基于STM32的某装备后座复进系统密封性能全自动检测仪

董玉婕，郭 磊，张 志，马双宝，贾树林，林 巍

董玉婕1，郭 磊2，张 志3，马双宝*1，贾树林1，林 巍1

（1. 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200；2. 陆军装备部驻武汉地区第二军事代表室，湖北 武汉 430200；3. 中国人民解放军第3303工厂，湖北 武汉 430200）

针对某装备后座复进系统密封性能的人工检测费时、费力且效率低下等问题，本文设计了一种基于STM32的后座复进系统性能全自动离线检测仪。该仪器采用32位单片机STM32F429IGT6作为主控制器，控制液压泵驱动千斤顶对后座复进系统模拟施加0-100KN之间的压力，同时采用高精度压力传感器FCY-10100和高精度激光测距传感器HG-C1100-P检测复进系统受力过程中的压力与位移实时值，绘制出系统在加载和卸载过程中位移-压力关系图，以此判别复进系统的性能。经过实测，该仪器检测精度高，性能稳定，可准确判别复进系统的密封性能是否合格。

复进系统；密封性能；高精度压力检测；高精度位移检测

某装备后座复进系统的密封性能直接决定该整套装备的工作效率与使用寿命，也是该装备维修的重点环节。该复进系统的传统检测方式是人工方式，通过手摇千斤顶的方式对后座复进系统施加力的作用使其向上运动，同时采用刻度尺测量出缓冲器向上移动的距离值，根据施加力的大致范围和移动的距离来判断缓冲器装配后的性能是否符合标准。这种传统的人工检测方式不仅费时费力、效率低下，而且存在多方面的测量误差且没有严格准确的判断标准，因此人工检测的方式存在很大的缺陷。

针对目前市场上未有关于该装备复进系统的全自动检测仪器的现象，本文设计了一款基于STM32的复进系统全自动离线检测仪器。该仪器采用控制器控制液压泵与电动千斤顶模拟复进系统的运动状况，采用高精度压力传感器与位移传感器检测复进系统加载与卸载过程中受力-位移关系曲线，进而判别复进系统的密封性能是否合格。使用该检测仪器不但可以有效地避免人工检测存在的缺陷，同时可以应用于大批量的装备后座复进系统性能检测，在提高检测效率的同时也保证了检测精度，降低了人工成本，实现了装备性能检测的自动化。

1 检测仪器的整体设计思路

后座复进系统密封性能全自动检测仪的设计思路是将复进系统固定在台架上，通过微控制器STM32F429驱动液压泵控制电动千斤顶对复进系统施加力的作用，模拟该复进系统的工作状况，同时采

图1 后座复进系统密封性能全自动检测仪的设计方案

用高精度压力传感器与位移传感器检测复进系统加载和卸载过程中受力与位移的关系曲线，以此判别该复进系统的密封性能是否合格，总试压时间为50-70秒。依据该设计思路，密封性能全自动检测仪的设计方案如图1所示。

2 系统设计理论分析与计算

后座复进系统密封性能指标是以加载与卸载过程中复进系统承受的压力与移动等参数作为主要判断依据的，因此，在测试过程中复进系统的压力与位移实时高精度检测至关重要，本文采用激光三角法测位移与电阻应变式传感器测量压力。

2.1 激光三角法

激光位移传感器是依据激光三角法的原理进行距离检测的，所谓的激光三角测量法是因为激光光源与被测物体表面以及成像系统三者构成了一个三角形形状的光路。一般测距系统中，按照入射光线与被测物体表面的法线所形成的夹角大小可以分为斜射式和直射式两种系统测距方式[2]。本系统选用的HG-C1100-P传感器是采用直射式激光三角法进行测距的。

2.1.1 斜射式激光三角法

图2为斜射式激光三角法的光路图。激光光束经过准直透镜照射到被测物体表面时与物体表面形成一个夹角，受光透镜的光轴与被测物体表面法线也同样形成另一个夹角，激光经被测物体表面反射或散射的光束被受光透镜接收后，由滤波片进行过滤后再被光电探测器采集成像。

图2 斜射式激光三角法光路图

图3 直射式激光三角法光路图

2.1.2 直射式激光三角法

当激光入射方式为直射式时，即激光光束垂直照射到被测物体表面，与物体表面法线所成的夹角为0。如图3所示为直射式激光三角法光路图。

此时=0，带入公式（2）可得出：

2.2 电阻应变式压力传感器

2.2.1 传感器测量电路

电阻应变式传感器是利用金属自身的电阻应变效应制造出的一种可以测量微小变化量的传感器，将被测量的变化转换为传感器内部依附在弹性敏感元件上电阻应变片电阻值的变化，通过测量电路将电阻值的变化转变成电信号输出[7]。电阻应变式称重传感器的测量电路如图4所示。

图4 电阻应变式压力传感器电路

由于应变式传感器的输出信号为mV级，为了提高测量精度，需要加以放大电路对传感器的输出信号电压进行放大至0-5V。鉴于该测量电路的输出阻抗过高，本系统设计了同相串联结构型双运放高共模抑制比放大电路（如图5所示）。此放大电路的输入阻抗很高，而输出阻抗很小，并且可抑制传感器输出共模电压。

可得出：

2.2.2 电压-电流转换电路

由于传感器测量位置距离主控制器较远，经放大电路放大后的电压Uo直接进行长距离传输容易受到工业现场噪声电压的干扰。为避免因干扰产生较大的误差，本系统增加了电压-电流转换电路，利用精密电压-电流转换器XTR111芯片将放大后的电压信号转换为标准的4-20mA电流信号进行传输，芯片的工作电压范围为7-44V，通过调整R5、R6电阻比值还可以输出一路3-15V可调电压供外围电路使用，电压-电流转换电路如图6所示。

图6 电压-电流转换电路

根据电路设计，将放大后的电压信号Uo转换为4-20mA电流信号I的转换关系式如公式（6）所示：

2.3 电流-电压转换电路

由于主控制器的ADC无法直接对4-20mA电流信号进行采样，所以需要通过电流-电压转换电路将电流信号转换为单片机可采集的0-3.3V电压信号，电流-电压转换电路采用双运算放大器LM358通过采样电阻将电流转换为电压再放大为0-3.3V，且因为LM358需要双电源供电，所以设计了负压产生电路由ICL7760产生负压供给LM358。电流-电压转换电路结构如图7所示。

图7 电流-电压转换电路

电流I与电压U的转化关系如公式（7）所示：

3 仪器系统的实现

3.1 机械结构的研制

根据后座复进系统密封性能全自动检测仪的工作原理分析，全自动检测仪的机械结构包含固定台架、高精度压力传感器，高精度测距传感器、控制器、数据采集模块、显示终端、电动千斤顶、配套液压泵、电源等模块。其设计的机械结构图如8所示。

图8 本设计的机械结构图

3.2 仪器电路的研制

3.2.1 主控制器

本系统的主控制器为单片机STM32F429IGT6，该单片机采用Cortex M4内核，带有 FPU 和 DSP 指令集，该芯片的运行频率最高可达到180Mhz，片内SRAM大小为256KB，带有LCD控制器和SDRAM接口[10]。STM32F429的IO口具有强大的复用功能，ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器，模拟量转换为数字量的速度相比于STM32单片机的其他系列更快，并且在进行模数/数模转换时的工作电压也更低。STM32F429单片机总线访问速度非常快，且具有强大的数据处理能力，可以很好地满足本次系统设计的要求。

3.2.2 高精度测距模块

在本检测系统中，复进系统的位移测量要求是0.1mm的分辨率，因此采用了HG-C1100-P高精度位移传感器。HG-C1100-P是一种微型激光测距传感器，采用高精度CMOS影像传感器以及独特算法使得传感器的测量精度达到0.01mm，并且支持模拟电压（0-5V）和模拟电流（4-20mA）双重模拟输出。

高精度激光位移传感器是利用激光三角测量法测得与被测工件之间距离的，传感器内部的投光元件发射出的可见红色激光经过投光透镜照射到被测物体上，激光打到被测物体表面上以后会发生反射，其中一束反射的激光通过受光透镜再被传感器受光元件（CMOS）接收，根据光线的反射角度和已知的激光与受光元件之间的距离，光束在受光元件部位经过模拟和数字电路处理以及微处理器分析，计算出相应的传感器与被测物体之间的距离输出值。激光位移传感器工作原理如图9所示，HG-C1100-P微型传感器的基本工作结构如图10所示。

图9 激光位移传感器的工作原理

图10 HG-C1100-P传感器的基本工作结构

图11 电阻应变式称重传感器的工作原理图

3.2.3 高精度压力模块

在检测过程中复进系统在电动千斤顶施加力的作用下，每次运动时承受的压力是以吨为单位发生变化的，需要选用大量程高精度的称重传感器进行数据测量。本系统采用高精度压力传感器FCY-10100进行测量实时压力。

电阻应变式称重传感器的基本原理为传感器承受压力时内部弹性元件发生弹性形变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片也随之产生变形，电阻应变片发生形变后其电阻值也会发生变化，在经过对应的测量电路将电阻变化转换成对应的电压或电流，进而完成将质量信号转变为可测量计算的电信号的过程。相比于其他类型称重传感器，电阻应变式传感器的应用范围在当前是最为广泛的，其结构简单便于操作，测量性能稳定可靠且测量速度快、灵敏度高，能满足在静态和动态情况下的测量。

根据检测系统的机械结构，仪器选用了外形为平面膜盒式的称重传感器来测量缓冲器加载过程中所承受的压力。测得的压力信号经过传感器内部电路和电流-电压转换模块的转换后，以电压信号的形式由单片机的ADC采集到主控制器中，在单片机中进行一系列数据分析处理后将在触摸屏上显示出实时压力数值。电阻应变式称重传感器的工作原理图如图11所示。

3.2.4 触摸显示终端

触摸显示屏是本系统的主要操作显示面板，检测系统开始工作的指令是通过触摸显示屏上的测试按钮进行触发的，测试过程中的实时压力和位移数值会显示在面板上，并且在测试完成后测试结果会以复进系统加载与卸载过程中的位移-压力关系图的形式呈现在显示屏上，作为判断复进系统密封性能是否合格的依据，本系统选用ATK-7084作为触摸显示终端。

3.2.5 电源模块

图12 数据分析处理流程图

构成本检测系统的各个部分所需要的供电电压均不相同，在保证为各模块提供对应的正确供电电压的前提条件下，为了尽可能的简化检测系统各模块之间的连接电路结构，选择T200D -AC-DC三组输出电源开关作为系统的主要供电电源。该电源采用EMI滤波器、纯铜变压器以及高品质电容使得电源的抗干扰性能强，工作效率高损耗小并且安全耐用。电源分别输出稳定的5V、12V、24V三路直流电压，可以很好的满足本系统的供电要求。

3.3 软件设计及数据处理分析

在检测过程中，称重传感器和激光位移传感器的实时测量输出都是以电流信号的形式，需要使用电流转电压模块将传感器输出的电流信号转换为单片机 STM32F429的ADC可采集的电压信号，转换后的电压信号通过ADC通道采集进入单片机进行进一步的分析处理。

具体数据分析处理流程如图12所示。

通过上述流程对单片机ADC采集到的传感器测量数据进行分析处理，可得到很精确的实时压力值和位移值，显示屏上最终呈现的缓冲器加载过程中的压力-位移曲线也更加贴近其真实变化过程。进行分段补偿后的位移表达式为公式（8），激光位移传感器实时显示的真实位移和显示屏上显示的实际位移关系如图13所示，两个曲线基本完全重合。

4 系统的测试与分析

将该复进系统密封性能全自动测试仪研制出来，包括其机械结构、硬件电路以及软件系统的实现。将选择密封性能不合格的1号复进系统、全新的复进系统2号以及用过一段时间的3号分别在全自动检测仪上进行测试。经过测试表明该全自动检测仪可以准确判别复进系统密封性能是否合格。图14为理论上复进系统在加载和卸载过程中力与位移直接的关系曲线，图15为全自动检测仪对2号复进系统的实际测试结果，满足压力在60KN时，位移在16-25mm的合格判别标准，即2号复进系统的密封性能合格，且仪器绘制的压力-位移曲线与理论关系相一致。

图14 复进系统加载过程力与位移关系曲线

图15 仪器实测复进系统加载过程力与位移关系曲线

5 总结

本文研制了一款基于STM32的某装备复进系统密封性能全自动测试仪。该仪器采用单片机STM32F429IGT6作为主控制器，激光位移传感器和高精度重力传感器统获取复进系统加载过程中位移和压力数据的实时值，依据压力位移关系判别复进系统的密封性能。经过测试，该仪器测试结果与理论关系曲线一致，表明该仪器的稳定、可靠、且具备人机接口，实现了测试过程的全自动化，达到预期设计要求，同时也为其它装备的密封性能测试提供参考案例。

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Automatic Off-line Detector for Multiple Feed System in a Certain Equipment based on STM32

DONG Yu-jie1, GUO Lei2, ZHANG Zhi3, MA Shuang-bao1, JIA Shu-lin1, LIN Wei1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. The Second Military Representative Office of the Military Representative Office of the Army Equipment Department, Wuhan Hubei 430200, China; 3. Chinese People's Liberation Army No. 3303 Factory, Wuhan Hubei 430200, China)

Aiming at the problems of time-consuming, labor-intensive and inefficient manual testing of the sealing performance of the rear seat recoil system of a certain equipment, this paper designs a fully automatic off-line tester for the performance of the rear-seat recoil system based on STM32 microcomputer. The instrument uses a 32-bit microcontroller STM32F429IGT6 as the main controller to control the hydraulic pump to drive the jack to simulate a pressure between 0-100KN on the rear-seat recoil system, while using a high-precision pressure sensor FCY-10100 and a high-precision laser ranging sensor HG-C1100-P to detect the real-time value of pressure and displacement during the force process of the re-entry system, and drawing a diagram of the displacement-pressure relationship during the loading and unloading process of the system to judge the performance of the re-entry system. After actual measurement, the instrument has high detection accuracy and stable performance, and can accurately judge whether the sealing performance of the re-entry system is qualified.

re-entry system; sealing performance; high precision pressure detection; high precision displacement detection

马双宝（1979-），男，副教授，博士，研究方向：智能检测与控制.

2020年武汉纺织大学教学改革项目（2020JY076）；2021年武汉纺织大学研究生教学改革与研究项目（2021-2）；2019年湖北省高校学生工作精品项目和实践育人特色项目（2019XGJPB2009）.

TP23

A

2095－414X(2021)05－0025－08