CN112327212B - 一种基于分流校准的多通道加载系统的实时断线检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于分流校准的多通道加载系统实时断线检测方法，包括电子开关S1、精密电阻Rs组成的分流校准电路、采集卡、控制器和力传感器，通过控制器进行数据采集和所有通道的断线检测控制；本装置可实现采用定时切换的双采样值流程对分流校准状态和实际状态分别进行采集，通过叠加的方式对采集到的数据进行处理，在不降低采样率的前提下，得到力传感器带断线检测信息的数据，极大程度上保证了多通道加载系统的数据采集能力。

Description

一种基于分流校准的多通道加载系统的实时断线检测方法
技术领域
本发明所涉及一种基于分流校准的多通道加载系统的实时断线检测方法，属于加载系统实施检测领域。
背景技术
在航空、航天、船舶、车辆等众多领域的产品和大型结构件的设计和研发过程中，都必须进行相应的静力试验，研究结构或构件在静载荷作用下的强度、刚度、稳定性，以及应力、变形分布情况，以确保产品或者结构件达到预期的设计要求。
现有的结构静力试验主要采用多通道加载系统控制载荷的施加，控制器按照目标指令控制伺服阀对试验件施加载荷，力传感器将试验件的实时受力情况通过采集卡反馈到控制器形成闭环控制回路。但在试验过程中，如果力传感器或测量回路的电缆发生故障，控制器便无法准确采集到试验件的实际受力状态，更无法对试验件施加指定载荷，不仅会导致试验失败，甚至造成试验件损坏，因此必须对力传感器及其测量回路的电缆状态进行实时准确的检测，才能使控制系统对故障进行及时有效的识别和处理。
而现有的加载系统大多仅在试验开始前，对力传感器及其测量回路的电缆状态进行检查，默认在重新接插力传感器前，整个回路始终保持正常状态；对实际试验过程中发生的力传感器损坏、电缆内部损伤、接插部位接触不良等情况引起的故障现象无法识别，存在巨大的安全隐患。
少数加载系统可在试验中对控制回路的状态进行检测，但其系统较为复杂：如南京国电南自美卓控制系统有限公司，介绍了一种多通道模拟量输入回路断线检测电路及方法(CN106066446A)，通过微处理器控制模拟开关，模拟检测电路电压比较器输出的电平来判断断线状态。此方法需要在系统中额外增加微处理器和模拟电路判断模拟电路的输出结果，复杂的设计和较多的环节会降低系统的可靠性，且航空航天领域对电子元器件及微处理器的选型和使用具有一定的限制，所以如何在原有系统的基础上，不增加额外的设备来实现多通道协调加载控制系统的实时断线检测，提高系统的可靠性显得尤为重要。
综上所述，本发明提出提出了一种基于分流校准的多通道加载系统实时断线检测方法，可在原有系统的硬件架构基础上，利用采集卡中的电子开关和内置精密电阻，采用分流校准的原理，在不降低采样率的前提下，通过软件方法对试验过程中的力传感器及其测量回路的状态进行实时检测，以保证试验系统的高可靠性和高稳定性。。
发明内容
目前常用的多通道加载系统，缺乏对力传感器及其测量回路状态的实时检测功能，在试验过程中存在潜在安全风险。为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于分流校准的多通道加载系统实时断线检测方法，其技术方案如下：
一种基于分流校准的多通道加载系统实时断线检测方法，包括多通道加载系统、电子开关S1、精密电阻Rs组成的分流校准电路、采集卡、控制器和力传感器；所述多通道加载系统的各通道均包括分流校准电路，通过所述控制器进行数据采集以及对所有通道的断线检测控制；
通过上位机对控制器进行软件编程，所述软件编程的程序中设置有断线检测按钮和分流校准初始差值e的存储区，通过控制器设置采集卡采样频率50KHz，启动采集卡开始采集，持续以50％的占空比对电子开关S1进行控制，以一个通道控制信号周期100ms为例，开始采集时控制器输出低电平，电子开关S1断开，电桥为常规测量电路，采集到的是力传感器的实际采样值V1。50ms后控制器输出高电平，此时电子开关S1闭合，电阻Rs接入电桥中，采集到的是带有精密电阻桥臂测量电路的分流校准采样值M1。
试验开始前单击断线检测按钮，将实际采样值V1与分流校准采样值M1做差，计算差值e＝V1-M1放入存储区，并在每个循环体中，当启动分流校准时，电子开关S1闭合，精密电阻接入电桥中，此时得到分流校准采样值M1，将每一个分流校准采样值M1均叠加差值e构成处理后的采样值C1，相反，当关闭分流校准时，电子开关S1断开，此时是力传感器的实际采样值V1，无需做叠加处理。如果该加载通道回路连接状态正常，将得到平滑的采样曲线，若某个加载点出现断路现象，导致电阻RL变化引起电桥异常，此时仍按照叠加差值e，处理后的采样值C1与实际力传感器采样值V1不匹配，存在阶跃，不能正确反馈当前受力状态，循环采集将得到方波。控制器检测到方波后，上位机将发出指令保持当前载荷，同时软件提示断线现象暂停试验，等待故障排除后继续试验。
进一步，所述力传感器的测量原理是：惠斯通电桥电路，所述力传感器等同于一个电阻应变计，与采集卡内部3个电阻式应变计共同组成电桥，激励端输入电压为U，当输出电压Δu＝0时电桥平衡；
进一步，所述分流校准原理是：在惠斯通电桥电路的其中一个桥臂上采用电子开关S1，并联一个阻值较大的精密电阻Rs；通过控制器输出控制电子开关闭合，使电桥处于不平衡状态，在桥臂激励电压U相同的情况下，分流校准的结果与桥臂电阻R1、导线电阻RL并入的分流电阻Rs、测力传感器灵敏度系数k有关，因此在力传感器即同一测力计在相同的连线关系和受力作用下，不同时刻分流校准所得结果相同。
本发明的有益效果：能够实现多通道加载系统力传感器及其测量回路的电缆状态的实时检测，增加了系统的安全度和可靠性。相比于通过测量回路中判断模拟电路电压电流状态的方式需要的硬件少，只需要电子开关和精密电阻，选型和供货方不受限制，节约了设备空间和系统可靠性，能够应用于航空、航天等结构的强度与疲劳试验领域。针对于内部自带有精密电阻和软件开关的采集卡，可以实现零附加电路，直接从软件层面解决系统的实时断路检测。采用定时切换的双采样值流程对分流校准状态和实际状态分别进行采集，通过叠加的方式对采集到的数据进行处理，在不降低采样率的前提下，得到力传感器带断线检测信息的数据，极大程度上保证了多通道加载系统的数据采集能力。
附图说明
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的多通道协调加载控制系统框图；
图2为本发明的分流校准电路；
图3为本发明的软件流程图；
图4为本发明的时序图；
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-4所示，其结构包括一种基于分流校准的多通道加载系统实时断线检测方法，包括电子开关S1、精密电阻Rs组成的分流校准电路、采集卡、控制器和力传感器，其连接关系如附图2所示；通过上位机对控制器进行软件编程，其流程图如附图3所示：
第一步：软件中定义分流校准采样值M1：是指接通电子开关S1时，带有精密电阻Rs的电桥输出采样值。实际采样值V1：是指断开电子开关S1时，传感器单独接入电桥时的电桥输出采样值；
第二步：定义断线检测按钮和记录差值e的存储区，程序初始状态时e＝0。断线检测按钮仅在上升沿使能有效，目的是记录分流校准初始差值e，再次检测前不更新计算结果；
第三步：初始化采集信息，设置采样率，开始采集；
第四步：启动定时器，接通电子开关S1，定时采集50ms，得到分流校准状态下的采样值M1，将采集到的数据叠加差值e，并将计算结果数据C1缓存到FIFO中；
第五步：断开接通电子开关S1，定时采集50ms，得到真实状态下的采样值V1，并缓存到FIFO中。完成一个100ms的循环采样周期；或者为了程序结构清晰方便编程，可叠加e1＝0；
第六步，单击断线检测按钮，将此时FIFO中的实际采样值V1与分流校准采样值M1做差，得到差值e＝V1-M1，该差值在断线检测按钮复位并再次置位时更新。触发断线检测后的循环周期所得到的数据，即经过叠加处理后的带有实时断线检测的数据。时序图如附图4所示。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于分流校准的多通道加载系统的实时断线检测方法，其特征在于：包括多通道加载系统、电子开关S1、精密电阻Rs组成的分流校准电路、采集卡、控制器和力传感器；所述多通道加载系统的各通道均包括分流校准电路，通过所述控制器进行数据采集以及对所有通道的断线检测控制；
通过上位机对控制器进行软件编程，所述软件编程的程序中设置有断线检测按钮和分流校准初始差值e的存储区，通过控制器设置采集卡采样频率50KHz，启动采集卡开始采集，持续以50％的占空比对电子开关S1进行控制，以一个通道控制信号周期100ms为例，开始采集时控制器输出低电平，电子开关S1断开，电桥为常规测量电路，采集到的是力传感器的实际采样值V1；50ms后控制器输出高电平，此时电子开关S1闭合，电阻Rs接入电桥中，采集到的是带有精密电阻桥臂测量电路的分流校准采样值M1；试验开始前单击断线检测按钮，将实际采样值V1与分流校准采样值M1做差，计算差值e＝V1-M1放入存储区，并在每个循环体中，当启动分流校准时，电子开关S1闭合，精密电阻接入电桥中，此时得到分流校准采样值M1，将每一个分流校准采样值M1均叠加差值e构成处理后的采样值C1，相反，当关闭分流校准时，电子开关S1断开，此时是力传感器的实际采样值V1，无需做叠加处理；如果加载通道回路连接状态正常，将得到平滑的采样曲线，若某个加载点出现断路现象，导致电阻RL变化引起电桥异常，此时仍按照叠加差值e，处理后的采样值C1与力传感器的实际采样值V1不匹配，存在阶跃，不能正确反馈当前受力状态，循环采集将得到方波；控制器检测到方波后，上位机将发出指令保持当前载荷，同时软件提示断线现象暂停试验，等待故障排除后继续试验。
2.根据权利要求1所述的一种基于分流校准的多通道加载系统的实时断线检测方法，其特征在于：所述力传感器的测量原理是：惠斯通电桥电路，所述力传感器等同于一个电阻应变计，与采集卡内部3个电阻式应变计共同组成电桥，激励端输入电压为U，当输出电压Δu＝0时电桥平衡。
3.根据权利要求2所述的一种基于分流校准的多通道加载系统的实时断线检测方法，其特征在于：所述分流校准原理是：在惠斯通电桥电路的其中一个桥臂上采用电子开关S1，并联一个精密电阻Rs；通过控制器输出控制电子开关闭合，使电桥处于不平衡状态，在桥臂激励电压U相同的情况下，分流校准的结果与桥臂电阻R1、导线电阻RL并入的电阻Rs、力传感器灵敏度系数k有关，因此同一力传感器在相同的连线关系和受力作用下，不同时刻分流校准所得结果相同。
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