基于 LabVIEW 的电镜拉伸台控制系统设计

 

本文针对在电镜中使用的拉伸台所设计的一套控制系统,包括硬件和软件两部分,其中

硬件包括:电机驱动以及力、位移传感器信号的预处理和采集。本系统所用的拉伸台具有尺

寸小、行程短、提供的载荷大以及运动精度要求高的特点。通过对力、位移传感器信号进行

一定的预先处理,利用 LabVIEW 软件通过采集卡进行采集、处理之后实现初始信号的实时显

示、保存;同时通过一定的反馈调节实现对拉伸台的控制。

1 拉伸台结构

拉伸台技术指标如表 1 所示,系统中的拉伸台是置于电子显微镜中,用于支撑、固定试

件,并通过拉伸台的水平运动实现对试件的加载,从而使电子显微镜能够观察到材料的变化;

该拉伸台具有尺寸小、行程短、提供的载荷大和运动精度要求高等特点。


如图 1 所示,拉伸台由位移、力传感器夹具传动装置和电机等构成;其中包括传动装置

和夹具在内的拉伸台主体采用不锈钢材料。


在传动装置中采用齿轮副实现变速功能,为保证运行过程中的精度,其中齿轮加工的精

度较高。

为了节省空间,将夹具通过螺纹与丝杠连接,实现夹具的联动。同时,还设计了试件的

夹具,用于固定试件和安装传感器,其中传感器固定在槽的四壁。通过夹具前端的回形槽和

螺钉孔实现固定试件,通过沉孔固定夹具。

2 控制系统硬件介绍

在对试件进行加载的过程中,要求能够对试件受力的实时监测以及对拉伸、压缩速度的

控制,所以需要采集力传感器和位移传感器的信号,同时控制电机的转速。


2.1 信号采集卡

本系统采用的是恒凯 USB6202 数据采集卡,包含 32 路模拟输入通道、4 路模

拟输出,16 位分辨率;48 条数字 I/O 端口;用于采集力、位移传感器的信号同时输出电机

驱动信号。

2.2 电机驱动模块以及信号处理模块

本系统所使用的电机是 FAULHABER 公司的 2642CR 系列直流电机,额定驱动电压是 12V,

其两端压差由驱动模块输出信号控制,驱动模块输入信号由 USB6202 采集卡产生电机驱

动采用的是双 675 运放差动放大电路,采用差动电路是为了能够有效屏蔽共模信号。电路图

如图 3 所示,经标定,输出电压与输出电压呈现较为精确的线性关系,标定数据一次二次的

拟合结果误差均小于 0.5%。


由于位移信号的范围与采集卡的采集端输入范围不匹配,对于位移信号,通过将其移位、

放大的方式使其能够完整地利用采集卡的输入范围;另一方面为了能够监控整个拉伸台行程

的传感器信号,同时更有效地处理拉伸台有效行程的传感器信号,设计了两路移位放大但具有不同放大倍数的电

 

xzhktech.com 恒凯 10:59:08

路来实现上述功能。由于力信号比较微弱,力传感器采用的是电桥电路,

同时设计一个可调电阻,保证对试件加载前力信号输出为零。如图 4 所示。



考虑到人机交互界面的设计和控制系统本身硬件的需求,本系统的软件设计平台是

LabVIEW,从功能上来说,本控制系统主要分为以下几个部分:

3.1 电机驱动程序

电机驱动程序的功能主要是控制 USB6202 采集卡输出电机驱动电路的输入信号,从

而控制直流电机和拉伸台的运动过程。

驱动过程:于前面板操作时控制实际直线运动速度,在程序内部通过位移传感器标定数

据将其转化为直流电机两端电压,再通过电机驱动电路输入输出标定结果,将其转化为驱动

电路的输入,最终控制采集卡输出。

3.2 信号采集和处理

整个控制系统最重要的就是对于位移、力信号的采集和处理。在 LabVIEW 中提供专业的数据采集和输出模块 DAQmx,在本系统中,采用多通道同时采集的模式,采集力、位移传感

器的信号,针对存在的噪声等干扰信号,采取平均法,取一定时间内的采样数据求取算术平

均值,作为样本。

在采集过程中,可以通过程序实现对采集过程的控制:控制是否采集、采样周期的调整

和采样结果显示图像的调整。

是否采集以及采样结果显示图像的调整,LabVIEW 能够很简单地实现。

由于 LabVIEW 本身的局限性,如果直接调整采样周期,可能会导致程序运行的不畅,甚

至会出现错误,因此采用间接调整的方法。调整程序如图 6 所示。


程序内部预设了采样频率 1000Hz,采样数为 20,即每秒钟采 1000 个点,每 20 个数据

输出一次。如果外部设置采样周期为 500ms,即原来的每秒 50 数据输出变为每秒 2 组数据

输出,则用程序控制每 25 组数据输出 1 组即可。

在数据采集完成之后,则可以通过力、位移传感器的标定结果转化为原始数据,利用

LabVIEW 本身自带的 PID 和模糊逻辑工具包实现其速度控制和调节。

3.3 数据保存和导出

在实验完成之后,如果想要保存实验数据和显示的图像,可以通过“保存文件”功能分

别保存为以 txt 和 bmp 为后缀的文件,在保存的文件中还会包含实验的一些基本设置,包括

采样周期、试件的尺寸等;同时如果想打开之前保存的文件,也可以通过主程序来完成,保

存的上述数据也会加载进来。

如果想要将多次实验的数据和图像整理为一个报表的话,也可以通过主程序的“生成报

表”功能来实现,通过依次添加数据和图像文件来完成报表生成。

4 实验结果

图 7 和图 8 为实验结果,试验中采用的试件材料为 42CrMo。


5 结束语

针对提供

 

xzhktech.com 恒凯 10:59:09

的拉伸台以及配套的位移传感器和信号传感器,本文设计了电机驱动和传感器

信号处理硬件模块;同时针对硬件设计了信号采集程序以及控制信号的输出程序,在此基础

上构建了控制系统的整体程序。通过实验,系统完成控制和采集信号的功能并达到相应的精

度要求。

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附:本系统所采用的恒凯USB6202-S 采集卡 这款采集卡提供丰富的功能函数接口,编程上也很简单。

HK-USB6202-S V1.1(购买链接)

l AI:16bit,200Ksps,4 通道同步采集,多量程可选。

l AO:12bit,2 通道,10V 量程。

l DIO:32 通道,5V 电平。

l 附加功能:2 通道 PWM 测量,2 通道 PWM 输出

 


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