基于虚拟仪器技术的光电测速装置的现场校准系统

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

落锤冲击试验，通常是将一定质量的重锤提升到某一高度后释放，通过锤体的自由落体运动将重力势能转换成冲击能量，或者锤体在预加力机构作用下，获得一定的初始速度，对被测试样（片、薄膜、制品）施加垂直方向的一定冲击能量，来验证试样承受冲击载荷后的变形情况，进而确认试样的抗冲击能力[1]。落锤的冲击能量是由落锤的质量和冲击瞬间的速度决定，因此，确定冲击能量关键就在于获取冲击瞬间的速度[2]。由于光电型测速仪的高性价比，在冲击试验中被广泛应用于瞬时速度的测量。在这些试验中，瞬时速度测量结果反映了试样承受冲击的具体状态，测量结果的准确性决定试验的质量。因此，光电型测速仪自身的准确程度必须得到确认，以判断是否符合试验的要求。然而这些光电测速仪的工作一般都是和辅助系统集成在一起，难以拆卸送检。即便拆卸送检也可能脱离原系统的部分机构而无法正常工作。对于冲击过程的测量，通过加速度传感器计算冲击载荷为间接测量，对传感器的准确度要求高[3]；通过加速度二次积分计算位移存在传感器零飘和电磁干扰而导致精度降低的可能[4]；通过高速相机和高速激光位移传感器测量位移需要的硬件成本较为高昂[5-6]。因此，本文基于LabVIEW设计了一种便携光电测速装置的现场校准系统，提出了通过背靠背安装标准光电传感器和被测光电传感器对现场的光电测速装置进行性能确认和数据处理的方法。

1 系统组成

系统组成主要包含光电传感器和数据采集处理模块，如图1所示。光电传感器选用TEOPTO公司型号为BGL 50A-004-S50的光电传感器，工作电源为10 ～ 30 V。传感器工作时，如果传感器的出射光和接收端之间无遮挡，传感器的输出为常开或常闭；如果传感器的出射光和接收端之间有遮挡，传感器的输出相应转换为常闭或常开。因此，当遮光片穿越传感器的发射端和接收端的缝隙时，传感器的输出理论上会产生从低电平到高电平再到低电平或从高电平到低电平再到高电平的矩形波信号。

信号采集处理模块采用美国NI公司的9232数据采集卡，可采集±30 V范围内模拟信号，配合基于TSN的以太网cDAQ-9185机箱搭建的系统方便携带，通过网络远距离传输数据，避免测试人员在落锤试验的危险区域开展校准。

图1 系统组成

2 程序开发与算法设计

光电测速装置现场校准系统，采用基于LabVIEW的虚拟仪器技术，与计算机简单连接，通过设计或调用特定的程序模块，自定义友好的人机交互界面，创建符合工程师使用习惯的测量系统。LabVIEW程序中主要包含：人机界面、各功能模块（如参数设置、数据采集、数据记录、数据处理）以及触发停止等的逻辑判断。程序流程图和人机界面分别如图2、图3所示。

图2 程序流程

图3 人机界面

3 试验验证

将标准和被测光电传感器背靠背安装，如图4所示，测量两者的光点之间的高度差（通常光点在光电传感器的中心位置，可认为是背靠背安装后连接体的厚度的一半），逐次提高落锤的高度，记录每次的高度h和光电传感器输出信号。光电传感器输出信号的波形图示例如图5所示。其中X所在的上升沿和下降沿就是遮光片的上下边缘经过光电传感器的瞬间，提取上升沿和下降沿中最靠近电位中心线的点作为脉冲的两端，计算脉宽t。

图4 安装测量示意图

图5 光电传感器输出信号

假设：每次落锤冲击试验的初速度v0和加速度a是一致的，一共有效测量n次。对于第i，j次测量，计算如下：

式中：ti；tj—— 第i，j次遮光片上下边缘穿越光电传感器的脉冲持续时间；

vi；vj—— 第i，j次遮光片中心线经过光电传感器的速度；

hi；hj—— 第i，j次遮光片中心线距离光电传感器中心线的高度；

ai，j——基于hi～hj落锤冲击过程的加速度

对于某型商用落锤冲击试验机现场测量的数据如表1所示，平均加速度计算结果为9.541 m/s2。

表1 现场测量结果

从测量结果可以看出：

1）修正后的测量结果和仪器显示值基本一致，说明本文介绍的方法和设备的性能可靠，方便携带，便于溯源。

2）实际平均加速度小于重力加速度，采用v=数学模型[7]，计算值比实际值偏大。因此，忽略冲击过程的摩擦力、空气阻力，认为落锤的重力势能全部转化为落锤接触试件时的动能是不合适的[8]。

4 结语

1）本文介绍的光电测速装置现场校准系统通过提取遮光片穿越光电传感器持续的脉冲时间，利用安装位置的高度差对测量结果进行修正，测量结果符合预期。

2）本文介绍的光电测速装置现场校准系统虽然都是针对落锤冲击测量系统，不过对于初速度和加速度都没有要求，理论上适用于每次冲击的初速度v0和加速度a是一致的所有情况，包括水平和斜面。

3）程序设计中，为了提高数据的有效性，避免记录触发前后的无效数据，循环采集设置的时间长度比较小，本文采用的是1 ms，使得记录的光电信号矩形波形不甚美观，有必要设置触发前记录数据和停止后记录数据。

4）上升沿和下降沿过程中存在多个数据记录，上升沿和下降沿中最靠近电位中心线的点作为脉冲的两端是否符合光电传感器的运行原理，不同的光电传感器之间的一致性如何有必要继续研究。