（紡織工程專業(yè)論文）智能雙顯張力儀的研制[紡織工程專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

智能雙顯張力儀的研制 中文提要 智能雙顯張力儀的研制 中文提要 在紡織工業(yè)中 紗線的張力是一項重要的工藝參數(shù) 張力儀則是檢 測這一參數(shù)的常用手段 然而目前生產中大多應用的傳統(tǒng)張力儀存在著 諸多不足之處 針對這一情況設計了智能型的雙顯張力儀 以取代一些 傳統(tǒng)以及高價進口張力儀 此儀表的最大特色在于能夠同時顯示張力值以及反映張力變化情況 的模擬光指針 同時具備了數(shù)字化的直觀性和指針式的可視性 本文對該儀表的原理 軟硬件結構等部分作了較為詳盡的闡述 同 時與國外先進的同類型儀表進行了測試對比 試驗結果證明了本儀表的 合理性和可靠性 關鍵詞 張力儀光指針單片機 作者 柏松喬 指導教師 陳慶官 t h er e s e a r c ho f d u a l d i s p l a yt e n s i o n m e t e r a b s t r a c t i nt e x t i l e t h et e n s i o ni sa n i m p o r t a n tp a r a m e t e r w h i c h t h em a i n m e a n st om e a s u r ei st h et e n s i o n m e t e r w h i l e m u c hm o r ei n s u f f i c i e n t s e m s t i n gi nt h e t r a d i t i o n a l t e n s i o n m e t e r s t h e r e f o r e t h en e wi n t e l l i g e n t d u a l d i s p l a yt e n s i o n m e t e ri sr e s e a r c h e d d i s p l a y i n gt h ed a t aw i t hl i g h t i n d i c a t o rt o g e t h e ri st h es u p e rs p e c i a l t y w h i c h p o s s e s s e sb o t ht h eo c u l a ro f t h ed a t aa n dt h ev i s u a l i t yo f t h ei n d i c a t o r i nt h i sp a p e r t h et h e o r i e so ft e n s i o n m e t e ra n dt h es t r u c t u r ea r et a l k e d p a r t i c a l a r l y s i m u l t a n e i t i l y c o n t r a s t e dw i t ht h eo t h e rm s t r u r n e m w h i c hi s e x c e l l e n c ei nt h ef r e m d n e s s a n di n d i c a t e db yt h er e s u l t t h et e n s i o 砌e t e ri s r e l i a b i l i t ya n de x a c t k e y w o r d s t e n s i o nl i g h t i n d i c t e d s i g l e c h i p w r i t t e nb y b a is o n g q i a o s u r p e r v i s e db y c h e nq i n g g u a n 1 1 蘇州大學學位論文獨創(chuàng)性聲明及使用授權的聲明 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所提交的學位論文是本人在導師的指導下 獨立 進行研究工作所取得的成果 除文中己經注明引用的內容外 本論文 不含其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不含為獲得蘇 州大學或其它教育機構的學位證書而使用過的材料 對本文的研究讒 出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本人承擔本 聲明的法律責任 研究生簽名 辛崎日 學位論文使用授權聲明 蘇州大學 中國科學技術信息研究所 國家圖書館 清華大學論 文食作部 中國社科院文獻信息情報中心有權保留本人所送交學位論 爨的復印件和電子文檔 可以采用影印 縮印或其他復制手段保存論 文 本人電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致 除在保密期內的 保密論文外 允許論文被查閱和借閱 可以公布 包括刊登 論文的 全部或部分內容 論文的公布 包括刊登 授權蘇州大學學位辦辦理 研究生簽名 導師簽名 日期 堡 生翅 日期 叢垂絲 智能雙顯張力儀的研制 第一章緒論 第一章緒論 在紡織工業(yè)生產中 紗線的張力是一項重要工藝參數(shù) 從織造準備到織造完成 的各道工序都要涉及到張力 其大小與穩(wěn)定將直接關系到產品的外觀效應及內在質 量 以絲織為例 絡絲工序中的張力波動大小對絡筒質量和筒予成形均有很大影 響 如果張力過大 將使絲線受到過度的拉伸 從而損傷絲的物理機械性能 增加 斷頭和回絲 在織物中可能造成亮絲疵點 如果張力過小 則會導致絡筒成形不良 產生松軟的卷裝 下道工序退解時發(fā)生困難等不良后果 在織造過程中 張力控制 顯得更為重要 經絲上機張力的大小將直接影響織造生產的進行和產品質量 上機 張力過大 經絲易發(fā)毛 毛絲和斷頭增加 生產效率下降 織物經向的強力伸長下 降 上機張力過小貝4 會造成織口不清晰 織疵增加 織物不平挺 打緯區(qū)增大 緯 絲打不緊 織口不穩(wěn)定以及打緯時經絲在綜筘中過多地往復移動 摩擦增多而造成 斷頭 同樣 緯向張力控制也很重要 緯向張力過大 易產生亮絲 急緯 斷緯以 及緯向織物強力和伸長下降等嚴重后果 緯向張力過小則易產生縮緯 松邊 這些是絲織工程中的幾個典型的張力控制 另外還有許多方面需要對張力進行 監(jiān)控和檢測 對于絲織工程中的張力檢測可以采用定期定時的全面檢測 如檢測絡 絲張力 可每天一次 對全廠絡絲機逐錠加以檢測 觀察測定值是否在規(guī)定的工藝 參數(shù)值范圍內 以便及時加以糾正 調整工藝 避免不良后果 由此可見 張力值是影響紡織行業(yè)產品質量的一項重要指標 1 1 張力儀的發(fā)展歷程及工作原理 紗線張力儀的發(fā)展經歷了從機械式到電子式的發(fā)展歷程 機械式張力儀又稱為 指針式張力儀 應用較為廣泛的主要有s f y l 3 型和y g 3 0 2 型 以s f y l 3 型張力儀 為例 其主要由測試羅拉1 固定羅拉2 扭簧3 拉簧4 游絲5 指針6 阻尼 板7 刻度盤及按鈕等凡部分組成 如圖1 1 所示 在無外力作用下 測試羅拉1 扭簧3 拉簧4 與游絲5 均處于靜止平衡狀態(tài) 此時指針指向零位 在測試單絲張力 時 測試羅拉1 受外力作用 促使扭簧3 沿受力方向扭轉 同時帶動拉簧4 向扭轉 方向伸張 拉簧4 的伸張導致了游絲5 產生扭力 為維持其平衡狀態(tài) 游絲就向著 塑壁翌里整塑堡墊竺塑 羔蘭 蘭一 拉簧伸張的反方向扭轉 同軸的指針隨之發(fā)生偏轉 指針穩(wěn)定后所指示的值即為被 測張力的實際值 l 測試羅拉2 固定羅拉3 扭簧4 拉簧5 游絲 卜指針卜阻尼板 圖1 一ls f y l 3 型張力儀內部結構示意圖 常見的機械式紗線張力儀還有日本n a k a s a 公司的a n 型以及t k 型 詳細規(guī) 格和技術特征見表1 1 跚 表1 一l 幾種機械式紗線張力儀的規(guī)格特征 型號形式量程 c n s f y l 2 男掩0 5 0 o 1 0 0 t k 日 二羅拉0 2 50 5 00 1 0 0 a n l 型0 2 0a n 2 型 oa n 3 型0 1 0 0 a n 日 三羅拉 a n 4 型0 2 0 0a n 5 型0 3 0 0a n 6 型0 5 0 0 y g 3 0 2 男椅 o 1 0 0 其它型號的張力儀 比如英國錫萊發(fā)展有限公司的機械式張力儀 意丈利的某 品牌機械式張力儀 以及國內一些廠家生產的機械式紗線張力儀等等 這里不作詳 盡列舉 機械式的紗線張力儀雖然能大致讀出張力值 但存在一些固有的缺點 如操作 2 一 蒜 n y 一一 如乞 智能雙顯張力儀的研制 第一章緒論 麻煩 修理不便 尤其是動態(tài)測定中的響應較慢 以致讀數(shù)隨著張力頻率的變化而 有較大誤差 目前環(huán)錠紡的錠速已經超過1 8 0 0 0 r m i n 張力頻率約3 0 0 h z 左右 其 值以及其變化是機械表無法讀出的 且隨著生產的發(fā)展 對張力的控制逐步量化 精確 這使得傳統(tǒng)的指針式單紗張力儀愈發(fā)不能適應時代發(fā)展的要求 電子紗線張 力儀由此應運而生 電子紗線張力儀的主要原理是利用一個彈性傳感器元件 通常為電阻式傳感器 采用懸臂梁式彈性元件 其上下對稱粘貼兩片電阻應變片 組成全橋 對張力進行 測量 工作流程為當彈性元件受力后 測量電橋阻值發(fā)生變化 將紗線的張力瞬時 變化值轉換成電信號 經過放大 濾波然后輸出 按其輸出方式 電子紗線張力儀 可分為普通型和智能型兩種 普通電子紗線張力儀又可以分為兩種 其一是將濾波后的結果經過a d 轉換器 后直接驅動液晶顯示器 顯示出即時張力 以滿足張力精確量化的要求 但這種顯 示方式在張力變化頻率較高時 難以讀出張力值 使用不太方便 其二是在外部接 記錄儀 將所測得的張力值打印出來 以滿足對張力波動進行分析的需求 但由于 這樣一套設備體積較為龐大 不便于在車間進行便攜式測量 因此應用較少 智能型電子紗線張力儀在內部使用了單片機 以單片機為核心 對a d 轉換后 的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理 并對各種參數(shù) 最大值 最小值 均方差 變異系數(shù)以及平 均值 進行數(shù)字顯示 而且 可以根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行保存 以便傳輸?shù)缴衔粰C進 行進一步的分析 因為這種智能型張力儀具有數(shù)據(jù)處理能力 并可顯示多個參數(shù)值 因此應用效果較好 但同時價格也很昂貴 電子紗線張力儀的主要型號有英國錫萊發(fā)展公司的電子張力儀 德國s c 刪i d t 公司的e t m 系列電子張力儀以及國產的y g 3 0 1 型 s f y g l 4 型 y g 9 8 4 型等等 具體 規(guī)格和技術特征見表1 2 渤 智能雙顯張力儀的研制 第一章緒論 表1 2 幾種電子紗線張力僅的規(guī)格特征 項 目 主要規(guī)格及技術特征 y g 3 0 1 型s f y g l 4 型e t m 系列 形式三羅拉式三羅拉式三羅拉式 測量范圍 e n o 1 0 0o 2 0 00 5 l o o 0 1 5 0 0 測量精度1 1 士5士1士1 電源 v 9 99 功耗 m w 約2 0 0 1 5 0 不詳 1 6 0 1 0 0 外形尺寸 長 寬 高 r a m2 5 0 6 5 3 l2 6 9 6 2 4 6 3 5 重 量倌 5 0 0 3 2 04 0 0 1 2 傳統(tǒng)張力儀存在的問題 隨著科技發(fā)展的日新月異 紡織機械轉速越來越高 紗線速度越來越快 雖然 張力儀的各方面性能都做了很大的改進 但傳統(tǒng)張力儀還是存在著一些問題 1 2 1 傳統(tǒng)張力儀的導絲器材料不好 傳統(tǒng)張力儀的導絲器采用的是耐磨的陶瓷材科 高速運動的絲條與導絲器摩擦 產生靜電 因此也就帶來了靜電干擾的問題 由于張力儀內部放大器是一種弱電系 統(tǒng) 具有很高的靈敏度 很容易受至4 外界或內部一些無規(guī)則電信號的影響 如果干 擾信號和有用信號幅度相當時 就會導致放大器在輸出端的有用信號很難分辨 甚 至被干擾信號所淹沒 從而使儀表產生難以估計的誤差 為了消除靜電干擾 有些 廠家采用金屬材料來做張力儀的導絲器 導絲器另一端接地 以便將產生的靜電荷 傳導出去 這樣一來 靜電干擾的問題就得到了解決 但是隨之帶來的是金屬材料 的耐磨性問題 金屬材料不耐磨 在高速運動的絲條的摩擦下 導絲器極易被磨損 影響張力的測量 使其壽命大大縮短 1 2 2 張力儀的信號放大問題較難解決 張力儀傳感器的輸出電壓為微伏級 故張力儀對放大器的要求比較高 選擇一 款合適的放大器就成為解決張力儀放大問題的關鍵 過去采用的是普通運算放大器 4 智能雙顯張力儀的研制 第一章緒論 其體積大 功耗大 各方面性能很難達到張力儀放大要求 如今廣泛采用集成運算 放大器 為了滿足不同客戶的需求 銷售商提供了各種各樣的集成運算放大器 每 種都有各自不同的性能 特點和價格 以美國t i 公司 拘i n a l 2 8 為例 它是一種低電 壓通用型儀表放大器 其特性優(yōu)良 體積小 但是價格昂貴 1 2 3 測量過程中張力值動態(tài)變化的可視性問題 傳統(tǒng)指針式的張力儀在測量過程中 可以動態(tài)地顯示出張力的波動范圍 具有 可視性的特點 但其響應較慢 以致讀數(shù)隨著張力頻率的變化而有較大誤差 并且 缺乏精確性和數(shù)據(jù)收集 處理功能 電子紗線張力儀通過傳感器將張力值以電信號 的形式傳到內部 然后經過一系列處理 由顯示器完成數(shù)顯功能 以滿足張力精確 量化的要求 其克服了指針式張力儀的缺點 卻又失去了指針式張力儀的直觀性 可視性 1 3 本課題研究的主要內容和意義 當前我國的紡織行業(yè)正處在一個新的發(fā)展時期 經過 砸錠 轉型 一系列的 優(yōu)化整會后 國內紡織生產力水平得到了釋放 生產力水平大幅上升 進一步縮小 了與國外同行業(yè)間的差距 提高了國際競爭力 但我們也要認識到我們所面臨的困 境 入世以來 雖然我國的紡織出口規(guī)模加大 但美國及歐盟對我國的紡織品出口 限制也在增加 各種壁壘接踵而來 面對這種機遇與挑戰(zhàn)并存的局面 把好質量關 永遠都是必要的 生產領域的質量控制尤其重要 國外發(fā)達國家的生產都有嚴格的 量化標準 而在我國許多工廠還停留在經驗判斷上 許多重要工藝設置都是憑經驗 大致而為 經不起嚴格檢驗 隨著我國紡織工業(yè)的發(fā)展 傳統(tǒng)的張力檢測儀器已經 不能夠完全適應現(xiàn)在的需求 此外 國外的某些同類型的儀器雖然可以滿足要求 但價格卻十分昂貴 因此本課題主要的研究內容就是研制一個智能型的電子張力儀 同時可以滿足低成本以及當前高速和更加準確的張力量化控制的要求 1 在導絲桿前端加上金屬導絲頭 變滑動摩擦為滾動摩擦 既減少導絲器的磨 損 又可以解決靜電積聚的問題 2 本課題采用m a x i m 公司的m a x 4 1 9 4 儀表放大器 體積小 功耗微 與i n a l 2 8 相比 其優(yōu)越之處在于性能相近 但體積較小 價格便宜 約為i n a l 2 8 的十分之一 3 本課題采用軟件模擬形成光指針 同步顯示數(shù)字量的顯示方式 來解決測 智能雙顯張力儀的研制第一章緒論 量過程中張力值動態(tài)變化的可視性問題 近年來 市面上出現(xiàn)了一種光指針 數(shù)字l c d 雙顯儀表 如圖l 一2 所示 該儀 表在數(shù)顯功能的基礎上增加了光指針功能 是一種集模擬顯示和數(shù)字顯示優(yōu)點于一 身的新型顯示技術 圖1 2 雙顯儀表效果圖 這種雙顯系統(tǒng) 同時顯示模擬量和數(shù)字量 既可以直觀地顯示精確的數(shù)字量 又 可以一目了然地動態(tài)顯示出張力的變化趨勢和范圍 提高了對被測信號波動變化傾 向的判斷能力 可以為控制張力 配置合適的工藝以及開發(fā)產品提供可靠的依據(jù) 但這種儀表要專用模具開發(fā) 對研究中的儀表則成本太高 如何發(fā)揚優(yōu)點 克服成 本高的缺點將在本課題中加以討論 6 智能雙顯張力儀的研制 第二章張力儀的硬件設計 第二章張力儀的硬件設計 智能儀表的硬件電路設計包括微處理器的選擇 電路設計 外部設備的選擇與 電路設計等 在儀表的硬件中 往往外設占有很大的比重 主機部分是通過輸入 輸出通道經測量元件和執(zhí)行器件直接連結至被測或被控對象 并通過各種接口與顯 示器 打印機等人機部件相連 本課題中張力儀的硬件組成主要包括導絲器 傳感 器 微處理器 放大電路 l c d 顯示電路 電源電路以及一些控制按鍵等 2 1 導絲器的結構設計 本課題在導絲桿前端加上金屬導絲頭 變滑動摩擦為滾動摩擦 既減少導絲器 的磨損 又可以解決靜電積聚的問題 2 1 1 導絲器的測量原理 張力儀金屬導絲器是由三個帶滾動軸承的導輪構成 其中兩個為固定導輪 起 導絲和托絲作用 一個為張力輪 起測量作用 如圖2 1 導輪的安裝精度有一定 的要求 三個導輪應在同一平面上 這樣阻力最小 從而減少測量誤差 圖中 t l t z 為經紗張力 a b 為經紗經過張力輪2 時和豎直方向的夾角 f 為經紗張力對張 力輪2 的壓力 根據(jù)力的合成原理有 f t x c o sn i 2 c o sb t f 1 3 固定導輪2 張力輪 圖2 1 張力儀導絲器結構示意圖 在實際測量過程中 測量桿在f 的作用下會產生微小的偏移 f 通過測量桿作用 7 智能雙顯張力僅的研制 第二章張力儀的硬件設計 在雙孔梁上 使之產生變形 如圖2 2 所示 12 3 1 張力輪2 測量桿3 雙孔粱傳感器 圖2 2 張力儀測量結構示意圖 2 1 2 導絲器的選擇 傳統(tǒng)張力儀的導絲器采用韻是陶瓷材料 耐磨性很好 但其與高速運動的絲條 摩擦易產生靜電 對張力儀放大器產生靜電感應而帶來干擾 由于張力儀內部放大 器是一種弱電系統(tǒng) 具有很高的靈敏度 很容易受到外界或內部一些無規(guī)則電信號 的影響 如果干擾信號和有用信號可相比較時 那么放大器在輸出端的有用信號將 很難分辨 甚至被干擾信號所淹沒 從而使儀表產生難以估計的誤差 因此導絲器 的選擇應本著盡量消除靜電的原則 將靜電的干擾作用降至最低 靜電的消除有兩種主要方式 1 一是中和 二是泄漏 中和主要是通過空氣進行 由于空氣中含有帶電粒子 帶電體在與空氣接觸中 其所帶有的電荷逐漸得到中和 但因空氣中帶電粒子的數(shù)量有限 且受空氣濕度的影響很大 所以這種中和極為緩 慢 泄漏主要是通過帶電體本身以及與它相連接的其它物體進行 在張力測量過程 中 由于摩擦而使張力儀導絲器出現(xiàn)靜電 如果只靠中和來使靜電消失所需時間是 很長的 是測量所不允許的 為此考慮采取泄漏的方式 加速靜電消失 為了較好地消除靜電干擾 本課題采用不銹鋼材料來做張力儀的導絲器 導絲器 另一端接地 以便將產生的靜電荷及時傳導出去 同時加蓋鋁質儀表殼 用以靜電 屏蔽 這樣一來 靜電干擾的問題就可以得到較好的解決 由于采用了金屬材料做張力儀的導絲器 隨之帶來了金屬材料的耐磨性問題 金屬材料不耐磨 在高速運動的絲條的摩擦下 導絲器極易被磨損 給張力的測量 帶來影響 并使其壽命大大縮短 于是考慮在導絲器內嵌入微型軸承 將滑動摩擦 8 塑豎翌星整壟竺箜里型 墨三蘭莖壟堡望里堂 生 變?yōu)闈L動摩擦 以減少導絲器的磨損 2 1 3 導絲器的內部構造 本課題的導絲器設計參考了德國s c i i m i d t 公司生產的d t m x 系列張力儀 但是由于 其結構精密 無法拆卸以進行研究 所以在陳慶官教授的指導下 根據(jù)所學知識對 其結構進行了猜想 設計 張力儀導絲器的固定導輪和張力輪內部都嵌入了兩個微型滾動軸承 因而轉動 靈活 摩擦阻力很小 使張力儀能準確反映張力大小 具體結構如圖2 3 所示 123 4 l 導輪殼 卜微型軸承3 導輪軸4 一導輪座 圖2 3 張力儀導絲器內部構造 導輪軸3 一端與導輪座4 聯(lián)接 另一端通過兩個微型滾動軸承2 與導輪殼1 聯(lián)接 導輪殼在微型軸承的作用下繞著導輪軸轉動 為了防止微型軸承與導輪殼 導輪軸之間 導輪軸與導輪座之間在導輪運轉時 產生不應有的相對滑動 必須選擇正確的配合 我們采用過盈配合來實現(xiàn)聯(lián)接 過 盈聯(lián)接的結構簡單 定心性好 承載能力較大并能承受振動和沖擊 工作時由于兩 配合件的彈性變形和裝配過盈量 從而在配合面間產生很大的正壓力 靠此正壓力 產生的靜摩擦力來防止兩配合件的相對滑動 但由于聯(lián)接的承載能力直接取決于配 合過盈量的大小 故對配合面加工精度要求較高 由于微型軸承是標準件 因此在微型軸承的配合中 應通過改變導輪軸和導輪 殼的尺寸公差來獲得過盈配合 這樣 微型軸承外圈與導輪殼間采用基軸制 即微 智能雙顯張力儀的研制 第二章張力儀的硬件設計 型軸承外圈是標準軸 導輪殼按圓柱體公差的一般基軸制的孔來制造 微型軸承內 圈與導輪軸的配合采用基孔制 微型軸承內圈的孔是基準孔 導輪軸則按圓柱體公 差的一般基孔制的軸來制造 在導絲座的右端設計了螺紋 使導絲器與測量桿拆卸比較容易 因此可以方便 地更換受損的導絲器 2 2 傳感器的選擇 在幾何量和機械量的測量中 最常用的傳感器是某些金屬和半導體材料制成的 電阻應變片式傳感器 它的工作原理是基于電阻的應變效應 即在導體產生機械變 形時 它的電阻值相應的發(fā)生變化 應變片式電阻傳感器是以應變片為傳感元件的傳感器 它具有以下優(yōu)點 1 精度高 測量范圍廣 2 使用壽命長 性能穩(wěn)定可靠 3 結構簡單 尺寸小 重量輕 因此在測試時 對工件工作狀態(tài)及應力分布 影響小 4 頻率響應特性好 應變片響應時間為1 0 s 5 可在高低溫 高速 高壓 強烈振動 強磁場 核輻射和化學腐蝕等惡劣 環(huán)境條件下工作 6 應變片種類繁多 價格便宜嗍 但同時 它也存在著一些缺點 1 在大應變狀態(tài)下具有較大的非線性 2 輸出信號微弱 3 不適用于高溫環(huán)境中 1 0 0 0 2 以上 4 應變片測出的只是某一面積上的平均應變 不能完全顯示應力場中應力梯 度的情況 1 0 智能雙顯張力儀的研制 第二章張力儀的硬件設計 圖2 4 雙孔粱式力傳感器 本課題采用的正是基于這種應變片式的粱式力電阻傳感器 如圖2 4 所示 為 雙孔粱式力傳感器 多用于小量程工業(yè)電子稱和商業(yè)電子秤 圖2 5 恿斯登全橋電路 在雙孔梁上下表面有四個應變電阻r 心 組成圖2 5 所示的惠斯登全橋電路 當f 作用在雙孔梁時 r r 2 受到拉伸 電阻值增大 r 地受到壓縮 其阻值 減小 此時電橋失去平衡 產生u o 電壓輸出 即 u o u i r r k o i 其中 k 為靈敏度系數(shù) 為應變 u i 為輸入電壓 則雙孔梁的應變?yōu)?3 f d a 2 6 e b h 2 其中d 為梁端到梁中心的距離 6 為梁端到應變電阻的距離 h 為梁厚度 b 為梁 寬度 e 為材料的彈性模量 a 為應變電阻基長 則雙孔粱傳感器的輸出電壓為 u o 3 k f u i d a 2 6 e b h 2 可見 輸出電壓u o 與外力f 成正比 由于雙孔梁力傳感器的4 個應變電阻組成全橋差動電路 故輸出電壓的靈敏度 智能雙顯張力儀的研制 第二章張力儀的硬件設計 高 線性度好 但其輸出電壓為1 0 1 0 1v 級 信號十分微弱 須經一定倍數(shù)放大 才能被計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所識別 此外 當受力點的位置變化時 一孔的彎矩增 加 另一孔的彎矩減少 這可在橋內自動補償 從而提高測量的精度 2 3 放大電路的解析 2 3 1 儀表放大器的發(fā)展與特點 隨著電子技術的飛速發(fā)展 運算放大電路也得到廣泛的應用 儀表放大器為精 密差分電壓放大器 儀表放大器把關鍵元件集成在放大器內部 其獨特的結構使它 具有高共模抑制比 高輸入阻抗 低噪聲 低線性誤差 低失調漂移 增益設置靈 活和使用方便等特點 使其在數(shù)據(jù)采集 傳感器信號放大 高速信號調節(jié) 醫(yī)療儀 器和高檔音響設備等方面倍受青睞 儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端 單端輸出的閉環(huán)增益組件 具有差分輸出和相對參考端的單端輸出 與運算放大器 不同之處是運算放大器的閉環(huán)增益是由反相輸出端與輸出端之間連接的外部電阻決 定 而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內部反饋電阻網絡 儀表放大器的兩個差 分輸入端施加輸入信號 其增益即可由內部預置 也可由用戶通過引腳內部設置或 者通過與輸入信號隔離的外部增益電阻設置 高共模抑制比 共橫抑制比 c m r r 是差模增益 a d 與共模增益 a c 之 比 即c m r r 2 0 崦 o h d h c d b 儀表放大器具有很高的共模抑制比 c m r r 典型值為 7 0 1 0 0d b 以上 高輸入阻抗要求儀表放大器必須具有極高的輸入阻抗 儀表放大器的同相和 反相輸入端的阻抗都很高而且相互十分平衡 其典型值為1 0 9 1 0 1 2 kq 低噪聲 由于儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓 因此儀表放大器不 能把自身的噪聲加到信號上 在l k h z 條件下 折合到輸入端的輸入噪聲要求小于 l o n v h z 低線性誤差輸入失調和比例系數(shù)誤差能通過外部的調整來修正 但是線性誤 差是器件的固有缺陷 它不能由外部調整來消除 一個高質量的儀表放大器典型的 線性誤差為0 0 1 有的甚至低于0 0 0 0 1 低失調電壓和失調電壓漂移儀表放大器的失調漂移也由輸入和輸出兩部分組 成 輸入和輸出失調電壓典型值分別為1 0 0 lv 和2 m v 低輸入偏置電流和失調電流誤差雙極型輸入運算放大器的基極電流 f e t 型輸 1 2 智能雙顯張力儀的研制 第二章張力儀的硬件設計 入運算放大器的柵極電流 這個偏置電流流過不平衡的信號源電阻將產生一個失調 誤差 雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型值為l n a 5 0 p a 而f e t 輸入的儀表放 大器在常溫下的偏置電流典型值為5 0 p a 充裕的帶寬儀表放大器為特定的應用提供了足夠的帶寬 典型的單位增益小 信號帶寬在5 0 0 k h z 4 m h z 之間 具有 檢測 端和 參考 端儀表放大器的獨特之處還在于帶有 檢測 端 和 參考 端 允許遠距離檢測輸出電壓而內部電阻壓降和地線壓降 i r 的影響 可減至最小 2 3 2m a x 4 19 4 內部電路及性能 本課題的張力儀采用m 刪公司的儀表放大器m 讎x 4 1 9 4 m u x 4 1 9 4 是一款增 益可調的高精度儀表放大器 它具有滿擺幅輸出 r a i l t o r a i l 單電源工作 高 精度以及高增益帶寬等特點 這種固定增益儀表用放大器具有一種關斷模式功能 它可以將截止電流降低到8 姒 采用傳統(tǒng)的三運放結構 可以獲得最大的直流精度 m a x 4 1 9 4 具有滿擺幅的輸出 并且輸入端可以在一2 0 0 m v i i v 范圍內波動 其允許 電流只有9 3 雌 單電源工作電壓為 2 7 v 十7 5 v 雙電源為 1 3 5 v 3 7 5 v 該 放大器都采用了8 引腳的s o 封裝 且具有寬工作溫度范圍 一4 0 0 c 8 5 c m a x 4 1 9 4 屬于低功耗儀表放大器 采用三級放大布局 輸入端由兩個工作放大 器組成 他們提供了一個固定增益的差分和一個共模增益 輸出端是一個普通的微 分放大器 它提供了大小為1 1 5 d b 的共模抑制 g i o v v 故m a x 4 1 9 4 的增益可 以完全控制在1 1 0 0 0 0 之間 其內部電路如圖2 6 所示 以往一些應用中 為了 達到高放大倍數(shù)的目的而不得不采用外部多級放大布局 導致了放大后的信號混雜 大量的干擾信號 有時甚至淹沒了有用的信號 m a x 4 1 9 4 由于內部集成了三級放大 布局 在很大程度上消弱了干擾信號的影響 智能雙顯張力儀的研制 第二章張力儀的硬件設計 注 r 1 r 2 2 5 k q 圖2 6m a x 4 1 9 4 內部放大電路示意圖 對該放大器而言 共模輸入范圍都為v 一 0 2 v v c c 1 1 v 理想狀態(tài)下 放大器只 需在i n 玳 兩個輸入端輸入一對差動電壓 如果兩個輸入端保持相同電壓 輸出的就 是v i u w 在礬 礬 兩個輸入端輸入的一對差動電壓 通過增益電阻 從而產生電流 該電流同時也經過兩個輸入放大器a l 和a 2 的反饋電阻 從而產生 個差動電壓 9 v o u t 2 一v o l y r l i g 限1 r g r 1 2 1 其中 v o u t l 和v o u t 2 分別為a 1 和a 2 的輸出電壓 r 6 為增益電阻 r 1 為輸入放大 器的反饋電阻 i g 由下面的方程式確定 i g v 呲 v 玳 r g 2 2 2 2 式代入 2 1 得 v o u t 2 一v o u t v i n v l n 2 r 1 r g 十l 因為 v o u t v o u v o u 所以放大器的輸出電壓表達如下 v o u t v i m 一v i n 2 r 1 r g 1 r 的阻值為2 5 1 7 點陣 對于一個8 位二進制數(shù) 每一個點陣代表十進制數(shù)1 6 得至 的 結果存入d i v r e s 和d i v r e s i 將d i v r e s i 當前值 與d i v r e s 2 前一值 比較 相等 則顯示不變 直接進行數(shù)據(jù)處理 否則調用光指針顯示子程序 然后再進行數(shù)據(jù)處 理 如圖3 2 調用光指針顯示子程序時 先顯示d i v r e s 個 字符 然后將前 一值d l y r e s 2 與當前值d i v r e s i 相減 結果存入d i v r e s 2 若d i v r e s l 小于d i v r e s 2 則 顯示d i v r e s 2 個 字符 否則子程序返回 如圖3 3 所示 圖3 2 光指針主程序框圖 光指針顯示子程序 圖3 3 光指針顯示子程序框圖 望墼翌墨莖查堡塑堡型 莖蘭蘭 莖查些墮整竺j 生 部分程序如下 d i v a bc l r f d i v r e s d i v r e s 1 6 結果放入d i 也s 中 m o v l w 0 f o h a n d w f a c c a f s w a p f a c c a w m o v w fd i v r e s i n c fd i v r e s m o v fd r e s w m o v w f d v r e s l s u b w fd i v r e s 2 w d i v r e s l 與d r e s 2 比較 b r f s cs t a t u s z r e t u r n 相等 返回進行數(shù)據(jù)處理 c a l ld i s p l a y 不等 調用光指針顯示子程序 o v e rm o v fd i v r e s i w d i v r e s l 的值賦給d i v r e s 2 m o v w f d i v r e s 2 用做比較 r e t u r n 返回進行數(shù)據(jù)處理 d i s p l a ym o v l w0 9 0 h 光指針顯示子程序 c a l ls e n d c m d 調用l c d 命令子程序 d i s l 0 0 p 1 c i wb 1 1 1 1 1 1 1 1 c a l l p u t e l c d 調用l c d 數(shù)據(jù)子程序 d e c f s z d r e s f g o t 0 d i s l o o p l m o v fd i 也s 1 w s u b w f d i v r e s 2 f d i v r e s 2 d i v r e s l 結果存 b t f s s s t a t u s c n d i v r e s 2 g o t o0 v e r d i v r e s 2 d 于d i v r e s l d i s l o o p 2m o v i w d i v r e s 2 大于d i v r e s l c a l l p u t c l c d d e c f s zd i v r e s 2 f 智能雙顯張力儀的研制 第三章張力儀的軟件設計 g o t o d i s l o o p 2 r e t u r n 3 2 2 光指針白勺改進 在上一節(jié)中的光指針技術雖然具有先進性 但是其在具體顯示方面還不夠精細 顯示比較的粗糙 它是將5 x 7 點陣作為一個單元 顯示器一行可以顯示1 6 個字符 對于一個八位二進制數(shù)而言 一個字符代表二進制數(shù)為 1 0 0 0 0 因此顯示比較粗 略 所以 在后來的研究中作者考慮將5 7 點陣分成5 個1 7 單元 也即 將顯示精 度提高了五倍 使得光指針顯示變得更加細膩 精確 要想將5 7 點陣分成5 個1x 7 單元 就必須要l c d 能夠顯示出 i 0 舢 洲 川l 這樣的五個字符 一般而言l c d 模塊的顯示內容是由用戶決定的 對字符型而言 有些顯示內容是可以直接從內部c g r o m 中調用的 而有些c g r o m 中沒有的專用字符或符號 則只能由用戶自定義 本文的光指針符號就是屬于這類 自定義符號 3 2 2 1 字符代碼 d 嗽刪d a t a 及c g r 棚首地址關系 k s 0 0 6 6 u p 0 0 的字符發(fā)生器r a m c g r a m 可存儲8 個自行編輯的任意5 7 點陣字符圖形 自編程字符圖形代碼為o o h 0 7 h 或0 8 腫 o f h 共8 個字符圖形代 碼 為了在液晶顯示屏上顯示存儲在c g r a m 中的自行編程的字符圖形 必須把它們 的代碼寫入d i r a m 中 字符代碼 c g r a m 地址 字符圖形之間的關系如表3 1 所 示 表中的 表示既可以為 o 也可以為 l 表中的字符圖形為 中 它 是由8 行0 與1 的組合數(shù)據(jù)表示出來的 此8 行數(shù)據(jù)存儲在c g r a m 的8 個單元中 這8 個單元的c g r a m 地址表示每個數(shù)據(jù)存放在c g r a m 中的位置 它們的0 位一2 位與字符圖形各行的序號相對應 而這8 個單元的地址的3 位一5 位與d d r a m 中 的字符代碼0 位一2 位相同 表示這8 個c g r a m 單元是用來存放同一個字符代碼 所表示的字符圖形數(shù)據(jù)的 一個d d r a m 中的字符代碼0 0 h 或0 8 h 就確定了一個執(zhí) 行編程字符 中 的圖形 換言之 要想取出c g r a m 中的圖形數(shù)據(jù) 必須向d d r a m 中送入4 位一7 位的字符代碼 例如對表3 1 來說 要取出c g r a m 中的字符圖形 中 的數(shù)據(jù) 就必須向d d r a m 中送入代碼 o o h 或 0 8 h 智能雙顯張力儀韻研制 第三章張力儀的軟件設計 表3 1字符代碼 c g r a m 地址 字符圖形之間的關系 字符代碼 d d 礎 嗽撼 西鼬x i 電址竿符圖形e c g 喇據(jù) 76543210 5432107654321 0 融 彘位贏缸馘磊l t讎 00 0 xxx 00100 00 l x 00100 0l0 xx x11111 0 000 x0 00000011 x x 1 0 1 0l 100 xx x 1010 1 10 1 x x11l1l 11 0 xx x00100 1llxx x0 01 0 0 3 2 2 2 確定光指針圖形數(shù)據(jù)及其字符代碼 要精細地模擬光指針 就要先定義五個圖形 l l i m l m 卜 洲i 但其中 l 圖形可以用c g r o m 中代碼為 f f 的字符代替 這樣 只需要定義 四個字符 i i i 洲i i 其中 j 圖形的c g r a m 數(shù)據(jù)為8 個 o h i l 圖形為8 個 1 8 h 圖形為8 個 1 c h 川 則為8 個 1 e h 共 3 2 個字節(jié) 由于k s 0 0 鯽 0 0 模塊只給出c g r a m8 個字符代碼0 0 h 0 7 h 所以 四個圖形的字符代碼自定義為 j 0 0 h 0 0 1 h m i 0 2 h 0 i l 0 3 h 根據(jù)c g r a m 地址確定法 6 位地址中的高3 位為字符代碼的低3 位 郎0 0 h 0 7 h 地址的低3 位是行計數(shù)器的內容 變化范圍從0 0 h 劐0 7 h 由于圖形數(shù)據(jù) 是從第一行依次寫入的 所以在設置c g r a m 地址時 把這三位置 0 這樣用 戶定義的8 個字符的字符數(shù)據(jù)在c g r a m 的首地址固定為表3 2 所示 表3 2 字符代碼與c g r a m 地址對應表 字符代碼c g 齜址字符代碼c g 融 曲址 0 0 h0 0 h o l h0 8 h 0 2 h1 0 h 0 3 h1 8 h 0 4 h2 旺 0 5 h2 8 h 0 6 h3 0 h 0 7 h3 8 h 智能雙顯張力儀的研制 第三章張力儀的軟件設計 3 2 2 3c g r a m 地址設置指令 k s 0 0 6 6 u p 0 0 模塊的c g r a m 地址設置指令格式如表3 3 所示 表3 3 設定c g r a m 地址 l r si v wd b 7d b 6d b 5d b 4d b 3 d b 2d b ld b 0 00o1a c 5a c 4a c 3 a c 2a c la c o 表中a c 0 a c 5 為自定義字符在c g r a m 中的首地址 因此設置某一字符字模 數(shù)據(jù)首地址的指令代碼為 指令代碼 4 0 i i 首地址 因為光指針顯示圖形的字符代碼為0 0 h 0 3 h 所以c g r a m 地址的起始地址為 0 0 h 則指令代碼為4 0 h 3 2 2 4 把圖形數(shù)據(jù)寫入c g r a m 單元內 本文所采用單片機的是p i c1 6 f 7 7 型 其中要用到的寄存器為 p o n t e r l 一數(shù)據(jù)量p o n i t e r 2 一查表偏移量 數(shù)據(jù)寫入及調用的子程序如程序3 4 所示 程序3 4 初始化 m o v l w4 0 h c a l l c a l l m o 唧 m o v w f m o v l w m o v w f l o o pm o v f c a l l c a l l s e n d c m d d e l a y 2 0 h p o n i t e r l 0 0 h p o n i t e r 2 p o n i t e r 2 0 c o n v e r t l p u t c l c d 設置c g 艮 m 地址為0 這樣四個圖形的 顯示代碼就為0 0 h 0 3 h 調用指令發(fā)送子程序 延時 以等待忙指令 調用查表子程序 調用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 塑堡翌墨整壟堡竺翌型 墨三蘭 莖查垡鱉鱉竺堡生 i n c fp o n i t e r 2 1 查表偏移量加一 c a l l d e l a y 調用延時子程序 d e c f s zp o n i t e r l 1 g o t ol o o p 循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù) r e t u r n c o n v e r t l a d d w fp c l 1 偏移量加當前p c l 值 t a b l e l d b 1 0 h 1 0 h 1 0 h 1 0 h 1 0 h 1 0 h 1 0 h 1 0 h d b 1 8 h 1 8 h 1 8 h 1 8 h 1 8 h 1 8 h 1 8 h 1 8 h d b 1 c h l c h l c h i c h l c h 1 c h t c h l c h d b i e h 1 腳 l 刪 1 e h 1 e h 1 e h l e h 1 e h m o v l w 8 0 h 初始化第一行 設置d d r a m 地址 c a l ls e n d c m d m o v l w 0 0 h 顯示第一個光指針圖形 c a l l p u t e l c d m 叫l(wèi) w 0 1 h 顯示第二個光指針圖形 c a l l p u t e l c d m o 刪0 2 h 顯示第三個光指針圖形 c a l l p l l t c l c d m o v l w0 3 h 顯示第四個光指針圖形 c a l l p u t e l c d 3 2 2 5 光指針的形成 光指針的形成是通過軟件控制來實現(xiàn)的 其程序框圖如圖3 1 所示 程序框圖 中的a c c b l o a c c c l o 分剮為存放商和余數(shù)的寄存器 f f 字符為液晶模塊 c g r o m 中字符代碼為 f f 的字符 川 它是由8 個f f h 字節(jié)組成的 與自定 義的四個圖形共同構成形成光指針所需的五種圖形 本程序的光指針是通過外部的 數(shù)據(jù)變化來體現(xiàn)的 涉及到數(shù)據(jù)的采集 a d 轉換以及液晶輸出等一系列過程 智能雙顯張力儀的研制 第三章張力儀的軟件設計 圖3 4 光指針形成程序框圖 程序實現(xiàn)過程中 首先要進行l(wèi) c d 的初始化 包括自定義字符的寫入程序 一 次 d 轉換后得到的數(shù)據(jù)經過數(shù)學處理 在本文中除以1 6 因為所用的l c d 面板一 行可以顯示1 6 個字符 得到商以及余數(shù) 商就是要顯示的主指針 圖形即為上面 所提到的 f f 字符一 i i l l i 而余數(shù)則為尾數(shù)指針 即為上面定義的四個圖形 之一 用來提高精度 本文中由于尾數(shù)指針的存在 使得精度提高了五倍 顯示 流程為先顯示主指針 顯示的個數(shù)為商的大小 接著顯示尾數(shù)指針 框圖中的常數(shù)a 為最低精度 用來確定尾數(shù) 當尾數(shù)小于a 時就不顯示 認為余數(shù)為零 當大于a 時就循環(huán)減a 并將循環(huán)次數(shù)保存在i 中 因為最小精度a 為 洲i 字符所代表的數(shù) 字大小的五分之一 因此i 不會大于五 然后以i 為查表偏移量進行查表 從而確 定尾數(shù)的圖形 具體的對應關系如表3 4 所示 l 尾數(shù)圖形 1 0m l 1 1 1 1 1 il2 3 4 5 智能雙顯張力儀的研制 第三章張力儀的軟件設計 3 2 2 6 顯示效果 顯示效果如圖3 5 所示 照片中為所測電壓從小到大變化而得到的三張雙顯效 果圖 圖中光指針下方的數(shù)字為對應的電壓值大小 可以驗證光指針的正確性 通 過測試和計算 滿屏時輸入電壓為4 9 1 8 v l c d 面板的第一行用來顯示光指針 可 以顯示1 6 個5 x 7 字符 即共可以顯示8 0 列 1 6 5 光指針 最小分辨率可達到 6 1 m v 也就是說精度達到了1 2 5 可以非常細膩地反映出電壓值的變化情況 圖3 5 效果顯示圖 3 2 3 張力平均值 均方差的計算及藜軟件實現(xiàn) 由于在實時梭測中張力的波動情況非常復雜 單單一個即時張力值在某種程度 上不能完金反映出當肘的變化情況 因此 本課題中對張力的測量增加了兩個參數(shù) 張力平均值和均方差 平均值可以用來度量張力的分布位置 即表示張力平均水平的高低 用數(shù)學公 式表示為 i 專善蟹 均方差可以用來度量張力分布的離散程度 即反映張力波 廠了 一 動的絕對值 數(shù)學表摯式為萬2 占善 一 2 通過這兩個參數(shù)的設置 可以更加方便地對張力進行測量和控制 在本課題中 采用r b 0 腳的外部中斷功能進行切換顯示均方差和平均值 當按 下r b 0 腳對應的按鍵時 進入中斷處理 開始對自此以后的2 5 5 個點進行采樣求均 方差以及平均值 并通過l c d 顯示出來 另外 為了使算法簡單化 在程序中對算法進行了優(yōu)化 其數(shù)學過程如下 求平均值工和均方值艿2 智能雙顯張力儀的研制 第三章張力儀的軟件設計 i 2 專善 2 n 2 5 5 船專 一 2 專 一2 x x 2 專 一2 2 專 一2 寺 萬 乞 x 2 專 石 2 專 一 具體的程序流程圖如圖3 6 所示 在主程序中 循環(huán)對當前的張力進行測量和 顯示 同步顯示出數(shù)字量和光指針 當要顯示均方差和平均值時 按動對應按鍵 進入中斷 進行均方差和平均值的計算和顯示 豐翔庠中斷服務子程序 圖3 6 均方差 平均值計算及顯示程序流程圖 呈 一 一南鹵 一 一 智能雙顯張力儀的研制 第三章張力儀的軟件設計 3 2 4 保持功能的實現(xiàn) 由于動態(tài)張力的易變