基于STM32的某裝備后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能全自動(dòng)檢測(cè)儀

董玉婕，郭 磊，張 志，馬雙寶，賈樹林，林 巍

董玉婕1，郭 磊2，張 志3，馬雙寶*1，賈樹林1，林 巍1

（1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 陸軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，湖北 武漢 430200；3. 中國(guó)人民解放軍第3303工廠，湖北 武漢 430200）

針對(duì)某裝備后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能的人工檢測(cè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且效率低下等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)性能全自動(dòng)離線檢測(cè)儀。該儀器采用32位單片機(jī)STM32F429IGT6作為主控制器，控制液壓泵驅(qū)動(dòng)千斤頂對(duì)后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)模擬施加0-100KN之間的壓力，同時(shí)采用高精度壓力傳感器FCY-10100和高精度激光測(cè)距傳感器HG-C1100-P檢測(cè)復(fù)進(jìn)系統(tǒng)受力過(guò)程中的壓力與位移實(shí)時(shí)值，繪制出系統(tǒng)在加載和卸載過(guò)程中位移-壓力關(guān)系圖，以此判別復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的性能。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，該儀器檢測(cè)精度高，性能穩(wěn)定，可準(zhǔn)確判別復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的密封性能是否合格。

復(fù)進(jìn)系統(tǒng)；密封性能；高精度壓力檢測(cè)；高精度位移檢測(cè)

某裝備后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的密封性能直接決定該整套裝備的工作效率與使用壽命，也是該裝備維修的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。該復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的傳統(tǒng)檢測(cè)方式是人工方式，通過(guò)手搖千斤頂?shù)姆绞綄?duì)后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)施加力的作用使其向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采用刻度尺測(cè)量出緩沖器向上移動(dòng)的距離值，根據(jù)施加力的大致范圍和移動(dòng)的距離來(lái)判斷緩沖器裝配后的性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。這種傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下，而且存在多方面的測(cè)量誤差且沒(méi)有嚴(yán)格準(zhǔn)確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，因此人工檢測(cè)的方式存在很大的缺陷。

針對(duì)目前市場(chǎng)上未有關(guān)于該裝備復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的全自動(dòng)檢測(cè)儀器的現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的復(fù)進(jìn)系統(tǒng)全自動(dòng)離線檢測(cè)儀器。該儀器采用控制器控制液壓泵與電動(dòng)千斤頂模擬復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀況，采用高精度壓力傳感器與位移傳感器檢測(cè)復(fù)進(jìn)系統(tǒng)加載與卸載過(guò)程中受力-位移關(guān)系曲線，進(jìn)而判別復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的密封性能是否合格。使用該檢測(cè)儀器不但可以有效地避免人工檢測(cè)存在的缺陷，同時(shí)可以應(yīng)用于大批量的裝備后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)性能檢測(cè)，在提高檢測(cè)效率的同時(shí)也保證了檢測(cè)精度，降低了人工成本，實(shí)現(xiàn)了裝備性能檢測(cè)的自動(dòng)化。

1 檢測(cè)儀器的整體設(shè)計(jì)思路

后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能全自動(dòng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)思路是將復(fù)進(jìn)系統(tǒng)固定在臺(tái)架上，通過(guò)微控制器STM32F429驅(qū)動(dòng)液壓泵控制電動(dòng)千斤頂對(duì)復(fù)進(jìn)系統(tǒng)施加力的作用，模擬該復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的工作狀況，同時(shí)采

圖1 后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能全自動(dòng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案

用高精度壓力傳感器與位移傳感器檢測(cè)復(fù)進(jìn)系統(tǒng)加載和卸載過(guò)程中受力與位移的關(guān)系曲線，以此判別該復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的密封性能是否合格，總試壓時(shí)間為50-70秒。依據(jù)該設(shè)計(jì)思路，密封性能全自動(dòng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論分析與計(jì)算

后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能指標(biāo)是以加載與卸載過(guò)程中復(fù)進(jìn)系統(tǒng)承受的壓力與移動(dòng)等參數(shù)作為主要判斷依據(jù)的，因此，在測(cè)試過(guò)程中復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的壓力與位移實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)至關(guān)重要，本文采用激光三角法測(cè)位移與電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量壓力。

2.1 激光三角法

激光位移傳感器是依據(jù)激光三角法的原理進(jìn)行距離檢測(cè)的，所謂的激光三角測(cè)量法是因?yàn)榧す夤庠磁c被測(cè)物體表面以及成像系統(tǒng)三者構(gòu)成了一個(gè)三角形形狀的光路。一般測(cè)距系統(tǒng)中，按照入射光線與被測(cè)物體表面的法線所形成的夾角大小可以分為斜射式和直射式兩種系統(tǒng)測(cè)距方式[2]。本系統(tǒng)選用的HG-C1100-P傳感器是采用直射式激光三角法進(jìn)行測(cè)距的。

2.1.1 斜射式激光三角法

圖2為斜射式激光三角法的光路圖。激光光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡照射到被測(cè)物體表面時(shí)與物體表面形成一個(gè)夾角，受光透鏡的光軸與被測(cè)物體表面法線也同樣形成另一個(gè)夾角，激光經(jīng)被測(cè)物體表面反射或散射的光束被受光透鏡接收后，由濾波片進(jìn)行過(guò)濾后再被光電探測(cè)器采集成像。

圖2 斜射式激光三角法光路圖

圖3 直射式激光三角法光路圖

2.1.2 直射式激光三角法

當(dāng)激光入射方式為直射式時(shí)，即激光光束垂直照射到被測(cè)物體表面，與物體表面法線所成的夾角為0。如圖3所示為直射式激光三角法光路圖。

此時(shí)=0，帶入公式（2）可得出：

2.2 電阻應(yīng)變式壓力傳感器

2.2.1 傳感器測(cè)量電路

電阻應(yīng)變式傳感器是利用金屬自身的電阻應(yīng)變效應(yīng)制造出的一種可以測(cè)量微小變化量的傳感器，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為傳感器內(nèi)部依附在彈性敏感元件上電阻應(yīng)變片電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出[7]。電阻應(yīng)變式稱重傳感器的測(cè)量電路如圖4所示。

圖4 電阻應(yīng)變式壓力傳感器電路

由于應(yīng)變式傳感器的輸出信號(hào)為mV級(jí)，為了提高測(cè)量精度，需要加以放大電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)電壓進(jìn)行放大至0-5V。鑒于該測(cè)量電路的輸出阻抗過(guò)高，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路（如圖5所示）。此放大電路的輸入阻抗很高，而輸出阻抗很小，并且可抑制傳感器輸出共模電壓。

可得出：

2.2.2 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

由于傳感器測(cè)量位置距離主控制器較遠(yuǎn)，經(jīng)放大電路放大后的電壓Uo直接進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸容易受到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)噪聲電壓的干擾。為避免因干擾產(chǎn)生較大的誤差，本系統(tǒng)增加了電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，利用精密電壓-電流轉(zhuǎn)換器XTR111芯片將放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號(hào)進(jìn)行傳輸，芯片的工作電壓范圍為7-44V，通過(guò)調(diào)整R5、R6電阻比值還可以輸出一路3-15V可調(diào)電壓供外圍電路使用，電壓-電流轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)電路設(shè)計(jì)，將放大后的電壓信號(hào)Uo轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號(hào)I的轉(zhuǎn)換關(guān)系式如公式（6）所示：

2.3 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

由于主控制器的ADC無(wú)法直接對(duì)4-20mA電流信號(hào)進(jìn)行采樣，所以需要通過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可采集的0-3.3V電壓信號(hào)，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路采用雙運(yùn)算放大器LM358通過(guò)采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓再放大為0-3.3V，且因?yàn)長(zhǎng)M358需要雙電源供電，所以設(shè)計(jì)了負(fù)壓產(chǎn)生電路由ICL7760產(chǎn)生負(fù)壓供給LM358。電流-電壓轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

電流I與電壓U的轉(zhuǎn)化關(guān)系如公式（7）所示：

3 儀器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的研制

根據(jù)后座復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能全自動(dòng)檢測(cè)儀的工作原理分析，全自動(dòng)檢測(cè)儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)包含固定臺(tái)架、高精度壓力傳感器，高精度測(cè)距傳感器、控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示終端、電動(dòng)千斤頂、配套液壓泵、電源等模塊。其設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如8所示。

圖8 本設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3.2 儀器電路的研制

3.2.1 主控制器

本系統(tǒng)的主控制器為單片機(jī)STM32F429IGT6，該單片機(jī)采用Cortex M4內(nèi)核，帶有 FPU 和 DSP 指令集，該芯片的運(yùn)行頻率最高可達(dá)到180Mhz，片內(nèi)SRAM大小為256KB，帶有LCD控制器和SDRAM接口[10]。STM32F429的IO口具有強(qiáng)大的復(fù)用功能，ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的速度相比于STM32單片機(jī)的其他系列更快，并且在進(jìn)行模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)的工作電壓也更低。STM32F429單片機(jī)總線訪問(wèn)速度非常快，且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以很好地滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

3.2.2 高精度測(cè)距模塊

在本檢測(cè)系統(tǒng)中，復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的位移測(cè)量要求是0.1mm的分辨率，因此采用了HG-C1100-P高精度位移傳感器。HG-C1100-P是一種微型激光測(cè)距傳感器，采用高精度CMOS影像傳感器以及獨(dú)特算法使得傳感器的測(cè)量精度達(dá)到0.01mm，并且支持模擬電壓（0-5V）和模擬電流（4-20mA）雙重模擬輸出。

高精度激光位移傳感器是利用激光三角測(cè)量法測(cè)得與被測(cè)工件之間距離的，傳感器內(nèi)部的投光元件發(fā)射出的可見(jiàn)紅色激光經(jīng)過(guò)投光透鏡照射到被測(cè)物體上，激光打到被測(cè)物體表面上以后會(huì)發(fā)生反射，其中一束反射的激光通過(guò)受光透鏡再被傳感器受光元件（CMOS）接收，根據(jù)光線的反射角度和已知的激光與受光元件之間的距離，光束在受光元件部位經(jīng)過(guò)模擬和數(shù)字電路處理以及微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的傳感器與被測(cè)物體之間的距離輸出值。激光位移傳感器工作原理如圖9所示，HG-C1100-P微型傳感器的基本工作結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9 激光位移傳感器的工作原理

圖10 HG-C1100-P傳感器的基本工作結(jié)構(gòu)

圖11 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理圖

3.2.3 高精度壓力模塊

在檢測(cè)過(guò)程中復(fù)進(jìn)系統(tǒng)在電動(dòng)千斤頂施加力的作用下，每次運(yùn)動(dòng)時(shí)承受的壓力是以噸為單位發(fā)生變化的，需要選用大量程高精度的稱重傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。本系統(tǒng)采用高精度壓力傳感器FCY-10100進(jìn)行測(cè)量實(shí)時(shí)壓力。

電阻應(yīng)變式稱重傳感器的基本原理為傳感器承受壓力時(shí)內(nèi)部彈性元件發(fā)生彈性形變，粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片發(fā)生形變后其電阻值也會(huì)發(fā)生變化，在經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的測(cè)量電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓或電流，進(jìn)而完成將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量計(jì)算的電信號(hào)的過(guò)程。相比于其他類型稱重傳感器，電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用范圍在當(dāng)前是最為廣泛的，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于操作，測(cè)量性能穩(wěn)定可靠且測(cè)量速度快、靈敏度高，能滿足在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下的測(cè)量。

根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，儀器選用了外形為平面膜盒式的稱重傳感器來(lái)測(cè)量緩沖器加載過(guò)程中所承受的壓力。測(cè)得的壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器內(nèi)部電路和電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換后，以電壓信號(hào)的形式由單片機(jī)的ADC采集到主控制器中，在單片機(jī)中進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)分析處理后將在觸摸屏上顯示出實(shí)時(shí)壓力數(shù)值。電阻應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理圖如圖11所示。

3.2.4 觸摸顯示終端

觸摸顯示屏是本系統(tǒng)的主要操作顯示面板，檢測(cè)系統(tǒng)開始工作的指令是通過(guò)觸摸顯示屏上的測(cè)試按鈕進(jìn)行觸發(fā)的，測(cè)試過(guò)程中的實(shí)時(shí)壓力和位移數(shù)值會(huì)顯示在面板上，并且在測(cè)試完成后測(cè)試結(jié)果會(huì)以復(fù)進(jìn)系統(tǒng)加載與卸載過(guò)程中的位移-壓力關(guān)系圖的形式呈現(xiàn)在顯示屏上，作為判斷復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能是否合格的依據(jù)，本系統(tǒng)選用ATK-7084作為觸摸顯示終端。

3.2.5 電源模塊

圖12 數(shù)據(jù)分析處理流程圖

構(gòu)成本檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)部分所需要的供電電壓均不相同，在保證為各模塊提供對(duì)應(yīng)的正確供電電壓的前提條件下，為了盡可能的簡(jiǎn)化檢測(cè)系統(tǒng)各模塊之間的連接電路結(jié)構(gòu)，選擇T200D -AC-DC三組輸出電源開關(guān)作為系統(tǒng)的主要供電電源。該電源采用EMI濾波器、純銅變壓器以及高品質(zhì)電容使得電源的抗干擾性能強(qiáng)，工作效率高損耗小并且安全耐用。電源分別輸出穩(wěn)定的5V、12V、24V三路直流電壓，可以很好的滿足本系統(tǒng)的供電要求。

3.3 軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理分析

在檢測(cè)過(guò)程中，稱重傳感器和激光位移傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量輸出都是以電流信號(hào)的形式，需要使用電流轉(zhuǎn)電壓模塊將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī) STM32F429的ADC可采集的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)通過(guò)ADC通道采集進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。

具體數(shù)據(jù)分析處理流程如圖12所示。

通過(guò)上述流程對(duì)單片機(jī)ADC采集到的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可得到很精確的實(shí)時(shí)壓力值和位移值，顯示屏上最終呈現(xiàn)的緩沖器加載過(guò)程中的壓力-位移曲線也更加貼近其真實(shí)變化過(guò)程。進(jìn)行分段補(bǔ)償后的位移表達(dá)式為公式（8），激光位移傳感器實(shí)時(shí)顯示的真實(shí)位移和顯示屏上顯示的實(shí)際位移關(guān)系如圖13所示，兩個(gè)曲線基本完全重合。

4 系統(tǒng)的測(cè)試與分析

將該復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能全自動(dòng)測(cè)試儀研制出來(lái)，包括其機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路以及軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。將選擇密封性能不合格的1號(hào)復(fù)進(jìn)系統(tǒng)、全新的復(fù)進(jìn)系統(tǒng)2號(hào)以及用過(guò)一段時(shí)間的3號(hào)分別在全自動(dòng)檢測(cè)儀上進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明該全自動(dòng)檢測(cè)儀可以準(zhǔn)確判別復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能是否合格。圖14為理論上復(fù)進(jìn)系統(tǒng)在加載和卸載過(guò)程中力與位移直接的關(guān)系曲線，圖15為全自動(dòng)檢測(cè)儀對(duì)2號(hào)復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，滿足壓力在60KN時(shí)，位移在16-25mm的合格判別標(biāo)準(zhǔn)，即2號(hào)復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的密封性能合格，且儀器繪制的壓力-位移曲線與理論關(guān)系相一致。

圖14 復(fù)進(jìn)系統(tǒng)加載過(guò)程力與位移關(guān)系曲線

圖15 儀器實(shí)測(cè)復(fù)進(jìn)系統(tǒng)加載過(guò)程力與位移關(guān)系曲線

5 總結(jié)

本文研制了一款基于STM32的某裝備復(fù)進(jìn)系統(tǒng)密封性能全自動(dòng)測(cè)試儀。該儀器采用單片機(jī)STM32F429IGT6作為主控制器，激光位移傳感器和高精度重力傳感器統(tǒng)獲取復(fù)進(jìn)系統(tǒng)加載過(guò)程中位移和壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)值，依據(jù)壓力位移關(guān)系判別復(fù)進(jìn)系統(tǒng)的密封性能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該儀器測(cè)試結(jié)果與理論關(guān)系曲線一致，表明該儀器的穩(wěn)定、可靠、且具備人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程的全自動(dòng)化，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為其它裝備的密封性能測(cè)試提供參考案例。

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Automatic Off-line Detector for Multiple Feed System in a Certain Equipment based on STM32

DONG Yu-jie1, GUO Lei2, ZHANG Zhi3, MA Shuang-bao1, JIA Shu-lin1, LIN Wei1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. The Second Military Representative Office of the Military Representative Office of the Army Equipment Department, Wuhan Hubei 430200, China; 3. Chinese People's Liberation Army No. 3303 Factory, Wuhan Hubei 430200, China)

Aiming at the problems of time-consuming, labor-intensive and inefficient manual testing of the sealing performance of the rear seat recoil system of a certain equipment, this paper designs a fully automatic off-line tester for the performance of the rear-seat recoil system based on STM32 microcomputer. The instrument uses a 32-bit microcontroller STM32F429IGT6 as the main controller to control the hydraulic pump to drive the jack to simulate a pressure between 0-100KN on the rear-seat recoil system, while using a high-precision pressure sensor FCY-10100 and a high-precision laser ranging sensor HG-C1100-P to detect the real-time value of pressure and displacement during the force process of the re-entry system, and drawing a diagram of the displacement-pressure relationship during the loading and unloading process of the system to judge the performance of the re-entry system. After actual measurement, the instrument has high detection accuracy and stable performance, and can accurately judge whether the sealing performance of the re-entry system is qualified.

re-entry system; sealing performance; high precision pressure detection; high precision displacement detection

馬雙寶（1979-），男，副教授，博士，研究方向：智能檢測(cè)與控制.

2020年武漢紡織大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目（2020JY076）；2021年武漢紡織大學(xué)研究生教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（2021-2）；2019年湖北省高校學(xué)生工作精品項(xiàng)目和實(shí)踐育人特色項(xiàng)目（2019XGJPB2009）.

TP23

A

2095－414X(2021)05－0025－08