落錘試驗機的控制系統

本文的目的是設計一種基于pxi數據采集卡的落錘試驗機系統，并對其信號檢測、顯示和落錘試驗機控制系統進行重新設計。通過上位機的簡單操作，實現了沖擊試驗、制動、沖擊、信號檢測、顯示和數據分析等功能，實現了錘試驗機的智能化和自動化。此外，落錘試驗儀還可以通過bp神經網絡算法分析和學習實驗數據。當改變測試所需的波形峰值或脈沖寬度時，將根據學習結果提供推薦的表高和墊厚。

1 沖擊試驗原理

在沖擊試驗中，實驗材料直接固定在工作臺上或用夾具固定在工作臺上，工作臺升高到一定高度，釋放后自由下落，使工作臺底部與底座上的波形發生器碰撞，使工作臺承受向上沖擊載荷和脈沖載荷。由表生成的樣本傳送到固定在表上的樣本上，從而實現固定在表上的目的。產品對桌子的影響。另外，在平臺上安裝加速度傳感器，測量平臺加速度，繪制加速度時間曲線，并與標準波形進行比較，分析測試數據。

通過相應的信號調節電路，將加速度傳感器轉換成可采集的電壓信號，并與pxi數據采集卡的模擬信號采集通道連接。pxi數據采集卡的數字i/o端口通過i/o控制板控制液壓設備。并收集編碼器，關閉開關輸出信號。

2 加速度采集

加速度計是一種能夠測量加速度的電子設備。常用的加速度計主要是壓電式的。原理是使用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應。當加速度計振動時，質量被施加到壓電體上。組件上的力也會發生變化。當測得的振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，力的變化與測得的加速度成正比[3]。

常用的加速傳感器有帶電加速傳感器（pe）和電壓型加速傳感器（iepe）。根據測試對象和測試環境的不同，將會選擇不同的加速度傳感器，因此這個落錘測試儀與這兩個加速度傳感器同時兼容。

2.1電荷型加速傳感器

顧名思義，電荷型加速度計具有帶電的輸出信號，并且需要外部電荷放大器將高內部電阻電荷源轉換為低內部電阻電壓源。其信號調理電路如圖2所示。

C1是反饋回路電容。由于反饋電容遠大于電纜電容和運算放大器的輸入電容，根據運算放大器的虛擬接地原理，可以認為：

從上述公式可以看出，電荷放大器的輸出電壓僅與反饋電容有關。此外，可以調整后級反向放大器的電阻r1和r2，以滿足采集電路的需求。

2.2電壓型加速度計

電壓加速度傳感器是一種獨立的電荷放大器或電壓放大器傳感器，具有放大器和恒流源。電流源將電流引入加速度傳感器，放大器允許設置輸入范圍以充分利用輸入信號。加速度傳感器的內部電路使它的行為像一個電阻到外部。傳感器的加速度與其外部電阻成正比。因此，傳感器返回的電壓信號和加速度也是成比例的[3]。需要一個24 V 4 mA恒流激勵源為電壓加速度傳感器供電。

lt3092是一種精密恒流源器件。該裝置的輸入電壓為1.2～40v，滾針具有初始精度和低溫系數。目前的監管業績優于百萬分之10。此外，裝置內部還有反向電壓、反向電流保護、電流限制和熱量限制。它只需要外部電阻器的轉速和轉速來調節輸出電流，其關系如下面的公式所示。

2.3 濾波電路

此外，通常存在電磁干擾，例如工業領域中的電磁干擾，其通過傳感器耦合耦合到電路中。這些干擾將導致收集數據的混疊失真，因此需要在采集之前設置濾波。該電路還設計有二階巴特沃斯低通濾波器和二階高通濾波器，分別濾除高頻噪聲和低頻噪聲。電路如圖3右半部分所示。

3 I/O控制設備

本設備的控制采用上位機操作方式，保證了設備的自動化和智能化。主要控制裝置有編碼器、氣動液壓設備和接近開關，通過PXI數據采集卡的數字I/O口進行控制和采集。由于PXI數據采集卡不能直接采集和控制這些設備，因此本文設計了I/O控制板。

3.1 編碼器

zsg 6206-001 c-400bz3-5f是一種增量編碼器，它將位移轉換成周期性的電信號，然后將這個電信號轉換成計數脈沖。每個計數脈沖代表一定的旋轉角度。轉換成弧長是計算脈沖表上升的高度。上面的計算機通過計算接收到的脈沖數來計算當前表的高度。

編碼器工作在5 V，輸出為推挽輸出。輸出脈沖信號可以直接由數據采集卡的數字I / O端口獲取。分辨率為400P / R，齒輪直徑約為4000毫米。也就是說，每個脈沖為10毫米。

3.2 氣壓液壓設備

該落錘試驗機采用氣缸裝置保證工作臺的穩定性，采用氣動裝置抱閘，配合制動部件實現及時制動，防止工作臺受到二次沖擊而損壞。

氣壓和液壓設備使用三個四向電磁閥進行控制。其控制電路如圖4所示。三段式四路電磁閥可以改變左、中、右位置。當閥芯處于中間位置時，每個油口不連接。當閥門核心在左側位置時，可以看到油道可以通過p出口進入，b出口連接到t出口。當閥芯處于正確位置時，油路可以從p出口出口出口進入b出口，而一個出口和t出口相連。

PXI數據卡的數字I / O端口通過兩個PNP三極管和兩個固態繼電器控制三位四通電磁閥的兩個線圈，從而實現電磁閥的開/關。

3.3 接近開關

接近開關位于提升桿的上部和下部。其作用是確保當沖擊平臺達到規定高度并下降時，氣缸已降至底部。

lr 18bn08dno是接近開關的npn輸出型，因此其信號輸出不能直接連接到數字卡的數字i/o端口，因此電路設計如圖5所示。

接近開關原理顯示在上圖的左側。輸出端口是內部NPN的收集器。從NPN晶體管的工作原理可知，通過改變連接到開關控制環路的基極信號，輸出信號為24V或輸出信號。 0 V.如圖的右側所示，設計了光耦隔離控制電路。光耦隔離模塊為TLP521。 TLP521內部的LED由串聯的限流電阻觸發。 LED的開/關控制控制后一級的NPN晶體管。輸出水平。

4 PXI數據采集卡

在對現有落錘試驗機的研究中發現，落錘試驗機的采集與控制設備大多是基于DSP或其它單片機設備。這種設備的優點是系統成本低，但穩定性和模塊性不夠，不利于后期的擴展和移植。為此，研制了一種基于PXI數據采集卡的落錘試驗機。

pxi系統包括底盤、pxi背板、系統控制器和外部模塊。系統控制器，即cpu模塊，通常位于底盤左側的第一個插槽。它可以直接連接到顯示屏、鼠標等，并通過ni提供的labview軟件控制外部模塊。系統控制器左側會留下幾個插槽，以方便外部擴展。

該系統采用的數據采集卡為NI PXI-6229，具有32位16位分辨率A / D通道，采樣率高達250 KS / s，充分保證了加速度信號采集的實時性和完整性;有48個雙向數字I / O端口，時鐘頻率為1 MHz，用于設備控制的時間控制。

5 上位機設計

主機接口主要分為三個部分，即數據顯示，數據分析和設備控制。

通過對現有的錘頭試驗機的調查，會發現當撞擊試驗往往是基于實驗者的經驗，即面對不同的試驗材料，不同的波形峰值和脈沖寬度要求，要舉起的表的高度和波形發生器添加的緩沖區的厚度完全由實驗者的經驗決定。如果您改變了一個沒有經驗的實驗者，您可能需要多個近似測試來滿足測試要求。本文提出了一種基于bp神經網絡的學習算法，由于波形發生器材料、表高、材料重量等因素的影響，在沖擊試驗中得到的特定波形的脈沖寬度和峰值。通過對某樣品的實驗數據的學習，該算法將通過在新試驗中輸入實驗材料的重量來顯示所提出的表高和墊厚。

通過BP神經網絡訓練后，神經網絡的輸出將與其輸入有一定的對應關系。通過對20組樣品的測試，選擇一些測試結果，如表1所示。

當選擇不同重量、不同脈寬、不同波形峰值的測試材料時，預期輸出和實際輸出會產生不同的誤差。對上述數據的分析表明，當臺面高度H在高程中間時，誤差率往往較??；當材料重量可忽略不計，臺面重量不定時時，誤差率較大。雖然BP神經網絡訓練后仍存在一些誤差，但誤差率小于10%。因此，BP神經網絡學習算法的擬合結果具有很好的參考價值，可以幫助實驗人員進行實驗。

6 結束語

設計了一種基于pxi數據采集卡的下錘式測試系統。上半身可以幫助測試人員學習bp神經網絡的樣本數據。該系統具有自動化程度高、穩定性好、擴展方便等優點。對本文設計的電路進行了理論驗證和實踐驗證，該錘試驗機運行良好，可靠性高。