基于稱重傳感器的木材蠕變儀的研制

楊勇　馬玉媛　侯庭瑞

摘 要 為研究木材在水分吸著過程中的蠕變特性以及其蠕變的影響因素，研制出可施加一定范圍內的恒力的木材蠕變儀。該儀器采用5相步進電機作動力；精密稱重傳感器作為測力敏感元件；紅外激光位移傳感器作蠕變測量元件；通過RS232串口線與電腦（PC機）配合使用。它具有改變、顯示施力大小、保存木材蠕變數據、可拆卸功能，并且操作簡便，適用于需要施加一定范圍內的恒力的木材機械吸濕蠕變實驗。

關鍵詞 稱重傳感器；步進電機；蠕變

中圖分類號：TH715 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的這種特殊的機械吸濕蠕變性質后，許多科學家又從不同角度對木材的機械吸濕蠕變現象做出了解釋。研制裝置并進行試驗來進一步解釋其本質，一方面完善了木材科學理論，另一方面將促進產生新的木材工藝技術[1]。

然而目前應用于木材機械吸濕蠕變實驗的施力系統主要是通過人工手動施力來完成，無法實現自動檢測控制。本文旨在研制一種配合恒溫恒濕箱使用的、實現可程式施、卸載、自動測量、控制的木材蠕變測定儀。

1 木材吸濕蠕變儀測量原理

在傳統的測試蠕變的裝置中，施力通常選用固定荷重，而在現裝置中，我們依靠傳感器與單片機、步進電機的交互實現了力的變化，用戶可以隨意設置力的大小。

木材機械吸濕蠕變儀測量原理如圖1所示，根據試驗要求，步進電機被固定在試驗箱的內壁；稱重傳感器的一端由螺絲固定在步進電機上；整個稱重支架再由螺絲固定在傳感器上，并以此給傳感器一個初始值，這個初始值大于所期望施加的力的大小，例如，給木材最大所要施加的力為5 N，那么步進電機開始工作向下運動給樣品施力時，樣品同時給傳感器反作用力，使得傳感器從最大的初值開始減小，因此這個裝置完全可以提供給樣品0～5 N范圍的力；稱重裝置與木材接觸的施力點為兩個圓柱；木材支撐點支撐木材的兩邊，實現樣品的固定；兩個激光傳感器在木材樣品的上下兩端，下方的激光傳感器用于檢測木材下表面的位移量，進而轉化成木材蠕變量，上方的激光傳感器通過同時測量木材上表面位移，來消除木材本身形變帶來的誤差。

試驗開始時，傳感器將稱重支架提供的初始值轉化成電壓信號給單片機，經過放大后并通過A/D轉換成數字信號傳送給單片機，同時用戶將目標力輸入單片機，于是單片機將首先比較初始值與目標力間的差值大小，然后控制步進電機向下施力，傳感器隨時捕捉力的變化，在向樣品施力的過程中，系統不斷比較施力的大小和初始值與目標值差的大小，做出相應的判斷來控制5相步進電機的上下運動，從而改變圓柱體對木材的施力，如果達到目標力，則使步進電機停止運動，如果步進電機具有慣性，施力大于目標力的大小，系統依然可以進行判斷并使步進電機向上運動，直到最終滿足目標力后，步進電機完全靜止，完成一次施力過程，在施力完成后，兩個紅外傳感器時刻檢測木材吸濕蠕變的大小。

2 硬件系統設計

系統主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉換的單片機STC12C5A60S2、5相步進電機控制電路、雙孔平行梁結構的應變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成，系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

A/D轉換實現模擬信號的數字化；單片機系統主要完成信號的采集、數據通信；步進電機主要實現力的大小的轉變；稱重傳感器用于檢測力的大小，同時向單片機傳輸數據；激光位移傳感器則實時檢測木材蠕變的數據，將數據傳輸給計算機；計算機完成數據接收、存儲數據、數據處理、計算、顯示等功能[2]。

2.1 稱重傳感器測量電路

圖3為測量電路的簡化圖，R1，R2，R3，R4四個應變電阻器是橋式測量電路的主題，Rm為溫度補償電阻器，E為激勵電壓，V是測量輸出的電壓值。在系統沒有開始測量時，如不考慮Rm，則輸出的電壓值V滿足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知測量前輸出為0。

（1）

當應變片的電阻R1、R2、R3、R4變成、、、時，電橋的輸出電壓變為：

（2）

通過化簡，上式則變為：

（3）

開始測量后，應變電阻阻值改變，且滿足，其中

ΔR為變化的電阻值，K為應變片靈敏系數，ε為應變量。于是公式（3）可改寫為公式（4）。

（4）

上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應變片所感受的應變量的代數和成正比，這就是橋式測量電路原理。

圖3 橋式測量電路

2.2 步進電機控制電路

圖4 步進電機參數圖

本系統選用DRL42PA2G-04MG五相步進電機如圖4所示，以及CSD5814N-P驅動器，如圖5所示。電機控制電路控制步進電機的前進，后退，停止等功能。驅動器接通24 V直流電。通過程序控制CW和CWW兩個端口的高低電平來產生脈沖，并通過改變脈沖數以及脈沖頻率來改變電機運轉的步數和速度。首先通過傳感器傳送目前稱重信號給單片機，單片機通過判斷目前系統所提供的力與目標力的大小比值，進而做出相應的變化，控制電機的進退來改變力的大小，直到滿足了所需要的目標值。

圖5 CSD5814N-P驅動器示意圖

3 結束語

通過本裝置，在進行木材機械吸濕蠕變實驗時，可以更自動化的控制實驗進展，方便可拆卸的裝置也使的儀器變得更具可移植性。精確的數字化自動控制，讓實驗數據更加的可信，更貼近實際數據。

儀器存在的不足是現有的代碼不能實現力的種類的變化，比如正弦力或矩形力，但這也是本儀器要發展的方向，代碼將進一步被改進，以模擬出與變化的現實中的力更加貼近的荷重，進而使得試驗數據更有實用價值。

參考文獻

[1]曹金珍，趙廣杰.木材的機械吸濕蠕變[J].北京林業大學學報，1998，20（5）：94-100.

[2]黨安明，劉南平.基于精密稱重傳感器的易開蓋拉力測量分析儀的研制[J].山東理工大學學報，2006，20（5）：74-77.

[3]殷衛寧.電子計價秤維修大全[M].北京：電子工業出版社，1994：3-65 .

[4]王鎖弘.稱重傳感器在恒張力控制系統中的應用[J].傳感器電子技術，2003，22（4）：60-61.endprint

摘 要 為研究木材在水分吸著過程中的蠕變特性以及其蠕變的影響因素，研制出可施加一定范圍內的恒力的木材蠕變儀。該儀器采用5相步進電機作動力；精密稱重傳感器作為測力敏感元件；紅外激光位移傳感器作蠕變測量元件；通過RS232串口線與電腦（PC機）配合使用。它具有改變、顯示施力大小、保存木材蠕變數據、可拆卸功能，并且操作簡便，適用于需要施加一定范圍內的恒力的木材機械吸濕蠕變實驗。

關鍵詞 稱重傳感器；步進電機；蠕變

中圖分類號：TH715 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的這種特殊的機械吸濕蠕變性質后，許多科學家又從不同角度對木材的機械吸濕蠕變現象做出了解釋。研制裝置并進行試驗來進一步解釋其本質，一方面完善了木材科學理論，另一方面將促進產生新的木材工藝技術[1]。

然而目前應用于木材機械吸濕蠕變實驗的施力系統主要是通過人工手動施力來完成，無法實現自動檢測控制。本文旨在研制一種配合恒溫恒濕箱使用的、實現可程式施、卸載、自動測量、控制的木材蠕變測定儀。

1 木材吸濕蠕變儀測量原理

在傳統的測試蠕變的裝置中，施力通常選用固定荷重，而在現裝置中，我們依靠傳感器與單片機、步進電機的交互實現了力的變化，用戶可以隨意設置力的大小。

木材機械吸濕蠕變儀測量原理如圖1所示，根據試驗要求，步進電機被固定在試驗箱的內壁；稱重傳感器的一端由螺絲固定在步進電機上；整個稱重支架再由螺絲固定在傳感器上，并以此給傳感器一個初始值，這個初始值大于所期望施加的力的大小，例如，給木材最大所要施加的力為5 N，那么步進電機開始工作向下運動給樣品施力時，樣品同時給傳感器反作用力，使得傳感器從最大的初值開始減小，因此這個裝置完全可以提供給樣品0～5 N范圍的力；稱重裝置與木材接觸的施力點為兩個圓柱；木材支撐點支撐木材的兩邊，實現樣品的固定；兩個激光傳感器在木材樣品的上下兩端，下方的激光傳感器用于檢測木材下表面的位移量，進而轉化成木材蠕變量，上方的激光傳感器通過同時測量木材上表面位移，來消除木材本身形變帶來的誤差。

試驗開始時，傳感器將稱重支架提供的初始值轉化成電壓信號給單片機，經過放大后并通過A/D轉換成數字信號傳送給單片機，同時用戶將目標力輸入單片機，于是單片機將首先比較初始值與目標力間的差值大小，然后控制步進電機向下施力，傳感器隨時捕捉力的變化，在向樣品施力的過程中，系統不斷比較施力的大小和初始值與目標值差的大小，做出相應的判斷來控制5相步進電機的上下運動，從而改變圓柱體對木材的施力，如果達到目標力，則使步進電機停止運動，如果步進電機具有慣性，施力大于目標力的大小，系統依然可以進行判斷并使步進電機向上運動，直到最終滿足目標力后，步進電機完全靜止，完成一次施力過程，在施力完成后，兩個紅外傳感器時刻檢測木材吸濕蠕變的大小。

2 硬件系統設計

系統主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉換的單片機STC12C5A60S2、5相步進電機控制電路、雙孔平行梁結構的應變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成，系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

A/D轉換實現模擬信號的數字化；單片機系統主要完成信號的采集、數據通信；步進電機主要實現力的大小的轉變；稱重傳感器用于檢測力的大小，同時向單片機傳輸數據；激光位移傳感器則實時檢測木材蠕變的數據，將數據傳輸給計算機；計算機完成數據接收、存儲數據、數據處理、計算、顯示等功能[2]。

2.1 稱重傳感器測量電路

圖3為測量電路的簡化圖，R1，R2，R3，R4四個應變電阻器是橋式測量電路的主題，Rm為溫度補償電阻器，E為激勵電壓，V是測量輸出的電壓值。在系統沒有開始測量時，如不考慮Rm，則輸出的電壓值V滿足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知測量前輸出為0。

（1）

當應變片的電阻R1、R2、R3、R4變成、、、時，電橋的輸出電壓變為：

（2）

通過化簡，上式則變為：

（3）

開始測量后，應變電阻阻值改變，且滿足，其中

ΔR為變化的電阻值，K為應變片靈敏系數，ε為應變量。于是公式（3）可改寫為公式（4）。

（4）

上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應變片所感受的應變量的代數和成正比，這就是橋式測量電路原理。

圖3 橋式測量電路

2.2 步進電機控制電路

圖4 步進電機參數圖

本系統選用DRL42PA2G-04MG五相步進電機如圖4所示，以及CSD5814N-P驅動器，如圖5所示。電機控制電路控制步進電機的前進，后退，停止等功能。驅動器接通24 V直流電。通過程序控制CW和CWW兩個端口的高低電平來產生脈沖，并通過改變脈沖數以及脈沖頻率來改變電機運轉的步數和速度。首先通過傳感器傳送目前稱重信號給單片機，單片機通過判斷目前系統所提供的力與目標力的大小比值，進而做出相應的變化，控制電機的進退來改變力的大小，直到滿足了所需要的目標值。

圖5 CSD5814N-P驅動器示意圖

3 結束語

通過本裝置，在進行木材機械吸濕蠕變實驗時，可以更自動化的控制實驗進展，方便可拆卸的裝置也使的儀器變得更具可移植性。精確的數字化自動控制，讓實驗數據更加的可信，更貼近實際數據。

儀器存在的不足是現有的代碼不能實現力的種類的變化，比如正弦力或矩形力，但這也是本儀器要發展的方向，代碼將進一步被改進，以模擬出與變化的現實中的力更加貼近的荷重，進而使得試驗數據更有實用價值。

參考文獻

[1]曹金珍，趙廣杰.木材的機械吸濕蠕變[J].北京林業大學學報，1998，20（5）：94-100.

[2]黨安明，劉南平.基于精密稱重傳感器的易開蓋拉力測量分析儀的研制[J].山東理工大學學報，2006，20（5）：74-77.

[3]殷衛寧.電子計價秤維修大全[M].北京：電子工業出版社，1994：3-65 .

[4]王鎖弘.稱重傳感器在恒張力控制系統中的應用[J].傳感器電子技術，2003，22（4）：60-61.endprint

摘 要 為研究木材在水分吸著過程中的蠕變特性以及其蠕變的影響因素，研制出可施加一定范圍內的恒力的木材蠕變儀。該儀器采用5相步進電機作動力；精密稱重傳感器作為測力敏感元件；紅外激光位移傳感器作蠕變測量元件；通過RS232串口線與電腦（PC機）配合使用。它具有改變、顯示施力大小、保存木材蠕變數據、可拆卸功能，并且操作簡便，適用于需要施加一定范圍內的恒力的木材機械吸濕蠕變實驗。

關鍵詞 稱重傳感器；步進電機；蠕變

中圖分類號：TH715 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0031-02

自1961年，Armstrong等提出了木材所具有的這種特殊的機械吸濕蠕變性質后，許多科學家又從不同角度對木材的機械吸濕蠕變現象做出了解釋。研制裝置并進行試驗來進一步解釋其本質，一方面完善了木材科學理論，另一方面將促進產生新的木材工藝技術[1]。

然而目前應用于木材機械吸濕蠕變實驗的施力系統主要是通過人工手動施力來完成，無法實現自動檢測控制。本文旨在研制一種配合恒溫恒濕箱使用的、實現可程式施、卸載、自動測量、控制的木材蠕變測定儀。

1 木材吸濕蠕變儀測量原理

在傳統的測試蠕變的裝置中，施力通常選用固定荷重，而在現裝置中，我們依靠傳感器與單片機、步進電機的交互實現了力的變化，用戶可以隨意設置力的大小。

木材機械吸濕蠕變儀測量原理如圖1所示，根據試驗要求，步進電機被固定在試驗箱的內壁；稱重傳感器的一端由螺絲固定在步進電機上；整個稱重支架再由螺絲固定在傳感器上，并以此給傳感器一個初始值，這個初始值大于所期望施加的力的大小，例如，給木材最大所要施加的力為5 N，那么步進電機開始工作向下運動給樣品施力時，樣品同時給傳感器反作用力，使得傳感器從最大的初值開始減小，因此這個裝置完全可以提供給樣品0～5 N范圍的力；稱重裝置與木材接觸的施力點為兩個圓柱；木材支撐點支撐木材的兩邊，實現樣品的固定；兩個激光傳感器在木材樣品的上下兩端，下方的激光傳感器用于檢測木材下表面的位移量，進而轉化成木材蠕變量，上方的激光傳感器通過同時測量木材上表面位移，來消除木材本身形變帶來的誤差。

試驗開始時，傳感器將稱重支架提供的初始值轉化成電壓信號給單片機，經過放大后并通過A/D轉換成數字信號傳送給單片機，同時用戶將目標力輸入單片機，于是單片機將首先比較初始值與目標力間的差值大小，然后控制步進電機向下施力，傳感器隨時捕捉力的變化，在向樣品施力的過程中，系統不斷比較施力的大小和初始值與目標值差的大小，做出相應的判斷來控制5相步進電機的上下運動，從而改變圓柱體對木材的施力，如果達到目標力，則使步進電機停止運動，如果步進電機具有慣性，施力大于目標力的大小，系統依然可以進行判斷并使步進電機向上運動，直到最終滿足目標力后，步進電機完全靜止，完成一次施力過程，在施力完成后，兩個紅外傳感器時刻檢測木材吸濕蠕變的大小。

2 硬件系統設計

系統主要由信號放大與處理電路、帶10位A/D轉換的單片機STC12C5A60S2、5相步進電機控制電路、雙孔平行梁結構的應變式稱重傳感器測量電路、紅外激光位移傳感器測量電路和筆記本電腦組成，系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

A/D轉換實現模擬信號的數字化；單片機系統主要完成信號的采集、數據通信；步進電機主要實現力的大小的轉變；稱重傳感器用于檢測力的大小，同時向單片機傳輸數據；激光位移傳感器則實時檢測木材蠕變的數據，將數據傳輸給計算機；計算機完成數據接收、存儲數據、數據處理、計算、顯示等功能[2]。

2.1 稱重傳感器測量電路

圖3為測量電路的簡化圖，R1，R2，R3，R4四個應變電阻器是橋式測量電路的主題，Rm為溫度補償電阻器，E為激勵電壓，V是測量輸出的電壓值。在系統沒有開始測量時，如不考慮Rm，則輸出的電壓值V滿足公式（1），其中R1=R2=R3=R4=R，代入后可知測量前輸出為0。

（1）

當應變片的電阻R1、R2、R3、R4變成、、、時，電橋的輸出電壓變為：

（2）

通過化簡，上式則變為：

（3）

開始測量后，應變電阻阻值改變，且滿足，其中

ΔR為變化的電阻值，K為應變片靈敏系數，ε為應變量。于是公式（3）可改寫為公式（4）。

（4）

上式表明，電橋的輸出電壓和四個轎臂的應變片所感受的應變量的代數和成正比，這就是橋式測量電路原理。

圖3 橋式測量電路

2.2 步進電機控制電路

圖4 步進電機參數圖

本系統選用DRL42PA2G-04MG五相步進電機如圖4所示，以及CSD5814N-P驅動器，如圖5所示。電機控制電路控制步進電機的前進，后退，停止等功能。驅動器接通24 V直流電。通過程序控制CW和CWW兩個端口的高低電平來產生脈沖，并通過改變脈沖數以及脈沖頻率來改變電機運轉的步數和速度。首先通過傳感器傳送目前稱重信號給單片機，單片機通過判斷目前系統所提供的力與目標力的大小比值，進而做出相應的變化，控制電機的進退來改變力的大小，直到滿足了所需要的目標值。

圖5 CSD5814N-P驅動器示意圖

3 結束語

通過本裝置，在進行木材機械吸濕蠕變實驗時，可以更自動化的控制實驗進展，方便可拆卸的裝置也使的儀器變得更具可移植性。精確的數字化自動控制，讓實驗數據更加的可信，更貼近實際數據。

儀器存在的不足是現有的代碼不能實現力的種類的變化，比如正弦力或矩形力，但這也是本儀器要發展的方向，代碼將進一步被改進，以模擬出與變化的現實中的力更加貼近的荷重，進而使得試驗數據更有實用價值。

參考文獻

[1]曹金珍，趙廣杰.木材的機械吸濕蠕變[J].北京林業大學學報，1998，20（5）：94-100.

[2]黨安明，劉南平.基于精密稱重傳感器的易開蓋拉力測量分析儀的研制[J].山東理工大學學報，2006，20（5）：74-77.

[3]殷衛寧.電子計價秤維修大全[M].北京：電子工業出版社，1994：3-65 .

[4]王鎖弘.稱重傳感器在恒張力控制系統中的應用[J].傳感器電子技術，2003，22（4）：60-61.endprint