利用相序測定計數(shù)法實現(xiàn)砝碼的自動加載

陳光

摘 要：文章就自動砝碼加載系統(tǒng)中所運用到的相序計數(shù)法進行了介紹，并與其它計數(shù)方式進行比較。并且對如何運用在活塞壓力計上進行了簡單闡述。

關(guān)鍵詞：壓力基準(zhǔn)，砝碼自動加載，相序測定計數(shù)法

中圖分類號：TM721.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）09-0076-02

1 概 述

近十幾年來，全球在壓力計量領(lǐng)域技術(shù)的進展可謂是突飛猛進。而我國也不甘落后，在壓力計量方面的研究工作也在如火如荼的進行中。作為計測院，則更應(yīng)該身先士卒，在壓力計量領(lǐng)域起到模范帶頭作用。而其中，最重要也是最不容忽視的，就是壓力基準(zhǔn)方面的研究工作。其中，活塞壓力計的自動化程度則在這幾年來有了長足的進步，甚至是出現(xiàn)了不需要不需要旋轉(zhuǎn)的強制平衡活塞壓力計和不需要加載砝碼的數(shù)字式壓力計，使得計量校準(zhǔn)工作能更為便捷，準(zhǔn)確的進行。我院也正在進行超高壓基準(zhǔn)活塞壓力計的相關(guān)研究。

本文就1 500 MPa高壓活塞壓力計的砝碼自動加載系統(tǒng)中的編碼器計數(shù)方法部分進行介紹。

本文是基于使用砝碼自動加載系統(tǒng)的壓力基準(zhǔn)進行研究。該系統(tǒng)使用的是通過位移傳感器對砝碼實際位置的測量來實現(xiàn)自動加載。

活塞壓力計的工作原理是通過砝碼的重力與作用在活塞底面的壓力相互平衡來實現(xiàn)的。由于在活塞壓力計中壓力一旦被設(shè)定，活塞只要在上下限之間運動，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)容積，保持壓力恒定。這樣就只需要考慮外部壓力準(zhǔn)確的加載活塞到工作位置。本文涉及到的活塞壓力計所使用的砝碼自動加載的方式是利用相關(guān)角度編碼器對砝碼的位置進行實時監(jiān)控測量，從而操控與其相連的液壓傳動系統(tǒng)，使得砝碼能夠正確地加載至每一個整數(shù)點。

本文設(shè)計了一個系統(tǒng)，使其通過所設(shè)計的角度編碼器，將正在位置變化轉(zhuǎn)換成角度變化，與此同時，輸出一個相應(yīng)的脈沖輸出，然后系統(tǒng)將對這個輸出脈沖進行判斷和處理，最終轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)換成砝碼的實際位移量。在實際操作總，可以利用泵閥來控制位移，使之達到工作中我們需要的位置。運用單片機之類的通訊技術(shù)與先關(guān)機械相連，這樣就可以在系統(tǒng)計算機上直接控制了。

2 計數(shù)原理

上述系統(tǒng)中，最重要的核心就是角度編碼器。該編碼器需要準(zhǔn)確的把砝碼的位移變化轉(zhuǎn)換成角度變化，其主要的原理，就是利用了相序測定的計數(shù)方法。我們設(shè)計一個編碼器采用每圈2 048個脈沖輸出的光柵式編碼器，其輸出方式，如圖1所示。

我們定義A信號為主信號， 為一個與A信號邏輯相反并且相位差180 °的信號，B信號則是一個利用I/O接口接受的，與A信號相位差90 °的脈沖信號。

有了上述脈沖輸出，我們就可以進行相關(guān)的計數(shù)了。首先我們要定義角度編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，如圖1所示，我們假定1→2的方向的運行過程為編碼器進行順時針旋轉(zhuǎn)（下文就以該狀態(tài)進行討論，不再另行說明）。因為該計數(shù)法只會在脈沖信號的下降沿觸發(fā)CPU的外部中斷，所以我們就先討論在1狀態(tài)下 信號觸發(fā)中斷和在2狀態(tài)下A信號觸發(fā)外部中斷的情況。當(dāng)2狀態(tài)下，A脈沖通過光耦將脈沖傳給電腦，并觸發(fā)CPU的外部中斷時，系統(tǒng)進行A，，B三個脈沖的電平判斷，如果是低，高，高，則計數(shù)機進行+1計數(shù)計算（如果為低，高，低，則判斷該計數(shù)無效），既中斷有效，編碼器進行順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)1狀態(tài)下， 觸發(fā)CPU的外部中斷時，系統(tǒng)依舊進行三個脈沖的電平判斷，如果是低，高，低，則計數(shù)器進行-1計數(shù)計算，既中斷有效，編碼器進行逆時針旋轉(zhuǎn)。（同理高，低，低則不進行計數(shù)）。這種角度編碼器的設(shè)計，其特點是只會在同一個相位點進行加減計數(shù)。

以前使用的編碼器進行計數(shù)法都是只使用兩個相位差 90 °的脈沖。這種老式的計數(shù)方法對比上文所介紹的相序測定計數(shù)法在某些情況下會產(chǎn)生一些問題：

①脈沖數(shù)計數(shù)時多計或者漏計。由于編碼器在實際操作中會在他轉(zhuǎn)一個計數(shù)的過程之間，由于外力等影響，進行與理論方向相反的轉(zhuǎn)動，屆時兩相的編碼器由于只有2個脈沖判斷，則會多計或漏記。更有甚者，在實際操作過程中，如果多次發(fā)生變換旋轉(zhuǎn)方向這種問題，則會帶來更大的麻煩。

②由于一個脈沖上出現(xiàn)兩個甚至多個下降沿的時候，計數(shù)機會“不知所措”，從而計數(shù)產(chǎn)生錯誤。

而上文介紹的計數(shù)法則能應(yīng)對這些問題：

①由于計數(shù)只是對狀態(tài)進行計數(shù)，無論在過程中經(jīng)歷幾次正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，他都只會在到達下降沿的地方進行加減計數(shù)，并不會發(fā)生多計和漏計。

②由于采用了這個邏輯相反的信號，則當(dāng)A脈沖到達外部中斷后，系統(tǒng)發(fā)生反轉(zhuǎn)，則會觸發(fā)中斷令系統(tǒng)進行減1操作。

3 砝碼自動加載系統(tǒng)

上述編碼計數(shù)法可以應(yīng)用于活塞壓力計的砝碼自動加載系統(tǒng)中。我們設(shè)計個個砝碼加載系統(tǒng)，它分別由五部分組成：

①砝碼加載部分；

②液壓連動部分；

③位移傳感器部分；

④單片機測控部分；

⑤相關(guān)操作系統(tǒng)。

計算機則直接與單片機進行連接，利用角度編碼器把砝碼的位移量轉(zhuǎn)化為角度信號的輸出，從而達到控制操作的目的。

該編碼器會測量過程中產(chǎn)生一個與砝碼位移變化相應(yīng)的脈沖輸出，再將這個輸出脈沖轉(zhuǎn)換成砝碼的實際位移量，從而和液壓傳動系統(tǒng)起到聯(lián)動的效果，進而達到砝碼自動加載都是目的。砝碼加載系統(tǒng)圖，如圖2所示。

其中泵站主要進行砝碼的上升下降操作，而編碼器則可以準(zhǔn)確的測量砝碼的位置。

關(guān)于砝碼及液壓傳動系統(tǒng)本文只做簡要的介紹。整個系統(tǒng)由砝碼、吊掛件、連接件、液壓活塞以及油泵組成。液壓傳動系統(tǒng)圖，如圖3所示。

而我們上文介紹到的相序測定計數(shù)法則應(yīng)用在其中的編碼器機構(gòu)上。位移測量機構(gòu)的簡單示意圖，如圖4所示。其作用是將砝碼上下位移通過位移-角度傳動機構(gòu)變成角度編碼器的旋轉(zhuǎn)角度，然后由角度編碼器根據(jù)實際角度輸出相應(yīng)的計數(shù)脈沖信號。

其工作原理：當(dāng)油缸中的活塞（6）帶動砝碼并連帶的頂盤（5）在垂直方向上作上下運動時，連在砝碼頂部的水平支撐軸（4）和位移導(dǎo)向滑動桿（10）會沿著固定在三角夾板（12）上的導(dǎo)向法蘭（11）作垂直方向的運動，裝配在固定平板（9）上的轉(zhuǎn)動組件（2）、（7）、（8）將連接在編碼器（1）上連接軸（3）緊靠于位移滑桿的橡膠那一面上，與之相連接編碼器同時發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而使編碼器輸出與砝碼位移相對應(yīng)的脈沖信號，進行計數(shù)。進而就可以利用上文所提到的相序計數(shù)測定法對砝碼的位置進行控制。

4 結(jié) 語

實驗證明通過上述方法確實能準(zhǔn)確安全的控制砝碼的位置，可以使系統(tǒng)加載砝碼至任意一個整數(shù)點，令壓力計量工作能更簡單高效的展開。

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