落锤试验机的控制系统

本文的目的是设计一种基于pxi数据采集卡的落锤试验机系统，并对其信号检测、显示和落锤试验机控制系统进行重新设计。通过上位机的简单操作，实现了冲击试验、制动、冲击、信号检测、显示和数据分析等功能，实现了锤试验机的智能化和自动化。此外，落锤试验仪还可以通过bp神经网络算法分析和学习实验数据。当改变测试所需的波形峰值或脉冲宽度时，将根据学习结果提供推荐的表高和垫厚。

1 冲击试验原理

在冲击试验中，实验材料直接固定在工作台上或用夹具固定在工作台上，工作台升高到一定高度，释放后自由下落，使工作台底部与底座上的波形发生器碰撞，使工作台承受向上冲击载荷和脉冲载荷。由表生成的样本传送到固定在表上的样本上，从而实现固定在表上的目的。产品对桌子的影响。另外，在平台上安装加速度传感器，测量平台加速度，绘制加速度时间曲线，并与标准波形进行比较，分析测试数据。

通过相应的信号调节电路，将加速度传感器转换成可采集的电压信号，并与pxi数据采集卡的模拟信号采集通道连接。pxi数据采集卡的数字i/o端口通过i/o控制板控制液压设备。并收集编码器，关闭开关输出信号。

2 加速度采集

加速度计是一种能够测量加速度的电子设备。常用的加速度计主要是压电式的。原理是使用压电陶瓷或石英晶体的压电效应。当加速度计振动时，质量被施加到压电体上。组件上的力也会发生变化。当测得的振动频率远低于加速度计的固有频率时，力的变化与测得的加速度成正比[3]。

常用的加速传感器有带电加速传感器（pe）和电压型加速传感器（iepe）。根据测试对象和测试环境的不同，将会选择不同的加速度传感器，因此这个落锤测试仪与这两个加速度传感器同时兼容。

2.1电荷型加速传感器

顾名思义，电荷型加速度计具有带电的输出信号，并且需要外部电荷放大器将高内部电阻电荷源转换为低内部电阻电压源。其信号调理电路如图2所示。

C1是反馈回路电容。由于反馈电容远大于电缆电容和运算放大器的输入电容，根据运算放大器的虚拟接地原理，可以认为：

从上述公式可以看出，电荷放大器的输出电压仅与反馈电容有关。此外，可以调整后级反向放大器的电阻r1和r2，以满足采集电路的需求。

2.2电压型加速度计

电压加速度传感器是一种独立的电荷放大器或电压放大器传感器，具有放大器和恒流源。电流源将电流引入加速度传感器，放大器允许设置输入范围以充分利用输入信号。加速度传感器的内部电路使它的行为像一个电阻到外部。传感器的加速度与其外部电阻成正比。因此，传感器返回的电压信号和加速度也是成比例的[3]。需要一个24 V 4 mA恒流激励源为电压加速度传感器供电。

lt3092是一种精密恒流源器件。该装置的输入电压为1.2～40v，滚针具有初始精度和低温系数。目前的监管业绩优于百万分之10。此外，装置内部还有反向电压、反向电流保护、电流限制和热量限制。它只需要外部电阻器的转速和转速来调节输出电流，其关系如下面的公式所示。

2.3 滤波电路

此外，通常存在电磁干扰，例如工业领域中的电磁干扰，其通过传感器耦合耦合到电路中。这些干扰将导致收集数据的混叠失真，因此需要在采集之前设置滤波。该电路还设计有二阶巴特沃斯低通滤波器和二阶高通滤波器，分别滤除高频噪声和低频噪声。电路如图3右半部分所示。

3 I/O控制设备

本设备的控制采用上位机操作方式，保证了设备的自动化和智能化。主要控制装置有编码器、气动液压设备和接近开关，通过PXI数据采集卡的数字I/O口进行控制和采集。由于PXI数据采集卡不能直接采集和控制这些设备，因此本文设计了I/O控制板。

3.1 编码器

zsg 6206-001 c-400bz3-5f是一种增量编码器，它将位移转换成周期性的电信号，然后将这个电信号转换成计数脉冲。每个计数脉冲代表一定的旋转角度。转换成弧长是计算脉冲表上升的高度。上面的计算机通过计算接收到的脉冲数来计算当前表的高度。

编码器工作在5 V，输出为推挽输出。输出脉冲信号可以直接由数据采集卡的数字I / O端口获取。分辨率为400P / R，齿轮直径约为4000毫米。也就是说，每个脉冲为10毫米。

3.2 气压液压设备

该落锤试验机采用气缸装置保证工作台的稳定性，采用气动装置抱闸，配合制动部件实现及时制动，防止工作台受到二次冲击而损坏。

气压和液压设备使用三个四向电磁阀进行控制。其控制电路如图4所示。三段式四路电磁阀可以改变左、中、右位置。当阀芯处于中间位置时，每个油口不连接。当阀门核心在左侧位置时，可以看到油道可以通过p出口进入，b出口连接到t出口。当阀芯处于正确位置时，油路可以从p出口出口出口进入b出口，而一个出口和t出口相连。

PXI数据卡的数字I / O端口通过两个PNP三极管和两个固态继电器控制三位四通电磁阀的两个线圈，从而实现电磁阀的开/关。

3.3 接近开关

接近开关位于提升杆的上部和下部。其作用是确保当冲击平台达到规定高度并下降时，气缸已降至底部。

lr 18bn08dno是接近开关的npn输出型，因此其信号输出不能直接连接到数字卡的数字i/o端口，因此电路设计如图5所示。

接近开关原理显示在上图的左侧。输出端口是内部NPN的收集器。从NPN晶体管的工作原理可知，通过改变连接到开关控制环路的基极信号，输出信号为24V或输出信号。 0 V.如图的右侧所示，设计了光耦隔离控制电路。光耦隔离模块为TLP521。 TLP521内部的LED由串联的限流电阻触发。 LED的开/关控制控制后一级的NPN晶体管。输出水平。

4 PXI数据采集卡

在对现有落锤试验机的研究中发现，落锤试验机的采集与控制设备大多是基于DSP或其它单片机设备。这种设备的优点是系统成本低，但稳定性和模块性不够，不利于后期的扩展和移植。为此，研制了一种基于PXI数据采集卡的落锤试验机。

pxi系统包括底盘、pxi背板、系统控制器和外部模块。系统控制器，即cpu模块，通常位于底盘左侧的第一个插槽。它可以直接连接到显示屏、鼠标等，并通过ni提供的labview软件控制外部模块。系统控制器左侧会留下几个插槽，以方便外部扩展。

该系统采用的数据采集卡为NI PXI-6229，具有32位16位分辨率A / D通道，采样率高达250 KS / s，充分保证了加速度信号采集的实时性和完整性;有48个双向数字I / O端口，时钟频率为1 MHz，用于设备控制的时间控制。

5 上位机设计

主机接口主要分为三个部分，即数据显示，数据分析和设备控制。

通过对现有的锤头试验机的调查，会发现当撞击试验往往是基于实验者的经验，即面对不同的试验材料，不同的波形峰值和脉冲宽度要求，要举起的表的高度和波形发生器添加的缓冲区的厚度完全由实验者的经验决定。如果您改变了一个没有经验的实验者，您可能需要多个近似测试来满足测试要求。本文提出了一种基于bp神经网络的学习算法，由于波形发生器材料、表高、材料重量等因素的影响，在冲击试验中得到的特定波形的脉冲宽度和峰值。通过对某样品的实验数据的学习，该算法将通过在新试验中输入实验材料的重量来显示所提出的表高和垫厚。

通过BP神经网络训练后，神经网络的输出将与其输入有一定的对应关系。通过对20组样品的测试，选择一些测试结果，如表1所示。

当选择不同重量、不同脉宽、不同波形峰值的测试材料时，预期输出和实际输出会产生不同的误差。对上述数据的分析表明，当台面高度H在高程中间时，误差率往往较小；当材料重量可忽略不计，台面重量不定时时，误差率较大。虽然BP神经网络训练后仍存在一些误差，但误差率小于10%。因此，BP神经网络学习算法的拟合结果具有很好的参考价值，可以帮助实验人员进行实验。

6 结束语

设计了一种基于pxi数据采集卡的下锤式测试系统。上半身可以帮助测试人员学习bp神经网络的样本数据。该系统具有自动化程度高、稳定性好、扩展方便等优点。对本文设计的电路进行了理论验证和实践验证，该锤试验机运行良好，可靠性高。