李成伟,胡瑞强,战利伟
(哈尔滨工业大学 电气工程与自动化学院,黑龙江 哈尔滨 150001)
·实验仪器研制·
一种倾斜撞击的实验装置
李成伟,胡瑞强,战利伟
(哈尔滨工业大学 电气工程与自动化学院,黑龙江 哈尔滨 150001)
在教学过程中培养学生分析问题以及解决问题的能力非常重要。该文结合加速度传感器、力学传感器,系统地搭建了斜杆碰撞试验装置。通过斜杆在不同的倾斜角度下落与撞击块进行撞击,能够测量在不同条件下所产生的加速度以及力学信号。撞击时所产生的数据通过Labview软件进行采集并存储,分析和显示通过Matlab软件实现。通过此试验能够加深学生对碰撞现象的深刻理解。
倾斜撞击;传感器;测量;装置
具有相对运动的两个物体,当其相互接触并迅速改变其运动状态的现象叫作碰撞。碰撞按照碰撞角度可以分为正碰(对心碰撞)及斜碰(非对心碰撞)两类。碰撞现象对人们来说有些是有利的,像各种冲压机、打桩机、炮弹穿甲等;而有些也是有害的,像汽车碰撞等等。如果能够让学生在学习碰撞的基本原理的同时,还能将理论运用到实际的情况当中,这样不仅能够培养学生分析问题、解决问题的能力,而且还能锻炼学生的动手操作能力[1-3]。基于以上目的,哈尔滨工业大学测控技术与仪器实验中心开发了斜杆碰撞测量系统。
如今现代化建设过程中,存在着许多复杂的碰撞现象[4-6],而在工业生产过程中大多数碰撞都是有害的。如果能够发现其潜在的规律性,可以在一定程度上减轻及消除由于碰撞所带来的危害并能为人类服务。然而,学生只能从教材中学到关于碰撞的基本原理,很少有机会能够将所学到的相关知识运用到实际的生产生活中去。为了能够让学生比较直观的了解碰撞现象。本文设计了一套能够测量斜杆碰撞的试验系统。通过此试验系统,学生能够更好地体会到碰撞过程基本原理及实际应用的价值。其实验装置如图1所示。
图1 试验装置结构图
该试验装置主要由撞击块、力传感器、加速度传感器、摆杆、信号调理器及PC机等构成。试验时将摆杆摆动到指定角度,然后让其自由摆动。当达到水平位置时,摆杆与水平固定放置安装在撞击块上的力传感器进行相互撞击。在此过程中,能够获得撞击过程中所产生的加速度及力信号。此装置能够实现摆杆与水平方向夹角90°范围内的任意方向进行摆动并与力传感器进行撞击。
近年来,Labview软件广泛应用在许多工程领域当中[7-9]。此款软件由美国国家仪器(NI)公司研制开发,并且与其他计算机语言(如C语言和Basic语言文本编辑软件)的最大区别是使用图形化的编辑语言G来编写程序的。这款软件可以使非计算机专业技术人员容易编制出想要的程序。基于此软件的优点,在本文系统中采用Labview软件来进行编程[10]。此程序主要能够实现数据采集、存储等功能。Labview所编写的程序框图如图2所示。
图2 Labview程序框图
为了更快的存储数据,将数据保存为TDMS格式并且可以方便对数据进行分析。以便让学生们对碰撞过程的特点更加理解。利用Matlab软件对采集到的数据进行读取及显示。
对测量信号进行滤波处理(主要对加速度信号进行滤波处理,力信号属于脉冲信号,包含较少噪声不需要对其进行滤波,其测量结果如图3所示(斜杆与竖直方向夹角为21°时撞击的信号)。从图3 中可以观察到当斜杆与撞击块进行撞击时,加速度信号呈振荡衰减趋势最终趋于稳定,说明碰撞时斜杆速度在逐渐减小至最终静止。而从碰撞所产生的力信号中可知,出现了3个尖峰。这种现象说明碰撞时斜杆与撞击块进行碰撞并非碰撞一次就静止而先是碰撞然后反弹接着再与撞击块进行碰撞并且冲击时间非常短(大约在几百微妙之间)。另外,为了观察不同角度的冲击现象,每隔7°做碰撞试验,其测量结果(加速度及力值)如表1所示。从表中可以看出随着冲击角度变大,其加速度及力值也随着变大,撞击块所发生的弹性形变越大。同时对每个角度做10次试验,其试验结果与表1结果几乎一致(噪声所导致测量结果略有偏差)。在本文系统中所选择的数据采集卡的型号为研华PCI-1706U,此板卡能够满足同时采集8通道的信号,其最高采样率为250 kHz。
表1 不同摆角下力及加速度值
哈尔滨工业大学测控技术与仪器实验中心采用力触感器以及加速度传感器完成了冲击碰撞试验。通过此实验,能够让学生了解并掌握碰撞的基本原理及测量过程,这对学生在以后走向工作岗位颇有益处。
图3 测量数据
[1]张剑荣,刘超,孙尔康,等.实验教学与创新人才培养[J].实验技术与管理,2008,25(8):20-21.
[2]邵晓玲,陈永泰,杜建国,等.实验教学与创新人才培养[J].实验科学与技术,2011,9(1):169-172.
[3]刘颖,李成伟,战利伟.一种气体流量的计量实验装置[J].实验科学与技术,2013,11(5):187-188.
[4]胡时胜,王道荣.冲击载荷下混凝土材料的动态本构关系[J].爆炸与冲击,2004,22(3):242-246.
[5]蒋鹏,李荣强.强夯大变形冲击碰撞数值分析[J].岩土工程学报,2000,22(2):222-226.
[6]杨辉,王雍,陈碧峰,等.汽车碰撞试验中异常加速度冲击信号的分析[J].汽车技术,2008(9):39-42.
[7]陈敏,汤晓安.虚拟仪器软件LabVIEW与数据采集[J].小型微型计算机系统,2001,22(4):501-503.[8]黄豪彩,杨灿军,陈道华,等.基于LabVIEW的深海气密采水器测控系统[J].仪器仪表学报,2011,32(1):40-45.
[9]徐宏坤.基于LabVIEW远程监测平台的研究[D].成都:成都理工大学,2008.
[10]杨乐平.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2003.
AObliqueImpactExperimentDevice
LI Chengwei,HU Ruiqiang,ZHAN Liwei
(School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,china)
It is very important to cultivate the students’ ability to analyze and solve problems during the teaching process.Combining with acceleration sensor and mechanical sensor,the oblique impact experiment device is constructed.Through the diagonal bar at different angles of inclination and impact block impact,it can be measured under different conditions generated by the acceleration and mechanical signals.The impacting data is collected and stored through the Labview software,analyze and display through matlab software.Through this test,it will deepen the students’ understanding of the phenomenon of collision.
oblique impact;sensors;measurement;experiment
2016-01-03;修改日期:2016-03-18
工业和信息化部实验教学示范中心建设项目(2012年11月)。
李成伟(1963-),男,博士,教授,主要从事过程检测与控制方面的研究。
战利伟,博士生,主要从事仪器设计、信号处理方面的研究,zhanliwei333@163.com
TH73
A
10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.038