CN105784510A - 一种落锤式坚果力学特性参数测试实验台 - Google Patents

Abstract

一种落锤式力学特性参数测试实验台，以LabVIEW为软件平台实现检测与控制过程，用于检测坚果类产品的力学破壳特性，包括：高速摄像机，落锤实验台，数据采集系统以及PC机。以落锤实验台为载体，经由数据采集系统将传感器采集到的模拟信号输送给PC机，PC机(上位机)程序用LabVIEW软件编写，利用LabVIEW软件环境将信号进行滤波补偿调理，最终测算出实际的破壳冲击力、冲击前后速度与加速度大小、破壳能量、破壳功率以及冲击高度等力学特性参数，并以波形图的形式进行直观反馈。该实验台结构简单、自动化水平高、性能稳定可靠，将为坚果类农产品的破壳取仁设备的研制提供重要的理论依据。

Description

一种落锤式坚果力学特性参数测试实验台

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，涉及机电控制检测实验台，是以LabVIEW为软件平台来实现检测与控制的实验设备，具体为一种落锤式的力学特性参数实验台。

背景技术

近年来，随着网络科技的发展，坚果类农产品在网络上大卖使得坚果的破壳取仁技术的发展成为了许多商家关注的焦点。坚果类农产品的破壳取仁技术一直是相关领域的一大技术难题，目前市场上所存在的破壳取仁装置大多存在破壳率低，损伤率高的缺点，究其根源，是对坚果类农产品的破壳力学特性不明所导致。坚果类农产品果壳物理特性不同，且其内部所含内隔等结构使得对坚果类产品进行受力分析是一个复杂的问题，因此，研究坚果类产品的力学特性参数具有十分重要的意义。同时，坚果类农产品大小不一，形状各异，实验台要求对各种试验样品具有普遍适应性。

发明内容

本发明要解决的技术问题：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，空间体积小，自动化水平高，测试结果稳定可靠，能适用于不同坚果类产品的力学特性参数测试实验台。

本发明解决问题的技术方案：

本发明提供一种力学特性参数测试实验台，是以LabVIEW为软件平台来实现检测与控制过程，用于检测不同的坚果类产品的力学破壳特性的实验设备，包括：高速摄像机，落锤实验台，数据采集系统以及PC机。

高速摄像机与PC机相连接，可摄录下试品破壳产生裂纹的全过程，记录在不同加载位置与加载高度下，试品破壳效果以及裂纹的产生过程，并于PC机上进行显示、分析、记录。

落锤实验台包括：龙门架，滑动模块，提锤架，冲击锤，冲击座与防二次冲击装置。其中滑动模块由滚珠丝杠模块与步进电机组成，步进电机由驱动器驱动，驱动器由控制器控制，控制器的输入端再连接PC机，进而由PC机间接控制步进电机动作。滑动模块立于龙门架中间，通过龙门框架来减少模块运动时的扰动。

进一步的，所述的落锤实验台，提锤架固定在滚珠丝杠模块上，随着步进电机的正反转调整冲击高度。提锤架下端通过电磁吸盘与冲击锤连接，冲击锤通过滑动套环套装在滑动导杆上构成滑动配合，电磁吸盘通过继电器与PC机连接，通过通电断电来实现对冲击锤的夹紧与释放。

进一步的，所述的落锤实验台，冲击座安装在龙门架底座上，冲击座通过螺母固定于底盘座上，处于冲击锤的正下方，防二次冲击装置由滑动套环、冲击卡环和设置在冲击座上的卡环套组成，滑动套环的外表面、冲击卡环的内外表面和卡环套内表面都都是上大下小的圆锥面，滑动套环、冲击卡环和卡环套三者的锥度逐渐增大，而且冲击卡环由一个完整的圆环均分成不少于两等份的卡环组件组成，卡环组件采用柔性连接方式将联成一个整体，可以在不同直径的滑动套环表面上下移动，在冲击锤下落到最低位置时，滑动套环与卡环座之间是楔形空间，滑动套环和冲击卡环随着冲击锤下落，当冲击锤冲击试件反弹后，滑动套环与卡环座之间形成的楔形空间增大，而冲击滑环仍然在下落过程中，并楔进了滑动套环与卡环座之间形成了楔形空间中，由此阻止了冲击锤的二次下落，防止了冲击锤对试件的二次冲击。

数据采集系统包括：冲击力传感器，加速度传感器，红外测距传感器，信号调理设备，数据采集卡等。其中，三种传感器分别安装在以落锤实验台为载体的冲击锤，冲击座上。冲击力传感器固定在冲击座上，所述的冲击力传感器通过BNC接口连接信号调理设备，信号调理设备由AC220—DC24V电源适配器供电，所述的信号调理设备的冲击力电压信号输出到采集卡的模拟量输入端子，所述的采集卡与PC机连接。

进一步的，所述的加速度传感器固定在冲击锤上，所述的加速度传感器通过导线连接信号调理设备，所述的信号调理设备的加速度电压信号输出到采集卡的模拟量输入端子，所述的采集卡与PC机连接。

进一步的，所述的红外测距传感器固定在龙门架底座上，所述的红外测距传感器的输出端与采集卡的模拟量输入端子连接，所述的采集卡与PC机连接。

PC机，其程序模块包括数据采集模块，数字输出模块，参数设定模块，信号滤波模块，数据分析模块，信号波形以及数值显示模块，数据存储模块。

进一步的，所述的PC机(上位机)程序采用LabVIEW软件编写，利用LabVIEW软件中的编写采集程序读取采集卡采集到的电压信号，利用信号拆分控件对冲击力、加速度和距离三组信号进行分开显示，用数值关系计算出试验时落锤的冲击高度，试品的实际破壳力，冲击前后的速度与加速度和试品的实际破壳能量以及破壳功率，并用波形图进行显示。

本发明的力学特性参数测试实验台可针对多种不同的坚果类产品，进行包括：破壳力、撞击前后的速度与加速度、破壳所需能量、破壳功率等力学特性参数的检测，以及不同加载条件下，测试试品破壳裂纹产生的情况，帮助探寻最佳的加载方式，实用性强，所采用的部件都通过螺栓连接，方便拆装，便于携带，操作过程简单，自动化水平高，试验结果可靠。将为坚果类农产品的破壳取仁设备的研制提供重要的理论依据。

附图说明

图1为本发明的立体图示意图。

图2为本发明的落锤实验台示意图。

图3为本发明的龙门立体图示意图。

图4为本发明的滑动模块立体图示意图。

图5为本发明的提锤架立体图示意图。

图6为本发明的冲击锤立体图示意图。

图7为本发明的防二次冲击装置示意图。

图8为本发明的冲击座立体图示意图。

图9为本发明的数据采集系统的结构示意图。

图10为本发明的硬件接线原理图。

图11为本发明的数据采集界面图。

图12为本发明的数据采集程序图。

图中：0.高速摄像机；1.落锤实验台；2.数据采集系统；3.PC机；11.龙门架；12.滑动模块；13.提锤架；14.冲击锤；15.冲击座；21.数据采集卡；22.24V电源开关；23.控制器；24.驱动器；25.信号调理器；26.开关盒；31.操作面板；32.波形显示界面；33.数据采集模块；34.数字输出模块；35.波形实时显示模块；111.底座；112.下盖板；113.龙门支架；114.上盖板；115.上限位开关；116.滑动导杆；117.下限位开关；118.橡胶脚垫；121.步进电机；122.滚珠丝杠；123.滑块；124.支撑板；131.限位螺栓；132.提锤架横梁；133.竖连接板；134.转向角件；135.电磁吸盘；141.冲击卡环；142.滑动套环；143.翼板；144.吸合铁盘；145.连接板；146.锤体；147.加速度传感器；148.锤头；151.垫块；152.卡环套；153.果臼槽；154.红外测距传感器；155.冲击力传感器；156.传感器底盘工装；157.电磁吸盘；158.环形挡铁；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

本发明提供一种力学特性参数测试实验台，是以LabVIEW为软件平台来实现检测与控制过程，用于检测不同的坚果类产品的力学破壳特性的实验设备，可用于检测坚果类产品的在不同加载条件下破壳力、破壳能量、破壳功率的大小，以及裂纹产生的形式。

参照图1，一种落锤式坚果力学特性参数测试实验台，包括：高速摄像机0，落锤实验台1，数据采集系统2以及PC机3。所述的高速摄像机0置于落锤实验台1的正前方，试验时可以摄录坚果破壳的全过程，通过数据线将信息发送到PC机3上，在显示屏上显示，观察不同加载位置与加载力条件下果壳开裂的情况，寻找最佳的加载条件。

进一步的，所述的落锤实验台1与数据采集系统2通过数据线相连接，数据采集系统2的输出端通过继电器等来控制实验台动作，同时，落锤实验台1又是传感器敏感元件的载体，所检测到的力学特性参数信息传送回数据采集系统2的输入端进而传送至PC机3上，以图像的形式直观的显示在屏幕上。

参照图2，落锤实验台1包括五个部分，即：龙门架11、滑动模块12、提锤架13、冲击锤14与冲击座15。各个部分主要通过螺栓连接，多选用铝合金等轻便材料，便于分装携带。

参照图3，龙门架11由底座111、下盖板112、龙门支架113、上盖板114、上限位开关115、滑动导杆116、下限位开关117和橡胶脚垫118组成。底座111使用铸铁材料，增加重量保证实验台稳定性，上盖板114与下盖板112上开有若干相对应的槽孔，用于定位滑动模块12和滑动导杆116，两根滑动导杆116平行安装于滑动模块12的前侧方。左侧龙门支架内部分别安装有上限位开关115和下限位开关117，配合提锤架13上的限位螺栓131对实验台进行硬限位保护，防止步进电机卡死。

参照图4，滑动模块12包含有步进电机121、滚珠丝杠122、滑块123和支撑板124。

步进电机121的输入端与驱动器24连接，所述的驱动器24与控制器23连接，所述的控制器23与数据采集卡21的输出端连接，数据采集卡21通过输出数字信号控制步进电机121带动滚珠丝杠122正反转，进而带动滑块123上下运动。

参照图5，提锤架13包括：限位螺栓131，提锤架横梁132，连接竖板133，转向角件134以及电磁吸盘135。提锤架横梁132与连接竖板133通过转向角件134相垂直安装，连接竖板加装在滑动模块23的滑块上，电磁吸盘135安装在提锤架横梁132上的槽孔内部，与冲击锤上端的吸合铁盘144配合对冲击锤进行吸附以及释放动作。所述的电磁吸盘135输入端通过继电器与数据采集卡21的输出端连接，数据采集卡21通过输出数字信号控制继电器通断实现对电磁吸盘135生磁失磁的控制。

参照图6，冲击锤14共包括8个部分，即：冲击卡环141，滑动套环142，翼板143，吸合铁盘144；连接板145；锤体146，加速度传感器147，锤头148。滑动套环142加装在翼板143的两端，套在滑动导杆116上构成滑动配合。翼板143，连接板145与锤体146三者通过沉头螺钉加装，实验室翼板143上端可添加砝码等进行配重。加速度传感器147安装于锤体146内部，底端带有永磁铁可与锤头148吸合，锤头148使用铸铁材料制成，保证硬度，在冲击实验过程中不会发生破损形变。

进一步的，所述的加速度传感器147输出端连接信号调理器25，所述的信号调理器25连接数据采集卡21的输入端，试验时加速度传感器147检测到的加速度大小以电压信号模式传输给信号调理器25，调理器将处理后的电压信号传输给数据采集卡21进而传输到PC机3上，以图像的形式直观的显示在屏幕界面上。

参照图7，冲击卡环141、滑动套环142和设置在冲击座上的卡环套152组成防二次冲击装置，图7显示冲击卡环141、滑动套环142和卡环套152三者的配合关系，冲击卡环141比滑动套环142小，冲击卡环141是由一个完整的圆环均分成四等份、四部分之间使用软绳连成一体，包覆在滑动套环142的外表面，滑动套环142、冲击卡环141、卡环套152三者的锥度从小到大，冲击卡环141随冲击锤14一同做类自由落体运动，在滑动套环142下落到卡环套152时，滑动套环142与卡环套152之间有圆环形状的楔形空间，初次碰撞后，冲击锤14因试品的反作用力向上弹起，冲击卡环141继续做类自由落体运动，冲进环142与卡环套152之间的圆环形状的楔形空间中，阻止了冲击锤14再次下落，对试品二次碰撞。

参照图8，冲击座15，包含：垫块151，卡环套152，果臼槽153，距离传感器154，冲击力传感器155，传感器底盘工装156，电磁吸盘157与环形挡铁158。传感器底盘工装156加装在下盖板112上对应的槽孔之内，位于冲击锤14的正下方，上端固定冲击力传感器155，传感器上端再加装果臼槽153,垫块151套装在滑动导杆116的底部，上端盖有卡环套152，底端安装有电磁吸盘157，内部安装有环形挡铁158，挡铁通过若干弹簧与电磁吸盘157相连接，环形挡铁158可在弹簧的约束力范围内沿着滑动导杆116上下运动，垫块为可更换件，在面对不同大小的试样时，只需更换不同高度的垫块即可保证功能的实现。

进一步的，所述的电磁吸盘157输入端通过继电器与数据采集卡21的输出端连接，数据采集卡21通过输出数字信号控制继电器通断实现对电磁吸盘157生磁失磁的控制。工作时，电磁吸盘157通电生磁将环形挡铁158向下吸附约束，当一次实验循环结束后，电磁吸盘157断电失磁，环形挡铁158在弹簧力的作用下向上弹起，将卡紧在卡环套152中的冲击卡环141顶出，恢复原状。

进一步的，所述的红外测距传感器154安装在底座111上，通过红外检测，配合提锤架横梁132，可测算出提锤架的高度。红外测距传感器154的输出端直接连接数据采集卡21的输入端，试验时红外测距传感器154检测到的距离大小以电压信号的形式传输给数据采集卡21进而传输到PC机3上，以图像的形式直观的显示在屏幕界面上。

进一步的，所述的冲击力传感器155输出端连接信号调理器25，所述的信号调理器25连接数据采集卡21的输入端，试验时加速度传感器155检测到的冲击力大小以电压信号模式传输给信号调理器25，调理器将处理后的电压信号传输给数据采集卡21进而传输到PC机3上，以图像的形式直观的显示在屏幕界面上。

参照图10，PC机3的操作界面(即LabVIEW的前面板)由操作面板31与波形显示界面32组成。试验时，在操作面板31中输入预定的冲击高度，操作落锤实验台1动作，波形显示界面32将实验台上所装载的传感器检测到的各种数据以波形图的形式进行反馈。

参照图11，PC机3的软件程序面板(即LabVIEW的后面板)，数据采集模块33读取数据采集卡21输送的电压信号，将电压信号输送到信号滤波模块，对所采集的电压信号进行滤波调理以及信号补偿，将处理后的电压信号输送至数据分析模块，所述的数据分析模块对电压信号进行换算，测算出实际的破壳冲击力、冲击前后速度与加速度大小、破壳能量、破壳功率以及冲击高度等力学特性参数，并输送至波形实时显示模块35以波形图的形式进行显示。数字输出模块34接受操作面板31输入的指令，向数据采集卡21输送数字信号，控制继电器通断来控制电磁吸盘的动作。

本发明的具体工作过程为：

将试品坚果防置于果臼槽153上，在操作面板上设定好冲击高度，点击运行按钮，LabVIEW软件程序发出数字信号，通过数据采集卡21输出端控制继电器闭合，电磁吸盘135通电生磁，对冲击锤14进行捕捉吸附。控制器23通过驱动器24控制步进电机121正转，带动提锤架13上升。红外测距传感器154测算提锤架14的上升高度，并在波形显示界面实时显示，当测算高度与初始设定的冲击高度一致时，步进电机停止运动，继电器断开，电磁吸盘135断电失磁，冲击锤14在自身重力下做类自由落体运动。此时，加速度传感器147开始测算冲击锤14的下落加速度，并在波形显示界面显示。最后冲击锤14撞击在试品表面，此时，位于果臼槽下的冲击力传感器155测算出实时冲击力，并在波形显示界面显示。高速摄像机0全程观测，摄录下冲击锤14撞击试品破壳，裂纹产生的全过程，并将数据保存至PC机3中，便于后续观察与分析。至此，完成一次测试循环。

本发明提供的一种落锤式坚果力学特性参数测试实验台，落锤实验台对坚果试品进行破壳处理，实验台上搭载的传感器对试品的力学特性参数进行检测，通过数据采集系统以及PC机上的LabViEW软件编程，测算出包括：破壳力的大小、撞击前后速度与加速度的大小、破壳能量、破壳功率等力学特性参数，高速摄像机检测裂纹产生的方式与过程。本发明可针对多种不同的坚果类产品进行力学特性参数的检测，以及不同加载条件下，测试试品破壳裂纹产生的情况，帮助探寻最佳的加载方式，实用性强，所采用的部件都通过螺栓连接，方便拆装，便于携带，操作过程简单，自动化水平高，试验结果可靠。将为坚果类农产品的破壳取仁设备的研制提供重要的理论依据。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于，包括:落锤实验台，数据采集系统，PC机及高速摄像机；所述落锤实验台包括:龙门架，滑动模块，提锤架，冲击锤，冲击座，防止二次冲击模块6个部分；所述高速摄像机与所述PC机相连。

2.根据权利要求1所述的落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于所述落锤实验台的滑动模块由滚珠丝杠模块与步进电机组成，所述的步进电机输入端连接驱动器，所述的驱动器连接控制器，所述的控制器连接数据采集卡。

3.根据权利要求1所述的落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于，所述落锤试验台的提锤架固定在滚珠丝杠模块上，提锤架的中间位置的槽孔处安装电磁吸盘，提锤架下端通过电磁吸盘与冲击锤连接；所述的电磁吸盘输入端与数据采集卡的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于，所述冲击锤通过滑动套环套装在两根滑动导杆之间，冲击锤为中空结构，冲击锤内部安装有加速度传感器；所述的加速度传感器的输出端连接信号调理器，所述的信号调理器连接数据采集卡，所述的数据采集卡与PC机连接。

5.根据权利要求1所述的所述的落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于，冲击座的传感器底盘工装加装在龙门下盖板上对应的槽孔之内，位于冲击锤的正下方，传感器底盘工装上端固定冲击力传感器，冲击力传感器上端加装果臼槽；所述的冲击力传感器的输出端连接信号调理器，信号调理器连接数据采集卡，数据采集卡与PC机连接。

6.根据权利要求1所述的所述的落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于，红外测距传感器安装在龙门架下盖板上，红外测距传感器输出端连接数据采集卡。

7.根据权利要求1所述的所述的落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于，滑动套环、冲击卡环、卡环套和垫块组成实验台的防二次冲击装置；滑动套环套装在滑动导杆上构成滑动配合，滑动套环的外表面、冲击卡环的内外表面和卡环套内表面都都是上大下小的圆锥面，滑动套环、冲击卡环和卡环套三者的锥度逐渐增大，而且冲击卡环由一个完整的圆环均分成不少于两等份的卡环组件组成，卡环组件采用柔性连接方式将联成一个整体，可以在不同直径的滑动套环表面上下移动。

8.根据权利要求1所述的所述的落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于，冲击座垫块套装在滑动导杆的下端，其内径大于导杆的外径，环形挡铁套装在垫块内壁与滑动导杆外壁间的空隙；电磁吸盘安装在垫块内部底端，电磁吸盘与环形挡铁通过若干复位弹簧相连接；所述的电磁吸盘输入端通过继电器与数据采集卡的输出端连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的落锤式坚果力学特性参数测试实验台，其特征在于，所述PC机程序包括数据采集模块，信号滤波模块，数据分析模块，信号波形以及数值显示模块，参数设定模块；所述数据采集模块读取数据采集卡输送的电压信号，并将电压信号输送到信号滤波模块，所述信号滤波模块对所采集的电压信号进行滤波调理以及信号补偿，并将处理后的电压信号输送至数据分析模块，所述数据分析模块对电压信号进行换算，测算出实际的破壳冲击力、冲击前后速度与加速度大小、破壳能量、破壳功率以及冲击高度等力学特性参数，并输送至波形实时显示模块，所述波形实时显示模块以波形图的形式显示试验所得的力学特性参数；所述参数设定模块连接操作面板，设定试验台的试验参数。