分布式网络化检测。实验表明,本检测系统对气体乙醇浓度的检测误差为0.59%,补偿后气体乙醇传感器的响应时间小于0.9s,温度误差为±0.1℃,湿度误差为±0.5%RH;由于受到气液平衡机理建模误差和气液平衡滞后的影响,对气体乙醇浓度进行气液平衡计算后,得到液态乙醇浓度的最大检测误差约为1.5%,检测响应时间为小于13s,这在发酵液的乙醇浓度检测领域,具有高的精度和响应速度[10],从而实现了液态乙醇浓度的快速准确检测。
4 结束语
1)在线检测装置采用基于PLSR的传感信息预处理软件模块实现了多传感信息降维处理、多信息耦合传感器的标定和传感信息尺度计算,它降低了传感检测系统复杂性和制作成本;
2)检测装置在检测时,采用基于多尺度的信息解耦软件模块进行逐步解耦计算,消除了非测量目标的影响,实现了传感信息的准确计算;用基于MARP的信息预测补偿软件模块处理传感信息滞后问题;以上基于软建模技术设计的传感信息处理软件,具有计算精度高,运行速度快,通用性好的特点;
3)在线装置采用具有快速数据处理能力和丰富接口的DSP芯片,使其具有良好的通用性和扩展性;并且通过ARM芯片内嵌的EMIT实现了工业环境下传感信息的网络化监控。该装置和相应的传感信息软建模技术,可以应用在化工溶剂、农业生产、医药和制造过程等类似场合。
摘要：针对工业环境下多维信息的测量需求,介绍一种在线检测装置的硬件及软件系统设计结构,以DSP和ARM为核心芯片的设计实现通用性、网络化和快速处理的要求,采用基于PLSR的数据预处理、基于多尺度逼近的信息解耦和基于MARP的预测补偿软件技术,较好地实现多传感信息的软建模。在乙醇在线测控装置中的应用表明,气体乙醇浓度检测误差为0.59%,气体乙醇传感器响应时间<0.9s,可以满足工业环境下多传感信息的实时网络化检测要求。
关键词：多传感信息,软建模,预处理,解耦,预测补偿
参考文献
[1]刘桂雄,李夏妮.传感器黑箱数学建模理论研究现状及应用[J].机电产品开发与创新.2004,17(5):11-14.
[2]Hu Chang-peng,Hong Xiao-bin,Liu Gui-xiong,Ye Ting-dong.On-line test system of liquefied ethanol concentration based on soft-sensing technique[J].Science Technology and Engineering.2008,(5):1183-1187.
[3]刘桂雄,邝泳聪,金军.基于测频测周方法集成的高分子湿度仪[J].华南理工大学学报(自然科学版).2001,29(3):39-42.
[4]Riesch C,Jachimowicz A,Keplinger F.A Novel Sensor System for Liquid Properties Based on a Micromachined Beam and a Low-Cost Optical Readout[J].IEEE on Sensors,2007,872-875.
[5]洪晓斌,刘桂雄,叶廷东,黄国健,陈铁群.基于INLR-PPLS的非线性多传感信息建模新方法[J].华南理工大学学报,2009.
[6]刘桂雄,李夏妮,周德光.基于多尺度数值计算的传感信息解耦新方法[J].光学精密工程,2005,13:164-167.
[7]万聪梅,肖文,樊尚春.基于预测模型的温度传感器动态补偿新方法[J].传感技术学报,2007,8:1762-1765.
[8]劭学广,庞春艳,候树泉.在线小波分析与分析化学信号的在线处理[J].中国科学技术大学学报,2000,30(2):195-200.
[8]关秋菊,刘桂雄,金军.基于递推并行Kalman时序模型的随机误差分离方法[J].现代制造工程,2008,2:116-118.
无速度传感器的转子变频调速装置 篇8
对于风机、水泵等调速范围不大、系统动态性能要求不高的场合，性价比较高的调速技术应该是斩波串级调速[1,2,3,4,5,6]。由于速度检测作为斩波串级调速的双闭环控制尤其重要[7,8,9]，本文提出一种新型无速度传感器的斩波串级调速测速方法，其原理是通过测量斩波电感两端的电压来计算出电机实际速度，这种方法不受环境、机械振动及斩波的影响，具有快速、准确的特点。
1 工程实际中测速方案及面临的问题
目前，工业现场使用的斩波串级调速方法有3种。
1.1 转子整流电压的间接测速法
根据串调原理可知，绕线电机线电压同其开路电压之间的关系可用下式表达：
其中，s为转差率;Ur0为绕线电机开路电压;uac为绕线电机转子线电压。
又根据三相整流原理可知，其直流侧电压同交流侧电压之间存在以下关系：
其中，Urdc为绕线电机转子整流电压。
由式(1)(2)可得：
因此得到转子整流电压，就可以得到转差率s，从而得到转速。但斩波串级调速由于斩波使得转子整流电压已经不是一个平滑稳定的值，而是脉动的，其波形如图1所示。
由图1可知，要准确得到转子整流电压的值，需要加很大电容进行滤波，才能使其比较平稳，但其引来的一个问题是，延时非常大，不能满足双闭环调节的快速性，只能用于速度显示。
1.2 转子电压、电流过零点脉冲测速法
绕线电机速度比较高时，转子电压比较小，电流比较大，测速时以转子电流过零点脉冲来计算电机速度;绕线电机速度比较低时，转子电压比较大，电流比较小，测速时以转子电流过零点脉冲来计算电机速度，因此在这两者之间进行速度测量切换时，不能平缓过渡，会产生很大的速度波动及电流冲击，经常造成电机过流跳闸;此外，受到斩波的影响，转子侧电压是脉冲列正弦波形，如图2(a)(b)所示，因此在1个周期中会产生多个过零点脉冲，如图2(c)所示;由于受到二极管整流换相重叠影响，转子电流过零点死区比较大，如图3(a)所示，这样在过零点处就会得到多个过零点脉冲，如图3(b)所示。因此，通过转子电压、电流过零点来进行测速脉冲在工业中没有得到应用。
1.3 码盘测速法
目前，工程实际中基本上都采用码盘测速方法。即在电机拷贝轮上安装一个码盘，旁边有接近开关，通过测量电机旋转一周所需时间来计算速度。但这种测速方法的缺点是随着电机运行的振动及工业灰尘的污染等多种因素，往往会造成测速接近开关不能正常工作，从而使得脉冲丢失或者脉冲电压不正常现象，如图4所示，致使斩波串调装置不能进行调速，影响企业的生产和节能。此时通常是检修工人在电机全速运转的情况下，通过工具对测速接近开关进行调节，不仅调节效果不佳，而且比较危险。
2 无速度传感器测速原理
2.1 拓扑介绍
斩波串调主电路如图5所示，图中主要由整流器、斩波电路及晶闸管逆变电路构成。从图5中还可以看出，内馈电机定子绕组直接接3～10 kV高压电网，转子电压Ur=sUr0(Ur0为转子开路电压)，通常情况下Ur0<1 000 V，而风机、水泵等要求调速范围在30%～40%左右(s=0.3～0.4)，所以Ur<400 V，这样与之相联的PWM逆变器也为低压变频器。能量流如图5箭头所示方向，即转子整流，经过斩波电路斩波，最后通过PWM逆变器馈送到反馈调节绕组，进入内馈电机[1,2]。
2.2 算法分析
当IGBT开通时，其电流流向如图5虚线所示，电流用ion表示，此时电流等效电路如图6所示。
由图6电路拓扑可得[10,11,12,13,14,15,16]：
其中，L1为内馈电机等效漏感;L2为斩波电抗器电感;ion为IGBT开通时电流。
由式(4)可得：
当IGBT关断时，其电流流向如图5实线所示，电流用ioff表示，此时电流等效电路如图7所示。
由图7电路拓扑可得：
其中，Uc为储能电容两端母线电压。
由式(6)可得：
由式(5)可得：
由式(7)(8)可得：
根据式(5)(9)可得：
由此可得：
由式(1)(2)(11)可知：
又因为s=(n0-n)/n0，则：
由此可知，根据式(12)(13)可以计算出实际速度。
3 实验
根据无速度传感器测速原理，在工厂进行了实验。实验电机参数如下：电机型号-YRKK560-6，额定功率/电压/功率因数1 000 kW/10 kV/0.89，额定电流72.5 A，转子开路电压1 332 V，额定转子电流461.1 A，额定转速990 r/min。
图8(a)是斩波电抗器两端电压波形，由图可知，其和斩波特性有关;图8(b)是斩波电流波形，由图可知，当斩波器开通时，斩波电流线性上升，斩波电抗器储能，当斩波器关断时，斩波电流线性下降，斩波电抗器释放能量;图8(c)是斩波器两端电压波形，由图可知，当斩波器开通时，IGBT管压降小，当斩波器关断时，IGBT两端电压值等于后端母线储能电容之间的电压;图8(d)是母线储能电容之间的电压波形，从波形可以看出，储能电容电压比较稳定，有少许波动，这是因为后端晶闸管有源逆变瞬时电压有波动形成的;图8(e)是转子整流电压波形，从波形可以看出，其整流电压不是普通整流电压，而是受到斩波的影响;图8(f)是转速阶跃时，实际转速变化曲线，从该曲线可以看出，本文采用的无速度测速方法能够很好地测量出电机转速。
4 结论
目前用于内馈电机测速方法有多种，如转子电流、电压过零点间接测速，但是由于斩波及二极管整流换相重叠角的影响，其过零点脉冲往往产生误信号，致使测速不准。因此目前工业现场使用最多的还是测速码盘，但是这种方法容易受环境、振动等影响，从而经常出现测速脉冲断线故障。在此基础上，本文提出了测量斩波电抗器两端电压波形来间接计算电机实际速度的方法，它不受环境、振动等影响，也不受斩波器的干扰，能够及时准确地算出电机实际速度，从而作为速度环的速度反馈信号。
摘要：提出了一种新的无速度传感器测速方法,该方法是通过对转子变频调速装置主电路拓扑的电流流向进行分析,然后根据斩波器开通和闭合时刻的等效电路进行分析和建模,得到斩波电抗器两端电压与转差率之间的关系,从而间接得到电机的实际速度。该方法不受环境、机械振动等因素影响,测量快速、准确,可作为速度环的速度反馈信号。最后通过实验进行了验证,表明该无速度传感器的测速方法是可行、有效的。