陳光

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

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

中圖分類號(hào)：TM721.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）09-0076-02

1 概 述

近十幾年來，全球在壓力計(jì)量領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)展可謂是突飛猛進(jìn)。而我國也不甘落后，在壓力計(jì)量方面的研究工作也在如火如荼的進(jìn)行中。作為計(jì)測院，則更應(yīng)該身先士卒，在壓力計(jì)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(jì)的自動(dòng)化程度則在這幾年來有了長足的進(jìn)步，甚至是出現(xiàn)了不需要不需要旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)制平衡活塞壓力計(jì)和不需要加載砝碼的數(shù)字式壓力計(jì)，使得計(jì)量校準(zhǔn)工作能更為便捷，準(zhǔn)確的進(jìn)行。我院也正在進(jìn)行超高壓基準(zhǔn)活塞壓力計(jì)的相關(guān)研究。

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

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

活塞壓力計(jì)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(shí)現(xiàn)的。由于在活塞壓力計(jì)中壓力一旦被設(shè)定，活塞只要在上下限之間運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)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(jì)所使用的砝碼自動(dòng)加載的方式是利用相關(guān)角度編碼器對(duì)砝碼的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控測量，從而操控與其相連的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，使得砝碼能夠正確地加載至每一個(gè)整數(shù)點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，使其通過所設(shè)計(jì)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(shí)，輸出一個(gè)相應(yīng)的脈沖輸出，然后系統(tǒng)將對(duì)這個(gè)輸出脈沖進(jìn)行判斷和處理，最終轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)換成砝碼的實(shí)際位移量。在實(shí)際操作總，可以利用泵閥來控制位移，使之達(dá)到工作中我們需要的位置。運(yùn)用單片機(jī)之類的通訊技術(shù)與先關(guān)機(jī)械相連，這樣就可以在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上直接控制了。

2 計(jì)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(jì)數(shù)方法。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)編碼器采用每圈2 048個(gè)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(hào)為主信號(hào)， 為一個(gè)與A信號(hào)邏輯相反并且相位差180 °的信號(hào)，B信號(hào)則是一個(gè)利用I/O接口接受的，與A信號(hào)相位差90 °的脈沖信號(hào)。

有了上述脈沖輸出，我們就可以進(jìn)行相關(guān)的計(jì)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(yùn)行過程為編碼器進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（下文就以該狀態(tài)進(jìn)行討論，不再另行說明）。因?yàn)樵撚?jì)數(shù)法只會(huì)在脈沖信號(hào)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(hào)觸發(fā)中斷和在2狀態(tài)下A信號(hào)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(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行A，，B三個(gè)脈沖的電平判斷，如果是低，高，高，則計(jì)數(shù)機(jī)進(jìn)行+1計(jì)數(shù)計(jì)算（如果為低，高，低，則判斷該計(jì)數(shù)無效），既中斷有效，編碼器進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)1狀態(tài)下， 觸發(fā)CPU的外部中斷時(shí)，系統(tǒng)依舊進(jìn)行三個(gè)脈沖的電平判斷，如果是低，高，低，則計(jì)數(shù)器進(jìn)行-1計(jì)數(shù)計(jì)算，既中斷有效，編碼器進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。（同理高，低，低則不進(jìn)行計(jì)數(shù)）。這種角度編碼器的設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是只會(huì)在同一個(gè)相位點(diǎn)進(jìn)行加減計(jì)數(shù)。

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

①脈沖數(shù)計(jì)數(shù)時(shí)多計(jì)或者漏計(jì)。由于編碼器在實(shí)際操作中會(huì)在他轉(zhuǎn)一個(gè)計(jì)數(shù)的過程之間，由于外力等影響，進(jìn)行與理論方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，屆時(shí)兩相的編碼器由于只有2個(gè)脈沖判斷，則會(huì)多計(jì)或漏記。更有甚者，在實(shí)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(huì)帶來更大的麻煩。

②由于一個(gè)脈沖上出現(xiàn)兩個(gè)甚至多個(gè)下降沿的時(shí)候，計(jì)數(shù)機(jī)會(huì)“不知所措”，從而計(jì)數(shù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

而上文介紹的計(jì)數(shù)法則能應(yīng)對(duì)這些問題：

①由于計(jì)數(shù)只是對(duì)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)，無論在過程中經(jīng)歷幾次正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，他都只會(huì)在到達(dá)下降沿的地方進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，并不會(huì)發(fā)生多計(jì)和漏計(jì)。

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

3 砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)

上述編碼計(jì)數(shù)法可以應(yīng)用于活塞壓力計(jì)的砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)中。我們?cè)O(shè)計(jì)個(gè)個(gè)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(dòng)部分；

③位移傳感器部分；

④單片機(jī)測控部分；

⑤相關(guān)操作系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)則直接與單片機(jī)進(jìn)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(hào)的輸出，從而達(dá)到控制操作的目的。

該編碼器會(huì)測量過程中產(chǎn)生一個(gè)與砝碼位移變化相應(yīng)的脈沖輸出，再將這個(gè)輸出脈沖轉(zhuǎn)換成砝碼的實(shí)際位移量，從而和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)起到聯(lián)動(dòng)的效果，進(jìn)而達(dá)到砝碼自動(dòng)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(jìn)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(dòng)系統(tǒng)本文只做簡要的介紹。整個(gè)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(dòng)系統(tǒng)圖，如圖3所示。

而我們上文介紹到的相序測定計(jì)數(shù)法則應(yīng)用在其中的編碼器機(jī)構(gòu)上。位移測量機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)際角度輸出相應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。

其工作原理：當(dāng)油缸中的活塞（6）帶動(dòng)砝碼并連帶的頂盤（5）在垂直方向上作上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，連在砝碼頂部的水平支撐軸（4）和位移導(dǎo)向滑動(dòng)桿（10）會(huì)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(yùn)動(dòng)，裝配在固定平板（9）上的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使編碼器輸出與砝碼位移相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，進(jìn)行計(jì)數(shù)。進(jìn)而就可以利用上文所提到的相序計(jì)數(shù)測定法對(duì)砝碼的位置進(jìn)行控制。

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)證明通過上述方法確實(shí)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(gè)整數(shù)點(diǎn)，令壓力計(jì)量工作能更簡單高效的展開。

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