CN109870346B - 基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，在电容充电主回路中，利用PID回路实现充电电压精确控制，充电误差1V以内，从而对应力波脉冲幅值的控制更加精确；在电容放电主回路中，使用晶闸管代替开关，可以更加精确地触发放电回路；在电容放电模块中，引入了数字脉冲延时发生器，实现了放电延时时间误差控制在1ns以内，保证了材料测试过程中加载的同步性；在电容量调节单元中，使用一个开关对应一种电容值的方式，避免了电容间的干扰和一条回路中开关过多带来的影响，降低了电路的复杂程度，增加了电容量调节的精确度和电容的寿命；电容充电主回路和电容泄流主回路中，开关均使用真空接触器，可承受高电压，大电流。

Description

基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统

技术领域

本发明属于材料的动态力学性能测试领域，涉及一种材料动态力学性能测试实验设备的控制系统，具体涉及一种基于双轴分离式多脉宽霍普金森拉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，广泛利用空气炮冲击短杆，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，冲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；冲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，要求冲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。

电磁力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。专利号为201510051378.X的专利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，该装置通过可编程控制器、HMI设备、充电回路、放电回路、传感器和触发器等，实现对霍普金森压杆加载的控制，能够自由调整加载方式、应力波脉冲幅值和应力波脉冲宽度，同时降低了人工操作造成的误差，操作简便且数据处理容易。该装置虽然实现了对霍普金森压杆的控制，但无法解决双轴同时加载时触发电容充电、触发电容放电、触发电容泄流以及触发电容量选择等问题。同时，该装置还具有充电电压精度不高，脉宽调节过于复杂，不易于操作。此外，该发明中放电开关需承受巨大电流，造成开关选择困难，其放电回路会产生的反向电流会拉长脉宽，对实验结果产生影响，双轴同时加载放电延时时间亦无法精确保证。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统。

技术方案

一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，其特征在于包括HMI人机交互设备、可编程控制器、一号系统充电完成指示灯、二号系统充电完成指示灯、闪光蜂鸣器、充电触发按钮、放电触发按钮、急停开关、模拟量I/O模块、一号系统TCA785芯片、二号系统TCA785芯片、一号系统NE555芯片、二号系统NE555芯片、一号系统电容充电触发模块、二号系统电容充电触发模块、一号系统电容放电触发模块、二号系统电容放电触发模块、一号系统充电主回路、二号系统充电主回路、一号系统放电主回路、二号系统放电主回路、一号系统电容量调节触发模块、二号系统电容量调节触发模块和数字脉冲延时发生器；所述的可编程控制器与HMI人机交互设备、一号系统充电完成指示灯、二号系统充电完成指示灯、闪光蜂鸣器、充电触发按钮、放电触发按钮、急停开关、模拟量I/O模块、一号系统TCA785芯片、二号系统TCA785芯片、一号系统NE555芯片、二号系统NE555芯片、一号系统电容量调节触发模块、二号系统电容量调节触发模块连接；一号系统TCA785芯片的输出连接一号系统电容充电触发模块，一号系统电容充电触发模块的输出连接一号系统充电主回路，一号系统NE555芯片的输出连接一号系统电容放电触发模块，一号系统电容放电触发模块的输出连接一号系统放电主回路，一号系统充电主回路与一号系统放电主回路连接；二号系统TCA785芯片的输出连接二号系统电容充电触发模块，二号系统电容充电触发模块的输出连接二号系统充电主回路，二号系统NE555芯片的输出连接二号系统电容放电触发模块，二号系统电容放电触发模块的输出连接二号系统放电主回路，二号系统充电主回路与二号系统放电主回路连接；一号系统电容量调节触发模块的输出连接一号系统放电主回路，二号系统电容量调节触发模块的输出连接二号系统放电主回路；数字脉冲延时发生器与一号系统放电主回路、二号系统放电主回路连接用于调节放电时间；一号系统充电主回路和二号系统充电主回路连接模拟量I/O模块。

所述的一号系统充电主回路和一号系统充电回路结构相同，均包括第一桥式全波整流二极管、第二桥式全波整流二极管、第一桥式全波整流二极管、第一桥式全波整流二极管、限流电阻、滤波电感与第一脉冲电容、第一单向可控硅、第二单向可控硅、升压变压器、电压传感器、电流传感器与电压表；第一单向可控硅与第二单向可控硅并联后串联在升压变压器的输入端；第一桥式全波整流二极管与第二桥式全波整流二极管串联后与第一桥式全波整流二极管与第一桥式全波整流二极管串联后的电路并联组成桥式全波整流电路，并与升压变压器的输出端并联；限流电阻、滤波电感、第一脉冲电容、电流传感器与桥式全波整流电路串联；电压传感器与电压表分别并联在第一脉冲电容上。

所述的一号系统电容量调节触发模块和一号系统电容量调节触发模块结构相同，均包括第一电磁继电器、第二电磁继电器、第三电磁继电器、第一真空接触器、第二真空接触器、第三真空接触器；第一电磁继电器、第二电磁继电器与第三电磁继电器的线圈并联后与可编程控控制器PLC串联，第一电磁继电器、第二电磁继电器与第三电磁继电器的开关分别与第一真空接触器、第二真空接触器、第三真空接触器的线圈串联。

所述的一号系统放电主回路和二号系统放电主回路结构相同，均包括第一真空接触器、第二真空接触器、第三真空接触器、第四真空接触器、第五真空接触器、泄流电阻、第二脉冲电容、第三脉冲电容、第四脉冲电容、第五脉冲电容、第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管、第一初级线圈、第二初级线圈、第三初级线圈、第四初级线圈；第一真空接触器、泄流电阻与第二真空接触器串联后与第二脉冲电容、第一晶闸管、第一初级线圈并联的电路串联；第一真空接触器、泄流电阻与第五真空接触器串联后与第二晶闸管、第二初级线圈、第五脉冲电容并联的电路串联；第一真空接触器、泄流电阻与第五真空接触器串联后与第二晶闸管、第二初级线圈、第五脉冲电容并联的电路串联；第一真空接触器、泄流电阻与第五真空接触器串联后与第二晶闸管、第二初级线圈、第五脉冲电容并联的电路串联。

所述的一号系统电容放电触发模块和二号系统电容放电触发模块的结构相同，均由电磁继电器组成；电磁继电器的线圈与可编程控制器PLC以及NE555芯片的FPC端串联；电磁继电器的常开开关与NE555芯片的+24V端和脉冲延时发生器串联；电磁继电器的常闭开关与NE555的FDR端与+15端串联。

所述的一号系统电容充电触发模块和二号系统电容充电触发模块结构相同，包括第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻、第四限流电阻、第五限流电阻、第六限流电阻、第七限流电阻、第一触发电容、第二触发电容、三极管、充电触发器、第一单向二极管、第二单向二极管、第三单向二极管、第四单向二极管与变压器；第一限流电阻与第七限流电阻分别串联在三极管的基极；第一触发电容与第二限流电阻并联后串联在三极管的输出端后与第三限流电阻与第四单向二极管串联后与第四限流电阻与第三单向二极管串联后并联的电路串联，之后并联在变压器输入端；变压器输出端与第一单向二极管、第二单向二极管串联后与第六限流电阻与第二触发电容并联后的电路串联后与第五限流电阻串联。

有益效果

本发明提出的一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，该控制系统实现了基于双轴多脉宽的控制，电容充电精度高，充电误差小于1V，解决了电容之间相互干扰和开关过多的问题，电容充电和泄流主回路实现了耐高电压和大电流，同时避免了线圈反向放电的不利影响，双轴放电延时时间控制在1ns以内。在电容充电主回路中，通过对可编程控制器的改良，利用PID回路实现充电电压精确控制，充电误差1V以内，从而对应力波脉冲幅值的控制更加精确；在电容放电主回路中，使用晶闸管代替开关，可以更加精确地触发放电回路，并且使开关不至于承受过大的电流，从而使放电过程更易于实现，并且可以把噪音降低为零，更加改善实验环境；在电容放电模块中，引入了数字脉冲延时发生器，实现了放电延时时间误差控制在1ns以内，保证了材料测试过程中加载的同步性；在电容量调节单元中，使用一个开关对应一种电容值的方式，避免了电容间的干扰和一条回路中开关过多带来的影响，降低了电路的复杂程度，增加了电容量调节的精确度和电容的寿命；电容充电主回路和电容泄流主回路中，开关均使用真空接触器，可承受高电压，大电流。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构总示意图。

图2为本发明的电容充电结构示意图。

图3为本发明的放电主回路结构示意图。

图4为本发明的电容量调节触发模块结构示意图。

图5为本发明的电容放电触发模块结构示意图。

图6为本发明的电容充电触发模块结构示意图。

图7为本发明的实验设备示意图。

图8为本发明的程序流程示意图。

图中，1-第一单向可控硅、2-第二单向可控硅；3-电流传感器；4-第一脉冲电容；5-电压表；6-霍尔电压传感器；7-滤波电感；8-充电限流电阻；9-第一桥式全波整流二极管；10-第二桥式全波整流二极管；11-第一桥式全波整流二极管；12-第一桥式全波整流二极管；13-升压变压器；14-第一真空接触器；16-第二真空接触器；28-第三真空接触器；29-第四真空接触器；31-第五真空接触器；15-泄流电阻；17-第二脉冲电容；23-第三脉冲电容；27-第四脉冲电容；30-第五脉冲电容；18-第一晶闸管；20-第二晶闸管；22-第三晶闸管；25-第四晶闸管；19-第一初级线圈；21-第二初级线圈；24-第三初级线圈；26-第四初级线圈；35-第一电磁继电器；36-第二电磁继电器；37-第三电磁继电器；46-第四电磁继电器；38-第一真空接触器；39-第二真空接触器；40-第三真空接触器；41-NE555放电控制芯片；45-数字脉冲延时发生器；47-TCA785充电控制芯片；48-第一限流电阻；51-第二限流电阻；52-第三限流电阻；53-第四限流电阻；57-第五限流电阻；58-第六限流电阻；63-第七限流电阻；49-第一触发电容；59-第二触发电容；50-三极管；54-同步变压器；55-第一单向二极管；56-第二单向二极管；61-第三单向二极管；62-第四单向二极管；60-可控硅触发器；65-第一横向应力波发生装置；71-第二横向应力波发生装置；66-第一入射杆；68-第二入射杆；73-第三入射杆；75-第四入射杆；67-第一应变片；74-第二应变片；76-第三应变片；78-第四应变片；69-一号系统第一纵向应力波发生装置、一号系统第二纵向应力波发生装置72；70-动态应变仪；77-试件；79-一号系统第一应力波发生器；85-一号系统第二应力波发生器；80-一号系统第一次级线圈；86-一号系统第二次级线圈；81-一号系统第一初级线圈；87-一号系统第二初级线圈；82-二号系统第一初级线圈；90-一号系统第二初级线圈；83-二号系统第一次级线圈；88-二号系统第二次级线圈；84-二号系统第一应力波发生器；89-二号系统第二应力波发生器；91-高速数据采集器；92-计算机。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提出一种基于电磁力加载的双轴多脉宽霍普金森压杆实验装置的控制系统，所述控制系统包括：HMI人机交互设备、可编程控制器、一号系统充电完成指示灯、二号系统充电完成指示灯、闪光蜂鸣器、充电触发按钮、放电触发按钮、急停开关、模拟量I/O模块、一号系统TCA785芯片、二号系统TCA785芯片、一号系统NE555芯片、二号系统NE555芯片、一号系统电容充电触发模块、二号系统电容充电触发模块、一号系统电容放电触发模块、二号系统电容放电触发模块、一号系统充电主回路、二号系统充电主回路、一号系统放电主回路、二号系统放电主回路、一号系统电容量调节触发模块、二号系统电容量调节触发模块和数字脉冲延时发生器。

所述的HMI人机交互设备，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；所述的可编程控制器用于控制其它单元；所述的可编程控制器、模拟量I/O模块、电容充电主回路构成电容充电模块，对电容进行充电控制并可根据需要调整充电电压，最大充电电压可达3000V，通过PID回路控制充电电压值，可将充电电压值精确到1V；所述的可编程控制器、模拟量I/O模块、数字延时脉冲发生器、电容放电主回路构成电容放电模块，实现对电容放电的控制用于产生应力波、并可以将两轴的放电时间间隔精确控制在1ns以内；所述的可编程控制器与模拟量I/O模块、电容调节触发模块构成电容量调节模块，可根据不同需要选择不同电容量，以此来实现脉宽的控制，电容量的选择采用一个开关对应一种电容值的调节方式，避免了电容之间的相互干扰和开关过多带来的不利影响；所述可编程控制器、模拟量I/O模块、TCA785芯片、电容充电触发模块构成电容充电触发回路，用于触发电容充电模块；所述可编程控制器、HMI人机交互设备、模拟量I/O模块、NE555芯片、电容放电触发模块构成电容放电触发回路，用于触发电容放电模块。

参照图1，所述可编程控制器与HMI人机交互设备相连，与充电触发按钮、放电触发按钮构成该系统的控制模块，通过HMI人机交互设备与各种按钮输入各种指令，由可编程控制器向充电触发模块、放电触发模块、电容量调节触发模块发出信号，完成各种功能。

参照图1，所述HMI人机交互设备、一号系统充电完成指示灯、二号系统充电完成指示灯、闪光蜂鸣器构成该系统的输出模块，可通过其监测系统的运行情况。

参照图1，图2，所述系统充电主回路包括第一桥式全波整流二极管9、第二桥式全波整流二极管10、第一桥式全波整流二极管11、第一桥式全波整流二极管12、限流电阻8、滤波电感7与第一脉冲电容4、第一单向可控硅1、第二单向可控硅2、升压变压器13、电压传感器6、电流传感器3与电压表5；

连接关系：第一单向可控硅1与第二单向可控硅2并联后串联在升压变压器13的输入端；第一桥式全波整流二极管9与第二桥式全波整流二极管10串联后与第一桥式全波整流二极管11与第一桥式全波整流二极管12串联后的电路并联组成桥式全波整流电路，并与升压变压器13的输出端并联；限流电阻8、滤波电感7、第一脉冲电容4、电流传感器3与桥式全波整流电路串联；电压传感器6与电压表5分别并联在第一脉冲电容4上。

工作过程：充电时，按下充电触发按钮，可编程控制器得到信号后给TCA785芯片发出充电信号传递给充电触发模块，充电触发模块将充电信号进行放大和移相后发出脉冲触发单向可控硅的引脚K1、G1、K2、G2，第一单向可控硅1和第二单向可控硅2被激发，升压变压器13开始工作，经第一桥式全波整流二极管9、第二桥式全波整流二极管10、第一桥式全波整流二极管11、第一桥式全波整流二极管12整流后对第一脉冲电容4开始充电，电压传感器6和电流传感器3分别采集电压和电流信息后反馈给模拟量I/O模块进而反馈给可编程控制器，达到设定电压后充电触发模块停止工作，充电停止，充电完成指示灯亮，充电期间可以通过电压表5观测到电容电压，对电路进行实时监测，这个过程中可随时按下急停开关，系统停止工作，闪光蜂鸣器闪烁并发出警报蜂鸣。

参照图1，图3，图4，所述的电容量调节触发模块由第一电磁继电器35、第二电磁继电器36、第三电磁继电器37、第一真空接触器38、第二真空接触器39、第三真空接触器40构成。

连接关系：第一电磁继电器35、第二电磁继电器36与第三电磁继电器37的线圈并联后与可编程控控制器PLC串联，第一电磁继电器35、第二电磁继电器36与第三电磁继电器37的开关分别与第一真空接触器38、第二真空接触器39、第三真空接触器40的线圈串联。

工作过程：使用时，操作人员在HMI人机交互设备中选择所需要的电容值，可编程控制器接收到HMI人机交互设备的信号后发出信号，相应电容值对应的电磁继电器接通，从而相应电容值所对应的真空接触器闭合，导通该电容所在的充电回路，电容值选择完成。该电容量调节方式采用一条回路对应一种电容值的调节方式，改进了之前由电容之间串并联来调节电容值的方式，降低了回路电阻和发生错误的概率，使脉冲宽度调节更加精确，使电路更加安全。

参照图3，所述的系统放电主回路由第一真空接触器14、第二真空接触器16、第三真空接触器28、第四真空接触器29、第五真空接触器31、泄流电阻15；第二脉冲电容17；第三脉冲电容23；第四脉冲电容27；第五脉冲电容30；第一晶闸管18；第二晶闸管20；第三晶闸管22；第四晶闸管25；第一初级线圈19；第二初级线圈21；第三初级线圈24；第四初级线圈构成26组成。

连接关系：第一真空接触器14、泄流电阻15与第二真空接触器16串联后与第二脉冲电容17、第一晶闸管18、第一初级线圈19并联的电路串联；第一真空接触器14、泄流电阻15与第五真空接触器31串联后与第二晶闸管20、第二初级线圈21、第五脉冲电容30并联的电路串联；第一真空接触器14、泄流电阻15与第五真空接触器29串联后与第二晶闸管20、第二初级线圈21、第五脉冲电容30并联的电路串联；第一真空接触器14、泄流电阻15与第五真空接触器29串联后与第二晶闸管20、第二初级线圈21、第五脉冲电容30并联的电路串联；

参照图5，电容放电触发模块由电磁继电器46组成。

连接关系：电磁继电器46的线圈与可编程控制器PLC以及NE555芯片的FPC端串联；电磁继电器46的常开开关与NE555芯片的+24V端和脉冲延时发生器串联；电磁继电器46的常闭开关与NE555的FDR端与+15端串联。

工作过程：放电时，操作人员按下放电触发按钮，而后可编程控制器得到指令后发出信号，电磁继电器46得电后使开关导通，NE555芯片回路导通，从而向数字脉冲延时发生器发出信号，数字脉冲延时发生器向晶闸管发出脉冲，第一晶闸管18、第二晶闸管20、第三晶闸管22、第四晶闸管25导通，放电回路导通，第一初级线圈19、第二初级线圈21、第三初级线圈24、第四初级线圈26中的能量瞬间释放，形成应力波，放电完成。同时将充电开关只设置在充电回路中，使放电回路中没有开关，解决了开关无法承受过大电流的问题，使开关更易于选择。放电回路引进了数字脉冲延时发生器，将放电延时时间误差控制在1ns以内，便于更加精准的模拟真实情况。

参照图1，图2，图6，系统充电触发模块由第一限流电阻48、第二限流电阻51、第三限流电阻52、第四限流电阻53、第五限流电阻57、第六限流电阻58、第七限流电阻63、第一触发电容49、第二触发电容59、三极管50、充电触发器60、第一单向二极管55、第二单向二极管56、第三单向二极管61、第四单向二极管62与变压器54构成。

连接关系：第一限流电阻48与第七限流电阻分别串联在三极管50的基极；第一触发电容49与第二限流电阻51并联后串联在三极管50的输出端后与第三限流电阻52与第四单向二极管62串联后与第四限流电阻53与第三单向二极管61串联后并联的电路串联，之后并联在变压器54输入端；变压器54输出端与第一单向二极管55、第二单向二极管56串联后与第六限流电阻58与第二触发电容59并联后的电路串联后与第五限流电阻57串联。

工作过程：充电时，操作人员通过HMI人机交互设备设定电压值和加载方式后下达充电指令，可编程控制器得到指令后激发TCA785充电触发芯片，从而导通充电触发电路，TCA785芯片输出的脉冲经过电阻48为三极管50提供基极电流，+24V经过变压器、电阻51、三极管50与地线连接，产生电流。电容49被瞬间短路，在变压器输出端产生幅值+24V的尖峰脉冲，脉冲通过充电触发器60导通第一单向可控硅1、第二单向可控硅2，升压变压器13开始工作，通过第一桥式全波整流二极管9、第二桥式全波整流二极管10、第一桥式全波整流二极管11、第一桥式全波整流二极管12、限流电阻8、滤波电感7对脉冲电容4进行充电，直至脉冲电容电压达到设定值，电压传感器6将电压值反馈给模拟量I/O模块进而反馈给可编程控制器34，当脉冲电容电压达到设定值时，可编程控制器发出指令，充电触发电路断开，充电停止，充电完成指示灯亮。充电完成后，脉冲电容中储存能量，可用于放电主回路中释放能量到初级线圈中。

参照图2～图6，所述充电主回路、放电主回路、充电触发模块、放电触发模块、电容量调节模块共同构成一号系统，二号系统与一号系统相同，其通过数字脉冲延时发生器相连，数字脉冲延时发生器用于控制放电延时时间，其精度可达到1ns以内，更精确的模拟真实情况。

参照图1，图7，实验装置结构由第一横向应力波发生装置65、第二横向应力波发生装置71，一号系统第一初级线圈81、一号系统第二初级线圈87，一号系统第一次级线圈80、一号系统第二次级线圈86，一号系统第一应力波发生器79、一号系统第二应力波发生器85，第一入射杆66、第二入射杆73，第二应变片74、第四应变片78，试件77，一号系统第一纵向应力波发生装置69、二号系统第二纵向应力波发生装置72，二号系统第一初级线圈82、一号系统第二初级线圈90，二号系统第一次级线圈83、二号系统第二次级线圈88，二号系统第一应力波发生器84、二号系统第二应力波发生器89，第二入射杆68、第四入射杆75，第一应变片67、第三应变片76，动态应变仪70，高速数据采集器95，计算机92构成。一号系统控制横向应力波发生装置，脉冲电容放电后，初级线圈产生强大磁场，初级线圈和次级线圈之间产生强大磁场，通过应力波发生器69、72、79、85产生应力波而后入射杆对试件进行加载，粘贴在入射杆上的电阻应变片67、74、76、78通过动态应变仪70将数据传输给高速数据采集器91而后将数据传入计算机92内，供操作人员观测分析。二号系统与控制纵向应力波发生装置，其基本原理与一号系统相同。应力波发生装置放在可精确旋转的工作台上，根据需要可将入射杆调整成压杆或拉杆。所述应力波发生器、电阻应变片、动态应变仪和高速数据采集器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。

参照图8，为了实现对充电主回路、放电主回路、充电触发模块、放电触发模块、电容量调节触发模块、电容量调节主回路等的控制，设计了其软件控制系统，对程序初始化后接通变压器、之后选择加载方式、模拟量转化为数字量后经PID回路调节后对脉冲电容进行充电，充电完成后对线圈进行放电。在这个过程中，如果出现电压传感器故障、电流传感器故障、电压过大、电流过大、60s无操作或人为按下紧急停止按钮，则系统立即停止工作并将脉冲电容中的电通过泄流电阻泄出。

参照图1～图8，为了实现基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备系统的自动控制，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，确定系统各模块已经安装完成，线路连接正确且连接处没有松动，供电系统为本系统需要的电源，可编程控制器与HMI人机交互设备已输入正确程序并成功通信。

步骤2、启动设备

检查设备无误后，开启系统总电源，检查各元器件是否正常工作，若发现异常情况应立即切断电源，将故障排除后重新开启电源，若没有异常情况，则进入HMI人机交互界面。

步骤3、实验参数设定

进入人机交互界面后，先进行加载方式的设定，若设定为一二号系统同时工作，还需设定其放电延时时间，若设定为一号系统独立工作或二号系统独立工作则不需要该操作；之后进行电容量的选择，根据所需脉宽选择不同的电容量，可编程控制器通过控制不同真空接触器接通选择不同电容量；最后选择充电电压，根据所需应力波幅值选择不同电压值。

步骤4、测量参数设定

根据实验要求，对超动态应变仪进行调试。通过计算机的人机对话界打开与高速数据采集器95配套的数据处理软件Datalab，对高速数据采集器95进行参数设置。

步骤5、脉冲电容充电

确定各参数都设定无误后，点击充电按钮，可编程控制器接收到信号后接通电容充电主回路，升压变压器对脉冲电容进行充电，电压传感器6对脉冲电容4电压值进行监控，脉冲电容4电压值达到设定值后停止充电，充电完成指示灯亮。一二号系统同时工作时，为错开升压变压器13开始工作时巨大的励磁电流，二号系统在一号系统开始充电2S后再开始充电。充电时，如果出现电压过高，电流过高，充电时间过长(程序设定为20S)，电压传感器6或电流传感器3没有输出等情况，则系统会紧急停止，脉冲电容4泄流，闪光蜂鸣器鸣叫并闪烁，HMI人机交互设备上显示相应故障，此时应将故障排除后再重新进行充电操作。

步骤6、脉冲电容放电

充电指示灯亮后，根据HMI人机交互设备以及电压表显示的电压值，发现电压值与设定电压值相同并系统没有报警时，可点击放电按钮，可编程控制器得到信号后导通相应晶闸管，脉冲电容将电放入初级线圈中产生巨大能量通过应力波发生器产生应力波对试件进行加载。若充电完成后发现实际电压与设定电压相差较大，此时说明系统出现故障，不应进行放电操作，而是应通过HMI人机交互设备上的“泄流”按钮通过泄流电阻将电泄出，排除故障后再重新进行充电、放电。如果系统没有出现故障，但操作人员不想进行该次加载，也可进行泄流操作。

步骤7、入射波加载。

放电电流流经初级线圈81、82、87、90时，次级线圈80、83、85、88与初级线圈81、82、87、90之间由于电磁感应而产生极强的涡流斥力；电磁力在应力波发生器79、84、85、89的输出端形成一个历时很短的、强度很高的应力脉冲，实现霍普金森拉压杆实验的加载。

步骤8、实验数据的采集和处理。

电容放电单元动作时，电阻应变片67、74、76、78与动态应变仪70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95将不同的电压信号经A/D变换后储存起来，通过计算机92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轴或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、加载方式进行存储，以便后续实验调用。

Claims (6)

1.一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，其特征在于包括HMI人机交互设备、可编程控制器、一号系统充电完成指示灯、二号系统充电完成指示灯、闪光蜂鸣器、充电触发按钮、放电触发按钮、急停开关、模拟量I/O模块、一号系统TCA785芯片、二号系统TCA785芯片、一号系统NE555芯片、二号系统NE555芯片、一号系统电容充电触发模块、二号系统电容充电触发模块、一号系统电容放电触发模块、二号系统电容放电触发模块、一号系统充电主回路、二号系统充电主回路、一号系统放电主回路、二号系统放电主回路、一号系统电容量调节触发模块、二号系统电容量调节触发模块和数字脉冲延时发生器；所述的可编程控制器与HMI人机交互设备、一号系统充电完成指示灯、二号系统充电完成指示灯、闪光蜂鸣器、充电触发按钮、放电触发按钮、急停开关、模拟量I/O模块、一号系统TCA785芯片、二号系统TCA785芯片、一号系统NE555芯片、二号系统NE555芯片、一号系统电容量调节触发模块、二号系统电容量调节触发模块连接；一号系统TCA785芯片的输出连接一号系统电容充电触发模块，一号系统电容充电触发模块的输出连接一号系统充电主回路，一号系统NE555芯片的输出连接一号系统电容放电触发模块，一号系统电容放电触发模块的输出连接一号系统放电主回路，一号系统充电主回路与一号系统放电主回路连接；二号系统TCA785芯片的输出连接二号系统电容充电触发模块，二号系统电容充电触发模块的输出连接二号系统充电主回路，二号系统NE555芯片的输出连接二号系统电容放电触发模块，二号系统电容放电触发模块的输出连接二号系统放电主回路，二号系统充电主回路与二号系统放电主回路连接；一号系统电容量调节触发模块的输出连接一号系统放电主回路，二号系统电容量调节触发模块的输出连接二号系统放电主回路；数字脉冲延时发生器与一号系统放电主回路、二号系统放电主回路连接用于调节放电时间；一号系统充电主回路和二号系统充电主回路连接模拟量I/O模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，其特征在于所述的一号系统充电主回路和二号系统充电主回路结构相同，均包括第一桥式全波整流二极管(9)、第二桥式全波整流二极管(10)、第三桥式全波整流二极管(11)、第四桥式全波整流二极管(12)、限流电阻(8)、滤波电感(7)与第一脉冲电容(4)、第一单向可控硅(1)、第二单向可控硅(2)、升压变压器(13)、电压传感器(6)、电流传感器(3)与电压表(5)；第一单向可控硅(1)与第二单向可控硅(2)并联后串联在升压变压器(13)的输入端；第一桥式全波整流二极管(9)与第二桥式全波整流二极管(10)串联后与第三桥式全波整流二极管(11)与第四桥式全波整流二极管(12)串联后的电路并联组成桥式全波整流电路，并与升压变压器(13)的输出端并联；限流电阻(8)、滤波电感(7)、第一脉冲电容(4)、电流传感器(3)与桥式全波整流电路串联；电压传感器(6)与电压表(5)分别并联在第一脉冲电容(4)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，其特征在于所述的一号系统电容量调节触发模块和二号系统电容量调节触发模块结构相同，均包括第一电磁继电器(35)、第二电磁继电器(36)、第三电磁继电器(37)、第一真空接触器(38)、第二真空接触器(39)、第三真空接触器(40)；第一电磁继电器(35)、第二电磁继电器(36)与第三电磁继电器(37)的线圈并联后与可编程控控制器PLC串联，第一电磁继电器(35)、第二电磁继电器(36)与第三电磁继电器(37)的开关分别与第一真空接触器(38)、第二真空接触器(39)、第三真空接触器(40)的线圈串联。

4.根据权利要求1所述的一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，其特征在于所述的一号系统放电主回路和二号系统放电主回路结构相同，均包括第一真空接触器(14)、第二真空接触器(16)、第三真空接触器(28)、第四真空接触器(29)、第五真空接触器(31)、泄流电阻(15)、第二脉冲电容(17)、第三脉冲电容(23)、第四脉冲电容(27)、第五脉冲电容(30)、第一晶闸管(18)、第二晶闸管(20)、第三晶闸管(22)、第四晶闸管(25)、第一初级线圈(19)、第二初级线圈(21)、第三初级线圈(24)、第四初级线圈(26)；第一真空接触器(14)、泄流电阻(15)与第二真空接触器(16)串联后与第二脉冲电容(17)、第一晶闸管(18)、第一初级线圈(19)并联的电路串联；第一真空接触器(14)、泄流电阻(15)与第五真空接触器(31)串联后与第二晶闸管(20)、第二初级线圈(21)、第五脉冲电容(30)并联的电路串联；第一真空接触器(14)、泄流电阻(15)与第五真空接触器(29)串联后与第二晶闸管(20)、第二初级线圈(21)、第五脉冲电容(30)并联的电路串联；第一真空接触器(14)、泄流电阻(15)与第五真空接触器(29)串联后与第二晶闸管(20)、第二初级线圈(21)、第五脉冲电容(30)并联的电路串联。

5.根据权利要求1所述的一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，其特征在于所述的一号系统电容放电触发模块和二号系统电容放电触发模块的结构相同，均由电磁继电器(46)组成；电磁继电器(46)的线圈与可编程控制器PLC以及NE555芯片的FPC端串联；电磁继电器(46)的常开开关与NE555芯片的+24V端和脉冲延时发生器串联；电磁继电器(46)的常闭开关与NE555的FDR端与+15端串联。

6.根据权利要求1所述的一种基于双轴分离式霍普金森拉压杆多脉宽加载设备控制系统，其特征在于所述的一号系统电容充电触发模块和二号系统电容充电触发模块结构相同，包括第一限流电阻(48)、第二限流电阻(51)、第三限流电阻(52)、第四限流电阻(53)、第五限流电阻(57)、第六限流电阻(58)、第七限流电阻(63)、第一触发电容(49)、第二触发电容(59)、三极管(50)、充电触发器(60)、第一单向二极管(55)、第二单向二极管(56)、第三单向二极管(61)、第四单向二极管(62)与变压器(54)；第一限流电阻(48)与第七限流电阻分别串联在三极管(50)的基极；第一触发电容(49)与第二限流电阻(51)并联后串联在三极管(50)的输出端后与第三限流电阻(52)与第四单向二极管(62)串联后与第四限流电阻(53)与第三单向二极管(61)串联后并联的电路串联，之后并联在变压器(54)输入端；变压器(54)输出端与第一单向二极管(55)、第二单向二极管(56)串联后与第六限流电阻(58)与第二触发电容(59)并联后的电路串联后与第五限流电阻(57)串联。

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