海綿／泡沫反復壓陷疲勞性能數字測量系統

梁 明

（江蘇食品職業技術學院，江蘇 淮安 223003）

如今，食品產業的飛速發展，也帶動了一批食品機械相關產業的飛速發展。因此，對食品機械質量進行檢測的標準將越來越高，同時對其材料測控領域也會越來越嚴。目前，針對食品機械組成部分的質量檢測儀器的開發，已成為市場新的機遇。本文論述的儀器主要是針對食品機械中的質量檢測，即用于泡沫聚合材料的往復沖擊壓縮疲勞試驗，測定其試樣的厚度減少值和硬度降低值（殘余變形率），并由此可以了解該材料的動態疲勞特性［1］。

1 測量系統機械結構

該系統的機械結構見圖1。該儀器滿足食品機械工業標準和日本工業標準JASOB 408——84等標準要求。

該儀器的平臺，即下壓盤，能完全支撐試樣，并有直徑約6mm、間距約為20mm的適于通氣的孔，以便使空氣從試樣下逸出。

儀器的壓頭，即上壓盤，直徑（250±1）mm，在其下邊緣有半徑（25±1）mm的圓角，該壓盤安裝在一個負荷周期能施加最大力為（750±20）N的設備上，壓頭牢固地安裝在其導桿上，其表面光滑但不拋光。通過曲輥或其他合適的機械裝置，試驗機應能使承載試樣的臺板或壓頭支架往復運動，壓頭在垂直于下壓盤表面的方向以（70±5）次／min的速率進行沖擊，其沖擊幅度是可以調節的。壓頭支架、支架和平臺靠近在一起時，能通過沖擊點傳送這種凹入力，此時，全部的凹入力由試樣承受，壓頭可以自由地被支架桿托起以防止試片超負荷。

圖1 測量系統機械結構圖Figure 1 Diagram of the mechanical structure

該儀器的測力裝置為精密壓力傳感器，利用它能測量通過壓頭對試樣施加的負荷，本系統將平臺固定在負荷傳感器上。

在壓力傳感器底部，有升降裝置用于手動調整沖擊試驗的幅度，用以調節試驗過程中的沖擊負荷，使之滿足標準所要求的負荷［2］。

2 控制系統設計

測量系統的控制部分的組成見圖2［3］。

該測定儀的前端傳感器，選擇由北京正開儀器有限公司生產的MCL－Z的精密壓力傳感器。該傳感器的推薦供電電壓為直流電壓12V，量程為2 000N，阻抗650Ω，在20℃條件下，非線性小于0.1%。在滿量程情況下輸出電壓為5V。

圖2 測量系統控制部分結構圖Figure 2 Diagram of the control system

系統的核心部件微處理器，由宏晶公司的STC1260S28位單片機組成，其在系統中主要負責對壓力傳感器的數據采集并判斷、記錄壓陷疲勞次數以及一次下壓過程中的壓力最大值，控制異步電機動作，以及與用戶的交互操作。壓力傳感器通過和單片機的AD轉換端口相連，將實時的試樣受力數據傳送至微處理器，用來判斷試驗的進行狀況，供用戶做出進一步調整。

用戶能夠通過鍵盤上的5個按鍵選擇工作模式，完成標定傳感器，清零的工作。控制系統通過12V繼電器與異步電機相連，實現對機械部分的控制，繼電器與控制系統通過光耦實現電氣隔離。

3 控制系統軟件設計

3.1 整體軟件結構

控制系統通過按鍵，與用戶實現交互。進入按鍵中斷后，通過MCU的管腳電平變化情況識別鍵值，并修改相應的標志位。退出中斷返回主循環后，根據標志位的取值，刷新相應的顯示，改變系統參數設定，并且在試驗開始后，負責數據采集判斷，以及次數紀錄。流程見圖3。

圖3 測量系統控制程序流程圖Figure 3 Flow chart of the control program

3.2 數據采集部分軟件設計

該儀器用于測定泡沫材料疲勞壓陷的試驗次數，在實際運行過程中，由于機械振動等原因，對于數據的干擾十分嚴重，因此，為了保證測定數據的準確性，這里采用了多種數據濾波的方法。首先對數據采集50次，作為一次結果，代碼如下：

接下來，對于采集到的結果進行一階滯后濾波，方法如下：取a＝0～1，本次濾波結果＝（1－a）×本次采樣值＋a×上次濾波結果。這種方法的優點在于對周期性干擾具有良好的抑制作用，但是會引起信號在一定程度上滯后（滯后程度由a的大小決定）［4］。代碼如下：

以上兩種濾波方法基本可以實現濾除電信號對于AD采樣數據的干擾，保證對下壓過程中所采集的壓力最大值基本準確。同時，還需要考慮在試驗過程中，由于機械結構及受力引起的振動，對傳感器造成的沖擊引起次數記錄的不準確。因此，根據實際情況（AD采樣的速度以及壓陷周期），引入對最大值的判斷過程，即對200個AD結果取其中的最大值，然后將這些最大值取出，判斷壓力峰值的大小。代碼如下：

4 結束語

（1）本系統利用單片機構成的控制系統，實現了試驗中壓陷次數以及壓力峰值的準確測量，保證了試驗的準確性和穩定性，試驗證明，上述濾波方法和峰值的判斷方法是切實可行的。

（2）在本系統的基礎上，可以進一步增加自動升降的機械結構，利用控制系統對于峰值的自判斷，實現試驗平臺的自動升降，從而實現整個試驗的自動化。

1 劉玉長.自動檢測和過程控制［M］.北京：冶金工業出版社，2010.

2 王化祥.自動檢測技術［M］.北京：化學工業出版社，2009.

3 劉君華.控制系統設計指南［M］.北京：電子工業出版社，2006.

4 王振清.材料工程計算機測控［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.