基于PLC的高精度測力校準儀的研究

吳房勝，李如平，徐金秀

（安徽工商職業學院　電子信息系，安徽　合肥231131）

基于PLC的高精度測力校準儀的研究

吳房勝，李如平，徐金秀

（安徽工商職業學院電子信息系，安徽合肥231131）

在對大力值傳感器進行校準時，由于無法施加非常大的標準力，只能先對小量程段進行校準，再依靠經驗對大量程段校準，這使校準儀測試的精度較低。為此，利用PLC控制技術，結合最小二乘準則設計了一套裝置，它不僅能精確校準500 t以內的大力值傳感器，且能精確檢測各種實驗物的大力值抗壓能力，精度和穩定性都令人滿意。

高精度；大力值；力值校準；抗壓

在現代科學研究與技術發展中，高精確度的大力值測量與如航天技術中的動力性能的研究、新型材料的機械特性的研究、建筑部門的工程質量檢測等都密不可分。力值的測量精度會嚴重影響檢測結果。本文根據液體靜力學原理，采用PLC控制技術，結合最小二乘準則，設計了一套裝置，該裝置不僅能對大力值傳感器進行分段計量校準，而且能有效測量被檢測器件的機械抗壓能力［1］。

1　裝置概述

裝置基本結構如圖1所示。圖1左側為施力部分，右側為油箱注油與數據采集部分。該裝置是用置于放物臺上的高精度的大力值傳感器對設備進行校準的。校準過程是利用油泵注油，使油推動頂桿向上移動，對傳感器產生壓力，通過對在此過程中產生的數據進行采集、分析和計算，得到安裝在柱塞泵上的位移傳感器的位移與試驗臺上試驗物所受壓力的關系。

裝置具體的工作過程如下：先將高精度的大力值傳感器置于試驗臺上，再由電機控制齒輪泵通過油管向油缸注油使頂桿上升，在此過程中，高精度校正傳感器檢測出的壓力信號被傳送至控制中心，控制中心計算后將數據送到顯示部分，顯示出力值大小。

當壓力接近設定值時，齒輪泵停止工作，同時啟動柱塞泵的伺服電機。該伺服電機配備減速比為100的減速機帶動絲桿旋轉，用來控制柱塞泵的微量上升和下降，以保證在壓力上升至設定值時，柱塞泵停止工作。

圖1　裝置示意圖

當壓力達到所設定的值時，柱塞泵上安裝的高精度位移傳感器（采用F-P激光干涉儀原理，校準示值誤差可達到幾十個納米，可測范圍為0～25 mm［2］）會檢測出柱塞泵的移動距離，并將該信號傳送給PLC控制中心。同時，在進油管和回油管上安裝的單向逆止閥控制系統內液體的壓力和流量，最大限度地控制液體壓力的波動，保證加卸載的單向性。

因柱塞泵向油缸注油是微量進給的，且所使用的高精度力值傳感器精度可達到0.01%，故它在精度和穩定度方面都有保障，能夠準確地對500 t以內的傳感器進行計量校準、校核、定性和定級，克服了利用砝碼無法計量高力值的困難。

2　理論依據

2.1壓力傳感器測量方法的缺點

在靜壓系統中，接近油缸的油管處放置一高精度的壓力傳感器，如圖2所示。

圖2靜壓系統示意圖

圖2中，油缸和放置壓力傳感器的油管是連通的，高度相同的兩處壓強相等，都是。其中，F1為壓力傳感器測出的壓力值的轉換值，d1為油管的直徑，d2為缸塞的直徑，m為頂桿與活塞的質量，F2為試驗物所承受的力。整理得

在（1）式中，d1、d2和m的值是固定不變的，故F2隨F1呈線性變化，又因為d2>>d1，所以可成功地將小力值F1轉換成大力值F2。但是，由于壓力傳感器的測量精度很難達到0.05%，故經過線性計算得到的F2的精度也不可能超過這一數值。也就是說，該方法的測量精度依賴于壓力傳感器的精度而不能得到有效的提升。

2.2裝置的基本理論

量程校正開始后，高精度校正傳感器所受的壓力逐漸增大，當力值的變化量為某一設定值F時，系統就會讀出高精度位移傳感器檢測到的移動距離S，并記錄下每段量程的數據變化。控制軟件通過分析這些數據，計算出力值與柱塞泵內活塞移動距離之間的關系，并將其保存到數據存儲中心。得到的變化關系如圖3所示。

根據測試中記錄的點，采用最小二乘準則［3］擬合出一條直線，方程為。其中，表示當S取某一個值時F的預測值，也就是擬合直線上對應的F值。根據最小二乘準則，需使檢測點與直線間垂直距離的殘差最小。由于有些觀測點在直線之上，有些觀測點在直線之下，故有些e是正值，有些e是負值，它們相加后會抵消，可能使很小，但個別的e仍然很大。為此，我們選擇了先平方再相加的方法［4］，所得殘差的平方和是b0和b1的二次函數，為正且連續可微。根據微積分求極小值的原理，要使殘差平方和達到最小值，殘差平方和對b0和b1的偏導數必須為零［4］，計算得到

圖3　力值與柱塞泵移動距離之間的關系

只需將采集到的數據代入（1）、（2）式，即可求出用最小二乘準則擬合出的直線方程的解［5］。

這樣，進行壓力校正后，根據F與S的線性關系，只需讀出柱塞泵的精確移動距離，即可得出試驗物所承受的壓力的大小。將力值的變化轉換成位移的變化，可避免出現因壓力傳感器精度達不到要求而無法保證測量精度的問題［6］，可方便地用于精確校準其他各類力值傳感器的各段量程，且最大限度地減小了摩擦力等因素的影響。

3　系統控制部分

裝置硬件的控制由三菱PLC控制模塊與西門子Smart 700 IE系列觸摸屏結合完成，同時外擴多路A/D轉換模塊，用以實現對采集到的模擬信號進行高精度模/數轉換。硬件電路框圖如圖4所示。

圖4　硬件電路框圖

觸摸屏軟件采用WinCC flexible standard編輯軟件［7-8］，其編輯界面如圖5所示。圖5（a）顯示的是觸摸屏型號與三菱PLC型號匹配連接圖，圖5（b）所示的是觸摸屏按鍵與顯示設定界面。系統共設8個按鍵與3個顯示文本框，按鍵與顯示采集周期均設定為100 ms。

圖5　觸摸屏參數設置圖

圖6　模/數轉換程序

PLC梯形圖采用GX Developer軟件編寫，其模/數轉換程序如圖6所示。A/D轉換模塊將輸出的信號傳送給PLC控制模塊，由PLC控制模塊中的信號處理模塊進行分析處理［9-10］。泵的伺服電機開始運行，向油缸進行微量進給［11-12］。當顯示的值達到設定的值時，控制柱塞泵的伺服電機就停止運行，并采集位移傳感器信號。系統根據采集信號的大小計算出柱塞泵移動的距離，并自動記錄各量程段的位移與力值的數據，利用最小二乘準則，計算和分析力值與位移之間的線性關系，觀察其精度是否滿足要求［13］。

觸摸屏的工作界面如圖8所示，其中包括當前力值和當前位移等顯示窗口，以及故障報警指示燈。點擊圖8中“啟動”按鈕，裝置將進入自動運行狀態，檢測并記錄當前試驗物的移動距離值與壓力值，分析其線性關系并判斷其精度是否符合要求；點擊“停止”按鈕，設備停止運行。如裝置在自動運行中出現故障，則啟動故障報警功能，工作界面的故障報警燈閃爍并報警，同時裝置停止運行并進入保護狀態。另外，還提供了手動控制模式，通過手動控制進行人為操作，使系統更加人性化［14］。

程序流程如圖7所示。點擊觸摸屏上的自動運行按鈕后，齒輪泵電機運行，開始向油缸內注油，支撐試驗物的頂桿開始逐漸上升，使試驗物向上壓高精度校正傳感器，校正傳感器產生的信號經A/D轉換模塊后傳送至PLC，并在觸摸屏上顯示出當前力值。如果顯示的值達到設定值的90%，則齒輪泵停止工作，控制柱塞

圖7　軟件流程圖

圖8　工作界面

4　結束語

裝置依靠PLC運行的高穩定性和優化的算法，解決了利用砝碼計量無法對大力值范圍進行檢測的問題，測量精度高，保證了對力值傳感器校準的準確性［15］。另外，本系統操作界面采用觸摸屏顯示與控制，使操作更加直觀、人性化。

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【責任編輯梅欣麗】

The Research of High-precision Measuring Calibration Instrument Based on PLC

WU Fangsheng，LI Ruping，XU Jinxiu
（Faculty of Electronics and Information，Anhui Business Vocational College，Hefei 231131，China）

While calibrating the great-value sensor，as the very great standard force could not be applied，we could only first calibrate the small-scale section，and then rely on the experience to calibrate the large-range segment，which made the precision of calibrating test lower.Thus，using PLC control technology and combining the least squares means，we designed a device，which could accurately calibrate the sensor within 500 t，and could accurately detect the great value anti-pressure ability of various experiments.The accuracy and stability were both satisfactory.

high precision；great value；force calibration；anti-pressure

TP23

A

2095-7726（2016）03-0061-04

2015-07-01

安徽省高等院校省級質量工程項目（2015mooc178，2015ckjh142）；安徽省高校重點自然科學研究項目（KJ2015A389）；安徽省教學研究項目（2014sjjd078）

吳房勝（1983-），男，安徽安慶人，講師，碩士，研究方向：智能控制技術。