测量装置（共12篇）
测量装置 篇1
引言
随着国民经济的发展、科技的进步, 对生产过程中自动化程度的要求越来越高, 核密度计能够实时地对生产过程中的密度变化进行检测, 能够随时掌握测量料液的密度、浓度, 提高工艺水平, 节约能源, 保证生产的安全性, 提高机组的安全性, 减少运行人员工作量, 通过自动控制回路, 实现工艺过程的自动控制, 有效的排除故障。如今核密度计已经在国外的炼油, 化工等技术中广泛的应用, 近几年来, 国内的一些石油化工厂也开始采用核密度计这种装置。而且国内的核密度计的研制也取得了突破的进展。文章将介绍一种基于γ射线原理研制的数字智能型核密度测量装置, 它的最大优点是采用非接触测量、数字显示、稳定可靠, 不破坏、连续自动地测量密度。且在安装、调试、维护时, 不影响正常生产, 特别适合恶劣环境下密度的测量。为厂家节省大量的人力、物力, 具有很好的社会效益和生态效益。核密度计对密度的精确可靠监测, 保持密度在正常范围内运行, 合理控制密度的波动幅度, 并达到闭环控制, 对保证设备安全经济运行有着十分重要的意义。
1γ射线辐射技术的原理
γ射线是一种电磁波、光子流。与无线电波, 红外光, 紫外线和可见光一样。当放射性物质的原子核能级跃迁时就会产生γ射线。其能量高, 波长短, 穿透力极强。
γ射线与物质发生相互作用后射线的强度会减弱, 放射性同位素γ射线源衰变过程中稳定地释放出一定强度的射线, γ射线与物质发生相互作用, 在其通过被测物质时其强度将进行衰减, 当被测物质的密度和厚度越大, 强度衰减越大。当放射源固定后, 射线在传播时的衰减就只取决于介质的密度和传播的距离。当一束准直的单能γ射线, 沿水平方向垂直通过被测物质时, 其透射强度和被测物质的关系为[1]:
其中:
I0为未穿过被测物质前的射线强度;I为穿过被测物质后的射线强度;μ为质量吸收系数, 单位为cm2/g;d为厚度, 单位为cm;ρ为密度, 单位为g/cm3。
通过推导可以得出:
由 (2) 式可见, 只要能准确测量出被介质吸收后的射线强度, 即可随时计算出被测物质的密度ρ。
2核密度计的工作原理
2.1核密度计检测系统的组成
采用铯-137辐射源为发射源, 该射源具有半衰期长 (30年) , 在满足系统需求的同时便于屏蔽防护;利用核物理测量原理进行设计, 以点状辐射源发射、闪烁探测器进行接收, 采用射线准直方式测量, 并以微处理器为核心的数字智能核密度测量装置进行运算, 在监测过程中加入温度、放射源衰减补偿, 采用LED显示, 脉冲在线监测及RS485接口。核密度的测量系统如图1所示。有放射源铯-137, 闪烁探测器, 微处理器、和控制回路[2]。
2.2核密度计的工作原理
铯-137辐射源放射的射线穿过被测物, 被闪烁探测器接收, 并将接收到的γ射线转换成电脉冲信号, 对探测器得到的信号通过放大电路放大进行预处理, 并滤除掉噪声和干扰信号。将输出信号整形为矩形脉冲信号, 以适应微处理器的测量要求。接收到的射线强度, 决定闪烁探测器的输出脉冲的计数频率, 用计数频率来测量强度时, 如果测量时间为T, 脉冲数为n, 则平均计数率N为[3]:
式 (3) 无法满足工业参数连续快速测量的需要。因此, 采用定时计数方法来优化原有算法, 将测量时间分割成c个小定时单元Δt, 在第i个定时单元Δti, 其计数脉冲为Δni, 则式 (3) 可表示为:
铯-137辐射源与探测器之间的距离以及它们之间的工艺介质都是固定不变的, 被测物所吸收射线的能量就取决于介质的密度[4]。介质所吸收的射线越多, 闪烁探测器接收到的就越少, 介质的密度就越小, 反之, 介质的密度越大。通过将介质的密度与探测器的读数一一对应, 就可以方便的得到介质密度的读数[5]。
按照工艺介质的流向, 核密度计的安装位置最佳是在环管反应器的垂直段入口处, 距离轴流泵较近。介质自下而上的流动可以防止在管壁上挂垢, 使得较重的颗粒能够处于悬浮的状态。
3结束语
该核密度测量装置相比传统的测量仪表, 具有如下的优势:
(1) 利用核物理测量原理γ射线辐射技术, 进行设计, 采用射线准直方式测量, 减少了散射误差影响;它对介质 (特别是固体和浆液介质) 工艺变量的感应和控制能力非常灵敏。采用非接触测量方式, 被测物料液态、固态均可, 稳定可靠, 维护量小, 适用于高温、高压、腐蚀等环境下的密度测量。
(2) 采用铯-137辐射源为发射源, 一般强度为1.85×108Bq, 该射源具有半衰期长 (30年) , 射源在国家标准范围内合理使用, 不会对人体造成伤害。放射源装置和探测器都固定安装在器壁外, 在满足系统需求的同时便于屏蔽防护。
(3) 以微处理器为核心进行运算, 在监测过程中加入温度、放射源衰减补偿, 提高产品的测量精度。通过LED显示仪器的输出信号, 脉冲在线监测及RS485接口, 对工艺过程实行自动控制。
(4) 设计的自动稳峰技术, 集成电路, 以及贴片工艺设计, 可提高提高抗干扰性, 补偿由于温度和元件老化等造成的漂移。
(5) 在信号处理与程序设计过程中, 利用连续滑动平均、比较剔除等措施降低统计涨落对测量精度的影响。
随着人们对γ射线的逐渐认识, 核密度计等先进的仪表将会得到越来越广泛的应用。
参考文献
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[2]孙普男.ZHM-1型智能核密度计的研制与应用[J].轻金属, 2002 (9) :57.
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[4]何为民.智能放射性勘察仪器[M].北京:原子能出版社, 1994.
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测量装置 篇2
中华人民共和国国家标准（GBJ63－83试行）
10．10．1总则
电气装置的电气测量仪表装置设计，必须认真执行国家的技术经济政策，并做到保障人身安全、供电可靠、电能质量合格、技术先进和经济合理。应根据工程特点、规模和发展规划，合理地确定方案。应注意节约用铜。适用于工业、交通、电力、邮电、财贸、文教等行业新建工程的设计。固定安装在仪表屏、控制屏或配电屏（柜）上的电气指示仪表和电能计量的电度表。仪表装置的二次回路，应符合工业与民用电力装置的继电保护、自动装置设计的有关规定。
10．10．2 对电气指示仪表的要求
在装设电气指示仪表时，要求正确反映电力设备的运行情况；能监视绝缘状况；在发生事故时，能使运行人员迅速判断情况。
交流仪表的准确度等级，不应低于2.5级；直流仪表的准确度等级，不应低于1.5级。与仪表连接的分流器、附加电阻的准确度等级，不应低于0.5级。与仪表连接的互感器的准确度等级，一般为0.5级；仅作电流或电压测量用时，1.5级和2.5级的仪表可使用1.0级互感器；非重要回路的2.5级电流表，可使用3.0级电流互感器。选择仪表测量范围和互感器时，应尽量使电力设备在正常最大负荷运行时，仪表指示在标度尺工作部分的2/3以上，并应考虑过负荷运行时能有适当的指示。对重要电动机，启动电流大且时间较长或运行过程中可能出现较大电流时，应尽量装设过负荷标度的电流表。在可能出现两个方向电流的直流回路和两个方向功率的交流回路中，应装设双向标度的电流表和功率表。在500V及以下的直流回路中，可使用直接接入和经分流器或附加电阻接入的电流表和电压表；500V以上的直流回路中，电流表或电压表应尽量经互感器接入。
在各种不同回路中，应按规定分别测量交流电流、直流电流和电压。在中性点非直接接地交流系统的母线（终端变电所高压侧除外）上和直流系统的母线上，应装设绝缘监视装置。同步电动机应装设功率因数表。仪表应装设在便于监视的地方。在控制屏上，仪表水平中心线距离地面高度一般为1.2～2.2m，但准确度高或刻度小的仪表，则不宜高于1.7m。
10．10．3电能的计算
籽棉回潮率自动测量装置的设计 篇3
关键词：籽棉回潮率；测量装置；机械装置；控制系统；设计
中图分类号：S226.9文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）11-0428-03
2013年新疆维吾尔自治区棉花总产量高达340万t，已占据全国半壁江山，棉花收入占新疆农民收入的35%左右，在南疆某些棉花主产县甚至占到50%～70%。籽棉收购作为棉花产业链的重要环节，对稳定棉花市场、保护棉农利益、保障市场供应具有重要作用。籽棉通常采用运棉车装载至棉花加工厂，运棉车内籽棉回潮率是交易双方关注的焦点。目前籽棉回潮率基本依靠人工利用手持式籽棉回潮仪进行测量，这种测量方式存在以下问题：每次仅能对单点数据进行采集，需要多次采集求平均，采集时间长、效率低；劳动强度大，采集深度低，运棉车内部数据难以采集[1-2]。本研究设计了一种运棉车内籽棉回潮率自动测量装置，旨在为促进籽棉交易自动化、智能化发展提供依据。
1整机结构及工作原理
将数据采集仪器安装在籽棉回潮率自动测量装置上，在该装置的带动下可以实现运棉车内籽棉回潮率多点多层次[LL]自动化测量，因此该装置需要在三维空间里实现x、y、z方向的往复直线运动，该装置包括机械装置、控制系统2个部分。机械装置结构如图1所示。根据目前新疆地区普遍使用的运棉车结构，机械系统有顶层、侧面2个工作面，接下来以顶层工作面为例阐释机械装置结构及工作原理。机架1是机械装置的支撑部件，x方向运动调整机构2安装于机架1的顶层，通过轴承销与球面轴承连接；y方向运动调整机构3安装于x方向运动调整机构2上，通过轴承销与球面轴承连接；z方向运动调整机构4安装于y方向运动调整机构3上，通过螺栓连接，各部件间均方便组装及拆卸，由電机提供动力，每个方向的运动调整机构均配有若干电机。该装置利用丝杠螺母机构进行传动，以传递运动为主，类似机床工作台的进给丝杠，即电机带动丝杠转动，从而带动含有传动螺母的其他传动部件运动，将回转运动转化成直线运动，具有速度快、可连续工作等特点。
工作时，运棉车停置于机架1正下方，电机提供动力输入，横梁5、支座6、卡具7分别属于x、y、z方向运动调整机构中的一部分，x方向运动调整机构2使横梁5沿纵梁x方向作双向直线运动；y方向运动调整机构3使支座6沿横梁y方向作双向直线运动；z方向运动调整机构4使卡具7沿垂直z方向作双向直线运动，从而带动数据采集仪器在三维空间里自由动作（图2）。
2机械装置关键部件的设计
根据新疆运棉车的结构及尺寸，机架设计为龙门桁架式结构，如图1所示，由21根长短不一的方钢组成，结构稳定，可确保运棉车顺利从机架下方通过。为方便运输、组装、拆卸，各方钢间采用固定板及螺栓连接，机架在整个工作过程中起到支撑作用。
2.1x方向运动调整机构
由图3可知，x方向运动调整机构前后左右结构基本对称，只有一端安装电机减速器组、链传动组。链传动组2的主动链轮通过键与电机减速器组1输出轴直接相连，从动链轮通过键与丝杠组2直接相连；球面轴承组5外置于横梁4两端的下方，横梁与机架连接；传动螺母6置于横梁的两端，通过螺栓固定，丝杠组3与传动螺母6配合装配。工作时，电机提供动力输入，并通过链轮组将动力均匀传动给丝杠组，丝杠组通过横梁内置的传动螺母，推动横梁沿x方向做往复直线运动。
2.1.1丝杠螺母机构
丝杠螺母机构共有4种基本传动形式，如图4所示，本装置采用第2种即丝杠转动、螺母移动的传动形式，其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好、工作行程大，在机电一体化系统中应用较广泛，但需要限制螺母的转动，故需导向装置[3-4]。
为减小丝杠旋转时产生的转动惯量，丝杠组3由两根丝杠组成，通过联轴器连接，与传动螺母组成丝杠螺母机构，如图5所示，机架纵梁充当导向装置，是x方向运动过程中主要的传动机构。根据实际测量需求及整机测量时间（控制在4min左右），选择螺距为12mm的梯形螺纹丝杠，传动螺母与丝杠配合选择，可达到较高的传动效率。
2.1.2球面轴承组
如图6所示，球面轴承组由轴承1、轴承销2、锁紧螺母3、下板4、上板5、连接板6、连接轴销7组成，球面轴承组通过连接板、连接轴销、螺栓跟横梁连接。连接轴销使球面轴承组在安装时减少了约束，便于安装且具有调整作用，当丝杠螺母结构与球面轴承组在运动过程中出现相对偏移时，连接轴销可在一定程度上调整球面轴承组的偏移量，减少丝杠受扭曲的程度；球面轴承与机架侧梁的接触方式为线面接触，工作时可及时调整接触线，减少运行阻力。
2.2y方向运动调整机构
y方向运动调整机构结构如图7所示，安装于x方向运动调整机构上，主要由电机减速器组1、丝杠组2、支座3、球面轴承组4、传动螺母5组成。电机减速器组1安装于横梁的一端，丝杠组2与减速器输出端口直接相连，支架3通过球面轴承组4与横梁（图3）连接，球面轴承组4的上板与支架3焊接，传动螺母5通过连接板、螺栓与球面轴承组4相连。工作时，电机驱动丝杠旋转，带动含有螺母的支座沿y方向做往复直线运动。y方向运动调整机构的丝杠组2与x方向运动调整机构的丝杠组原理和结构相同，含有2根丝杠，以横梁充当导向装置；球面轴承组4也与x方向运动调整机构的球面轴承组（图6）原理及结构相同。
2.3z方向运动调整机构
z方向运动调整机构的结构如图8所示，由电机减速器组1、丝杠2、传动螺母3、光杆4、直线轴承5、卡具6组成。电机减速器组1与丝杠2直接相连，传动螺母3、直线轴承5均内置于卡具6，分别与丝杠2、光杆4配合连接，卡具6的一端用来装卡数据采集仪器，光杆4充当丝杠螺母机构的导向装置。工作时电机驱动丝杠转动，从而带动卡具在z方向做往复直线运动。
3控制系统
机械装置的动力主要由电机提供，因此控制系统主要控制电机，来实现x、y、z方向的自由运动。本装置共有12个电机，顶层工作面与侧工作面各有7、5个。机械系统电机序号如图9所示，控制1号、2号电机在x方向做往复直线运动，控制3～6号电机在y方向做往复直线运动，控制7～12号电机在z方向做往复直线运动。
运棉车内籽棉回潮率主要采用随机取点方式进行测量，运行精度要求不高，电机采用750W三相异步交流电机，减速器为涡轮减速器；为提高系统可靠性，采用PLC来实现电机的正反转及顺序动作控制[5]。工作时，1～6号电机同时动作，PLC给1～6号电机1个随机的时间值，每个电机按这个时间值运动一定距离，判定1～6号电机均已运行完毕后，7～12号电机同时开始动作，每个电机按一定且相同的时间运行完毕后，停顿30s供数据采集仪器测量数据，测量完毕后，7～12号电机反转使数据采集仪器抽出回归原位，随后1～6号电机反转回归原位，至此1次测量过程结束。
4结论
本研究设计的籽棉回潮率自动测量装置，可一次性对6处回潮率进行测量，实现了运棉车内籽棉回潮率多点多层次自动化测量，提高了测量效率及自动化程度。
参考文献：[HJ1.8mm]
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[4]翟志恒，葛正浩，张凯凯，等.丝杠螺母驱动平行四杆升降机构的设计与分析[J].陕西科技大学学报：自然科学版，2012，30（1）：36-39.
[5]赵中敏，张秋云，杨广才.PLC控制系统设计[J].机床电器，2007（2）：37-46.
大型绕组外径测量装置 篇4
在变压器制造过程中, 从零部件制造到变压器的装配都会涉及到大量的圆形零部件的测量和检验, 因其外径大, 变换范围广, 常规量具无法满足使用要求, 从而对变压器制造过程中相关数据的控制和检测带来影响。研制一种快速、准确的圆形外径测量工具, 可大大提高变压器制造过程中相关工序数据测量的准确性和高效性, 对提高检测效率, 保证产品质量, 以及变压器制造过程质量控制、数据分析、故障排除等有非常积极的意义。
2 设计思路与结构原理
本测量装置是在直线测量和圆形周长测量的基础上, 经过改进和提高, 将两种测量原理合二为一, 结合在一种装置上, 从而快速准确地得到所需要的外径数据。具体操作时, 结合变压器线圈等零部件特点, 可多测量几个点, 根据数据取舍原则, 确定可用的最终数据。
其具有以下特点:
2.1 测量快速准确
用常规外径卡钳测量, 需在测量后移出测量位置, 另用钢板尺测量尺寸, 在此过程中需保持两卡钳爪不得位移, 否则测量尺寸就会不准。用本实用新型可在测量的第一位置上不用移动即可得到准确的外径数据, 不用再去测量, 也不用移动量具, 避免过程中因移动引起的测量误差, 保证了数据准确而快速的得到。
2.2 操作简单方便
本测量装置全部采用优质铝合金型材和胶木材料制作, 重量轻, 一个人就可方便的测量。操作时, 一手将固定杆1靠紧线圈外径的一个点, 另一手移动活动杆11靠近线圈的另一侧, 此时读到的钢板尺5上的尺寸即为所测量外径尺寸。
2.3 移动无金属粉尘产生
本测量装置中活动杆11通过滑板7、滚轮6在主管2中移动, 滚轮6由胶木材料制成, 移动时不产生金属粉尘和微粒, 符合变压器制造过程中禁绝金属粉尘产生的特殊要求。
2.4 测量范围广
本测量装置经延伸使用, 通过延长固定杆1、活动杆11和主管2的尺寸, 可制作出几种不同规格的量具, 用来测量不同范围内的外径尺寸, 满足任何外径的测量要求。
3 具体实施方式与附图说明
附图说明, 如图1。
本测量装置可使用在硬纸筒制作后的外径测量;线圈制造中模具外径和纸筒的测量;线圈绕制完成后外径尺寸的测量;以及器身装配时外径的测量。
本测量装置结构及使用过程如下:
(1) 如图1所示。固定杆1通过连接块3和铆钉4与主管2固定死;主管2上安装有带刻度的钢板尺5;活动杆11通过连接块8和铆钉9与滑板7固定死, 滚轮6与滑板7固定在一起。加强板10用来加强各件之间的连接。
图中:1为固定杆, 2为主管, 3为连接块, 4为铆钉, 5为钢板尺, 6为滚轮, 7为滑板, 8为连接块, 9为铆钉, 10为加强板, 11为活动杆, 12为线圈.
(2) 测量时, 将固定杆1靠紧线圈12外径的某一点, 如图2所示。移动活动杆11靠近线圈12另一侧, 此时从钢板尺5上读到的数据即为线圈12外径尺寸。
摘要：本测量装置涉及变压器制造过程中, 测量线圈、硬纸筒、器身套装芯柱等外径时的一种量具, 属于变压器绝缘件制造、线圈制造及绝缘组装等技术领域。
监视和测量装置安全管理制度 篇5
1.目的
为使公司监视和测量装置的使用与管理更趋标准化、制度化、规范化，实现资源的合理配置和使用，特制定本制度。
2.适用范围
公司所属各部门、各车间。
3.职责
3.1 生产部负责对监视和测量装置维护和保养； 3.2 质量检验部负责监视和测量装置的校准。
4.工作程序
4.1 安全监视和测量设备的安装
4.1.1凡是生产、使用、储存、充装易燃易爆易中毒危险化学品的重点岗位和要害部位，都必须安装适宜的安全监视和测量设备，需对重要的压力、温度等指标进行监控和测量的，同时安装压力、温度监控和测量装置。
4.1.2安全监视和测量设备的选型要合理，确保监视和测量的准确度和精确度满足使用要求，同时供货安装单位要有相应资质。4.1.3安全监视和测量设备的安装位置要合理，能够起到有效的监视和测量作用。
4.1.4新安装的安全监视和测量设备，必须经过鉴定和校准方可投入使用。
4.2 安全监视和测量设备的鉴定和校准
4.2.1安全监视和测量设备的鉴定和校准同期，以相应的国家标准为准。
4.2.2安全监视和测量设备偏离校准状态时，应按有关国家标准进行鉴定和校准。
4.2.3安全监视和测量设备的鉴定和校准记录由公司安环部存档。4．
3、安全监视和测量设备的使用
4.3.1使用部门保证安全监视和测量设备在适宜的环境条件下使用。4.3.2安全监视和测量设备应保持良好的工作状态，并保持其准确度。4.3.3安全监视和测量设备应在鉴定或校准的有效期内使用，严禁超期使用，使用中如发现损坏或处于可疑的校准状态时，应对其重新进行校准。
4.3.4对使用安全监视和测量设备的人员，视设备的繁简和操作难易程度进行必要的培训，使用人员应熟练掌握操作使用步骤和方法以及维护和保养知识。
4.3.5使用人员要随时观察安全和测量设备的状态，发现异常情况要及时上报和处理。
4.4 安全监视和测量设备的维护和管理
4.4.1使用单位应对安全监视和测量设备进行维护和保养，以便保证监视和测量设备处于良好状态，并做好维护保养记录。
4.4.2质量检验部应对安全监视和测量设备建立台帐，包括：名称、设备类型、购进日期、使用期限、现存位置、检定期限、目前状况。4.5.安全监视和测量设备的失效处理
4.5.1安全监视和测量设备在检定有效期内，若发现损坏或处于可疑状态时，应由联系有资格的单位或人员维修检定。
4.5.2安全监视和测量设备的报废经质量检验部确认，按报废处理程序进行报废。
5.相关记录
浅谈电子测量装置的抗干扰技术 篇6
一、主要干扰源及相应的抗干扰措施
1.机械干扰
可用减振措施来解决机械干扰,如减振弹簧和减振橡胶等。
2.热干扰
采用溫度补偿的措施,以补偿温度变化对检测工作的影响。
3.光干扰
半导体材料具有光敏特性,在光线作用下会产生电势或电阻值的变化。因此,半导体元器件应注意光的屏蔽,应放在不透光的壳体内。
4.湿度干扰
解决湿度干扰的方法主要是防潮和隔离。
5.化学干扰
化学物品如酸、碱、盐及腐蚀性气体,一方面会损坏元器件,另一方面可与金属导体形成化学电势。非常重要的防护化学干扰的措施是保持良好的密封和注意清洁。
6.电磁及辐射干扰
主要防护措施是设置合理地线,屏蔽和合理布局。
7.噪声干扰
应控制声源,控制传播途径,增加光电隔离措施。
二、电子测量装置的抗干扰技术
1.屏蔽
常用的屏蔽有静电屏蔽、电磁屏蔽、低频屏蔽、驱动屏蔽和电缆插接件的屏蔽。
2.接地
(1)接地线的种类
①保护接地线:出于安全防护的目的,将电子装置的外壳屏蔽层接地。②信号地线:电子装置的输入和输出的零信号电位公共线。③信号源地线:传感器的零信号电位基准公共线。④交流电源地线:电网中与大地连接的中性线。
(2)电子装置的接地系统
①高频电路应就近多点接地,低频电路应就近一点接地。②交流电源地线与信号地线不能共用,因为在一段电源地线的两点之间会有微弱的电压,对低电平的信号电路来说,这一电压将造成非常严重的干扰。③浮地和接地结合。将机壳接地,其余部分浮地的方法,可以使抗干扰的能力增强,而且安全可靠。④数字地主要是TTL、COMS引制线路板的地线。线路板中的地线应成网状,其他走线不要形成环路,特别是不能构成环绕外周的环路。线路板中走线不要常距离的平行,不得已时应加隔离电极和跨接线或屏蔽。地线宽度要根据电流通路决定,但最好不小于3mm。⑤A/D转换器在获取0～50mV的微弱信号时,模拟接地法极为重要。为了提高抗干扰的能力,可以采用三线采样双层屏蔽浮地技术,就是将地线与信号线一起采样。A/D转换器的模拟地一般采用浮空隔离,即A/D转换器不接地,它的电源自成回路。A/D转换器通过光电耦合器输出。⑥功率地线因电流较大,线径较粗,故应与小信号地线分开,与直流地线相连。⑦根据屏蔽目的不同,屏蔽接地线接法也不同。电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地。电场屏蔽材料,用低电阻率金属材料制成,可以接大地也可以不接,但最好接大地。电路屏蔽用导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。
3.长线传输中的抗干扰
①功率线、载流线和信号线分开,电位线和脉冲线分开,尤其是小信号时更应如此。②交流电源线是50Hz工频干扰的干扰源,必须采用双绞线单独走线,必要时加屏蔽。③为防止长线传输中的窜扰,采用交叉走线是行之有效的方法。
4.滤波器
(1)交流电源进线的对称滤波器
高频干扰电压对称滤波器电路,对于抑制中波段的高频噪声干扰很有效。低频干扰电压滤波器电路,对抑制因电源波形失真而含有较多高频谐波的干扰很有效。
(2)直流电源输出的滤波器
直流电源往往是几个电路公用的,为削弱公共电源在电路间形成的干扰耦合,对直流供电输出需加高、低频滤波器。
(3)去耦滤波器
当一个直流电源同时为几个电路供电时,为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰,应在每个电路的直流电源进线与地与地之间加π型RC或LC滤波器。
5.光电耦合器件
使用光电耦合器件是切断环流电路干扰的有效方法。
6.脉冲电路的噪声抑制
(1)脉冲干扰隔离门
利用稳压管或二极管组成的脉冲干扰隔离门,可阻挡幅值较小的干扰脉冲通过,允许幅值较大的脉冲信号通过。
(2)积分电路
抑制脉冲干扰,使用积分电路是最有效的。当脉冲电路以脉冲前沿的相位作为信息传输时,此脉冲信号经微分后,再积分,最后可用射极耦合触发器将有用信号取出,再将窄脉冲排除。
(3)相关量的利用
脉冲信号序列和脉冲干扰序列同时存在的情况,如果脉冲干扰幅值和时间都超过正常的脉冲信号,上述方法是不能抑制它的,需采用相关技术。
一般来说,除上述措施外,还应在安装、布线等方面采取严格的工艺措施,如整个系统的分类布置,接插件的可靠安装与良好接触,焊接质量等。
一种同轴度测量装置 篇7
对于实际生产过程中存在的同轴度测量, 通常采用极坐标测量法或求距法等办法判断零件加工后的同轴度是否合格。这些测量方法, 操作困难, 不利于大批量生产条件下的检测, 影响生产周期, 造成人工成本增加。
我公司生产的某产品零部件 (如图1所示) 在实际检验过程中需要对其螺纹端进行同轴度测量, 为了便于操作, 减少人员的劳动强度, 加快产品生产周期, 特设计了同轴度测量装置。
1 同轴度测量装置的结构及使用
该零件的年生产任务较重, 因此在同轴度测量装置的设计过程中必须考虑测量简便、快捷等因素。综合考虑后, 设计的测量装置如图2所示。
该套装置的组成结构:定位座1上设有套2, 套2通过螺钉4固定在定位座1上, 螺纹环规3通过螺纹连接在被测零件上。
该套装置的工作原理是:在测量的过程中, 将螺纹环规3旋上零件, 螺纹环规3的上表面与零件上端处于同一平面内, 将旋上螺纹环规3的零件放入套2内, 零件的底端置于定位座1上, 此时观察螺纹环规3上表面与套2的上表面, 若螺纹环规3上表面高于套2的上表面, 则零件不合格, 反之则合格。
2 装置设计及制造中的注意事项
该同轴度测量装置中, 存在以下注意事项:
1) 定位座1 (图3所示) 的小头端圆柱面相对其A基准面必须控制在一定的同轴度范围内。套2 (图4所示) 上其圆柱面上端设有豁口, 用于放置及移除带螺纹环规的零件。螺纹环规3 (图5所示) 的外圆表面相对对其A基准面必须控制在一定的同轴度范围内。
2) 该装置中定位座1与套2之间采用间隙配合, 两者之间的紧固连接由螺钉4完成;螺纹环规3外圆直径尺寸与套2的内孔直径为过盈配合, 若零件螺纹端同轴度不符合精度要求, 螺纹环规3将出现倾斜, 从而通过观察螺纹环规3上表面的位置从而判断同轴度是否合格。
3 结语
实践使用证明, 采用上述同轴度测量装置, 在批量生产的检验过程中, 实现了该零件螺纹端同轴度的快速检测, 提高了检验效率, 具有良好的实用性与经济性。
摘要：针对某零件外螺纹与其内孔之间的同轴度测量, 设计了一种同轴度测量装置, 将螺纹环规旋上零件后放入该测量装置, 如果零件螺纹端同轴度不符合精度要求, 螺纹环规上表面将出现倾斜, 由此判断同轴度是否合格。
新型转矩测量装置的设计 篇8
转矩传感器在多种行业及领域中有较为广泛的应用前景, 且随着转矩传感器的发展和微型计算机在这方面的应用, 转矩测量技术上升到了一个新的高度, 而且准确地、实时地测出转动轴的转矩, 还可以及时发现传动系统中存在的故障隐患, 因此, 研究一种集静态扭矩和动态转矩测量于一体的转矩测量系统有着非常重要的现实意义。
1 转矩传感器结构
传感器机壳内有传感器转轴, 传感器转轴通过轴承与端盖固定, 可相对于机壳作旋转运行。传感器转轴同心外设输出铁心, 输出铁心一端与紧固配件连接, 再通过固定螺栓与传感器转轴固定, 另一端通过轴承与传感器转轴固定且可以相对传感器转轴转动;传感器转轴同心外另设励磁铁心, 励磁铁心一端与紧固配件连接, 再通过固定螺栓与传感器转轴固定, 另一端通过轴承与输出铁心固定且可以相对输出铁心转动;传感器转轴的两端露出端盖, 一端连接动力源, 另一端连接被测负载;励磁铁心设有绕组槽, 励磁绕组固定于槽中;输出绕组设有绕组槽, 输出绕组固定于槽中;励磁绕组和输出绕组同为单相绕组;励磁绕组和输出绕组的引出头通过滑环和电刷与机壳的接线盒连接。传感器转轴的两端比中间部分粗;励磁绕组和输出绕组互相垂直, 空间上互差90°, 且两相绕组与传感器转轴同时转动;励磁绕组通过交流电源进行供电, 形成的励磁磁场为脉振磁场。
2 转矩传感器工作原理
当有交流电通入励磁绕组当中, 励磁磁场磁势幅值就会随时间变化的变化而变化。传感器转轴的一端固定, 另一端加载静态扭矩。当静态扭矩为零时, 传感器转轴不发生形变, 分别与传感器转轴两端固定的励磁铁心和输出铁心的位置保持不变。励磁绕组在空间上垂直于输出绕组, 励磁磁场与输出绕组之间不存在交链, 而且输出绕组的感应电势值为零。当静态扭矩不为零时, 传感器转轴发生形变, 励磁绕组和输出绕组的相对位置发生改变, 此时励磁磁场与输出绕组交链, 输出绕组产生感应电势, 该感应电势与所加载的静态扭矩或者动态转矩相对应。
3 数字转换器
由上述转矩传感器的测量过程可知, 传感器转轴受到负载扭矩或转矩作用时产生扭角, 再通过磁电感应原理将扭角转化为对应的电信号输出, 为了方便与上位PC机通信和进行数据处理, 采用数字转化器将与扭角成对应关系的模拟电信号转换为对应的数字量输出。
3.1数字转换器
本文采用的数字转换器为14XSZ系列数字转换器, 将来自转矩传感器输出的模拟电信号转换成与TTL电平兼容的并行二进制码 (数字信号) 输出。
14XSZ系列数字转换器模块由微型斯科特 (Scott) 变压器、高速数字式正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调器、压控振荡器、可逆计数器等部件组成[8]。其中S1、S2、S3和S4为模拟信号输入端;Busy为转换器的工作状态端, 高电平表示“忙”, 低电平表示数据转换结束;INH为锁存器的工作状态端, 数据读出之前应设为逻辑低电平;Enable为转换器数据输出使能端, 逻辑低电平有效。
由于转矩传感器输出的电信号已经是以正、余弦电压形式表示的信号, 为
将转矩传感器的四线输出连接到转换器的S1、S2、S3、S4引脚端, 此时变压器只起降压和隔离作用。
设可逆计数器当前字状态为φ, 高速数字式正余弦乘法器将U1乘以cosφ, U2乘以sinφ, 得到:
两信号经过误差放大器相减后得到:
该误差信号经放大后, 通过相敏解调器产生一个与sin (θ-φ) 成正比的直流误差信号, 再经积分器、压控振荡器 (VCO) 和可逆计数器等形成一个闭环回路系统, 使得sin (θ-φ) =0。当这一过程完成时, 可逆计数器的状态字 (φ) 在转换器的额定精度范围内就等于扭转角θ, 即θ=φ, 完成模拟电信号到TTL电平数字角的转换。数字角经过锁存器后, 由三态缓冲并行输出14位二进制数字信号[8]。
4数据处理与显示模块
采用单片机对14XSZ数字转换器输出的二进制数据进行处理, 其中单片机型号为89C51, 单片机的P1.0—P1.7以及P0.0—P0.5与数字转换器14XSZ的数字信号输出端D1—D14相连;单片机的P2.5—P2.7分别与数字转化器14XSZ的INH、Enable和Busy端连接;单片机的P2.0—P2.4分别与液晶显示器的RS、RW、E、PSB和RST端连接。
测量系统工作时, 首先是单片机的初始化, 然后单片机的P2.7端口开始检测数字转换器14XSZ的Busy端口, 如果Busy端口为高电平时, 再重新检测, 当Busy端口为低电平时, 表明转换结束;此时单片机将P2.5端口设置为低电平, 再将P2.6端口设置为低电平, 单片机便会开始读取转换器14XSZ的数字信号输出端D1—D14的数据, 并存储在内存单元中。
测量系统使用前, 要先进行标定得到比例系数, 并存放在相应的内存空间中, 当读取转换器14XSZ的数字信号输出端D1—D14的数据后, 再乘以比例系数, 最后将结果, 及测量的转矩值显示在液晶屏上。此外, 液晶屏的通讯方式选择为串口通信, 此时只需要设置单片机的P2.3端口为低电平即可, 这样可以节省单片机的使用端口。
5 比例系数的标定
采用高精度扭力计对设计的转矩测量装置进行标定, 传感器的励磁电压频率为10KHz, 幅值为7V, 扭力计为嵊州嘉牧公司生产的ACD0-30型, 其分辨率为0.25N·m。标定结果表明每增加0.5N·m, 数字转换电路输出的二进制数值增加1, 由此可知, 本文设计的转矩测量装置比例系数为0.5N·m。
6 结论
本文设计了一种基于旋变感应原理的转矩测量装置, 可以测量静态扭矩和动态转矩, 且通过数字转换装置能够方便的与单片机进行通讯和传输, 并将转矩值直接转换为数字量进行显示, 具有较好的应用前景。
摘要：转矩的高准确度测量对自动控制及制造业等领域都具有非常重要的意义, 基于此, 本文设计了一种新结构的转矩测量装置, 包括磁电感应式转矩传感器和信号处理电路。转矩传感器通过磁电感应将转轴受到的负载转矩转化为绕组的角位移, 从而输出相应的电信号, 再通过信号处理电路将与负载转矩对应的模拟电信号转化为数字信号。最后采用高精度扭力计对测量装置进行了标定, 分辨率为0.5N·m。
关键词：传感器,转矩,电磁感应,标定
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新型电场测量设备的装置研究 篇9
本装置的密闭空间电场测量设备可以对密闭空间中电磁波进行波形录波以及时域和频域分析, 进而经行密闭空间中电缆故障定位判定分析, 本装置的密闭空间电场测量设备的发明将对电缆沟道中故障的判定与定位起到其它技术手段无法比拟的准确性与实时性。
2技术领域
本装置涉及一种测量设备, 具体是一种密闭空间电场测量设备。
3背景技术
目前电磁波能量场检测技术不具有在密闭空间精确定位识别的能力, 仅可以进行电磁波能量场强度进行检测, 无法进行电磁波波形录波以及时域和频域分析, 更无法实现依据电磁波在密闭空间中的特性进行相关故障判定分析;本发明的密闭空间电场测量设备可以对密闭空间中电磁波进行波形录波以及时域和频域分析, 进而经行密闭空间中电缆故障定位判定分析, 本发明的密闭空间电场测量设备的发明将对电缆沟道中故障的判定与定位起到其它技术手段无法比拟的准确性与实时性。
4具体内容
一种密闭空间电场测量设备, 包括信号分析单片控制器、信号前置放大器、通讯接口、调试接口、数据转发功放、射频滤波器、电源电路和彩色液晶显示器, 所述信号前置放大器包括电感传感器和双运放电路, 所述信号分析单片控制器分别连接通讯接口、调试接口、 数据转发功放、彩色液晶显示器和双运放电路, 双运放电路还连接电感传感器, 所述数据转发功放还连接射频滤波器, 射频滤波器还连接射频天线, 所述电源电路分别给信号前置放大器、信号分析单片控制器和数据转发功放供电。
作为本装置进一步的方案:所述电源电路采用3.3V集成稳压器。
作为本装置再进一步的方案:所述信号分析单片控制器通过显示接口与彩色液晶显示器连接。
与现有技术相比, 本装置的有益效果是:本装置的密闭空间电场测量设备可以对密闭空间中电磁波进行波形录波以及时域和频域分析, 进而经行密闭空间中电缆故障定位判定分析, 本装置的密闭空间电场测量设备将对电缆沟道中故障的判定与定位起到其它技术手段无法比拟的准确性与实时性。
5具体实施方式
首先电磁信号通过信号前置放大器的双运放电路将电感传感器的微弱信号放大筛选, 将10Hz至20MHz的电磁信号输出到信号分析单片控制器, 电感传感器输入信号低于3m V, 由双运放电路组成两级100倍放大, 输出信号可达3V, 信号分析单片控制器的数模采集单元将实时进行信号采集及分析, 在信号分析单片控制器中将电磁信号数字化, 由滤波算法经行平滑滤波, 打包后经数据转发功放与射频滤波器, 最后到射频天线发射出去, 供配套数据分析系统进行分析。
这里打包后数字化信号同时将由通信接口的USB为本地设备提供数据源。同时, 通过信号分析单片控制器通过显示接口与彩色液晶显示器连接进行密闭空间电场的分析、电缆故障的定位信息显示。
整个系统通过调试接口进行程序下载与调试, 方便对设备的升级与错误矫正。
电源电路由3.3V集成稳压器实现负责为信号前置放大器、信号分析单片控制器和数据转发功放提供稳定可靠的高精度工作电源。
本装置的工作原理为电磁波感应接收原理, 电磁波也是一种磁场, 按照麦克斯韦电磁场理论, 变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场, 而变化的磁场又要产生变化的电场。这样, 变化的电场和变化的磁场之间相互依赖, 相互激发, 交替产生, 并以一定速度由近及远地在空间传播出去。
在本装置中使用了电感传感器作为天线经行磁生电的转换, 电感是闭合回路的一种属性, 是一个物理量。当线圈通过电流后, 在线圈中形成磁场感应, 感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这个电流经过电阻依据欧姆定律公式可得到电压, 该电压非常微弱直接进行数字化会导致较大失真。所以, 这里使用双运放电路进行电压放大, 双运放电路分别构成了100倍正向电压放大器与100倍正向滤波放大器通过二极管对电压信号进行滤波整形, 使整个系统的灵敏度0.5微瓦特。
经过放大的电磁波信号进入信号分析单片控制器, 由内部的12位分辨率模数转换器进行信号量化, 采集率到达了20MHz, 量化后的电磁波信号由信号分析单片控制器中的限幅平均滤波算法和卡尔曼滤波算法进行信号处理, 前者限幅平均滤波算法进行信号预处理去除干扰因素, 后者卡尔曼滤波算法多用于军事方面的雷达系统以及导弹追踪等, 近年来更被应用于计算机图像处理, 例如头脸识别, 图像分割, 图像边缘检测等等。本装置使用卡尔曼滤波算法进行数据分析, 将结果与模型库进行比对, 获得故障分析结果。
本装置中电磁波信号经过双运放电路、信号分析单片控制器、 滤波算法分析得到的结果经过通讯接口、无线信号等手段传输到下级系统, 并通过液晶反馈给操作人。
参考文献
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头戴式血压测量装置研究 篇10
血压(blood pressure,BP)是人体的重要生理参数之一,能够反映出人体心脏和血管的功能状况,是临床上判断疾病、观察医疗效果等的重要依据[1]。目前,高血压已经成为全世界最常见的心血管疾病之一,我国目前约有2亿的高血压患者。慢性高血压的发病率在4%左右,其中在老年人群中发病率高达10%左右[2]。因此,对高血压患者特别是老年人进行连续血压测量有着重要的意义。
常用的BP测量方式有基于柯氏音法的水银血压计测量[3]、基于示波法的袖带式血压测量[4],这2种方法测量准确率高,但不能连续测量,且单次测量时间长,容易引起被测者的不适感[5]。近年来,多种BP测量方法成为研究热门,包括超声法、脉搏波速法、动脉张力法等[6,7,8,9,10]。其中,脉搏波速法通过检测脉搏波传导时间(pulse transit time,PTT)来推算动脉血压,可以实现BP的连续测量,且佩戴舒适、方便测量,具有广泛的应用前景。
动脉BP与脉搏波的传播速度有着直接的关系,动脉BP的增加会使脉搏波沿着动脉传播的速度增大,脉搏波传导时间缩短。因此,可以利用PTT间接地得到血压值[11]。本文考虑基于脉搏波速法,设计一种头戴式血压测量装置,将心电(electrocardiogram,ECG)信号和脉搏波(photoplethysmography,PPG)信号的采集集中在头部,通过计算PPG信号的最大值点与ECG信号的R波峰的时间差值得到PTT,从而实现连续BP测量。
1 系统设计
1.1 装置结构
头戴式血压测量装置如图1所示,装置将反射式探头放置在额头,将心电电极放置在脸颊两侧。区别于传统心电信号和脉搏波信号的采集[12,13],装置将信号采集集中在头部,方便操作,测量简单。
装置中电路板固定在头带后方,设有装置开关和充电通用串行总线(universal serial bus,USB)接口;反射式探头平行放置在黑色柔性材料的凹槽中,心电电极采用导电硅胶,柔软舒适,固定在头带两侧,信号线埋藏在头带中,与电路板相连。
佩戴者带上头带,打开装置开关,打开设计好的手机应用(application,APP),就可以实时监测生理参数,包括血压和心率(heart rate,HR)。
1.2 硬件设计
硬件设计主要考虑小型化、易穿戴和低功耗,其硬件系统设计如图2所示。
电源模块由1 000 m A锂电池、充电模块和电源管理模块构成,为整个系统供电。装置外设充电USB接口,可随时充电。
主控模块为芯片MSP430F1611,控制生理信号的采集和处理、体征参数的计算和传输。芯片通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)接收ECG信号,通过定时器捕获PPG信号,通过串口将计算得到的体征参数(PTT、HR、BP)发送给蓝牙模块。
心电采集模块搭载ADS1292R芯片,通过导电硅胶采集脸颊微弱的心电信号。ADS1292R是TI公司开发的一款用于生物电测量的专用低功耗数字芯片,有2个并列的数据采集通道,具有24 bit的高分辨率,增益可控,数据速率125 SPS至8 KSPS可调,3.3 V低压供电,可以灵活地切换断电、待机模式,最大可能地降低功耗。ADS1292R将采集到的原始心电信号依次经过电磁干扰滤波器、信号放大器、A/D模数转换器,最后通过SPI将数据发送到主控模块。
脉搏波采集模块由反射式探头和驱动电路构成。反射式探头采用光电发射管与TSL237光频转换器,TSL237光频转换器代替传统的光电三极管,将接收到的光强经过复杂的内部处理最终以频率的方式输出。驱动电路为H桥电路,控制发光管的亮灭。
蓝牙模块采用蓝牙4.0低功耗芯片CC2540,将接收到的数据发送到手机或计算机。在不进行数据传输时,CC2540进入低功耗模式。
1.3 软件设计
系统的软件工作主要由主芯片完成,主要工作包括信号的采集与传输、信号的预处理、信号特征点的定位、体征参数的计算,其工作流程如图3所示。
主芯片通过SPI接收ECG信号后,对信号进行预处理,依次通过100 Hz有限脉冲响应(finite impulse response,FIR)低通滤波器滤去高频干扰,通过50 Hz陷波器滤去工频干扰,用均值滤波去除基线漂移。最后用一阶微分法定位R波,计算相邻2个R波的间期即可得到HR。
主芯片利用定时器的捕获功能接收光频信号,即为PPG信号,在捕获数据时可能由于定时器溢出误差导致计数错误,导致信号中出现奇异点,因此将PPG信号依次通过均值滤波去除奇异点,通过平滑滤波去除高频干扰,用形态滤波去除基线漂移。最后用差分极值判断法定位最大值点P。
PTT的计算公式为
其中,P为PPG信号最大值点,Rm为R波的峰值点,fs为采样频率。
PTT计算的示意图如图4所示。
线性BP模型[14]为
程序中利用式(2)对BP进行计算,其中参数x和y需由数据拟合得到。
2 实验结果
2.1 原始信号处理
头戴式装置对原始信号进行预处理并定位特征点,通过蓝牙将数据传至计算机,绘制出PPG信号最大值点定位图和ECG信号R波定位图,如图5所示。由图5可以看出,系统可以滤去原始信号的噪声干扰,并准确找到特征点,计算PTT值。
2.2 BP测量结果
人体BP受到诸多因素的影响,因此个体差异性较大,每个人的BP模型都不同。在利用头戴式装置测量BP之前,应进行个体参数的标定,以确定每位实验者的BP模型。其具体过程如下:
(1)用标准血压计和头戴式BP测量装置同时测试实验人员静止状态下的BP值和PTT值,一共记录3组BP、PTT值。
(2)实验人员剧烈运动5 min后,再次记录3组BP-PTT值。
(3)将6组BP、PTT值进行一次函数拟合,得到个体参数x和y。
得到每位实验者的BP模型后,用标准血压计和头戴式BP测量装置同时测试实验人员静止状态下5组BP值,将实测BP值与标准BP值进行对比,计算平均误差率、均方根误差和最大误差。
利用头戴式装置测量BP的准确性参数见表1。从表1中可以看出,实验者收缩压和舒张压的平均误差率都在6%以内,均方根误差都在8 mm Hg(1 mm Hg=133.322 Pa)以内,最大误差都在10 mm Hg以内,表明利用头戴式装置所测血压误差能够满足美国医疗仪器促进协会(The Association for the Advancement of Medical Instrumentation,AAMI)国际标准对无创血压监测的要求。
注:1 mm Hg=133.322 Pa
2.3 结论
实验表明,头戴式血压测量装置能够获取头部微弱的生理信号,并通过一系列去噪滤波得到干净稳定的信号。同时,测量血压的误差率较小,偏差程度较小,同时最大误差也在可接受的范围内。
3 结语
本文基于脉搏波速法设计了一种头戴式BP检测装置,将心电信号和脉搏波信号的采集集中在头部,提高了无创BP检测的便捷性和舒适度。
本装置对头部采集的原始生理信号进行了一系列放大滤波处理,得到完整清晰的信号,并通过定位算法准确地提取ECG信号的R波峰和PPG信号的最大值点,计算脉搏波传导时间,从而输出BP值。
在实验中,首先对测试人员进行了个体参数的标定,拟合得到每个人的BP模型。头戴式血压测量装置在信号处理和BP测量上,均取得了较好的结果,能够满足AAMI国际标准对无创血压监测误差的要求。
测量装置 篇11
关键词 TRIZ；高温拉伸；试验装置
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）20-0148-02
1 引言
高温下使用的结构材料，其力学性能需要在实际使用温度下测定，而且需要专门的测试设备。高温拉伸试验同其他高温力学性能测试一样，必须根据试样尺寸和试验要求设计某种特定结构型式的加热装置。国内外对材料的高温试验，都给予极大的重视。
国内外高温拉伸试验装置发展概况 尖端科学技术的飞速发展，对难熔金属和金属陶瓷材料的使用日益迫切。目前，国外高温加热装置的最高工作温度：电阻幅射加热炉是3000 ℃和3200 ℃，直接通电加热是4000 ℃左右。装置的加热方式，有直接通电加热、电阻幅射加热、高频感应辐射加热和电子束辐射加热等，装置的结构多数为圆筒式。温度控制多采用调压器稳压办法。我国的加热装置，从种类和数量上看，是极其有限的，试验条件简单（真空或充气） ，特别是高温变形测量与国外有较大差距。近年来，国内某些科研单位结合TRIZ的相关理论，已经着手建立了1500 ℃的力学、物理性能测试方法。
TRIZ理论 TRIZ的意思是“theory of inventive pro-
blem solving”。该理论是由苏联发明家Altshuller和他的同事们在研究了大量的发明专利后，于1946年提出的，为发明问题的解决理论。它使新产品从开发过程到上市时间缩短50%，提升60%～70%的新产品开发效率，增加80%～100%的专利数量并提高专利的质量。
本文结合TRIZ理论中的组件分析法、因果分析法、物理分析法、矛盾冲突分析法等相关知识，对1500 ℃高温拉伸试验装置做了更深一步的改进。
2 基于TRIZ理论中组件分析法的1500 ℃高温拉伸试验装置优化方案
图1为1500 ℃高温拉伸试验系统，其工作原理是金属试样固定在夹具上，在开口的金属炉体内通过钨丝迅速加热至1500 ℃，测量传感器则通过引申杆对金属试样的变形进行测量，并进一步计算出金属试样的力—变形曲线。
问题描述
问题一：测量试验温度要达到1500 ℃，而传感器的使用温度只能承受200 ℃，所以要用引申杆将传感器放置在距离金属试样很远的地方，这样降低了传感器的测量精度。
问题二：由于引申杆需要穿过炉体进行工作，因此在炉体需要开口，而开口降低了钨丝的升温速度，并且温度无法保持恒温。
设定目标 对以上两个出现的问题设定改进目标，分解为可实施的三部分：1）实现对金属试样的快速升温（1500 ℃）；2）保持试样恒温区域的温度；3）解决试样轴向变形的精确测量。
对新系统的要求：1）达到系统要求的技术指标；2）尽量不增加系统的复杂性；3）有效控制成本和加工难度；4）控制系统的体积和对外界影响。
基于以上分析，设定技术系统的IFR为：炉体自主保持恒温区域的温度，引申杆带动测量仪器能够自主完成高精度的测量。
3 基于TRIZ理论中40个发明原理的1500 ℃高温拉伸试验装置优化方案
在详细了解了系统中组件的相互关系之后，找到影响高温拉伸试验装置的主要因素有：1）由于炉体开口导致的钨丝冷却；2）传感器温度过高影响测量精度；3）引申杆阻隔传感器，导致测量精度不准确。
对此提出问题求解及具体的解决方案。
1）从“钨丝易冷却”入手解决问题。通过查找矛盾矩阵，得到方案一：运用机械系统替代原理，即利用其他加热方式代替热辐射加热，可以解决矛盾问题。由于试样是金属的，因此考虑采用电磁加热的模式。
通过查找相应的矛盾矩阵，得到方案二：运用未达到或过度的作用原理，即改变加热钨丝的形状，将原来相同密度的钨丝变为恒温区域密度较大、隔热区域密度较小的结构，提高恒温区域的升温能力，同时较少地消耗了能量，也有利于温度的稳定和保持。
2）从“传感器温度过高”入手解决问题。通过查找矛盾矩阵得到方案三：运用预先作用原理，即在两个引申杆上分别加一个挡片，挡片随着引申杆运动，挡住从炉身冲出的热量，既降低了热量扩散，又变相降低了热浪对传感器冲击，也不会影响引申杆的运动。
通过查找矛盾矩阵得到方案四：运用中介物质原理，即引入超系统的“水”，利用水冷结构，降低传感器温度，在传感器壳体、测量臂、应变体等位置进行水循环，可有效降低传感器温度，长时间保持传感器正常运转。
3）从引申杆阻隔传感器入手解决问题。通过查找2003年最新版本的矛盾矩阵表和采用系统分离法，得到方案五：金属存在电阻，当有电流通过时会产生热量而升温，利用通电加热直接加热试样技术取代热辐射方式。
通过之前的功能分析，形成方案六：在每个引申杆上都安装金属螺旋机构，螺旋小的一面固定在引申杆上，大的一面固定在金属壳体上，螺旋结构让引申杆自由活动，又可以挡住热量散失。
4 方案选择
通过TRIZ理论得到以上六个方案，之后应用方案评价模型，从可操作性、有用作用、成本和有害作用四个方面来对以上六个方案进行分析。最后得出优先考虑高温拉伸装置的复杂度，其次考虑高温拉伸装置的可靠性。通过进一步的实验研究，这三项方案现均已应用于现实高温拉伸试验装置中，并已获得专利：
方案一：将炉体开口取消，采用无开口下引出式高温试验装备
方案二：根据挡板隔热启示，采用上下加移动挡板保持温度恒定的隔热高温试验装备
方案三：从降低传感器温度的角度出发，采用外置水冷系统高温试验装备
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太阳散射辐射测量装置的设计 篇12
针对太阳能利用方式的不同,需要对太阳能直接辐射和散射辐射资源的储量和分布进行精确的分类观测与评估。在全自动太阳跟踪器上安装遮光装置,能够对散射辐射进行自动测量,避免人工调整和计算散射时的遮光系数的修正[1],实现太阳散射辐射的自动测量。
1 太阳散射辐射测量装置工作原理
为了测量太阳的散射辐射,须在全自动太阳跟踪装置上安装遮光装置,借助于该装置将太阳直接辐射从传感器上遮去。要使遮光球时时遮住总辐射表被遮光面[2],遮光球必须以总辐射表被遮光面中心为球心,跟随太阳位置的变动绕该中心旋转,为此采用与全自动太阳跟踪装置联动的平行四边形机构,如图1所示。平行四边形具有这样一个特点,即以任意两条邻边的节点为轴改变平行四边形的形状,其两条平行边始终保持平行。
遮光球在两个方向的运动都必须以总辐射表的被遮光面的中心为转动轴心。在太阳跟踪装置的设计中,总辐射表安装在全自动太阳跟踪装置赤纬轴驱动箱的箱顶平台上,该平台可以提供满足要求的时角轴方向的转动。为了实现实时对太阳的遮光,采用平行四边形机构来解决的是赤纬轴方向的转动。
2 太阳散射辐射测量装置的设计
根据遮光原理图1。遮光装置设计如下:
a) 铰链A为固定铰链,即与机架相连;
b) BE(即遮光杆)为一个构件;
c) 各长度关系:AB=EF,BE=AF,由此可知ABCD组成一个平行四边形机构;
d) 由于A为固定铰链,所以B点绕着A转动,这时BE杆作围绕D点的转动。
e) 根据平行四边形机构的特点可知,如果测量仪表F的位置安放在全自动太阳跟踪器箱体上面,并且遮光球E的位置确定必须满足BE=AF的长度要求;理论上保证E点永远围绕F点转动。也即是说A、F分别是B、E点运动的圆心;
f) 由于AB、EF永远是平行的,且永远保证与太阳的光线平行,所以遮光板永远能够保证遮挡住玻璃罩。
根据对称原理,设计得到遮光装置如图2所示。
2.1 遮光球的大小
由上面的遮光原理可知,在跟踪太阳的运动中,无论太阳处于什么位置,都要求遮光球能准确地遮住直射到仪表上的阳光。阳光理论上永远是与遮光球支撑杆(遮光杆)平行的。由于太阳的光线是平行光,所以理论上只要遮光球的直径等于最大的测量仪表的直径即可。
图3例举了太阳跟踪器在运行15°、30°、45°、58°、75°时,阳光被遮光球遮挡,仪表上得到遮光球影子后投影的不同情况。
从图3可以看出,若保证测量仪表上均是遮光球的影子,没有阳光,只要使遮光球的最外圈与测量仪表的最外圈是相切关系就可以达到。也就是照射到仪表最里面的阳光与测量仪表的外表面保持相切。根据平行四边形机构的特点,只要仪表的位置确定了,遮光球的位置便随之确定。遮光仪表与遮光球的中心点之间必须保证与平行四边形的一边长度相等并且平行。因为这时在原有平行四边形机构的控制下,在四杆机构的运动中,能够永远保证是平行四边形的状态。
2.2 遮光杆的设计
遮光球是遮光机构的附件之一,遮光球大小的计算与测量仪表的几何关系如图4。图4中R—遮光球的半径; r—测量仪表的半径; L—遮光杆长度; a—敞开角; b—斜角;
根据图4(a)可以得到:
世界气象组织规定5°≤a≤11°,因此
预使遮光球最大可能的遮住直射阳光,世界气象组织规定b≤1°,由图4(a)可知
r的大小由测量仪表本身确定,对于一般总辐射表,r=30 mm。因此
由式(4)可知R≤0.017L+30,即30≤R≤0.017L+30。
由于太阳的光线是平行光,所以理论上只要遮光球的直径等于最大的玻璃罩的直径即可。但是由于安装制造过程中误差是不可避免的,所以根据安装制造的精度,必须使得遮光球的直径大于玻璃罩的直径[3],制造精度越低则应该选取的遮光球的直径就越大。取R的最大值0.017L+30,经过计算式(3)。
1 144.78≤L≤380.50。
在L和R的选取中,应考虑材料的强度,所以应首先选取L,原则是保证材料不发生明显颤动。选取L=580 mm,经验算满足各项要求。
2.3 齿形带设计
齿形带传动属于啮合型带传动,工作时带与带轮之间不会产生相对滑动,能够获得准确的传动比,因此它兼有带传动和齿轮啮合传动的特性和优点[4]。为便于测量仪表的安放,经过减速的赤纬轴输出设计为齿形带轴(如图5),通过该轴带动主动齿形带轮转动,遮光杆用稳定可调的方式固定在齿形带的从动轮上。由此遮光杆的回转中心既是从动带轮的回转中心,又因为所有测量仪表的中心都与两个齿形带从动轮的回转轴线重合,所以遮光球能实时遮住测量仪表。
2.3.1 确定计算功率,选取带型
Pd=KAP=0.06 kW。
选取齿形带的带型为L。
2.3.2 确定齿数z,节圆直径dp1
查表得到带轮的齿数为12。
带轮节圆直径
2.3.3 确定轴间距a,带的节线长度Lp及齿数Zb
初定轴间距a0:1.4dp1≤a0≤4dp1 即50.93≤a0≤145.52;
初定节线长度Lp0=2a0+πdp1;
查表得到Lp=314.33; Zb=33。
3 太阳散射辐射测量装置的整体建模与仿真
用于测量太阳散射辐射的遮光装置,主要由箱体1,底板2,传动机构3,遮光框架4、遮光球5和总辐射表6组成,其中箱体1内部是全自动太阳跟踪装置的系统结构7,如图6所示。
将经过减速的赤纬轴71输出设计为齿形带轴31,通过该轴带动主动齿形带轮32转动,遮光杆用稳定可调的方式固定在齿形带的从动轮33上,从而将全自动太阳跟踪装置的赤纬轴运动转换为遮光装置的赤纬轴运动。将总辐射表6安装在遮光机构的底板2上面,而遮光机构的底板2安装在由赤纬轴驱动的箱体1上面,这样来实现遮光机构的时角轴方向的转动。测量太阳散射辐射的遮光装置是在安装全自动太阳跟踪装置上的,利用遮光装置将太阳的直接辐射从传感器上遮去,从而进行太阳散射辐射的测量。遮光球5的运动必须分解为跟踪太阳的赤纬轴运动和时角轴运动,这两个方向的运动都必须以总辐射表6的被遮光面的中心为转动轴心。将总辐射表6固定在全自动太阳跟踪装置的箱体1上,而全自动太阳跟踪装置的箱体1可以提供满足要求的时角轴方向的运动,从而实现遮光装置的时角轴运动。遮光机构的赤纬轴31转动则是通过传动机构3将直接辐射表赤纬轴71的转动转换而得到的。遮光杆41的回转中心是从动带轮33的回转中心,而所有总辐射表6的中心都与两个齿形带从动轮33的回转轴线重合,这样保证遮光杆指向太阳,则就能保证遮光球5遮住总辐射表6。利用Pro/E的机构仿真得到遮光球的运动轨迹如图7所示,基本符合太阳的运动轨迹。
4 结论
一种简单方便的测量太阳散射辐射的遮光装置,可与全自动太阳跟踪器连接在一起,能够代替现有的遮光环装置,实现太阳散射辐射的自动测量。通过利用直接辐射表赤纬轴的转动来实现遮光装置赤纬轴的转动,整个遮光装置放置在全自动太阳跟踪器外壳上,从而实现光装置时角轴的转动。测量太阳散射辐射遮光装置采用齿形带传动在实现平行四边形结够的同时也更好地保证了精度。
摘要：为实现太阳散射辐射的自动测量,设计一种简单方便的测量装置。该装置可与全自动太阳跟踪器连接在一起,代替现有的遮光环装置。太阳散射辐射测量装置通过利用直接辐射表赤纬轴的转动来实现遮光装置赤纬轴的转动,整个遮光装置放置在全自动太阳跟踪器外壳上,实现遮装置时角轴的转动。整个装置采用齿形带传动,在利用平行四边形结构的同时也更好地保证了精度。
关键词：散射辐婶,测量,设计,齿形带
参考文献
[1]王尚文.混合双轴太阳自动跟踪装置的研究.可再生能源,2007;25(6):10—13
[2]吕文华.全自动太阳跟踪器的研制和应用.光学精密工程,2008;16(12):2544—2549
[3]王炳忠.总日射表自动遮光装置.太阳能学报,1986;7(3):345—348
[4]倪森寿.机械基础.北京:高等教育出版社,2000
[5]Pro/ENGINEER野火版自学手册.北京:人民邮电出版社,2008