CN103900904B - 一种中子原位力学加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中子原位力学加载系统，系统包括控制计算机、主控制器单元、执行驱动单元、传感器反馈单元和中子监视器，五个单元以主控制器单元为中心星型连接。批命令自动控制方法使得系统配合中子谱仪系统自动完成多个应力应变特征点的加载与测量，由算法表示的运作是由主控制器完成，包括下列步骤：（a）通过与计算机通信接收多步应力应变特征点和测量中子的批命令参数；（b）根据该步的命令参数和传感反馈单元测量的当前状态进行逻辑计算，控制执行驱动单元带动样品到达目标特征点状态；（c）通过与中子监视器通信获得中子个数信息，待实时中子个数信息达到设定值时切换到下一特征点的力学加载与中子测量。

Description

一种中子原位力学加载系统

技术领域

本发明涉及中子衍射结合应力加载环境下，材料结构与性能的原位测量控制技术，具体涉及一种中子原位力学加载系统及批命令自动控制方法。

背景技术

原位力学加载装置配合中子散（衍）射谱仪使用，可用于对研究材料进行力学加载，进一步通过中子衍射分析技术分析材料的微观结构变化，获得材料微观结构变化与外部力学加载环境的关系。一般中子原位力学加载实验采用分步进行，针对不同样品材料的力学特性选择数个应变或应力特征点，利用原位力学加载装置带动样品到一个特征点后使用中子散（衍）射谱仪进行中子测量。一个特征点测量结束后到下一步测量的切换操作大多采用中子计数达到某一值作为触发条件，不同材料的单步测量时间为半小时到几个小时不等。同时，由于中子束线成本昂贵，中子原位实验对设备的测量精度、可靠性、稳定性要求很高。

目前，国外（如INSTRON、MTS、ZWICK等品牌）的拉伸压缩产品具有精度高、稳定性好，但由于装置尺寸、重量等因素无法直接应用于中子原位测量。而国内自研力学加载装置用于中子原位实验测量主要存在以下问题：（1）中子原位力学加载衍射实验具有步骤多、时间长的特点，由谱仪系统和力学加载装置配合完成，若使用普通力学加载装置则需要实验人员全程参与，完成多个特征点的切换操作，给实验人员带来了巨大的劳动强度，同时也引入了误操作的可能性；（2）中子衍射实验的成品高、耗时长，对系统的稳定性、可靠性要求极高，同时人机控制界面功能复杂，涉及数据通讯、参数设置、报警、曲线趋势、归档等，而普通力学加载装置往往为了节约成品等因素采用C++、C#等语言自行编写复杂代码来实现，给系统引入不可靠因素的可能，需要利用稳定性好、功能强大、友好的组态软件来完成界面的设计。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题与不足，本发明提供了一种与谱仪系统有机结合、能够完成批命令自动运行的中子原位力学加载系统，该系统通过与中子谱仪系统进行连接获得中子测量信息，从而配合中子谱仪自动完成实验人员设置的多个特征点的加载与测量，有效地降低实验人员的劳动强度和操作失误率。

本发明的中子原位力学加载系统包括计算机、主控制器单元、执行驱动单元、传感器反馈单元和中子监视器。计算机使用德国西门子公司的组态软件WINCC软件来实现人机界面的设计工作，它既用于样品特征参数、拉伸压缩控制参数、起停模式等参数进行设置选择，又用于在线趋势的显示和数据归档。主控制器采用可逻辑编程控制器PLC，主要用于向执行驱动单元下达运动命令和采集运动状态信息，采集传感器反馈的信号，并与计算机、中子监视器建立通信，为了实现批命令自动运行的功能，主控制器单元依次执行以下步骤：

a)参数读取：通过与计算机通信接收拉伸压缩速度、样品长度、样品面积、加载阈值、拉伸压缩模式（应力、应变模式可选）批参数、目标应力或应变批参数和单步测量中子个数参数信息批参数；

b)阈值加载（仅执行一次）：根据速度参数和加载阈值参数，通过现场总线向执行驱动单元下达运动速度、方向命令，然后周期采集力传感器反馈的当前力值信息，然后与加载阈值比较，直到相等后控制执行驱动单元停止运动，并将当前样品形变量值修正为零；阈值加载的目的是使样品处于紧绷状态，有效地消除由于夹具、齿轮因素带来样品松弛而产生的应变测量误差。

c)数据采集：周期采集传感器单元的输出信号，考虑传感器由于现场环境干扰等因素引起的当前力值和当前形变量测量误差问题，使用去极值滤波和移动平均滤波的复合算法对测量数据进行数据处理。检测当前力值、当前形变量是否超限时，一旦检测到超限情况，则触发拉伸或压缩方向保护动作，不再执行样品拉伸或压缩的操作命令，同时向计算机发送报警信息，以便人机界面向实验人员作出相应提示；

d)单步加载运行：首先判断该步的运行模式，若运行模式选择应力模式，根据样品面积和目标应力参数计算目标力值；若选择应变模式，根据样品长度和目标应变参数计算目标形变量值。进一步与当前力值或当前形变量比较，若前者大于后者则控制执行驱动单元进行拉伸运动，否则控制其进行压缩运动，然后周期采集传感器反馈单元的力值或形变量信息，并与目标值比较，直到相等后控制执行驱动单元停止运动。

e)步间切换：与中子监视器进行周期性通信，获得实时测量中子个数，并与步骤a设定的目标测量中子参数进行比较，直到两者相等或前者大于后者时，重复跳转到c）步骤进行下一步测量。谱仪系统中，监视器模块周期性地将统计的中子个数信息发送给谱仪控制计算机。

本发明的中子原位力学加载系统按上述方式运行时，实验人员只需将多步应力应变特征点和测量中子的批命令设置到控制计算机上，系统就可配合谱仪系统自动完成批命令处理，且多步的应力应变加载方式可任意设置，使得系统的自动化程度得到了大幅度提高，有效地降低实验人员的劳动量。同时，控制计算机的人机界面采用德国西门子公司的组态软件WINCC软件完成，有效提高了装置的稳定性、可靠性。

附图说明

图1是本发明的中子原位力学加载系统总体结构方框图；

图2是本发明最佳实施例的详细方框图；

图3是本发明中多应力应变批命令的自动控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对最佳实施例进行详细说明。

参见图2，如其中的实施例所示，原位力学加载控制系统包括计算机1、主控制器单元2、执行驱动单元3、传感器反馈单元4和中子监视器5。实验人员通过人机界面将拉伸压缩参数存储到计算机1上，计算机1将这些参数通过以太网线缆发送至主控制器单元2。主控制器单元2将接收到的参数数据与实际参数加以逻辑计算后得到驱动参数，并将其通过现场总线下发至执行驱动单元3。执行驱动单元3带动样品按命令速度、方向参数进行拉伸或压缩运动，同时，与样品机械相连的传感器反馈单元将样品形变量、受力值转换为模拟信号，最后，该信号通过模拟量信号屏蔽线缆将反馈至主控制器单元2从而形成一主闭环系统，主控制器单元2再将模拟信号转换为数字信号后上传至计算机1进行状态显示。为了执行批处理命令，主控制器单元2通过以太网线缆与中子监视器5连接，用以获得中子个数，逻辑上将中子个数达到设定值作为步间切换的触发信号。

主控制器单元2包括PLCCPU模块21、PLC模拟量输入模块22、以太网模块23、现场通信模块24，CPU模块21分别与后三者两两连接。驱动执行单元3主要包括伺服驱动器31、伺服电机32和高精度编码器33，伺服驱动器31通过动力线电缆与伺服电机32相连，伺服电机32与编码器33机械连接，最后编码器再通过数据线与驱动器31相连形成一子闭环系统。传感器反馈单元4包括力传感器41和引伸计42，分别用于测量受力和样品形变量的测量。

计算机的人机控制界面采用德国西门子公司的组态软件WINCC软件来实现，利用其输入输出文本框控件完成拉伸压缩速度、样品长度、样品面积、加载阈值、拉伸压缩模式（应力、应变模式可选）批参数、目标应力或应变批参数和单步测量中子个数参数信息批参数的参数设置；利用其输出文本框控件完成当前拉伸压缩速度、当前应力、当前应变的显示；另外，界面上还包括一个实时应力应变曲线，采用在线趋势控件实现，它无需设置坐标轴刻度，能够按照测量过程值进行动态调整。

参见图3A,3B，详细说明本发明的多应力应变批命令的自动控制算法流程。由算法表示的运作是由主控制器PLC执行预先写入其内存中的编程指令完成的。首先，算法进入系统自检阶段，检测各模块工作情况和通信链路状态（步骤110），若发现异常情况则发出报警（步骤120）。通过模拟量输入信号屏蔽线缆采集当前的力值信号和样品形变信号（步骤140），并对数据采用极值平均滤波方法进行处理得到当前应力和当前应变量（步骤150）。判断当前应变或应力量是否大于系统拉伸方向应变或应力限值（160），若是则要求系统不再执行拉伸方向的操作命令，置位拉伸保护位和正向限制报警位（170）。以同样的方式判断当前应变或应力量是否大于系统压缩方向应变或应力限值（180），若是则要求系统不再执行压缩方向的操作命令，置位压缩保护位和反向限制报警位（190）。

系统自检正常后，算法进入执行操作人员命令阶段。首先，与控制计算机进行以太网通信，获得样品信息、力学加载速率、目标应力应变等参数数据（步骤130）。判断是否有阈值拉伸命令（步骤200），是则进而判断样品加载方式为拉伸方式还是压缩方式（步骤210），若为拉伸方式且拉伸保护位为零则置位电机正转启动位，启动拉伸运动（步骤220），若为压缩方式且压缩保护位为零则置位电机反转启动位，启动压缩运动（步骤230）。在后文涉及启动电机运转步骤前，每次都要采取检测两个方向的保护位操作，为了简化起见，在后文中将不在赘述。检测样品实际受力是否到达加载阈值（步骤240），是则置位电机停止位，并将当前应变值修正为零（步骤250）。判断是否有点动操作命令（步骤260），是则根据操作人员设置的速度、方式，置位电机正转或反转启动位，启动拉伸或压缩方向运动（步骤270）。判断是否有STOP命令（步骤280），则置位电机停止位（步骤290）。

然后，算法进入力学加载批处理控制阶段。首先，判断是否有运动启动触发条件（步骤300），启动触发条件首次为实验操作人员按下启动按钮，后面都为监视器实际读数达到上步设定值，这样一来，系统带动样品到达设定状态后，等待谱仪系统对其测量，测量完成即监视器读数达到该步设定值后，系统自动触发下一步力学加载运动，从而完成了批处理的自动运行功能。是则进一步读取步数和该步的命令参数，将步数自加一（步骤310），判断该步运行模式为应力模式还是应变模式（步骤320）。应变模式下，判断当前应变量是否小于设定应变量（步骤330），是则表明样品该步需要进行拉伸操作，置位电机正转启动位，启动拉伸运动（步骤340），否，则继续判断应变量是否大于设定应变量（步骤350），是则置位电机反转启动位，启动压缩方向运动（步骤360），否，则表明已到达目标应变位置，置位电机停止位（步骤370）。应力模式下，判断当前应力是否小于设定目标应力（步骤380），是则表明样品该步需要进行拉伸操作，置位电机正转启动位，启动拉伸运动（步骤390），否，则继续判断是否大于设定应力（步骤400），是则置位电机反转启动位，启动压缩方向运动（410），否，则表明已到达目标应力，置位电机停止位（步骤420）。

按上述流程执行后，系统带动样品以设定速度往目标应力应变方向运动，首先判断到达该步设定的目标应力应变（步骤430），如果未达到则采集当前受力和样品形变量，刷新当前应力应变数据并向控制计算机上传该数据予以显示储存（步骤440），直到达到目标应力应变设定点时，向驱动器发送电机停止运动命令，该步的力学加载操作完成，向中子监视器发送计数启动命令进行该状态下的中子测量（步骤450）。通过与中子监视器的数据通信获得测量中子个数，判断中子个数是否达到该步设定值（步骤460），达到中子设定值时表明该步测量完成。是否进行下一步测量取决于该步是否为批处理命令的最后一步（步骤470），如果不是则读入新的运行模式及参数，开始新一步的力学加载（步骤310），如果当前步已经是批命令的最后一步，表明该批命令全部执行完毕，本轮循环结束。

Claims (3)

1.一种中子原位力学加载系统，其特征在于：所述的系统包括计算机（1）、主控制器单元（2）、执行驱动单元（3）、传感器反馈单元（4）和中子监视器（5），实验人员通过人机界面将拉伸压缩参数存储到计算机（1）上，计算机（1）将参数通过以太网线缆发送至主控制器单元（2），主控制器单元（2）将接收到的参数数据与实际参数加以逻辑计算后得到驱动参数，并将其通过现场总线下发至执行驱动单元（3），执行驱动单元（3）带动样品按命令速度、方向参数进行拉伸或压缩运动，同时，与样品机械相连的传感器反馈单元（4）将样品形变量、受力值转换为模拟信号，最后，该信号通过模拟量信号屏蔽线缆将反馈至主控制器单元（2）从而形成一主闭环系统，主控制器单元（2）将模拟信号转换为数字信号后上传至计算机（1）进行状态显示，加载完成后，主控制器单元（2）通过以太网线缆与中子监视器进行通信，获得测量中子个数，为满足中子原位实验的应用要求，实现力学加载装置的批自动处理功能，该主控制器周期执行以下步骤：

a)参数读取：通过与计算机通信接收拉伸压缩速度、样品长度、样品面积、加载阈值、拉伸压缩模式批参数、目标应力或应变批参数和单步测量中子个数参数信息批参数；

b)阈值加载：根据速度参数和加载阈值参数，通过现场总线向执行驱动单元下达运动速度、方向命令，然后周期采集力传感器反馈的当前力值信息，然后与加载阈值比较，直到相等后控制执行驱动单元停止运动，并将当前样品形变量值修正为零；阈值加载的目的是使样品处于紧绷状态，有效地消除由于夹具、齿轮因素带来样品松弛而产生的应变测量误差；

c)数据采集：周期采集传感器单元的输出信号，使用去极值滤波和移动平均滤波的复合算法对测量数据进行数据处理；检测当前力值、当前形变量是否超限时，一旦检测到超限情况，则触发拉伸或压缩方向保护动作，不再执行样品拉伸或压缩的操作命令，同时向计算机发送报警信息；

d)单步加载运行：首先判断该步的运行模式，若运行模式选择应力模式，根据样品面积和目标应力参数计算目标力值；若选择应变模式，根据样品长度和目标应变参数计算目标形变量值，进一步与当前力值或当前形变量比较，若前者大于后者则控制执行驱动单元进行拉伸运动，否则控制其进行压缩运动，然后周期采集传感器反馈单元的力值或形变量信息，并与目标值比较，直到相等后控制执行驱动单元停止运动；

e)步间切换：与中子监视器进行周期性通信，获得实时测量中子个数，并与步骤a设定的目标测量中子参数进行比较，直到两者相等或前者大于后者时，重复跳转到步骤c）进行下一步测量。

2.根据权利要求1所述的中子原位力学加载系统，其特征在于：计算机采用西门子的WINCC软件设计人机控制界面，控制界面包括启动拉伸、返回、停止、应力设置、应变设置按钮，速度设置、应力设置、应变设置、样品长度、样品横截面积输入输出文本控件，实时速度、应力、应变显示文本框和应力应变在线趋势窗口。

3.根据权利要求1所述中子原位力学加载系统，其特征在于：主控制器单元（2）包括PLCCPU模块（21）、PLC模拟量输入模块（22）、以太网模块（23）、现场通信模块（24），CPU模块（21）分别与后三者两两连接；驱动执行单元（3）主要包括伺服驱动器（31）、伺服电机（32）和高精度编码器（33），伺服驱动器（31）通过动力线电缆与伺服电机（32）相连，伺服电机（32）与编码器（33）机械连接，最后编码器再通过数据线与驱动器（31）相连形成一子闭环系统；传感器反馈单元（4）包括力传感器（41）和引伸计（42），分别用于测量受力和样品形变量的测量。