電纜模擬壓痕裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 躍, 高雁鳳, 許 睿, 史昌鑫

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 杭州 310018)

0 引言

高溫壓力試驗(yàn)是電纜檢測(cè)中常見的檢驗(yàn)項(xiàng)目,旨在檢驗(yàn)電纜絕緣層在一定溫度下受外力變形,并在溫度降低、除去外力后電纜絕緣層恢復(fù)原有形狀的能力。 目前,國內(nèi)電纜高溫壓力試驗(yàn)方法按照GB/T 2951.31—2008 執(zhí)行,將電纜試樣放在支架上,試樣上負(fù)重矩形刀片,刀片上裝載對(duì)應(yīng)電纜外徑的砝碼,隨后將支架置于空氣烘箱中,待規(guī)定熱老化時(shí)間結(jié)束并冷卻后進(jìn)行試驗(yàn)。 當(dāng)試樣外徑小于6 mm 時(shí),試驗(yàn)人員以刀片沿垂直軸向方向切取兩張薄片,然后分別測(cè)量凹痕點(diǎn)及臨近點(diǎn)的厚度,兩值之差即實(shí)際凹痕的深度; 當(dāng)試樣外徑大于6 mm時(shí),試驗(yàn)人員從電纜壓痕最深點(diǎn)沿軸向切取一窄條薄片,再測(cè)量凹痕中心點(diǎn)及未壓處連線的距離[1]。

上述測(cè)試過程及方法,存在以下問題:①人工切片難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果較為離散[2];②測(cè)試過程時(shí)間跨度大,需要長時(shí)間的試驗(yàn)準(zhǔn)備和切片處理;③窄條法中壓痕測(cè)量選點(diǎn)較為困難。 由此分析,試驗(yàn)的結(jié)果較為依賴試驗(yàn)人員的操作經(jīng)驗(yàn)和操作手法[3]。

本工作設(shè)計(jì)了一款電纜壓痕模擬裝置,包含了對(duì)壓痕深度的測(cè)量和對(duì)試驗(yàn)過程中水平度的監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了高溫壓力下的精細(xì)化測(cè)量,能夠較好地解決人工加壓、人工切片誤差大和離散性較大的問題。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜壓痕模擬裝置基于STM32 單片機(jī)開發(fā),是集載荷計(jì)算、平衡測(cè)試、環(huán)境信號(hào)采集等為一體的數(shù)字控制系統(tǒng)。 具體功能如下:系統(tǒng)上電后,用戶將待壓電纜放入夾具,然后通過顯示屏輸入電纜相關(guān)參數(shù),由單片機(jī)計(jì)算出去皮后的砝碼重量,并于顯示屏顯示,等待用戶加載砝碼;隨后,超聲波傳感器開始工作,確認(rèn)下刀是否平衡,若不平衡,返回報(bào)警,重新調(diào)整砝碼至平衡;最后,容柵傳感器開始測(cè)量壓痕深度。 系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)裝置由下列模塊組成:STM32 單片機(jī)、顯示模塊、載荷模塊、夾具模塊、測(cè)平模塊和測(cè)距模塊。裝置按照GB/T 2951.31—2008 中的高溫壓力試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。 將以上設(shè)計(jì)進(jìn)行組合,得到的系統(tǒng)平臺(tái)示意圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)示意圖

1.2 夾具設(shè)計(jì)

電纜經(jīng)過加壓產(chǎn)生壓痕,會(huì)因?yàn)槭芰栴}對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。 本工作改進(jìn)了現(xiàn)有的電纜壓痕檢測(cè)夾具,保障了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)的檢測(cè)夾具主體大多為V 型,兩側(cè)面設(shè)有矩形槽。 將校直后的電纜試樣放在V 型槽中,兩端通過扎帶穿過矩形槽將電纜試樣固定在夾具上[4]。但是,不同的電纜在V 形槽內(nèi)放置時(shí),其底部均處于一個(gè)懸空狀態(tài),易造成電纜在受力時(shí)發(fā)生彎折,產(chǎn)生兩邊的形變,從而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的影響。

對(duì)此,本工作設(shè)計(jì)了一種用于電纜的耐久老化測(cè)試用夾具。 該夾具通過彈簧驅(qū)動(dòng)的夾塊夾住電纜,并給予電纜一個(gè)向下緊貼平面的力,夾塊由平臺(tái)上的軸與限位孔進(jìn)行限位,夾塊內(nèi)側(cè)的齒條與平臺(tái)上的齒輪耦合,確保兩個(gè)互相夾緊的夾塊相對(duì)于平臺(tái)完全對(duì)稱。 此外,該夾具可對(duì)多根電纜同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn),在擴(kuò)展了試驗(yàn)電纜數(shù)量的同時(shí),也可使得刀具在下壓過程中更好地保持水平。

1.3 測(cè)試傳感器的設(shè)計(jì)

1.3.1 容柵測(cè)距模塊

為測(cè)量電纜加壓產(chǎn)生壓痕的深度,本工作采用容柵傳感器進(jìn)行測(cè)距處理。 優(yōu)點(diǎn)為:設(shè)計(jì)的相位差信號(hào)檢測(cè)電路可以在較寬頻率范圍內(nèi)對(duì)相位差進(jìn)行檢測(cè),更易實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)容柵傳感器輸出信號(hào)的處理;硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠,有良好的測(cè)量精度和靈敏度。

容柵傳感器是基于變面積工作原理的電容傳感器,其電極的排列如同柵狀,相當(dāng)于多個(gè)變面積型電容傳感器的并聯(lián),具有可以將信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、調(diào)制解調(diào)等一系列的功能。 該模塊是將測(cè)得的信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠被采集模塊識(shí)別處理的模塊。 本工作將容柵傳感器直接安裝在刀頭的連接件與底座的側(cè)邊上,通過限位裝置實(shí)現(xiàn)兩者自由度的限制[5]。

容柵傳感器的定柵固定在底座的側(cè)面,并保持垂直狀態(tài),再將定柵芯片與液晶屏、處理器、電池進(jìn)行封裝,同時(shí)取代刀頭側(cè)面的一個(gè)連接件,保持定柵與動(dòng)?xùn)胖g的接觸與平行度。 通過以上步驟,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀頭下沉距離的測(cè)試。 由于定柵與動(dòng)?xùn)胖g的摩擦力極小,小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3% 的誤差,因此,在試驗(yàn)中可以忽略。

試驗(yàn)過程中,對(duì)電纜進(jìn)行夾持,并在安放刀頭后對(duì)容柵測(cè)距模塊進(jìn)行調(diào)零,置于烘焙箱,4 h 后顯示屏上的示數(shù)即為電纜的壓痕深度。 通過游標(biāo)卡尺直接測(cè)量電纜整體直徑與導(dǎo)體直徑,計(jì)算得到電纜的絕緣層厚度。 最后,將壓痕深度除以絕緣層厚度就可以得到壓痕的深度比。

相比于傳統(tǒng)的光學(xué)切割觀測(cè),利用容柵傳感器直接測(cè)量可大大減少后續(xù)的工作量。

1.3.2 超聲波測(cè)平模塊

超聲波擁有良好的穿透能力與導(dǎo)向性,在空氣中能夠沿特定方向傳播。 除此之外,超聲波波長較短,衍射能力差,因此,超聲波具有優(yōu)秀的直線傳播能力與反射能力。

本工作中安裝型號(hào)為HC-SR04 的超聲波傳感器,以保持試驗(yàn)臺(tái)與地面平行,從而滿足下刀時(shí)保持水平的條件,在人工切片檢測(cè)上進(jìn)一步提高精度。

本工作將兩塊HC-SR04 超聲波模塊的輸入端與輸出端分別接入單片機(jī)。 然后,由單片機(jī)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)激活傳感器,傳感器激活后發(fā)射超聲波,經(jīng)過空氣和試驗(yàn)臺(tái)兩次反射,接收器得到兩個(gè)脈沖,傳感器返回兩個(gè)高電平來確定往返的時(shí)間,即可精確得出兩端的超聲波傳感器各自與反射板之間的距離。 最后,通過對(duì)反射板兩端兩個(gè)超聲波傳感器所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,即能實(shí)時(shí)確認(rèn)刀頭的垂直度是否符合要求。

1.4 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊可通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)。 顯示屏和主控的通信交互程序?yàn)?通信程序根據(jù)顯示屏返回的數(shù)據(jù)確定電纜參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算;另外,主控將試驗(yàn)的理論計(jì)算壓力、實(shí)時(shí)壓力和溫度數(shù)值發(fā)送至顯示屏。

2 系統(tǒng)測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

試驗(yàn)樣品采用型號(hào)為60227 IEC 01(BV)3 mm2的電纜,其絕緣層材料為聚氯乙烯(PVC)。試驗(yàn)截取多個(gè)長度為300 mm 的樣品段,并將其均分成長度為100 mm 的3 小段,作為高溫壓力試驗(yàn)的試樣。 然后,將電纜數(shù)據(jù)輸入顯示屏,由系統(tǒng)計(jì)算出電纜試驗(yàn)所需的理論壓力,在去除刀具所在模塊的質(zhì)量后,加入一定質(zhì)量的砝碼,調(diào)整刀具至水平位置。 其中,按照GB/T 2951.31—2008 規(guī)定的方法,將理論壓力換算為整數(shù),舍去值不超過3%。

2.2 不確定度分析

對(duì)超聲波傳感器和容柵傳感器所得數(shù)據(jù)的不確定度進(jìn)行分析,檢測(cè)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的可靠性。

在求解試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),因?yàn)檎鎸?shí)值未知,使用平均值代替真實(shí)值,即依據(jù)殘余誤差求解標(biāo)準(zhǔn)差[6]。 標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算為

式中:S為標(biāo)準(zhǔn)偏差,cm;x為測(cè)量數(shù)據(jù),cm;x-為測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值,cm;n為測(cè)量次數(shù)。

2.2.1 不確定度A 類評(píng)估

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,儀器產(chǎn)生的制造誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度等同于系列觀測(cè)值獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 不確定度計(jì)算為

式中:u為重復(fù)性不確定度,cm;n為測(cè)量次數(shù)。

2.2.2 不確定度B 類評(píng)估

當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)x落在(x-a,x+a)區(qū)間的概率為1 時(shí),服從平均分布[6],其不確定度分量計(jì)算為

式中:a為分辨率的1/2。

合成不確定度的計(jì)算為

式中:U為合成不確定度;k為1 或2;i為自然數(shù)。

2.3 測(cè)距模塊試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證容柵測(cè)距模塊測(cè)試的可靠性,通過記錄標(biāo)定檢測(cè)器具千分尺測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)和容柵測(cè)距模塊的測(cè)量數(shù)據(jù),計(jì)算容柵測(cè)距模塊測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的誤差。 經(jīng)過5 次測(cè)量試驗(yàn),其測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差見表1。

表1 容柵傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)與誤差

由表1 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出千分尺和容柵測(cè)距模塊對(duì)壓痕深度測(cè)量的平均值,分別為0.432,0.436 mm。 容柵測(cè)距模塊測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的誤差平均值為1.02%。

容柵傳感器主要應(yīng)用于數(shù)顯游標(biāo)卡尺,其最小分辨率約為0.001 mm,誤差主要來自動(dòng)?xùn)诺闹圃煺`差、定柵的刻度誤差、裝配時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械誤差和環(huán)境誤差。

動(dòng)?xùn)诺闹圃煺`差主要來自刻劃誤差,刻劃誤差主要來自生產(chǎn)工藝的不同,屬于A 類不確定度[7],滿足公式(1)。 將裝置測(cè)量數(shù)據(jù)x及其平均值x-,代入公式(1),求得標(biāo)準(zhǔn)偏差S為0.007 3 mm,再將S代入公式(2)得到容柵傳感器的重復(fù)性不確定度u11為0.003 27 mm。

容柵傳感器的定柵誤差受動(dòng)?xùn)诺闹圃煺`差影響,其測(cè)量數(shù)據(jù)x落在(x-a,x+a)區(qū)間的概率為1,服從平均分布,滿足式(3)。 將a=0.000 5 mm 代入式(3),求得u12為0.000 29 mm。

加工產(chǎn)生的裝配誤差由儀器制造廠給出,儀器的不確定度u13為0.001 2 mm;環(huán)境誤差主要受到溫度的影響,熱膨脹系數(shù)會(huì)影響標(biāo)線的準(zhǔn)確性,引入熱膨脹系數(shù),查文獻(xiàn)可得環(huán)境不確定度u14為0.006 67 mm;

將u11、u12、u13和u14代入公式(4),求得合成不確定度為0.007 53 mm,試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性較強(qiáng),容柵測(cè)距傳感器可用。

2.4 測(cè)平模塊試驗(yàn)與分析

超聲波測(cè)平模塊中超聲波傳感器的距離為115.0 mm,預(yù)設(shè)刀頭兩側(cè)的偏離值為3 mm,理論最大偏離角度為±1.49°。 以超聲波測(cè)平模塊為基準(zhǔn),偏轉(zhuǎn)被測(cè)平面,測(cè)試試驗(yàn)過程中觸發(fā)警報(bào)的偏轉(zhuǎn)距離。 試驗(yàn)不考慮溫度變化與人為操作的誤差,僅討論校準(zhǔn)的重復(fù)性和分辨率限制兩個(gè)因素。 經(jīng)過5 組測(cè)試試驗(yàn),每組試驗(yàn)測(cè)量4 次,并取其平均值,得到超聲波傳感器測(cè)量平均值及標(biāo)準(zhǔn)差,見表2。 根據(jù)表2 中數(shù)據(jù)對(duì)超聲波傳感器進(jìn)行不確定度分析。

表2 超聲波傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)偏差

由表2 可知,當(dāng)測(cè)距距離為16 cm 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)差最小,精確度最高。

影響超聲波傳感器(最小分辨率為0.1 cm)不確定度的誤差主要有傳感器自帶的制造誤差和傳感器自身分辨率的限制等因素。 超聲波自帶的制造誤差受重復(fù)性影響,屬于不確定度A 類評(píng)估,滿足公式(2)。 將表2 數(shù)據(jù)分組代入公式(2)求得5 組u21,分別為0.086 6,0.040 8,0.028 9,0.040 8,0.047 7 cm。 超聲波分辨率誤差的估計(jì)值服從平均分布,滿足公式(3),將a=0.05 cm 代入公式(4),求得u22為0.028 9 cm。

分別將5 組u21和u22代入公式(4),最終得到測(cè)距距離為10,13,16,19,22 cm 時(shí)的合成不確定度,其計(jì)算結(jié)果分別為 0.091 7, 0.049 0, 0.041 0,0.049 0,0.056 4 cm。

綜合對(duì)比表2 中數(shù)據(jù)可知,在測(cè)距距離為13 ～19 cm 時(shí),試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性較強(qiáng),超聲波傳感器可用。

3 結(jié)束語

本工作基于GB/T 2951.31—2008 設(shè)計(jì)了一款模擬高溫壓力試驗(yàn)裝置,系統(tǒng)地介紹了電纜模擬壓痕裝置的設(shè)計(jì),并完成了對(duì)其不確定度的評(píng)估。 通過對(duì)裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及處理,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)化。 相對(duì)于人工檢測(cè),電纜模擬壓痕裝置檢測(cè)成本較低,時(shí)間較少,操作簡(jiǎn)單且檢測(cè)精度更高。 就模擬高溫壓力試驗(yàn)而論,并未完全實(shí)現(xiàn)高溫壓力過程,這是考慮到目前并未有完整的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備,直接實(shí)現(xiàn)高溫壓力試驗(yàn)的全過程較為困難。 但是,本裝置在部分程度上推進(jìn)了高溫壓力試驗(yàn)自動(dòng)化檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的可行性。

綜上,本工作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電纜模擬壓痕裝置的測(cè)試系統(tǒng),為線纜產(chǎn)品的檢測(cè)提供了一個(gè)科技化的方向。 利用科技進(jìn)步來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工檢測(cè),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。