載荷對比實驗中的動態作用力測量系統研制

梁瑩林，韋桂亮，李 尤，牟 萍

（電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731）

目前高校理論力學實踐教學中，通過漸加載荷、突加載荷、沖擊載荷和振動載荷對承載體的作用力特性對比實驗，能夠使學生對于不同載荷的沖擊力大小有一個直觀感受，有利于其理解4種載荷的區別，并掌握與之相關的理論知識［1－2］。然而在該實驗中，通常是按照漸加、突加、沖擊和振動的方式將載荷加到彈簧臺秤上［3］，通過人為觀察加載時稱盤上指針的擺動情況，大致描繪出力與時間的關系曲線。該實驗存在以下不足之處：

（1）指針的擺幅大、速度快，難以通過肉眼清楚觀察指針的位置，導致作用力數據誤差非常大；

（2）繪制力與時間的關系曲線過程中，時間完全靠人估計，不可避免地出現較大偏差；

（3）由于所測數據誤差大，只能對實驗結果進行定性分析，無法定量分析，因此不利于學生知識面的拓展。

鑒于上述原因，本文研制了一個動態作用力測量平臺，利用力傳感器感知承載體所受作用力的變化，由信號采集系統進行實時采樣和分析，從而實現作用力隨時間變化過程的準確記錄。

1 系統總體設計

測量系統如圖1所示，臺秤放置在測量平臺的安裝臺面上，左、右2個壓塊將其固定，臺面下端的平行梁式力傳感器感知載荷的變化，傳感器信號由測量電路（下位機）放大調理、AD轉換后，通過USB總線發送到計算機（上位機）進行記錄、分析等操作。

實驗過程中，施加在臺秤上的載荷與彈簧壓縮量成正比，由于傳感器與測量平臺的剛度相對臺秤的彈簧剛度大很多，可近似認為是剛體，則任意時刻作用在傳感器上的力F′＝kx＋G，其中k為臺秤彈簧的剛度系數，x為彈簧壓縮量，G為空載時作用在傳感器上所有物件的重量。因此，力傳感器所測得的F′值相對于kx就反映了臺秤所受動載荷，那么事實上就是對傳感器所受的動態作用力進行測量。

圖1 測量系統構結框圖

1.1 測量電路系統設計

傳感器選用廣州電測儀器廠生產的YZC－1B全橋電阻應變式力傳感器，其量程為10kg，輸出靈敏度為2mV／V。采用如圖2所示的電路對傳感器信號進行調理，電橋5V供電，由3個運算放大器組成了儀表放大電路，其增益由可變電阻R5調節［4－6］。由于傳感器只受單方向力作用，因此負載范圍0～10kg對應了電橋輸出電壓的變化范圍0～10mV。為了使單片機AD轉換范圍與之對應，需要將電橋輸出信號放大256倍，則負載范圍0～10kg對應了電信號范圍0～2.56 V。實際應用中，由于傳感器電橋電阻誤差、放大電路所用電阻的誤差以及其他因素引起的輸出信號零偏移，可通過調節可變電阻R7改變基準電壓值，實現輸出信號的零點調節。

圖2 傳感器信號調理電路

單片機ATmage 32對放大調理后的信號進行AD采樣，轉換參考電壓選擇單片機內部基準電壓2.56V，轉換精度為10位，因此測量系統的理論分辨率為10 kg÷210≈9.8×10－3kg／bit。由實踐可知，在本實驗的4種載荷信號中，變化速度最快的是振動載荷，頻率f范圍一般在10～50Hz之間，測量系統的采樣頻率理論上只要大于2f即可，但是為了更好地反映原信號，測量系統采樣頻率取400Hz。

AD采樣數據通過USB總線發送到計算機，FT245是FTDI（Future Technology Devices Intl.Ltd）公司推出的USB芯片，內部集成了微控制器，把USB通信協議的固件程序直接固化在芯片中，同時還提供了PC端的設備驅動程序和動態鏈接庫（＊.dll），開發過程只需進行必要的硬件設計和簡單的軟件編程［7－9］。單片機與FT245之間的數據傳輸是通過8位數據總線以及RD和WR信號完成。此外，測量系統還使用了一塊2行16字符的LCD，以2Hz刷新頻率顯示當前測量值，方便在調試的過程中進行靜態校準。單片機與USB接口電路原理圖如圖3所示。

1.2 上位機軟件構成

LabVIEW是美國國家儀器（NI）公司研制的一種圖形化程序開發環境［10－12］，擁有較強的數據分析、顯示、存儲以及外部程序接口能力，因此通過LabVIEW開發平臺編寫測量系統的上位機軟件能夠降低開發難度。本文研制的測量電路相當于USB設備，FTDI公司不但為FT245芯片提供了Windows系統下的D2XX驅動程序，還提供了“ftd2xx.dll”動態鏈接庫（DLL），在該DLL庫中集成了一系列FT245的操作函數，只要通過LabVIEW 中的“Call Library Function”函數節點就可以手動調用［13－14］。

上位機軟件的主程序流程圖如圖4所示。程序啟動后，先進行必要的初始化，然后循環讀取、顯示、分析、保存USB端口收到的數據。每次讀取數據后，都會對信號的時域與頻域（功率譜估計）波形進行刷新顯示，其中時域波形是用于觀察信號的變化過程與規律，而頻域波形主要是用于分析振動載荷的激勵頻率，這使得學生對載荷能夠進行量化分析。

圖3 單片機與USB接口電路

振動載荷具有持續、周期性變化的特點，在觀測窗口中可以比較直觀地實時顯示，同時也容易記錄下來；但是漸加、突加和沖擊載荷均屬于非周期信號，特別是突加和沖擊載荷，其瞬態變化過程不易于捕捉和保存，因此信號幅值需要與一個觸發基準值不斷比較，當信號值大于該基準值，程序自動將該時刻前、后若干時間長度的數據記錄下來［15］，并保留當前信號波形的顯示，即定格顯示。

此外，漸加載荷信號的變化過程相對其他信號較長，通常是3～10s，因此在人機界面上設置了一個旋鈕，觀察者可以根據實際操作情況來調節觀測窗口的時間長度，范圍在1～12s之間（取整數）。測量系統實物如圖5所示。

2 系統整體測試

2.1 系統的靜態測量

由于在測量電路中，單片機對AD轉換后的數據已經換算成質量單位，并且顯示在LCD上，而上位機只對測量電路發送的數據乘以重力加速度，因此在采用M1級標準砝碼對測量系統進行靜態校準時，可以用LCD所顯示數值作為系統讀數。從表1所示的正向和反向加載校準數據中可知，測量系統的靜態測量誤差為約1.4%；回程誤差約為1%。

圖4 系統主程序流程圖

圖5 測量系統實物

表1 靜態校準數據表

2.2 系統的動態測量

根據實驗課要求，取一袋質量為0.5kg的石英砂作為載荷，由于上位機以力單位顯示，重力加速度取9.8N／kg，那么石英砂的重量Q相當于4.9N。未加載時，作用在力傳感器上的初始重量G為20N。

測得的各種載荷信號見圖6。漸加載荷是連續、緩慢地將石英砂倒在臺秤稱盤上。從圖6（a）可觀察到作用力由20N逐漸平緩地變化到約25N，過程持續時間大約為3.5s。

突加載荷是將石英砂袋用手提起，使其處于與臺秤剛剛接觸的位置上，突然釋放。從圖6（b）可觀察到作用力出現了一個持續時間大約1s的波動，這是由于突然施加的力，激發了彈簧臺秤固有頻率（大約為5Hz）所產生的振動。但是因為阻尼的存在，作用力逐漸趨于穩定的25N。整個過程中，作用力最大值達到30N，也就是說臺秤所受的動載荷約為10N，這與突加載荷理論值為2Q相符。

將石英砂袋提離臺秤約3cm高度后自由落下，使其對臺秤產生沖擊載荷，從圖6（c）可觀察到作用力的波動過程與突加載荷類似，但是持續時間更長，變化更劇烈，這與客觀事實也相符。

振動載荷則將安裝了偏心輪的電機放在臺秤上，作為激勵源產生交變作用力。圖6（d）是振動作用力的時域變化波形，圖6（e）是其功率譜估計，在40Hz處出現了一個明顯的峰值，這表明該值為振動載荷的頻率。

圖6 實際測量波形

3 結束語

本文所研制的動態測量系統能準確地記錄4種載荷對承載體的作用力特性，避免了人工記錄造成的誤差，降低了實驗操作的難度，為實驗結果的量化分析以及課程教學的拓展提供了平臺。同時，實驗系統的添加，既不影響原實驗裝置的力學原理，也無需對其進行改造，因此具有較好的應用前景。

（References）

［1］莊表中，王惠明.理論力學怎樣上好實驗課［J］.實驗技術與管理，2007，24（10）：320－322.

［2］謝列敏.通用動載荷實驗裝置的研制［D］.南京：南京航空航天大學，2008.

［3］莊表中.理論力學多功能實驗臺：中國，CN2521682［P］.2002－11－20.

［4］崔利平.儀表放大器電路設計［J］.現代電子技術，2009，298（11）：87－89.

［5］魏智.儀表放大器及應用［J］.國外電子元器件，2004（5）：75－77.

［6］戴杰，賓浩，莊知龍，等.一種數控高增益測量放大器的設計［J］.數控技術，2009，288（1）：110－119.

［7］徐鋒.基于FT245BM的快速 USB接口設計［J］.電子工程師，2007，33（3）：59－61.

［8］Future Technology Devices Intl Ltd.FT245BL data sheet［EB／OL］.［2012－10－25］.http：／／www.ftdichip.com／Products／ICs／FT245B.htm.

［9］石波涌，應文威，蔣宇中.基于FT245BM的數據采集系統設計與實現［J］.艦船電子工程，2010，30（12）：125－129.

［10］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2007：1－41.

［11］李成，孫彥鋒，寧琦.基于LabVIEW的便攜式多通道溫度數據采集系統設計［J］.光電技術應用，2009，24（6）：47－50.

［12］楊靈，周正達，張蘊玉.基于USB和LabVIEW開發平臺的虛擬儀器的設計［J］.計算機與數字工程，2007，35（3）：172－178.

［13］梁慶中，夏益民，王廣君.基于DLL的虛擬儀器設計［J］.計算機仿真，2004，21（7）：178－193.

［14］車新生，何永杰，張中祥.基于USB和LabVIEW的虛擬儀器的設計［J］.沈陽工業大學學報，2005，27（4）：431－434.

［15］黎明安，李會俠，曹升虎.動態測試實驗教學軟件的開發［J］.實驗室研究與探索，2003，22（3）：36－37.