载荷对比实验中的动态作用力测量系统研制

梁莹林，韦桂亮，李 尤，牟 萍

（电子科技大学 机械电子工程学院，四川 成都 611731）

目前高校理论力学实践教学中，通过渐加载荷、突加载荷、冲击载荷和振动载荷对承载体的作用力特性对比实验，能够使学生对于不同载荷的冲击力大小有一个直观感受，有利于其理解4种载荷的区别，并掌握与之相关的理论知识［1－2］。然而在该实验中，通常是按照渐加、突加、冲击和振动的方式将载荷加到弹簧台秤上［3］，通过人为观察加载时称盘上指针的摆动情况，大致描绘出力与时间的关系曲线。该实验存在以下不足之处：

（1）指针的摆幅大、速度快，难以通过肉眼清楚观察指针的位置，导致作用力数据误差非常大；

（2）绘制力与时间的关系曲线过程中，时间完全靠人估计，不可避免地出现较大偏差；

（3）由于所测数据误差大，只能对实验结果进行定性分析，无法定量分析，因此不利于学生知识面的拓展。

鉴于上述原因，本文研制了一个动态作用力测量平台，利用力传感器感知承载体所受作用力的变化，由信号采集系统进行实时采样和分析，从而实现作用力随时间变化过程的准确记录。

1 系统总体设计

测量系统如图1所示，台秤放置在测量平台的安装台面上，左、右2个压块将其固定，台面下端的平行梁式力传感器感知载荷的变化，传感器信号由测量电路（下位机）放大调理、AD转换后，通过USB总线发送到计算机（上位机）进行记录、分析等操作。

实验过程中，施加在台秤上的载荷与弹簧压缩量成正比，由于传感器与测量平台的刚度相对台秤的弹簧刚度大很多，可近似认为是刚体，则任意时刻作用在传感器上的力F′＝kx＋G，其中k为台秤弹簧的刚度系数，x为弹簧压缩量，G为空载时作用在传感器上所有物件的重量。因此，力传感器所测得的F′值相对于kx就反映了台秤所受动载荷，那么事实上就是对传感器所受的动态作用力进行测量。

图1 测量系统构结框图

1.1 测量电路系统设计

传感器选用广州电测仪器厂生产的YZC－1B全桥电阻应变式力传感器，其量程为10kg，输出灵敏度为2mV／V。采用如图2所示的电路对传感器信号进行调理，电桥5V供电，由3个运算放大器组成了仪表放大电路，其增益由可变电阻R5调节［4－6］。由于传感器只受单方向力作用，因此负载范围0～10kg对应了电桥输出电压的变化范围0～10mV。为了使单片机AD转换范围与之对应，需要将电桥输出信号放大256倍，则负载范围0～10kg对应了电信号范围0～2.56 V。实际应用中，由于传感器电桥电阻误差、放大电路所用电阻的误差以及其他因素引起的输出信号零偏移，可通过调节可变电阻R7改变基准电压值，实现输出信号的零点调节。

图2 传感器信号调理电路

单片机ATmage 32对放大调理后的信号进行AD采样，转换参考电压选择单片机内部基准电压2.56V，转换精度为10位，因此测量系统的理论分辨率为10 kg÷210≈9.8×10－3kg／bit。由实践可知，在本实验的4种载荷信号中，变化速度最快的是振动载荷，频率f范围一般在10～50Hz之间，测量系统的采样频率理论上只要大于2f即可，但是为了更好地反映原信号，测量系统采样频率取400Hz。

AD采样数据通过USB总线发送到计算机，FT245是FTDI（Future Technology Devices Intl.Ltd）公司推出的USB芯片，内部集成了微控制器，把USB通信协议的固件程序直接固化在芯片中，同时还提供了PC端的设备驱动程序和动态链接库（＊.dll），开发过程只需进行必要的硬件设计和简单的软件编程［7－9］。单片机与FT245之间的数据传输是通过8位数据总线以及RD和WR信号完成。此外，测量系统还使用了一块2行16字符的LCD，以2Hz刷新频率显示当前测量值，方便在调试的过程中进行静态校准。单片机与USB接口电路原理图如图3所示。

1.2 上位机软件构成

LabVIEW是美国国家仪器（NI）公司研制的一种图形化程序开发环境［10－12］，拥有较强的数据分析、显示、存储以及外部程序接口能力，因此通过LabVIEW开发平台编写测量系统的上位机软件能够降低开发难度。本文研制的测量电路相当于USB设备，FTDI公司不但为FT245芯片提供了Windows系统下的D2XX驱动程序，还提供了“ftd2xx.dll”动态链接库（DLL），在该DLL库中集成了一系列FT245的操作函数，只要通过LabVIEW 中的“Call Library Function”函数节点就可以手动调用［13－14］。

上位机软件的主程序流程图如图4所示。程序启动后，先进行必要的初始化，然后循环读取、显示、分析、保存USB端口收到的数据。每次读取数据后，都会对信号的时域与频域（功率谱估计）波形进行刷新显示，其中时域波形是用于观察信号的变化过程与规律，而频域波形主要是用于分析振动载荷的激励频率，这使得学生对载荷能够进行量化分析。

图3 单片机与USB接口电路

振动载荷具有持续、周期性变化的特点，在观测窗口中可以比较直观地实时显示，同时也容易记录下来；但是渐加、突加和冲击载荷均属于非周期信号，特别是突加和冲击载荷，其瞬态变化过程不易于捕捉和保存，因此信号幅值需要与一个触发基准值不断比较，当信号值大于该基准值，程序自动将该时刻前、后若干时间长度的数据记录下来［15］，并保留当前信号波形的显示，即定格显示。

此外，渐加载荷信号的变化过程相对其他信号较长，通常是3～10s，因此在人机界面上设置了一个旋钮，观察者可以根据实际操作情况来调节观测窗口的时间长度，范围在1～12s之间（取整数）。测量系统实物如图5所示。

2 系统整体测试

2.1 系统的静态测量

由于在测量电路中，单片机对AD转换后的数据已经换算成质量单位，并且显示在LCD上，而上位机只对测量电路发送的数据乘以重力加速度，因此在采用M1级标准砝码对测量系统进行静态校准时，可以用LCD所显示数值作为系统读数。从表1所示的正向和反向加载校准数据中可知，测量系统的静态测量误差为约1.4%；回程误差约为1%。

图4 系统主程序流程图

图5 测量系统实物

表1 静态校准数据表

2.2 系统的动态测量

根据实验课要求，取一袋质量为0.5kg的石英砂作为载荷，由于上位机以力单位显示，重力加速度取9.8N／kg，那么石英砂的重量Q相当于4.9N。未加载时，作用在力传感器上的初始重量G为20N。

测得的各种载荷信号见图6。渐加载荷是连续、缓慢地将石英砂倒在台秤称盘上。从图6（a）可观察到作用力由20N逐渐平缓地变化到约25N，过程持续时间大约为3.5s。

突加载荷是将石英砂袋用手提起，使其处于与台秤刚刚接触的位置上，突然释放。从图6（b）可观察到作用力出现了一个持续时间大约1s的波动，这是由于突然施加的力，激发了弹簧台秤固有频率（大约为5Hz）所产生的振动。但是因为阻尼的存在，作用力逐渐趋于稳定的25N。整个过程中，作用力最大值达到30N，也就是说台秤所受的动载荷约为10N，这与突加载荷理论值为2Q相符。

将石英砂袋提离台秤约3cm高度后自由落下，使其对台秤产生冲击载荷，从图6（c）可观察到作用力的波动过程与突加载荷类似，但是持续时间更长，变化更剧烈，这与客观事实也相符。

振动载荷则将安装了偏心轮的电机放在台秤上，作为激励源产生交变作用力。图6（d）是振动作用力的时域变化波形，图6（e）是其功率谱估计，在40Hz处出现了一个明显的峰值，这表明该值为振动载荷的频率。

图6 实际测量波形

3 结束语

本文所研制的动态测量系统能准确地记录4种载荷对承载体的作用力特性，避免了人工记录造成的误差，降低了实验操作的难度，为实验结果的量化分析以及课程教学的拓展提供了平台。同时，实验系统的添加，既不影响原实验装置的力学原理，也无需对其进行改造，因此具有较好的应用前景。

（References）

［1］庄表中，王惠明.理论力学怎样上好实验课［J］.实验技术与管理，2007，24（10）：320－322.

［2］谢列敏.通用动载荷实验装置的研制［D］.南京：南京航空航天大学，2008.

［3］庄表中.理论力学多功能实验台：中国，CN2521682［P］.2002－11－20.

［4］崔利平.仪表放大器电路设计［J］.现代电子技术，2009，298（11）：87－89.

［5］魏智.仪表放大器及应用［J］.国外电子元器件，2004（5）：75－77.

［6］戴杰，宾浩，庄知龙，等.一种数控高增益测量放大器的设计［J］.数控技术，2009，288（1）：110－119.

［7］徐锋.基于FT245BM的快速 USB接口设计［J］.电子工程师，2007，33（3）：59－61.

［8］Future Technology Devices Intl Ltd.FT245BL data sheet［EB／OL］.［2012－10－25］.http：／／www.ftdichip.com／Products／ICs／FT245B.htm.

［9］石波涌，应文威，蒋宇中.基于FT245BM的数据采集系统设计与实现［J］.舰船电子工程，2010，30（12）：125－129.

［10］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007：1－41.

［11］李成，孙彦锋，宁琦.基于LabVIEW的便携式多通道温度数据采集系统设计［J］.光电技术应用，2009，24（6）：47－50.

［12］杨灵，周正达，张蕴玉.基于USB和LabVIEW开发平台的虚拟仪器的设计［J］.计算机与数字工程，2007，35（3）：172－178.

［13］梁庆中，夏益民，王广君.基于DLL的虚拟仪器设计［J］.计算机仿真，2004，21（7）：178－193.

［14］车新生，何永杰，张中祥.基于USB和LabVIEW的虚拟仪器的设计［J］.沈阳工业大学学报，2005，27（4）：431－434.

［15］黎明安，李会侠，曹升虎.动态测试实验教学软件的开发［J］.实验室研究与探索，2003，22（3）：36－37.