海绵／泡沫反复压陷疲劳性能数字测量系统

梁 明

（江苏食品职业技术学院，江苏 淮安 223003）

如今，食品产业的飞速发展，也带动了一批食品机械相关产业的飞速发展。因此，对食品机械质量进行检测的标准将越来越高，同时对其材料测控领域也会越来越严。目前，针对食品机械组成部分的质量检测仪器的开发，已成为市场新的机遇。本文论述的仪器主要是针对食品机械中的质量检测，即用于泡沫聚合材料的往复冲击压缩疲劳试验，测定其试样的厚度减少值和硬度降低值（残余变形率），并由此可以了解该材料的动态疲劳特性［1］。

1 测量系统机械结构

该系统的机械结构见图1。该仪器满足食品机械工业标准和日本工业标准JASOB 408——84等标准要求。

该仪器的平台，即下压盘，能完全支撑试样，并有直径约6mm、间距约为20mm的适于通气的孔，以便使空气从试样下逸出。

仪器的压头，即上压盘，直径（250±1）mm，在其下边缘有半径（25±1）mm的圆角，该压盘安装在一个负荷周期能施加最大力为（750±20）N的设备上，压头牢固地安装在其导杆上，其表面光滑但不抛光。通过曲辊或其他合适的机械装置，试验机应能使承载试样的台板或压头支架往复运动，压头在垂直于下压盘表面的方向以（70±5）次／min的速率进行冲击，其冲击幅度是可以调节的。压头支架、支架和平台靠近在一起时，能通过冲击点传送这种凹入力，此时，全部的凹入力由试样承受，压头可以自由地被支架杆托起以防止试片超负荷。

图1 测量系统机械结构图Figure 1 Diagram of the mechanical structure

该仪器的测力装置为精密压力传感器，利用它能测量通过压头对试样施加的负荷，本系统将平台固定在负荷传感器上。

在压力传感器底部，有升降装置用于手动调整冲击试验的幅度，用以调节试验过程中的冲击负荷，使之满足标准所要求的负荷［2］。

2 控制系统设计

测量系统的控制部分的组成见图2［3］。

该测定仪的前端传感器，选择由北京正开仪器有限公司生产的MCL－Z的精密压力传感器。该传感器的推荐供电电压为直流电压12V，量程为2 000N，阻抗650Ω，在20℃条件下，非线性小于0.1%。在满量程情况下输出电压为5V。

图2 测量系统控制部分结构图Figure 2 Diagram of the control system

系统的核心部件微处理器，由宏晶公司的STC1260S28位单片机组成，其在系统中主要负责对压力传感器的数据采集并判断、记录压陷疲劳次数以及一次下压过程中的压力最大值，控制异步电机动作，以及与用户的交互操作。压力传感器通过和单片机的AD转换端口相连，将实时的试样受力数据传送至微处理器，用来判断试验的进行状况，供用户做出进一步调整。

用户能够通过键盘上的5个按键选择工作模式，完成标定传感器，清零的工作。控制系统通过12V继电器与异步电机相连，实现对机械部分的控制，继电器与控制系统通过光耦实现电气隔离。

3 控制系统软件设计

3.1 整体软件结构

控制系统通过按键，与用户实现交互。进入按键中断后，通过MCU的管脚电平变化情况识别键值，并修改相应的标志位。退出中断返回主循环后，根据标志位的取值，刷新相应的显示，改变系统参数设定，并且在试验开始后，负责数据采集判断，以及次数纪录。流程见图3。

图3 测量系统控制程序流程图Figure 3 Flow chart of the control program

3.2 数据采集部分软件设计

该仪器用于测定泡沫材料疲劳压陷的试验次数，在实际运行过程中，由于机械振动等原因，对于数据的干扰十分严重，因此，为了保证测定数据的准确性，这里采用了多种数据滤波的方法。首先对数据采集50次，作为一次结果，代码如下：

接下来，对于采集到的结果进行一阶滞后滤波，方法如下：取a＝0～1，本次滤波结果＝（1－a）×本次采样值＋a×上次滤波结果。这种方法的优点在于对周期性干扰具有良好的抑制作用，但是会引起信号在一定程度上滞后（滞后程度由a的大小决定）［4］。代码如下：

以上两种滤波方法基本可以实现滤除电信号对于AD采样数据的干扰，保证对下压过程中所采集的压力最大值基本准确。同时，还需要考虑在试验过程中，由于机械结构及受力引起的振动，对传感器造成的冲击引起次数记录的不准确。因此，根据实际情况（AD采样的速度以及压陷周期），引入对最大值的判断过程，即对200个AD结果取其中的最大值，然后将这些最大值取出，判断压力峰值的大小。代码如下：

4 结束语

（1）本系统利用单片机构成的控制系统，实现了试验中压陷次数以及压力峰值的准确测量，保证了试验的准确性和稳定性，试验证明，上述滤波方法和峰值的判断方法是切实可行的。

（2）在本系统的基础上，可以进一步增加自动升降的机械结构，利用控制系统对于峰值的自判断，实现试验平台的自动升降，从而实现整个试验的自动化。

1 刘玉长.自动检测和过程控制［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

2 王化祥.自动检测技术［M］.北京：化学工业出版社，2009.

3 刘君华.控制系统设计指南［M］.北京：电子工业出版社，2006.

4 王振清.材料工程计算机测控［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.