CN104678853B - 基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统，用于解决现有控制系统可靠性低的技术问题。技术方案是包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元。所述人机交互控制单元用于控制实验过程；所述电容量调节控制单元和加载方式控制单元分别用于调节电容量和选择不同的加载方式；所述电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元分别用于控制应力波脉冲幅值、产生应力波脉冲、电容器组泄流；所述安全控制单元用于保证实验人员的生命安全。与背景技术相比较，提高了控制系统的可靠性。

Description

基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，特别是涉及一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统。

背景技术

工程应用中，材料变形的应变率因为材料服役环境的复杂性而存在巨大差异，不同的应变率范围内材料的力学行为往往不同，这就需要对不同应变率范围内材料的力学行为进行研究。目前，分离式霍普金森压杆技术(SHPB)已被广泛应用于材料在高应变率下的力学性能测试。但是在SHPB技术中，广泛利用空气炮撞击短杆，使其高速射出以产生入射波，此方法的不足在于：空气具有可压缩性，撞击短杆发射速度和气压关系不能准确确定，导致试样应变率无法精确控制；在相同设置条件下，获得的入射波波幅将不完全一致，实验重复性差；撞击杆的发射速度存在下限，许多工程实践中的低应变率环境不能通过传统的霍普金森压杆实验得到；高应变率环境下，要求撞击杆尺寸大且发射速度高，因此同一台霍普金森压杆实验装置无法同时满足应变率跨度过大的实验。

电磁铆接产生的应力波是一种可控性能优越的加载波，具有脉冲宽度可调、加载应变率跨度大、脉冲幅值控制精准、稳定性高等优点。

文献“授权公告号是CN2865927Y的中国实用新型专利”公开了一种低压电磁铆接设备的控制系统。该控制系统包括模拟控制部分、数字控制部分、数字显示部分。其中，模拟控制部分主要控制晶闸管以控制充放电；数字控制部分由西门子PLC及扩展模块组成，主要控制电容充电电压；数字显示部分主要由西门子文本显示器组成，用于显示人机交换过程。该控制系统虽然能够实现基于电磁力的分离式霍普金森压杆实验的应力波加载，但该控制系统未能实现基于电磁力的分离式霍普金森压杆实验装置的自动化控制，其中，该控制系统电容量是固定的，实验过程中需要人工拆卸以改变电容量，从而改变应力波脉冲宽度；该控制系统需要人工拆卸以切换单轴或双轴加载方式，无法实现自动化加载；该控制系统人工拆卸操作时，需要断电操作以保障实验人员的人身安全；该控制系统电容充电电压在1000V以下，应力波脉冲幅值难以满足实验要求。因此，采用该控制系统，实验周期长，安全性差，系统的可靠性低，难以满足实验要求。

发明内容

为了克服现有控制系统可靠性低的不足，本发明提供一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统。该控制系统包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元。所述人机交互控制单元用于控制实验过程；所述电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元分别用于调节电容量、选择不同的加载方式、控制放电线圈温度；所述电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元分别用于控制应力波脉冲幅值、产生应力波脉冲、电容器组泄流；所述安全控制单元用于保证实验人员的生命安全。与背景技术低压电磁铆接设备的铆接控制系统相比较，本发明能够实现对基于电磁力加载的霍普金森压杆实验装置的自动化控制，提高了控制系统的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统，其特点是包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元。

人机交互控制单元由计算机、HMI设备、可编程控制器及模拟量I/O模块构成，三者通过以太网通信接口相互连接，用于控制实验过程，显示设备运行状态，处理、显示及保存实验数据。

电容量调节控制单元由电容量调节触发器、脉冲电容器及真空交流接触器构成，用于调节电容量，以此控制应力波脉冲宽度。可编程控制器与电容量调节触发器、电容充电主电路顺次连接。

加载方式控制单元由加载方式触发器、单轴接触器及双轴接触器构成，用于控制霍普金森压杆实验单/双轴不同的加载方式。可编程控制器与加载方式触发器、电容放电主电路顺次连接。

放电线圈温度控制单元由流量控制器、温度传感器、空气流量计构成，用于控制放电线圈温度，保证相同情况下应力波脉冲的一致性。可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、应力波发生器、温度变送器/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，压缩空气与流量控制器、应力波发生器顺次连接。

电容充电控制单元由充电触发器、电容充电主电路、电压变送器、电流变送器构成，用于控制应力波脉冲幅值。可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器/电流变送器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。

电容放电控制单元由放电触发器、电容放电主电路、电压传感器、应力波发生器构成，用于产生应力波脉冲。可编程控制器与放电触发器、电容放电主电路、电压传感器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，电容放电主电路、应力波发生器顺次连接。

泄流控制单元由泄流触发器、泄流接触器构成，用于释放脉冲电容器组中储存的能量。可编程控制器与泄流触发器、电容放电主电路、电压传感器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。

实验数据采集控制单元由应力波发生器、实验台、Rogowski线圈、积分器、电阻应变片、超动态应变仪和高速数据采集器构成，用于测量脉冲电容器组放电电流大小和材料的应变率大小。应力波发生器、实验台顺次连接，实验台、Rogowski线圈、积分器、高速数据采集器顺次连接，实验台、电阻应变片、超动态应变仪、高速数据采集器顺次连接，高速数据采集器与计算机通过USB接口相互连接。

安全控制单元由充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器、安全监控器构成，用于保证设备安全可靠地运行。充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器分别与可编程控制器连接，电容充电主回路、电容放电主回路、实验台分别于安全监控器连接，安全监控器、可编程控制器顺次连接。

所述计算机、HMI设备及可编程控制器构成人机交互控制单元，通过以太网相互连接，用于控制实验过程，处理、显示及保存实验数据。

所述充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器、安全监控器构成安全控制单元，用于显示设备运行状态，保证设备安全可靠地运行。充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器分别与可编程控制器连接，电容充电主回路、电容放电主回路、实验台分别于安全监控器连接，安全监控器、可编程控制器顺次连接。

电容量调节触发器、真空交流接触器J1～J7、脉冲电容器C1～C3构成电容量调节控制单元。可编程控制器与电容量调节触发器、真空交流接触器J1～J7、脉冲电容器C1～C3顺次连接。可编程控制器通过输出端子输出控制信号至电容量调节触发器，电容量调节触发器控制对应的交流接触器使之闭合，脉冲电容器C1～C3与真空交流接触器J1～J7相互组合构成不同电容量的脉冲电容器组C4。

变压器TM1、整流晶闸管M1～M2、限流电阻R1、滤波电感L1、脉冲电容器组C4、整流二极管D1～D2顺次连接形成回路构成电容充电主回路，电压表与电压变送器TV1均并联在脉冲电容器组两端，电流变送器TA1连接在脉冲电容器组C4与整流二极管D1～D2之间。充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1、电流变送器TA1构成电容充电控制单元。可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器/电流变送器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。可编程控制器通过模拟量I/O模块、充电触发器控制整流晶闸管M1～M2的通断，从而对脉冲电容器组C4进行充电或停止充电。电容充电控制单元利用专家自整定串级PID控制器。

加载方式触发器、双轴加载接触器J9、单轴加载接触器J10、构成加载方式控制单元。可编程控制器与加载方式触发器、放电主回路顺次连接。双轴加载接触器J9分别于放电晶闸管M3、纵向放电线圈3连接，单轴加载接触器J10一端与放电晶闸管M3连接，另一端分别与纵向放电线圈3、横向放电线圈8连接。可编程控制器通过输出端子输出控制信号至加载方式触发器；加载方式触发器控制双轴加载接触器J9或单轴加载接触器J10使之闭合。

纵向温度变送器ST1的测量端与纵向放电线圈3紧密贴合，横向温度变送器ST2的测量端与横向放电线圈8紧密贴合。所述的流量控制器、纵向温度变送器ST1、横向温度变送器ST2、空气流量计构成放电线圈温度控制单元。可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、放电主回路、纵向温度变送器ST1/横向温度变送器ST2/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。可编程控制器通过模拟量I/O模块输出控制信号对流量控制器进行控制，流量控制器根据控制信号调节气压阀门的大小，从而控制纵向放电线圈3和横向放电线圈8的温度。

当双轴加载时，脉冲电容器组C4、放电晶闸管M3、双轴加载接触器J9、纵向放电线圈3、横向放电线圈8、放电电阻R3顺次连接形成回路构成电容放电主回路，在脉冲电容器组C4两端并入续流二极管D3。所述的放电触发器、电容放电主回路、电压变送器TV1、应力波发生器构成电容放电控制单元。可编程控制器与放电触发器、电容放电主回路、电压变送器TV1、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。可编程控制器通过输出端子输出控制信号至放电触发器；放电触发器输出触发脉冲对放电晶闸管M3进行触发使之导通，脉冲电容器组C4通过纵向放电线圈3和横向放电线圈8进行放电；纵向驱动线圈4与纵向放电线圈3相互贴紧，横向驱动线圈9与横向放电线圈8相互贴紧，从而产生极强的排斥力；电磁力在纵向应力放大器5与横向应力放大器10的输入端形成一个历时很短的、强度很高的应力波脉冲。

脉冲电容器组C4、泄流接触器J8、泄流电阻R2顺次连接并构成电容-电阻泄流回路。所述的泄流触发器、泄流接触器J8构成泄流控制单元。可编程控制器与泄流触发器、电容放电主回路回路顺次连接。可编程控制器通过输出端子输出控制信号至泄流触发器；泄流触发器使泄流接触器J8触点闭合，脉冲电容器组C4存储的能量通过泄流电阻R2释放。

纵向放电线圈3通过螺栓连接固定在纵向放电线圈基座2上；横向放电线圈8通过螺栓连接固定在横向放电线圈基座7上；纵向驱动线圈4通过螺栓连接固定在纵向应力波放大器5上；横向驱动线圈9通过螺栓连接固定在横向应力波放大器10上；纵向导向轴1通过螺纹连接在纵向应力波放大器5上；横向导向轴6通过螺纹连接在横向应力波放大器10上；纵向入射杆11与纵向应力波放大器5通过螺纹连接，端面相互接触；横向入射杆12与横向应力波放大器10通过螺纹连接，端面相互接触；纵向透射杆13同轴安装在纵向入射杆11的自由方向；横向透射杆14同轴安装在横向入射杆12的自由方向；纵向入射杆11、纵向透射杆13、横向入射杆12、横向透射杆14之间留有放置试件21的空间；纵向缓冲器19安装在纵向透射杆13的末端；横向缓冲器20安装在横向透射杆14的末端；第一电阻应变片15粘贴在纵向入射杆11上；第二电阻应变片16粘贴在横向入射杆11上；第三电阻应变片17粘贴在纵向透射杆13上；第四电阻应变片18粘贴在横向透射杆14上。

Rogowski线圈23、积分器24、高速数据采集器25、计算机26顺次连接，构成放电电流测量电路，Rogowski线圈23测量孔通过电容-放电线圈放电回路中的放电电缆；第一电阻应变片15、第二电阻应变片16、第三电阻应变片17、第四电阻应变片18分别与超动态应变仪22连接，超动态应变仪22、高速数据采集器25、计算机26顺次连接，构成材料应变测量电路。

应力波发生器、实验台、Rogowski线圈23、积分器24、第一电阻应变片15、第二电阻应变片16、第三电阻应变片17、第四电阻应变片18、超动态应变仪22和高速数据采集器25构成实验数据采集控制单元，用于测量脉冲电容器组放电电流大小和材料的应变率大小。

本发明的有益效果是：该控制系统包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元。所述人机交互控制单元用于控制实验过程；所述电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元分别用于调节电容量、选择不同的加载方式、控制放电线圈温度；所述电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元分别用于控制应力波脉冲幅值、产生应力波脉冲、电容器组泄流；所述安全控制单元用于保证实验人员的生命安全。与背景技术低压电磁铆接设备的铆接控制系统相比较，本发明能够实现对基于电磁力加载的霍普金森压杆实验装置的自动化控制，提高了控制系统的可靠性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明的控制系统结构示意图。

图2是本发明的电容量调节控制单元结构示意图。

图3是本发明的电容充电控制单元结构示意图。

图4是本发明的实验设备结构示意图。

图5是本发明的可编程控制器控制程序流程图。

图中，1-纵向导向轴；2-纵向放电线圈基座；3-纵向放电线圈；4-纵向驱动线圈；5-纵向应力波放大器；6-横向导向轴；7-横向放电线圈基座；8-横向放电线圈；9-横向驱动线圈；10-横向应力波放大器；11-纵向入射杆；12-横向入射杆；13-纵向透射杆；14-横向透射杆；15-第一电阻应变片，16-第二电阻应变片，17-第三电阻应变片，18-第四电阻应变片；19-纵向缓冲器；20-横向缓冲器；21-试件；22-超动态应变仪；23-Rogowski线圈；24-积分器；25-高速数据采集器；26-计算机。

具体实施方式

以下实施例参照图1-5。

本发明基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元。

人机交互控制单元由计算机、HMI设备、可编程控制器及模拟量I/O模块构成，三者通过以太网通信接口相互连接，用于控制实验过程，显示设备运行状态，处理、显示及保存实验数据。

电容量调节控制单元由电容量调节触发器、脉冲电容器及真空交流接触器构成，用于调节电容量，以此控制应力波脉冲宽度。可编程控制器与电容量调节触发器、电容充电主电路顺次连接。

加载方式控制单元由加载方式触发器、单轴接触器及双轴接触器构成，用于控制霍普金森压杆实验单/双轴不同的加载方式。可编程控制器与加载方式触发器、电容放电主电路顺次连接。

放电线圈温度控制单元由流量控制器、温度传感器、空气流量计构成，用于控制放电线圈温度，保证相同情况下应力波脉冲的一致性。可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、应力波发生器、温度变送器/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，压缩空气与流量控制器、应力波发生器顺次连接。

电容充电控制单元由充电触发器、电容充电主电路、电压变送器、电流变送器构成，最大充电电压为5000V，能够大范围控制应力波脉冲幅值。可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器/电流变送器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。

电容放电控制单元由放电触发器、电容放电主电路、电压传感器、应力波发生器构成，用于产生应力波脉冲。可编程控制器与放电触发器、电容放电主电路、电压传感器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，电容放电主电路、应力波发生器顺次连接。

泄流控制单元由泄流触发器、泄流接触器构成，用于释放脉冲电容器组中储存的能量。可编程控制器与泄流触发器、电容放电主电路、电压传感器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。

实验数据采集控制单元由应力波发生器、实验台、Rogowski线圈、积分器、电阻应变片、超动态应变仪和高速数据采集器构成，用于测量脉冲电容器组放电电流大小和材料的应变率大小。应力波发生器、实验台顺次连接，实验台、Rogowski线圈、积分器、高速数据采集器顺次连接，实验台、电阻应变片、超动态应变仪、高速数据采集器顺次连接，高速数据采集器与计算机通过USB接口相互连接。

安全控制单元由充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器、安全监控器构成，用于保证设备安全可靠地运行。充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器分别与可编程控制器连接，电容充电主回路、电容放电主回路、实验台分别于安全监控器连接，安全监控器、可编程控制器顺次连接。

所述的计算机、HMI设备及可编程控制器构成人机交互控制单元，用于控制实验过程，处理、显示及保存实验数据。HMI设备采用SIEMENS公司的Smart 1000触摸屏，可编程控制器采用SIEMENS公司的S7-200系列标准继电器型CPU226CN。所述的计算机、HMI设备、可编程控制器通过以太网相互连接。

所述的充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器、安全监控器构成安全控制单元，用于显示设备运行状态，保证设备安全可靠地运行。充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器分别与可编程控制器连接，电容充电主回路、电容放电主回路、实验台分别于安全监控器连接，安全监控器、可编程控制器顺次连接。

电容量调节触发器、真空交流接触器J1～J7、脉冲电容器C1～C3构成电容量调节控制单元。可编程控制器与电容量调节触发器、真空交流接触器J1～J7、脉冲电容器C1～C3顺次连接。可编程控制器通过输出端子输出控制信号至电容量调节触发器，电容量调节触发器控制对应的交流接触器使之闭合，脉冲电容器C1～C3与真空交流接触器J1～J7相互组合构成不同电容量的脉冲电容器组C4。所述的脉冲电容器组C4最高充电电压为5000V，能够大范围自由选择应力波脉冲幅值。

变压器TM1、整流晶闸管M1～M2、限流电阻R1、滤波电感L1、脉冲电容器组C4、整流二极管D1～D2顺次连接形成回路构成电容充电主回路，电压表与电压变送器TV1均并联在脉冲电容器组两端，电流变送器TA1测量孔通过脉冲电容器组C4、整流二极管D1～D2之间的连接电缆。充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1、电流变送器TA1构成电容充电控制单元。可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器/电流变送器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。可编程控制器通过模拟量I/O模块、充电触发器控制整流晶闸管M1～M2的通断，从而对脉冲电容器组C4进行充电或停止充电。电容充电控制单元利用专家自整定串级PID控制器，充电时间短，充电电压偏差小，控制精度高。

加载方式触发器、双轴加载接触器J9、单轴加载接触器J10、构成加载方式控制单元。可编程控制器与加载方式触发器、放电主回路顺次连接。双轴加载接触器J9分别于放电晶闸管M3、纵向放电线圈3连接，单轴加载接触器J10一端与放电晶闸管M3连接，另一端分别与纵向放电线圈3、横向放电线圈8连接。可编程控制器通过输出端子输出控制信号至加载方式触发器；加载方式触发器控制双轴加载接触器J9或单轴加载接触器J10使之闭合，从而构成不同的加载方式。

纵向温度变送器ST1的测量端与纵向放电线圈3紧密贴合，横向温度变送器ST2的测量端与横向放电线圈8紧密贴合。所述的流量控制器、纵向温度变送器ST1、横向温度变送器ST2、空气流量计构成放电线圈温度控制单元。可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、放电主回路、纵向温度变送器ST1/横向温度变送器ST2/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。可编程控制器通过模拟量I/O模块输出控制信号对流量控制器进行控制，流量控制器根据控制信号调节气压阀门的大小，从而控制纵向放电线圈3和横向放电线圈8的温度。

以双轴加载为例，脉冲电容器组C4、放电晶闸管M3、双轴加载接触器J9、纵向放电线圈3、横向放电线圈8、放电电阻R3顺次连接形成回路构成电容放电主回路，在脉冲电容器组C4两端并入续流二极管D3。所述的放电触发器、电容放电主回路、电压变送器TV1、应力波发生器构成电容放电控制单元。可编程控制器与放电触发器、电容放电主回路、电压变送器TV1、模拟量I/O模块顺次连接形成回路。可编程控制器通过输出端子输出控制信号至放电触发器；放电触发器输出触发脉冲对放电晶闸管M3进行触发使之导通，脉冲电容器组C4通过纵向放电线圈3和横向放电线圈8进行放电；纵向驱动线圈4与纵向放电线圈3相互贴紧，横向驱动线圈9与横向放电线圈8相互贴紧，从而产生极强的排斥力(电磁力)；电磁力在纵向应力放大器5与横向应力放大器10的输入端形成一个历时很短的、强度很高的应力波脉冲。

脉冲电容器组C4、泄流接触器J8、泄流电阻R2顺次连接并构成电容-电阻泄流回路。所述的泄流触发器、泄流接触器J8构成泄流控制单元。可编程控制器与泄流触发器、电容放电主回路回路顺次连接。可编程控制器通过输出端子输出控制信号至泄流触发器；泄流触发器使泄流接触器J8触点闭合，脉冲电容器组C4存储的能量通过泄流电阻R2释放，保证了实验人员的人身安全。

纵向放电线圈3通过螺栓连接固定在纵向放电线圈基座2上；横向放电线圈8通过螺栓连接固定在横向放电线圈基座7上；纵向驱动线圈4通过螺栓连接固定在纵向应力波放大器5上；横向驱动线圈9通过螺栓连接固定在横向应力波放大器10上；纵向导向轴1通过螺纹连接在纵向应力波放大器5上；横向导向轴6通过螺纹连接在横向应力波放大器10上；纵向入射杆11与纵向应力波放大器5通过螺纹连接，端面相互接触；横向入射杆12与横向应力波放大器10通过螺纹连接，端面相互接触；纵向透射杆13同轴安装在纵向入射杆11的自由方向；横向透射杆14同轴安装在横向入射杆12的自由方向；纵向入射杆11、纵向透射杆13、横向入射杆12、横向透射杆14之间留有放置试件21的空间；纵向缓冲器19安装在纵向透射杆13的末端；横向缓冲器20安装在横向透射杆14的末端；第一电阻应变片15粘贴在纵向入射杆11上；第二电阻应变片16粘贴在横向入射杆12上；第三电阻应变片17粘贴在纵向透射杆13上；第四电阻应变片18粘贴在横向透射杆14上。

Rogowski线圈23、积分器24、高速数据采集器25、计算机26顺次连接，构成放电电流测量电路，Rogowski线圈23测量孔通过电容-放电线圈放电回路中的放电电缆；第一电阻应变片15、第二电阻应变片16、第三电阻应变片17、第四电阻应变片18分别与超动态应变仪22连接，超动态应变仪22、高速数据采集器25、计算机26顺次连接，构成材料应变测量电路。

应力波发生器、实验台、Rogowski线圈23、积分器24、第一电阻应变片15、第二电阻应变片16、第三电阻应变片17、第四电阻应变片18、超动态应变仪22和高速数据采集器25构成实验数据采集控制单元，用于测量脉冲电容器组放电电流大小和材料的应变率大小。

为了实现基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备的自动化控制，本发明的详细实验步骤如下：

步骤1、实验准备。

检查控制系统的安全性，保证无安全隐患；检查控制系统各元器件连接处是否松动，确保实验装置与各控制控制单元之间的连接质量。

启动可编程控制器、HMI设备、计算机，进入人机交互界面；启控制系统总电源，接通各实验装置电源，可编程控制器进行初始化。

步骤2、实验参数设定。

通过HMI设备的人机交互界面设定实验参数，包括设定脉冲电容器组C4电容量、实验加载方式、放电线圈温度和充电电压值。电容量调节控制单元动作，构成对应的脉冲电容器组C4；加载方式控制单元动作，构成对应的加载方式；放电线圈温度控制单元动作，保证放电线圈温度与设定值一致。

步骤3、测量参数设定。

根据实验要求，对Rogowski线圈23、积分器24、对超动态应变仪进行调试。通过计算机26的人机对话界面打开与高速数据采集器25配套的数据处理软件Datalab，对高速数据采集器25进行参数设置。

步骤4、脉冲电容器组充电。

参数设定完毕后，控制系统自我诊断确保无故障问题后，点击HMI设备人机交互界面上的“充电”按钮，电容充电控制单元对脉冲电容器组C4进行充电。达到设定充电电压后，可编程控制器停止输出控制信号，脉冲电容器组C4充电电压不再升高。

脉冲电容器组C4充电完成，若试验出现异常情况，点击HMI设备人机交互界面上的“泄流”按钮，泄流控制单元动作，脉冲电容器组C4中储存的能量通过泄流接触器J8、泄流电阻R2组成的电容-电阻泄流回路释放出来。同时若控制系统出现故障问题，控制系统会紧急停止，电容充电控制单元断电，故障排除后方可正常工作。

步骤5、脉冲电容器组-放电线圈放电。

脉冲电容器组C4充电完成后，点击HMI设备人机交互界面上的“放电”按钮，电容放电控制单元动作，以双轴加载为例，放电电流流经纵向放电线圈3和横向放电线圈8。放电后，可编程控制器对部分控制系统参数进行重新设定。

步骤6、入射波加载。

以双轴加载为例，放电电流流经纵向放电线圈3和横向放电线圈8时，纵向驱动线圈4与纵向放电线圈3相互之间由于电磁感应而产生极强的排斥力(电磁力)，横向驱动线圈9与横向放电线圈8相互之间由于电磁感应而产生极强的排斥力(电磁力)；电磁力在纵向应力放大器5和横向应力放大器10的输入端形成一个历时很短的、强度很高的应力脉冲，实现霍普金森压杆实验的双轴加载。

步骤7、实验数据的采集和处理。

电容放电单元动作时，Rogowski线圈23与积分器24相组合将放电电流转化为对应的电压信号，第一电阻应变片15、第二电阻应变片16、第三电阻应变片17、第四电阻应变片18分别与超动态应变仪22相组合将纵向反射波、横向反射波、纵向透射波、横向透射波信号转化为对应的电压信号。高速数据采集器25将不同的电压信号经A/D变换后储存起来，通过计算机26上的数据处理软件Datalab读取并处理采集到的实验数据。

利用分离式霍普金森压杆的实验原理对数据进行处理，便可推导出试样在单/双轴加载下的力学性能。

若实验结果达到要求，通过HMI设备和可编程控制器对实验过程中的电容量值、充电电压值、放电线圈温度值、加载方式进行存储，以便后续实验调用。

Claims (1)

1.一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统，其特征在于：包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元；

人机交互控制单元由计算机、HMI设备、可编程控制器及模拟量I/O模块构成，四部分通过以太网通信接口相互连接，用于控制实验过程，显示设备运行状态，处理、显示及保存实验数据；

电容量调节控制单元由电容量调节触发器、脉冲电容器及真空交流接触器J1～J7构成，用于调节电容量，以此控制应力波脉冲宽度；可编程控制器与电容量调节触发器、电容充电主电路顺次连接；

加载方式控制单元由加载方式触发器、单轴接触器及双轴接触器构成，用于控制霍普金森压杆实验单/双轴不同的加载方式；可编程控制器与加载方式触发器、电容放电主电路顺次连接；

放电线圈温度控制单元由流量控制器、温度变送器、空气流量计构成，用于控制放电线圈温度，保证相同情况下应力波脉冲的一致性；可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、应力波发生器、温度变送器/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，压缩空气与流量控制器、应力波发生器顺次连接；所述温度变送器包括纵向温度变送器ST1和横向温度变送器ST2；

电容充电控制单元由充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1、电流变送器TA1构成，用于控制应力波脉冲幅值；可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1/电流变送器TA1、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；

电容放电控制单元由放电触发器、电容放电主电路、电压传感器、应力波发生器构成，用于产生应力波脉冲；可编程控制器与放电触发器、电容放电主电路、电压传感器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，电容放电主电路、应力波发生器顺次连接；

泄流控制单元由泄流触发器、泄流接触器构成，用于释放脉冲电容器组C4中储存的能量；可编程控制器与泄流触发器、电容放电主电路、电压传感器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；

实验数据采集控制单元由应力波发生器、实验台、Rogowski线圈、积分器、电阻应变片、超动态应变仪和高速数据采集器构成，用于测量脉冲电容器组C4放电电流大小和材料的应变率大小；应力波发生器、实验台顺次连接，实验台、Rogowski线圈、积分器、高速数据采集器顺次连接，实验台、电阻应变片、超动态应变仪、高速数据采集器顺次连接，高速数据采集器与计算机通过USB接口相互连接；所述电阻应变片包括第一电阻应变片(15)、第二电阻应变片(16)、第三电阻应变片(17)和第四电阻应变片(18)；

安全控制单元由充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器、安全监控器构成，用于显示设备运行状态，保证设备安全可靠地运行；充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器分别与可编程控制器连接，电容充电主回路、电容放电主回路、实验台分别与安全监控器连接，安全监控器、可编程控制器顺次连接；

电容量调节触发器、真空交流接触器J1～J7、脉冲电容器C1～C3构成电容量调节控制单元；可编程控制器与电容量调节触发器、真空交流接触器J1～J7、脉冲电容器C1～C3顺次连接；可编程控制器通过输出端子输出控制信号至电容量调节触发器，电容量调节触发器控制对应的真空交流接触器J1～J7使之闭合，脉冲电容器C1～C3与真空交流接触器J1～J7相互组合构成不同电容量的脉冲电容器组C4；

变压器TM1、整流晶闸管M1～M2、限流电阻R1、滤波电感L1、脉冲电容器组C4、整流二极管D1～D2顺次连接形成回路构成电容充电主回路，电压表与电压变送器TV1均并联在脉冲电容器组C4两端，电流变送器TA1连接在脉冲电容器组C4与整流二极管D1～D2之间；充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1、电流变送器TA1构成电容充电控制单元；可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1/电流变送器TA1、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；可编程控制器通过模拟量I/O模块、充电触发器控制整流晶闸管M1～M2的通断，从而对脉冲电容器组C4进行充电或停止充电；电容充电控制单元采用专家自整定串级PID控制器；

加载方式触发器、双轴加载接触器J9、单轴加载接触器J10、构成加载方式控制单元；可编程控制器与加载方式触发器、电容放电主回路顺次连接；双轴加载接触器J9分别于放电晶闸管M3、纵向放电线圈(3)连接，单轴加载接触器J10一端与放电晶闸管M3连接，另一端分别与纵向放电线圈(3)、横向放电线圈(8)连接；可编程控制器通过输出端子输出控制信号至加载方式触发器；加载方式触发器控制双轴加载接触器J9或单轴加载接触器J10使之闭合；

纵向温度变送器ST1的测量端与纵向放电线圈(3)紧密贴合，横向温度变送器ST2的测量端与横向放电线圈(8)紧密贴合；所述的流量控制器、纵向温度变送器ST1、横向温度变送器ST2、空气流量计构成放电线圈温度控制单元；可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、电容放电主回路、纵向温度变送器ST1/横向温度变送器ST2/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；可编程控制器通过模拟量I/O模块输出控制信号对流量控制器进行控制，流量控制器根据控制信号调节气压阀门的大小，从而控制纵向放电线圈(3)和横向放电线圈(8)的温度；

当双轴加载时，脉冲电容器组C4、放电晶闸管M3、双轴加载接触器J9、纵向放电线圈(3)、横向放电线圈(8)、放电电阻R3顺次连接形成回路构成电容放电主回路，在脉冲电容器组C4两端并入续流二极管D3；所述的放电触发器、电容放电主回路、电压变送器TV1、应力波发生器构成电容放电控制单元；可编程控制器与放电触发器、电容放电主回路、电压变送器TV1、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；可编程控制器通过输出端子输出控制信号至放电触发器；放电触发器输出触发脉冲对放电晶闸管M3进行触发使之导通，脉冲电容器组C4通过纵向放电线圈(3)和横向放电线圈(8)进行放电；纵向驱动线圈(4)与纵向放电线圈(3)相互贴紧，横向驱动线圈(9)与横向放电线圈(8)相互贴紧，从而产生排斥力，即电磁力；该电磁力在纵向应力放大器(5)与横向应力放大器(10)的输入端形成应力波脉冲；

脉冲电容器组C4、泄流接触器J8、泄流电阻R2顺次连接并构成电容-电阻泄流回路；所述的泄流触发器、泄流接触器J8构成泄流控制单元；可编程控制器与泄流触发器、电容放电主回路回路顺次连接；可编程控制器通过输出端子输出控制信号至泄流触发器；泄流触发器使泄流接触器J8触点闭合，脉冲电容器组C4存储的能量通过泄流电阻R2释放；

纵向放电线圈(3)通过螺栓连接固定在纵向放电线圈基座(2)上；横向放电线圈(8)通过螺栓连接固定在横向放电线圈基座(7)上；纵向驱动线圈(4)通过螺栓连接固定在纵向应力波放大器(5)上；横向驱动线圈(9)通过螺栓连接固定在横向应力波放大器(10)上；纵向导向轴(1)通过螺纹连接在纵向应力波放大器(5)上；横向导向轴(6)通过螺纹连接在横向应力波放大器(10)上；纵向入射杆(11)与纵向应力波放大器(5)通过螺纹连接，端面相互接触；横向入射杆(12)与横向应力波放大器(10)通过螺纹连接，端面相互接触；纵向透射杆(13)同轴安装在纵向入射杆(11)的自由方向；横向透射杆(14)同轴安装在横向入射杆(12)的自由方向；纵向入射杆(11)、纵向透射杆(13)、横向入射杆(12)、横向透射杆(14)之间留有放置试件(21)的空间；纵向缓冲器(19)安装在纵向透射杆(13)的末端；横向缓冲器(20)安装在横向透射杆(14)的末端；第一电阻应变片(15)粘贴在纵向入射杆(11)上；第二电阻应变片(16)粘贴在横向入射杆(12)上；第三电阻应变片(17)粘贴在纵向透射杆(13)上；第四电阻应变片(18)粘贴在横向透射杆(14)上；

Rogowski线圈(23)、积分器(24)、高速数据采集器(25)、计算机(26)顺次连接，构成放电电流测量电路，Rogowski线圈(23)测量孔通过电容-放电线圈放电回路中的放电电缆；第一电阻应变片(15)、第二电阻应变片(16)、第三电阻应变片(17)、第四电阻应变片(18)分别与超动态应变仪(22)连接，超动态应变仪(22)、高速数据采集器(25)、计算机(26)顺次连接，构成材料应变测量电路；

应力波发生器、实验台、Rogowski线圈(23)、积分器(24)、第一电阻应变片(15)、第二电阻应变片(16)、第三电阻应变片(17)、第四电阻应变片(18)、超动态应变仪(22)和高速数据采集器(25)构成实验数据采集控制单元，用于测量脉冲电容器组C4放电电流大小和材料的应变率大小。