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一种新型温度测试仪

发布时间:2022-09-06 06:31:51 来源:华体会棋牌 作者:华体会最新官网

  本文针对传统的皮革收缩温度测量仪在测量过程中人工记录数据效率 低、 误差大等缺陷和不足进行了更新设计和技术改造, 利用霍尔效应的原理 将传统的机械接触式测量改进为非接触式测量, 由单片机来控制整个测量过 程,最后将测量到的收缩温度值自动锁存。设计参数均满足轻工行业标准 (QB/T 2713 -2005)对皮革收缩温度测量的要求,与传统测量仪器相比,本次 设计的重点主要集中在以下方面: (1) 实现 2℃/min 均匀搅拌升温环境,使加热介质内部温差不超过 1℃; (2) 采用控制程序来确定收缩比,收缩点长度/样品原长=97%; (3) 用专门定做恒力弹簧代替标准中 3g 砝码来实现负重预紧; (4) 设计了标准的皮革取样器,保证了初始测量样品的一致性。 新型皮革收缩温度检测仪器的数据采集模块是采用成熟的传感器元件, 设计出高精度的位移和温度信号采集模块, 将采集的温度信号进行放大处理 后与位移信号一起进行数模转换, 将转换后的数据送入单片机进行处理, 单 片机一方面将送入的信息在液晶显示屏上实时显示, 同时依据传感器采集到 的温度值控制加热模块实现均匀升温。 通过编写的上位机软件, 可以动态观 察四个皮革样品的收缩全过程,并全程记录对应数据。 采用标准取样器从皮样上制取样品进行挂样实验, 通过对新型皮革收缩 温度测量仪器测量得到的实验数据进行分析后得到结论, 新型的皮革温度收 缩仪器在测量精度、 动态数据显示精度、 升温过程中液体内部的温度差值及 上位机动态监测软件的锁定数据值均满足皮革收缩温度测量标准中的误差 要求。 论文最后对仪器的成熟度进行了深入的探讨, 主要包括仪器长期使用过 程中测量数据稳定性和可靠性以及人机操作舒适性方面的问题。 通过用户在使用过程中的反馈信息, 新型的皮革收缩温度测量仪器无论 从测量精度、 测量效率还是操作舒适度方面, 都比传统的机械式皮革温度收 缩仪器具有明显的优势。

  仪器是人们认识世界的工具,它是人类延长的感官系统。随着现代工业和科学研究 的不断深入,许多传统的仪器已经不能够满足实际生产的需要,于是,人们对现代化仪 器的渴求变的越来越强烈。 著名科学家门捷列夫说过: “科学总是从测量开始的,没有测量就没有科学。 ”测量 是靠测量仪器来完成的,每个时代最新最有价值的研究成果都是依靠当时最先进的科学 测量分析仪器为基础而取得的。 统计资料显示, 20 世纪 20 年代至今 80 多年来获得诺 从 贝尔奖的科学家当中, 40 多人的研究成果直接与科学分析仪器有关。 有 仪器是指具有测 量、检测和测试功能的工具、装置和设备,它通过对被测对象的测量,与基准量比较后 所得出的测量信息,然后再将这种测量信息通过一些辅助手段转化为人们能够识别和理 解的数据或文字显示出来[1]。 工业技术发展到今天,各种各样的测量仪器都已经出现,并且测量仪器的精度和测 量范围都不断提高。但是,人们的认识无止境,人们对仪器从功能上的要求也无止境, 虽然国内外有很多企业和单位都致力于测量仪器的开发与研究,但某些行业的测量仪器 的发展水平仍然不尽人意。 就以皮革行业的测量仪器为例来说, 国家从 70 年代开始就发 展振兴轻工业,经历 30 多年的行业建设,综观国内的许多大学及研究院所,对皮革收缩 温度的测量还是沿用最早的原理性机械式测量仪器,这种测量不但效率低下,而且通过 人为读数所带来的误差也是不可避免的。 1.1 原理性收缩温度测量仪简介 皮革收缩温度是指皮革在缓缓受热后,皮革纤维开始沿着自己的纵轴方向收缩,即 长度开始减小、直径开始增加时的温度。从热力学的角度看,皮革的热收缩过程是一个 焓增、熵增的过程,皮革收缩后,减少了胶原纤维的链间横键,失去了定向力,使化学 键结构的排列发生了变化,导致物理机械性能降低。中国轻工业联合会于 1984 年 10 月 首次发布《皮革收缩温度的测定》轻工业标准,该标准是根据国际皮革工艺师和化学联 合会 (IULTCS) 制定的标准 《leather-physical and mechanical test-Determination of shrinkage temperature up to 100°C》发展而来的。该标准定义收缩温度为加热液体中的试样,当液 体以规定的升温速度升温,试样突然收缩时所对应的温度[2]。 1.1.1 原理性收缩温度测量装置 主要部件包括: (1) 烧杯容器,体积大于 500ml,深度大于 110mm; (2) 试样固定物,固定在距离容器底部(30±5)mm 处;

  (3) 测试钩,一端接试样顶部,一端连接在穿过滑轮的连线上,连线的另一端 连接一个比移动钩重 3g 的负重块; (4) 指示器,用来监测移动情况; (5) 温度计,刻度分度为 1°C,误差±0.5°C; (6) 蒸馏水或其他加热介质; (7) 加热器,能够以(2±0.2)°C/min 的速度加热容器中的蒸馏水; (8) 搅拌器,有效搅拌容器中的水,使试样顶部和底部的温度差不超过 1°C; (9) 标准试样,样品厚度≤3mm,取样尺寸为(50±2)mm*(3.0±0.2) mm 样品厚度>3mm, (50±2)mm*(2.0±0.2) mm

  (1) 在玻璃试管中加入(5.5±0.5)mL 的蒸馏水,将试样浸入其中; (2) 将试管放入干燥器中,使试管保持合适的状态,将干燥器抽线) 将空气进入干燥器,继续保持试样浸润在水中 1h~2h; (4) 将试样的一端固定在式样固定物上,另一端连接在测试钩上,调整细线、滑

  (5) 将足够的湿热的蒸馏水加入到容器中,使水面至少超过式样顶部 30mm; (6) 加热水,并保持水的升温速度为(2±0.2)°C/min; (7) 每隔 30S 记录一次温度和相应的指示器的读数, 直到式样明显地收缩时记录

  (8) 检查记录数据或指示器与响应温度所形成的曲线,找出试样从最大长度收缩

  到 99.7%时的对应温度,记录这个温度为收缩温度。 从以上的操作过程可以看出,这种测量收缩温度的方法有几处难以实现,首先,要 保持水的均匀升温过程,就需要采用一定的加热控制方法,其次,每隔 30 秒进行一次数 据记录,如果皮革样品的收缩温度在 80°C 左右,而水是从 30°C 开始加热算起,按照 每分钟 2°C 的均匀升温,那么就要将近做 100 多次记录,而这如果要用人工来完成, 其工作量是相当大的, 并且人工记录过程中也存在着读数误差甚至读错数字,还有, 采用 原理性收缩温度仪进行测量的这种测量方法效率低下,再加之要对记录数据的人工处理 才能得出结论,自动化水平远不能达到现代测量仪器的要求[3]。

  从 20 世纪 70 年代开始制定测量标准以来, 收缩温度测定仪相继经历了机械指针式、 磁控加热式、传感器感应接触式等不断的升级换代产品,例如浙江余姚生产的 GJ90 型 指针式皮革温度收缩仪,其工作就是按照基本原理来进行测量,并且加热过程中的均匀 升温也没有得到有效控制,还有成都桦明公司和山东纺织研究院分别研制的收缩温度测 定仪,都因为在产品功能和操作性能方面不能很好满足客户需求而未被市场广泛认可和 接受。因此,市场对皮革收缩温度测量仪不断升级改进的需求从来就没有停止过,以陕 西科技大学阳光电子研究所宁铎教授牵头,联合资源环境学院马建中教授和机电学院曹 西京教授,经过多年致力于对皮革收缩温度仪器的研究,先后进行了几代产品的研发设 计和改进。第一代产品是完全根据收缩温度标准测量的原理机的要求,原理机是纯粹基 于机械结构的基础上进行测量的,虽然是按照标准的原理来进行设计测量的,但测量的 精确度并不理想,且由于人为造成的安装和读数误差直接影响测量的重复性。第二代产 品从测量原理上对原理机的测量方法进行了改良, 将以前的直接式测量改为间接式测量, 将机械式测量升级为机电结合式测量,测量方法的改进,直接促使了测量效率、测量精 度以及测量灵敏度的提高。随着用户提出要同时进行对比性测量试验和多样品测量的需 求,第三代产品也就随之产生,借助于电饭煲的可控加热环境,不但实现了原定标准中 对水温均匀上升的要求外,同时也实现了一次测量多个样品的愿望。然而,需求无止境, 有些皮革样品的收缩温度高于水的沸点,所以电饭煲由于加热介质水沸点的限制,就不 能再满足要求了。 并且, 电饭煲的加热控制规律并不是标准中要求的 2°C/min 的均匀加 热升温过程。为了严格实现标准中各个参数要求,第四代产品就基本上摒弃了原来的借 助于其他产品来设计产品的老办法,而采用完全独立的设计风格,从传感器安装盒到主 机控制箱都完全根据传感器设计的几何尺寸和电路控制板电气规范来完成整机总体样式 的设计。最终,目前我们所看到的第四代收缩温度测量仪器是采用非触式测量,利用现

  代传感器技术,结合单片机控制和通信手段,将古老传统的测量仪器改进为满足实际生 产需要的机电、通信一体化相结合的现代化测量仪器[4][5]。

  本论文以精密测量仪器的研发过程为主线,对象为第四代数字皮革温度收缩仪器, 该仪器的研发曾得到陕西省科学技术研究发展计划项目的支持,论文主要以应用层面来 进行论述,研发的成果最终将以商品的形式投放到市场加以推广,从而实现科技成果产 业化。整篇论文按照以下顺序论述: 第一章为绪论,通过对测量仪器的重要性概述引出皮革收缩温度的工业标准,然后 总体概述皮革收缩温度测量仪器的研究历程和目前的水平。 第二章为方案设计和模型分析,围绕测量过程中的关键量温度和位移来介绍最新仪 器的设计思路,然后就三个关键的功能模块以模型化来进行参数设计分析和讨论。 第三章是仪器物理实现,分别从传感器部分、电路部分、软件部分及外围结构四部 分进行具体的设计。 第四章是仪器运行参数分析,根据不同单位使用仪器测量时所获得测试数据与标准 要求进行分析,确定仪器的设计精度和标准参数是否符合要求。 第五章是仪器成熟度分析,站在真正的工业产品的高度,对仪器进行更深入的设计 指标考量,从仪器的可靠性、可维护性和外观设计方面考察收缩温度测量仪器的成熟度 问题。 第六章为全文总结,对整篇论文进行概括,总结出自己的设计心得和获得的经验, 对仪器的使用前景进行评估。

  根据轻工行业皮革收缩温度的测量标准(QB/T 2713-2005) ,皮革收缩温度描述为皮 革在均匀升温的液体介质中皮革试样收缩到原来长度的 99.7%时所对应的收缩温度。从 定义可以看出,在皮革收缩温度的测量过程中,有两项指标需要进行严格的控制,一个 ;另一个是判断收缩长度为原长的 99.7%。 是均匀升温速度(2°C/min) 因此,在皮革收缩过程中,主要监测两个物理量:温度(T)和位移(D) 。其中温 度量的上升是一个独立的过程,通过特定的加热控制装置来实现;测量试样的位移量与 其所处的温度环境是相关联,它是随着温度的变化呈现出一定的变化规律,也就是说, 皮革样品的位移量与所处的环境温度满足一定的函数关系: D=f(T) 通过反求(2-1)得到: T0= f-1(D0) 且这种非线性的影响因素特别多,具体的影响因素将在后续章节中来讨论。 (2-2) 通过对皮革收缩规律的测量统计分析,皮革在受热环境中的收缩形变规律是非线) 在实际过程中,我们通过监测预期位移(D0)的变化而得出对应的收缩温度(T0) ,可以

  一套功能完善、工作可靠的测量仪器,需要诸多方面知识来支撑,需要不同领域的 专家来共同完成的。对测量仪器来说,其测量精确度是首要的设计目标,因为仪器给出 的数据基本上都是提供给其他工程设计的标准数据,如果标准数据精度都不够的话,其 他的设计就无从谈起[6]。仪器要具备竞争力,适应多样的工作环境,就必须提高其工作 可靠性以及可维护性。 另外, 被市场接受的产品成熟度衡量指标还有一项就是外形设计, 它是用来考虑产品设计的人性化,它是在产品设计的高级阶段,考虑到人的工作舒适度 和人们的日常工作习惯,再结合科学的操作方法而进行的工程设计。 最新改进型的皮革收缩温度检测仪依然是立足于基本量位移和温度的测量,其目的 仍然是测量毛皮类物品的受热收缩温度,但现在的测量方法是通过感知电磁量的变化进 行非接触式的间接测量,利用霍尔传感元件将变化的磁场转化为可处理的电信号作为输 出, 将位移的变化通过磁场的变化反映出来, 再通过信号调理电路送入单片机进行处理, 处理结果的信息通过液晶和上位终端来进行实时显示[7]。均匀升温的过程采用单片机来 控制,通过负反馈的控制方法来保证对被加热液体进行均匀加热升温。同时,考虑到规 范的专业化测量,测量的样品采用专门设计的取样器来获得,来保证测量效果的一致性

  和准确性[8],检测仪器的系统方案设计的主要组成模块如图 2-1 所示。

  确定了以上的总体实施方案后,接下来就应该对每一个功能单元模块进行实现。不 同的功能模块完成不同的功用,也就需要相关的理论知识。综合整个系统来看,要完成 整台仪器的制作,需要具备的知识包括:传感器理论、信号处理、数字模拟量相互转换、 自动控制理论、液晶显示理论、通信理论、基本电路理论以及机械结构设计。同时,基 于测量检测仪器的设计也要注意到以下的设计目标: (1)测量精度:常用测量误差的大小来表示,包括绝对误差和相对误差; (2)测量范围:在达到和满足预定测量精度的条件下,仪器能测量或检测的被测物 理量的区间大小; (3)灵敏度:仪器输出变化量与相应输入变化量的比值; (4)分辨率:仪器读数能分辨的最小物理量; (5)线性度:由于仪器输入输出测量特性曲线的非线性特性所导致的实际测量特性 曲线与参比直线之间的最大偏差与仪器量程的比值; (6)稳定性:仪器在任何时刻对于同一物理量进行测量,所获得的测量结果的一致 程度; (7)重复性:当被测量在全量程范围内连续变化时,仪器在相同条件下按照被测量 同一变化方向经过多次重复测量, 所得的输入输出测量特性曲线 霍尔传感器组件模型 根据皮革材料收缩温度的测量原理,最终要获得的数据是样品在热环境中的收缩到 标准规定收缩量时对应的温度值,但其测量的实质是观测样品长度的变化量。因此采用 霍尔传感器来感知长度的变化无疑是一个非常好的选择,因为霍尔传感器是根据磁场变 化来工作的,这里将位移的变化通过磁场的变化来反映,一方面可以改善机械式测量中

  摩擦力对测量精度的影响,另一方面还可以实现非接触式测量,从而保证了传感器的工 作可靠性和使用寿命。将铝镍钴圆柱磁钢与被测样品连成一体,通过选择一定虎克系数 的弹簧提供拉伸预紧和零状态恢复,霍尔传感器则固定不动,样品的收缩变化带动磁钢 移动,从而为传感器提供了一个变化的磁场,这个变化的磁场能够反映位移量,从而将 位移量通过磁场媒介,最终以电压量的形式送入控制系统来进行处理 。具体的霍尔传 感器组件模型如图 2-2 所示。

  从理论上来讲,霍尔传感器(SS495)的输出电压与磁感应强度在一定的范围内表 现出很好的线Gauss 之间,传感器的输出电压 与磁感应强度保持很强的线 输出电压与磁感应强度曲线 The curve of output voltage and magnetization

  但是, 采用直径 7.25mm 的铝镍钴圆柱磁钢[11],从其轴线截面 A 位置(磁感应强度约 为 700Gauss)到轴线截面 B 位置(磁感应强度约为 530Gauss)相距 5mm 的空间内,磁场

  从以上的图线mm 范围内存在饱和区,从 3mm-5mm 位移区间的磁 感应强度变化线性度较好。皮革材料的收缩规律也表明,在收缩温度点附近,样品的收 缩量远远超过原长 0.3%,收缩过程为突变过程,所以可以这样认为,在保证满足一定的 测量误差的前提下,磁感应强度在 3mm-5mm 位移区间内的非线性对收缩温度的测量的 影响是可以忽略的。 2.3.2 温度传感器组件模型 系统设计要求实现 2°C/min 加热升温条件, 因此对温度传感器的选择和及其组件的 设计都要有相当高的要求。 这里选用美国模拟器件公司生产的 AD590 温度传感器作为温 度采集单元,AD590 是单片集成两端感温电流源,其实质是一种半导体集成电路,它是 利用晶体管的 b-e 结压降的不饱和值 Vbe 与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的关系实现

  对温度的检测[12]。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方 便等优点,得到广泛应用。由于温度传感器是整个测量温度最关键的部分,同时,温度 传感器又经常工作在相对恶劣的环境中,因此,为了保证温度传感器保持长期可靠地工 作,就必须为此设计一套安全可靠的保护外壳,具体的组件安装如图 2-6 所示。温度传 感器组件(AD590)的设计参数见表 2-2。

  线性度(% of span) 输出电阻(Ω) 管容器规格 安装体积(mm3)

  整个传感器组件的设计要求安装方便, 工作可靠, 外层保护壳的选择是按照以下因 素来考虑实现的,一方面,要耐腐蚀性好,因为温度传感器组件是长期浸在液体中,液 体中有时候还存在很多酸碱性物质,因此,要尽量选择很强的耐腐蚀的材料作为保护外 壳。另一方面,保护外壳需要有良好的导热性能,因为,关键的感温器件(AD590)是 放置在保护壳内部的,设计的系统是一个温度要求动态变化的系统,感温元件要能够及 时感应到外界的温度变化,中间的这层保护壳就必须存在很小的热阻,以使得外部的热 温度信息能够及时地传递给内部的温度传感器,这样才能保证系统工作的精确度。这里 采用导热良好的不锈钢材料,同时在感温元件和保护壳之间填充导热硅脂,以便使得感 温元件能够很好的工作。 2.3.3 加热系统模型 加热环节是由单片机控制可控硅来实现加热条件, 加热控制信号由单片机提供, 温 度传感器将实时采集到的温度信号送入单片机控制单元,由程序判断是否需要加热,发 出控制加热指令。其加热系统方块图[13]如图 2-7 所示

  由于本系统为低电平控制高电压工作,为保证其工作安全性和可靠性,故在加热电 路中采用光耦开关来进行隔离[14]。通过间接控制晶闸管的导通,来控制是否加热。另外, 晶闸管的关断是在其过零时刻自动关断。实际系统中选用的晶闸管型号为 BTA06A,容 许的最大工作电流为 6A,工作期间双向导通。具体的工作电路图 2-8 所示

  在加热过程中,对流、传导和辐射三种热传递的方式都存在,加热炉丝对容器的加热方 式以辐射为主,而液体内部则主要以对流方式进行传热[15],由于对流作用需要时间,因 此,容器和内部液体构成了一个传热延时系统,液体内部的热阻使得温度的变化具有一 定的惯性,温度控制过程表现在动态图表就会是一个锯齿状的上升过程,如图 2-9 所示。

  本章首先从收缩温度测量仪器的测量原理给出了数学模型,提出了实现准确测量的 两个关键量:温度和位移。然后根据总体设计要求和客户提出的新需要,从可靠性、可 维护性、美观性以及后续的可升级性的角度,提出了第四代测量仪的总体设计方案,最 后给出了实现总体设计方案的三个关键模型:霍尔传感器组件模型、温度传感器组件模 型、以及加热系统模型,并且给了概括性的说明,为后面收缩温度测量仪器的物理实现 提供了理论依据。

  硬件部分是整个仪器中参数不可改变的部分,包括传感器部分、电路板控制部分、 机体结构部分,硬件的设计本着简单、可靠、美观、实用的原则,依照功能实现,精度 达标,高可靠性和人机工程的开发思路,具有可扩展和可升级功能。 3.1.1 传感器设计 传感器是一种以一定的精确度把被测量转化为与之有确定性对应关系的,便于利 用的某物理量的元件或装置。它是测控仪器最关键的部分,系统的所有原始数据都来自 传感器的信号输出。传感器的技术特性指标分为静态技术指标和动态技术指标。静态技 术特性指标包括测量范围与量程、线性度、灵敏度、灵敏度误差、延迟特性、重复性、 分辨力与分辨率、稳定性与工作温度范围、静态综合误差特性。动态技术特性指标包括 响应时间与稳定时间、传感器的带宽、临界频率、临界速度、动态综合误差特性[16]。 传感器是仪器系统关键的部分,它直接接受外界的信号,并将接受到的信号传入中 央处理单元来进行处理。传感器传入信号质量的好坏将直接决定着系统对外界问题的处 理结果。因此可以说,传感器的设计,从仪器的系统级设计角度来讲,就变的至关重要。

  表 3-1 传感器选择应考虑的因素 Tab 3-1 Influencing factors for choosing sensor 基本特性 安装位置 测量精度 测量分辨率 测量稳定性 响应时间 量程范围 输出特性 灵敏度 信噪比 信号形式 输出阻抗 线性度 滞后性 电源特性 电压 电流 有效功率 稳定度 抗干扰能力 安全工作限 环境特性 温度 湿度 震动 冲击 化学试剂 电磁辐射 其他 可靠性 使用寿命 过载保护 装配要求 几何体积 可维护性

  皮革收缩温度测定仪中的传感器部分包括温度传感器和位移传感器(其安装结构图 可参见第二章中传感器组件模型的设计) 设计时按照表 3-1 中提到的需要考虑的因素来 。 进行设计,结合需要达到的测量标准和整体设计尺寸通盘考虑,这里主要考虑的因素是 工作灵敏度和工作可靠性问题,因为位移是与被测的皮革样品连接在一起的,工作时位 移传感器一直处于高温高湿的蒸汽环境中,虽然外围采用了保护装置,但长期处于湿热 的蒸汽环境中,势必加速了空气对传感器外层保护壳的氧化浸蚀作用,影响到传感器的

  长期工作的可靠性。要提高工作可靠性,目前就是通过选择外层保护壳体的材质,以及 内部长期疲劳工作的弹簧,来满足对系统的可靠性方面的要求。结合成本和制作工艺性 等方面的考虑,采用不锈钢材料可以制作传感器保护外壳,内部近程恒力弹簧也选择不 锈钢材料来制作,保证长期使用过程中的可靠回复力,以及取得长期耐用的效果 温度传感器设计主要考虑的是工作可靠性的问题,温度采集单元(AD590)是直接 购买的现成芯片, 这里要做的事情就是把 AD590 进行可靠封装, 能够灵敏感应到外界温 度变化。通过实验及样机使用客户反馈回来的故障率信息得出结论,温度传感器是整个 测试仪器故障率最高的部分。究其原因,主要是因为温度传感器是通过一层保护装置直 接浸没在加热介质水或者甘油中, 通常加热介质是水, 由于长时间在加热介质水中浸泡, 水中的氧化作用要明显强于空气,再加之皮革样品一般也都是经过化学处理过的物质, 样品浸入水中后将导致水中的酸碱离子浓度增加,这样就更加剧了水对传感器保护壳的 腐蚀作用,结果就难免要破坏保护壳的完整性,对传感器的工作稳定性产生影响。早期 出于对于成本和加工难易程度方面的考虑,采用合金铝材料作为保护外壳,通过使用发 现,合金铝材料的耐腐蚀性能不理想,长期使用后表面会出现腐蚀坑点,严重时会有穿 孔现象产生,这就导致液体渗入保护壳内,从而使温度传感器出现短路故障,无法保证 传感器正常工作,因此从长期使用的高可靠方面来讲,这种问题必须进行有效解决。通 过对市场上常用材料的选用测试,最终将合金铝材料改换成不锈钢材料后,效果明显改 善,不锈钢材料的自洁能力很强,每次测量完成后温度传感器从液体中取出,表面几乎 不粘连其它的物质,多次测量后表面依旧如新。 位移传感器的设计,它的设计思路是采用非接触式位移测量原理,本位移测量系统 是利用霍尔传感器实现的[17],其原理示意图如图 3-1 所示。位移测量系统中的霍尔传感 器和磁钢元件按照图 3-1 所示的位置进行安装,磁钢和被检测皮样连接在一起。在整个 测量过程中,只有挂样架和皮样浸入在高温加热介质中,这种测量方式能够避免高温介 质对霍尔传感器的性能参数产生影响,从而保证测量结果的准确度和稳定性。

  为了保证实施标准关于皮革样品必须在 3g 恒力下测量的规定, 磁缸下面装有经过测 其恒拉力是保证皮革样品在整个测试过程中始 试的胡克系数为 0.1N/mm 的恒拉力弹簧, 终受到向上的 3 g 恒力作用,保证原始测量标准中对测量过程中恒定拉力的要求,向上 的 3g 恒拉力由弹簧弹力减去标准挂钩和皮革样品的重力来实现的。 3.1.2 电路设计 电路设计是仪器设计的核心部分,关键功能的实现和仪器的测量精度都与电路处 理部分息息相关,从传感器传送来的电信号,要经过放大处理以匹配到 A/D 转换的基 准电平,模拟量要转换成数字量才能被单片机处理,在整个工作工程中要保证不同单 元的逻辑工作顺序。同时也要考虑强电对弱电的影响,强电转换过程中的发热问题等。 电路部分的设计总体上按照数字部分和模拟部分分别进行设计,其数字部分基本上采 用市面上比较成熟的集成芯片来直接利用,集成芯片都是经过规范设计和测试,做的 可靠的模块,这样不仅降低了设计难度和研发成本,同时也使得整个控制电路安全性 和可靠性大幅度的提高。模拟电路的功能是要完成采集信号的放大、模拟数字相互转 化、串口通信以及显示驱动,下面将一一介绍。 1)运算放大电路 ) 运算放大是对输入信号的处理,它是 A/D 转换模块之前的一个工作环节,主要任 务是将输入信号转换为与 A/D 转换模块标准工作电平相对应的电压区域。AD590 在 25℃时对应输出电流为(298.2±5)μA,其测量上限到150℃,按照 1μA/K 的线℃对应的电流输出应该是(423.2±5)μA,约为 425μA 的电流通过 10K Ω的电阻后对应的电压为 4.25V.然后再通过放大器 B 的线性平移,最终在放大器 C 上

  的输入电压设计为 1.5V(150℃时对应电压)对应 A/D 转换模块上的标准 5V 电平, 所以需要对传感器的输入电压进行放大处理,放大倍数为β=5/1.5=3.33。

  考虑到在 PCB 板的设计,为了使整个 PCB 板布局紧凑、安全可靠,在实际的电路 中将三个运算放大器直接采用一个集成芯片(AD620)来代替,放大倍数是依靠外围的 电阻元件来实现。 2)A/D 转换电路 ) 单片机处理的是数字信号, 而霍尔传感器和温度传感器输出的都是模拟信号, 所以 需将检测到的连续变化的模拟量转换成离散的数字量后,才能输入到单片机进行处理。 所以要在单片机和数据采集部分之间需要一个模拟量到数字量转换的环节,实现模拟量 变换成数字量的设备称为模数转换器(ADC),简称A/D,A/D转换电路是数据采集系 统的核心电路。模数转换的主要功能就是将模拟量转化成数字量,其转换精度依据是转 换位数的高低和参考电平的稳定性。 目前应用较广泛的A/D转换器按其原理主要分为:逐次逼近式、双积分式和并行式 A/D转换器。逐次逼近式A/D转换器转换精度较高、速度快,但抗干扰能力弱,且价格也 较高;双积分式A/D转换器转换精度高,抗干扰能力强、价格低,但转换速度较慢,约在 几毫秒到几十毫秒之间;并行式A/D转换器转换速度快,但价格高[19]。根据A/D转换器技 术指标及系统的实际要求,本设计选用抗干扰能力较高、价格较低,但转换精度高、速 度快的美国MAXIM公司生产的8信道、12位逐次逼近的A/D转换器MAX197。该芯片内部 核心是一个采用逐次逼近方式的DAC, 前端包括一个用来切换模拟输入通道的多路复 用器, 以及输入信号调理和过压保护电路,内部还建有一个2.5V 的能隙基准电压源, 采 样速率为100Ksps,转换时间为6μS。MAX197采用单一的5V电源进行供电,可以针对 不同的输入量程采用软件来选定不同的范围与之对应,不同的标定参考范围有:±10V、

  ±5V、0~10V、0~5V,时钟选择模式有内部模式和外部模式,一般采用直接利用内部 模式来工作,可通过软件选择内部或外部采集方式,可以采用软件选择使用内部4.096V 电压基准或外部电压基准,通过软件来选择SHDN引脚来降低功耗。 MAX197 芯片与单片机接口电路如图 3-2 所示

  4路霍尔传感器信号 3路霍尔传感器信号 温度传感器信号 2路霍尔传感器信号 1路霍尔传感器信号

  单片机的 P0 口与 MAX197 的数据输出口 D0-D7 相连,用于输入控制 MAX197 工 作状态及工作方式的控制字和读取模数转换器的转换结果。单片机的 P2.7 口作为 MAX197 的片选信号输入端与 MAX197 的 2 引脚的 cs 相接。 单片机的 P1.3 口与 MAX197 的 5 引脚 HBEN 相连,用来判读高低位数据。选择 MAX197 为正常工作模式,故引脚 SHDN 可以悬空。 MAX197 的模拟量输入通道 CH0-CH4 分别接四路霍尔传感器的模拟 量输入和一路温度传感器的模拟量输入。 本电路中采用内部时钟,因此在 MAX197 的 1 脚和地之间接一个 100pf 的电容;本 电路采用内部基准电压,因此引脚 REFADJ 和地之间接一个 0.01uf 的电容;为了提高电 路的抗干扰能力,数字地 AGND 与模拟地 DGND 之间相互独立。 3)单片机控制电路 ) 单片机控制是整个控制系统的核心部分,所有的信息处理和控制作用都需要在这里 来完成。单片机性能的好坏将直接影响整个仪器的工作性能和可靠性,因此这里对单片 机的选择主要按照以下因素[20]。 单片机的选择依据: (1)单片机的位数。针对处理问题的精度来考虑,能否满足所需完成的任务需要;

  (2)单片机的存储容量。是否有足够的片内存储器来存储需要的数据和代码,如果 不够,那么单片机是否允许使用适当的外部存储器; (3)单片机的片内模块。所选的单片机是否有适当的片内模块(例如,CAN接口、 PWM接口)来支持所需处理的任务; (4)单片机的端口引脚数。所选的单片机是否有足够的端口引脚(或合适的串行接 口)来满足连接外部元件(诸如键盘、显示)的所有要求; (5)单片机的功耗是否合适; (6)单片机的市场供应,以及价格是否合适。 单片机中MCS-51单片机以优越的性能、 成熟的技术及高可靠性和高性价比迅速占领 了工业测控和自动化工程的主要市场,成为国内单片机应用领域的主流。 AT89S52单片机是一种低功耗、高性能且系统内带有8KB可编程FLASH存储器的8 位CMOS微处理器,也是一种高灵活性,花费有限资源就可产生许多嵌入式控制应用系 统的高性能处理器。它的主要特性如下所示: (1)具有8K字节可重复编程的Flash存储器; (2)存储器可写入/擦除1000次以上,数据保存10年以上; (3)工作频率可达0~33MHz; (4)三级可编程存储器加密; (5)256字节的内部数据存储器; (6)32条可编程的I/O线位定时器/计数器; (8)8个中断源(6个向量源); (9)可编程的串行口; (10)低功耗空闲模式、掉电模式及休眠节电功能; (11)与80C51和80C52的产品兼容; (12)全双工UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步接收. 这里采用P0口与A/D转换模块进行连接,12位转换数字量分两次送入单片机, P1.3 口用来控制单片机接收转换后12位数字量,P1.3为低电平时单片机读取低8位,P1.3为高 电平时单片机读取高4位,送入单片机后再进行综合处理,恢复出12位所对应的数值。 P1.7口设定为A/D转换完成标志,P2.7口设定为选中A/D转换芯片端口,低电平选中A/D 开始转换工作,高电平转换结束。 4)液晶显示电路 ) 随着显示技术的不断前进,目前主流的液晶显示(LCD)以其底成本、低功耗、 高寿命等优点正在逐渐取代LED发光管。液晶(LCD)显示是由不同部分组成的分层结

  构,显示屏由两块玻璃板构成,其间由包含有液晶材料的均匀间隔隔开。液晶材料本身 并不发光,所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管,而在液晶显示屏背面有一块背光 板和反光膜。背光板是由荧光物质组成的可以反射光线,它的作用主要是提供均匀的背 景光源。当LCD中的电极产生电场时,液晶分子就会产生扭曲,从而将穿越其中的光线 进行有规则的折射,然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。通过对不同部分 液晶分子的控制,我们就可以在屏幕上显示出所需的内容。液晶显示的主要优点是:显 示柔和,不怕强光冲刷,光照越强对比度越大,显示效果好,体积小,重量轻

  青云创新科技发展有限公司生产的汉字图形点阵液晶显示模块——RT12864。RT12864 液晶显示模块可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(16×16点阵) 、128个字符(8×16 点阵)以及64×256点阵显示RAM(GDRAM)[22]。它的主要技术参数和显示特性: (1)电源 VDD:3.3V~5V(内置升压电路,无需负压); (2)显示内容:128 列×64 行; (3)显示颜色:黄绿; (4)显示角度:6:00 钟直视; (5)LCD 类型:STN(超扭曲向列型)屏幕; (6)与单片机接口:8 位并行或串行; (7)配置 LED 背光; (8)多种软件功能:光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。 其中,逻辑工作电压(VDD):4.5~5.5V;电源地(GND):0V;工作温度(Ta):0℃~ 60℃(常温)/-20℃~75℃(宽温) 。 液晶显示屏与单片机接口电路如图3-4所示。

  AT89S52 的 P0.0~P0.7 用数据总线连接,VSS 接地,VDD 接5V 电源,V0 为 LCD 驱动电压的输入端。 5)串口传输电路 ) CPU的外部通信方式有两种:串行通信和并行通信。并行通信能实现多位传输,传 输速度快,传输效率高,成本高;串行通信则是一位一位按顺序传输,传输速度较慢, 成本低。结合本仪器的设计要求,从电路结构的易实现和成本方面考虑,串行异步通信 模式成为首选,其传输波特率在50Hz~19200Hz范围内可调,完全能够满足本仪器的传 输速率的设计要求[23]。 本仪器利用AT89S52单片机本身自带的全双工异步串行通信接口,通过简单的外围 电路,就可以方便地把单片机中的数据传输到计算机中。这里采用MAXIM公司生产的 低功耗、单电源、包含两路接收器和驱动器的电平转换的MAX232芯片,该芯片内部有 一个电源电压变换器,可以把输入的5V电源变换成RS-232C输出电平所需的±10V电 压,所以采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的5V电源即可。MAX232芯片与 AT89S52单片机接口电路简单,不需要外加驱动电路,但外围需接内部电源转换所需的4 个电解电容C1、C2、C3、C4,其取值均为1uF。其接口电路如图3-5所示。

  6)工作电源设计 ) 电源为整个电路工作元器件提供动力,电源质量的好坏将直接影响到整个系统的工 作情况,对于电子设备而言,好的供电系统可以使元器件节能50%~90%, 系统电源电路 设计是单片机应用系统设计中一项极其重要的工作, 它对整个单片机系统能否正常运行 起着至关重要的作用 [24]。电源电路设计应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题,电 源所提供的功率必须能满足整个系统的需要。在整个系统电路中,需要提供±12V和5V 直流电源供电。由于单片机系统和串口通信转换电平MAX232对所需电源的更高要求, 所以我们先用两个电源变压器将单片机与串口通信转换电平MAX232所需的电源独立出 来。然后用全桥整流,电容滤波使输出电压稳定,最后用体积小、使用方便、内部含有

  过流和过热保护电路的三端固定输出集成稳压器7805、7812、7912输出整个系统所需的 5V、±12V电源。 在7805的输入端接入0.33uF的电容,用来抵消输入端接线较长时的电感效应,防止 产生振荡。在输出端接入0.1uF的电容,是为了在负载电流瞬时增减时,不致引起输出 电压有较大的波动。在7812输入端接上1000uF的电解电容、0.33uFCBB(聚丙烯电容); 在7912输入端接上1000uF的电解电容、2.2uFCBB电容。两个输入端接上CBB电容可以滤 掉高频干扰,电解电容组合可以滤掉低频干扰。在两个输出端分别接上0.1μF电容,对 输出的±12V电源再次进行滤波,以得到干净的电源。 为了防止强电,弱电之间的相互影响,需要采取隔离措施,本仪器采用光电耦合 隔离,光电耦合隔离是通过光电耦合器将信号输入通道或信号输出通道与中央处理单 元进行隔离。光电耦合器将输入电信号通过内部的发光二极管变成光信号,然后再由内 部光敏三极管转变为电信号,它将信号的输入和输出完全实现了电隔离,因而也就完全 隔离了输入与输出信号间的各种干扰。通过光信号实现了有用信号的正常传输,是一种 很好的抗干扰措施,因而在实际的电路设计中得到了广泛的应用。本系统的强、弱电信 号之间的隔离、单片机系统供电以及串口通信转换电平MAX232供电都采用光电耦合电 路实现抑制干扰的作用,具体电源电路设计如图3-6所示。

  整个仪器的外观结构如图 3-7 所示,它由传感器电缆软管、升降手柄、传感器盒、 霍尔传感器挂钩、支架、样品挂样架、电气控制盒。

  整个仪器的保护外壳全部采用不锈钢材料设计,因为该仪器经常会工作在湿度比较 大,易接触到腐蚀的物质,况且金属材料也可以起到电磁干扰的屏蔽作用,所以采用不 锈钢材料不但可以有效降低恶劣环境对仪器性能的影响, 而且又可以使得仪器保养方便, 可靠耐用。传感器信号线穿过电缆软管沿着主支架从仪器底部进入电气控制盒,这样做 不但能够保证采集信号的有效性和可靠性,而且这种“掩埋”式的走线处理,从整体美 观效果来看都是非常合理的。 为了符合标准,另外配有专用的取样器,改进后的液压式皮革取样器如图 3-8 所示。

  本测量仪器硬件结构设计完成以后,仪器完成的主要功能将必须通过软件来实现。 本测量仪器能否正常可靠地工作,自动化程度的高低,智能控制的能力大小,除了依靠 设计出合理的硬件平台,还取决于结构优化、功能完善、算法先进的软件设计。因此编 写正确、完善的应用程序,采用合理的算法是非常重要的。本测量仪器的软件设计包括 单片机主控软件设计和上位机通信测量软件设计,下面将一一介绍。 3.2.1 单片机主控制程序实现 单片机主 单片机主控制程序是采用基于 KEIL 开发平台上的单片机 C 语言编写的,本测量仪 器的控制软件采用 C 语言编写,根据模块化设计原则,将整套控制程序分成若干个子程 序,每个子程序是一个独立的功能函数,这样处理不仅可读性强,调试方便,而且具有 很强的通用性,便于今后软件移植,版本更新、改进和完善[25]。在软件设计阶段将所有 程序逐一编制、调试和编译,程序存放在外部存储器中,方便了今后的升级和改写。单 片机主控程序的主要功能是实现软、硬件资源的整体管理,通过调度软件的各应用程序 模块,完成对采集信号的处理和输出,完成加热控制、模数相互转化功能,并与仪器的 外部设备及时交换信息[26]。单片机的主控程序流程图如图 3-9 所示。

  程序的初始化是带有硬件模块的程序设计中是必不可少的一部分,程序初始化是对 系统中所用到的模块进行初始参数设置,其目的就是为了让硬件模块符合控制软件中的 使用要求

  需要对单片机的一些外围电路进行初始化设置。这些初始化包括全局变量初始化、I/O 配置初始化、参数初始化、LCD 初始化、串口通信初始化等。其中全局变量初始化就是 在程序开始前,根据程序的需要,对主控程序的全局变量进行初始化;I/O 配置初始化 是对单片机的端口赋初始值;参数初始化就是对程序中各个变量的赋初始值;LCD 初始 化是对显示屏幕的光标、游标、字符移动、功能、地址等的设定,由于 RT12864 内部没 有 LCD 驱动模块, 所以其初始化必须靠软件来完成; 串口通信初始化是指对定时器的工 作方式、串口方式、波特率等的设定。 2)A/D 转换过程程序模块 ) 转换过程程序模块 在传感器片选信号有效后,在单片机输入时钟脉冲CLK的控制下,从霍尔传感器和 温度传感器输出的信号经模数转换器MAX197转换后, 主控程序首先进行A/D转换程序初 始化,写入控制字启动A/D转换,然后对通道0的模拟信号进行A/D转换、数据处理、数 据存入然后对剩下的通道依次进行A/D转换、数据处理、数据存入,进行数据处理后, 将结果存入,直至五个通道采集完毕。A/D转换过程的流程图如图3-10所示

  3)液晶显示驱动模块 )液晶显示驱动模块 显示驱动 液晶显示驱动程序的功能就是将要显示的内容转化成相对应的字模后,写入显存, 然后在液晶显示屏上显示出需要的内容。 4)串口通信模块设计 ) MCS-51单片机的串行口是一个可编程全双工的通信接口,它具有通用异步接收器 (UART)的全部功能, 能同时进行数据的发送和接收,也可以作为同步移位寄存器使用[28]。 硬件采用6MHZ晶振,设置TMOD=0X21代表选择定时器T1和T0,SCON=0X40代表于工 作方式1

  TMOD=0x21;//选择定时器 0 定时器 1 SCON=0x40;//设置串口方式 PCON=0x80;//波特率加倍 TL1=0xf3; //定时器高位赋值 TH1=0xf3; //定时器低位赋值 ET1=0; //禁止定时器 1 中断 TR1=1;//启动定时器 1 3.2.2 上位机软件实现 上位机软件实现 1)上位机软件功能设计 )上位机软件功能设计 为了加强测量仪器对动态数据的检测能力和存储能力, 该仪器附带了与上位机的实 时通信和在线监测功能。 第四代上位机动态检测界面是在VC平台编写而成, 它实现了 与WINDOWS操作系统的友好兼容和移植性,极大地方便了对数据的自动化记录[29]。 在软件开发理论中,软件应该用模块化的方式编写,根据这一原则,我们设计的上 位机测量系统软件结构框图如图3-11所示。

  本软件是数字式皮革收缩温度测量仪的上位机测量系统软件,皮革收缩温度测量仪 将通过传感器获得的温度、位移数据利用单片机的串口发送至计算机串口,该软件再从 COM1串口读取发送来的数据,然后对读入的数据进行显示、拟合以及保存等处理

  读取的数据可以保存为文本(.txt)和(.mat)形式以供其他处理软件导入,.txt文件格式 可供文字、表格等软件进行处理;.mat文件格式可口供用户用MatLab对数据进行更高级 的分析与处理。

  2)基本操作 ) 本上位机测量系统包括两个可执行文件,一个是MSW-YD4.exe;另一个是 DataCovert.exe。前一个是用来动态显示串口数据的,后一个用来文件格式的转换,以便 数据被其它数据处理软件应用[31]。 打开数字式皮革收缩温度测量仪的可执行文件后进入如图3.9所示的界面。 下面对该 软件的基本操作进行简要的说明。 (1)隐藏网格/显示网格:控制坐标区域的网格显示,当前有网格时,该按钮显示为 隐藏网格,无网格时显示为显示网格。 (2)放大、缩小图形:以当前坐标系的中心缩放,即中心坐标始终在显示区域的中间 不会变化,只有左右,上下的范围同时发生改变。 (3)坐标设定:设置坐标系三条坐标轴的显示范围,网格的间距。还可以选择是否显 示当前的轴标,轴的标尺。当您需要比较精确的显示某段曲线或者显示的曲线不够美观 时,可以通过坐标设定来达到目的。

  (4)显示设定:用户可以通过此项来改变坐标系上所有显示元素的属性。点击此按 键,弹出对话框。可以看出通过单击颜色按钮更改坐标系的相关颜色,包括背景色,坐 标边框,坐标网格,标尺文字,坐标系窗口单击时出现的坐标显示框的背景,边框和文 字颜色;显示收缩温度的标记,温度曲线上用X型记号标记出四个样本的收缩温度。 (5)保存数据:将当前的所有数据保存为.msw文件(msw只为后缀名,不可用其他软 件打开),以便以后查看和通过数据格式转换程序转换为“.txt”文件或者是“.mat”文件。 (6)打开数据: 将保存的数据文件读入并显示 (必须为该软件以前生成的.msw文件) 。 当已经打开了一个文件,想要打开另外一个文件,则必须先点击“重置”按钮,然后在打 开要打开的文件。 (7)保存图像:将当前坐标窗口中显示的所有可见元素保存为位图文件(.bmp), 以便通过其他图像浏览软件(例如:widows图片查看器,ACDsee,PhotoShop等)来查看。 (8)曲线拟合:当单击此按键时,程序用最小二乘法对数据进行三次拟合,并显示拟 合后的曲线。当然可以通过“拟合设定”,设定要是否显示拟合后的曲线)拟合设定: 设定是否显示拟和后的曲线和拟合曲线的解析表达式 (拟合只是大体 上反映一下数据的趋势,更高级的处理可以通过MatLab来实现)。 (10)开始检测:刚启动界面时,单击“开始检测”,则程序开始运行。若串口有数 据则将数据读出并显示,若串口没数据不做任何操作。建议:开始检测后不要试图再去 “打开数据文件”,否则“数据文件”中的数据会覆盖掉当前从串口处读取的数据。确 信不需要当前从串口读取的数据时, 可以通过点击 “重置” 按钮后再去打开 “数据文件” 。 (11)重置:该按键用于清空读取的数据向量,取消所有的当前显示曲线,并且将软 件的运行时间置零。重要控件还有两个重要用途,一是可以打开文件。因为软件在设置 的过程中在当前界面只允许打开一个数据文件,若用户要想打开另外一个数据文件时, 点击“重置”,就可以打开另一个数据文件即可。重置的另一个作用就是去掉坏值。初 始时由于其他因素影响(如:人为不小心拉了一下位移传感器的挂钩),导致初始的长度 数据并非样品的初始长度,为了忽略这样的数据,可以点击此按键。 3)软件打包 ) 软件打包时软件设计的一个重要的部分,处于知识产权和用户操作简易两方面的考 虑,作为一个成熟的软件产品,最终送给用户的应该是一个打包好的安装文件。安装文 件包括主程序部分、动态链接文件部分、目标文件部分、打包后的软件安装顺序和传统 的应用软件安装模式完全相同[32]。安装后的结果如图 3-13 所示。

  本章围绕上章提出的三个关键模型:霍尔传感器组件模型、温度传感器组模型、加 热系统模型,阐述了系统的硬件设计和软件设计。硬件设计分别从传感器设计、电路设 计和外观结构设计两部分进行说明。传感器设计包括温度传感器组件和非接触式位移传 感器。电路部分包括运算放大电路 、A/D转换电路、单片机控制电路、液晶显示电路、 串口传输电路和工作电源电路。在硬件设计的最后给出了测量仪器的总体外观结构。软 件部分实现从单片机主控制程序和上位机测量软件给以阐述。单片机主程序设计包括初 始化模块设计、A/D转换模块设计、显示模块设计、串口通信模块设计,给出了各模块 的功能以及实现方式。上位机的测量软件部分给出了软件整体框架和基本操作,上位机 测量软件实现了对数据的实时监测和保存。在软件的最后给出了面向用户的安装包以及 安装后的效果图。

  通过对试制的样机进行实际的测试,分别用水介质和甘油介质进行试验来测试仪器 的精度是否达到设计的标准,每次测量用的样品均从专用取样器上获得[33]。通常,毛皮 材料均是在水介质中进行检测,水介质选用近中性水样。对试样制备在标准中规定,当 样品厚度≤3mm,切取试样的尺寸为(50±2)mm×(3.0±0.2) mm,当样品厚度>3mm, 切取试样的尺寸为(50±2)mm×(2.0±0.2) mm。考虑到实际操作和挂样方便,设计专 用取样器制取标准测试样品(图 4-1) ,测试试样规格:50mm(孔中心距) ×3mm(宽度)。

  将取到的样品依次按照顺序挂样,悬挂样品要求样品处于自由长度状态,靠弹簧拉 力将样品拉成平直状态,然后移动手把将整个测试样品浸没在液体中,样品上端距离液 面 30 mm 以上,检查电源线及通信线路连接正常后开机测试。之所以采用标准试样是因 为皮革各个不同的位置,皮革的特性不同,只有针对某一处确定的位置,测量研究才有 意义,做成标准的形状可以减少测量时由于形状不同所带来的偏差,从而更好的保证操 作的规范性[34]。 4.1.1 水介质中的测试数据 在加热杯中加入 110mm 的蒸馏水介质, 按照规范的操作规程进行取样测量[35]。 不同 厚度标准试样数据记录见表 4.1,测试的结果数据见表 4.2.

  从以上华星质检所提供的数据可以看出,表 4.1 反映出毛皮材料本身所具有的物理 特性,在结合表 4.2 可看出,皮样越厚,毛皮的形变有越严重的趋势,另外取样的长度 相对标准长度 50mm 来说有所伸长,这将会对测量伸缩长度的数据引入误差,影响到测 量精度[36]。表 4.2 数据反映出收缩温度实测值与显示值的误差情况,以及收缩后收缩率 的计算值。 由于液晶显示本身存在一定的时间延缓, 所以从以上的测量数值中可以看到, 实测数值与显示值并不相等,但二者的误差满足标准中对测量误差值的误差限度规定, 从而可以用显示值表示实际的皮样收缩温度值。标准中规定当试样长度的收缩量达到 0.3%时就确定为收缩温度,但通过大量实验进行实际对比分析后,发现 0.3%的数值要求 不可靠,因为从皮样收缩的真正本质来看,当皮样真正收缩后,内部的化学键就完全断 裂,就不能再回复到原长,如果按照 0.3%的标准进行程序设定,那么在加热的早期(也 就是低温段) ,皮样也会表现出 0.3%的收缩形变,但这时不是真正的收缩,我们暂且称 之为“假收缩” ,如果记录这种假收缩时的温度作为皮样的收缩温度的话,那么很明显所 测量的结果就不是实际所要求的收缩温度。因此,通过与专家的讨论和协商,最终在程 序设定时就将收缩比设定为 3%,以保证锁定的温度是真正的收缩温度,而不是上面提

  到的“假收缩” 。上表 4.2 反映的收缩数据均在 3%左右波动,这是由于不同皮样在收缩 后的不同稳定性所造成的,有的会表现出长度稍微变长,有的则有稍微的再收缩迹象, 所以,不同厚度的皮样就表现在收缩长度存在一定的不均匀性。总之,以上所测数据均 在预期范围内,均为正常可接受数据,误差均在规定的范围之内[37]。 由于新型仪器是一次可以测量多个样品,因此有必要对多个位置的测量显著性差异 进行分析。表 4-3 所列数据为在搅拌模式下新旧仪器对同一皮样所做的测量数据记录。

  表 4-3 反映了采用新型仪器测量到 采用新仪器在 1#、2#、3#挂样位置(水平)下共测量记录了 15 个数据,假设测量的数 值均服从正态分布,且方差相同。μ1,μ2,μ3 分别为 1#、2#、3#挂样位置所测量的数 据的总体平均值,检验α=0.05 H0:μ1=μ2=μ3 H1:μ1,μ2,μ3 不全相等 样本总数 n=15,不同测量水平 s=3,n1= n2= n3 总样本均值 X 依照式(4-1)计算可得 X =87.1 (4-1) 不同水平下样本均值 X j 依照式(4-2)计算可得 X 1=88.7, X 2=88.4 , X 3=88.6 (4-2) 总偏差平方和 ST 依照式(4-3)计算可得 ST =12

  查表得到 F0.05(2,12)=3.891.5,故在水平α=0.05 下接受 H0,可以认为 1#、2#、3# 挂样位置的测量数值不存在显著差异。 4.1.2 甘油介质中的测试数据 采用甘油介质是为了针对收缩温度在 100°C 以上的毛皮类材料进行测量的,具体 的测量方法和步骤与水介质测量相同 测试皮样:厚度 5-7mm 牛皮 测试介质:甘油 取样条件:垂直脊线同一部位(浸灰工艺后) 挂样位置:1—3,2—4

  从以上的数据可以看出, 在甘油介质中测试的皮革样品收缩温度差异比较大, 究其原

  因主要是当皮样过厚,其内部结构将更趋复杂,皮革收缩不光表现在长度方向的收缩, 在宽度和厚度方向都有收缩变形的迹象,整个皮样表现出立体收缩,机理相当复杂,通 过多次实验和相关的皮革方面的技术专家讨论,影响皮革样品的收缩温度的因素有皮革 中的水分含量、加热过程的不均匀性、皮样的厚度、剪取的不同位置等,即就是满足以 上提到的影响条件,皮样在经过化学处理后不同的时刻进行测量,得到的结果也是不一 样的。因此针对东阳化工给出的实验室数据,针对厚度为 5-7mm 以上的试样,且是在浸 灰的化学工艺之后进行测量,出现这种测量的不稳定性也就不足为奇,是可以科学解释 的[31]。

  升温过程主要检测两个方面的指标:一个是在搅拌模式下的温度梯度分布问题[38], 主 要是为了验证均匀升温过程中的液体内部不同测量温度点之间的误差,从而判断是否满 足皮革收缩温度测量标准的要求。另一个是检验指标就是验证在均匀控制升温过程中显 示值与实测值的误差大小以及跟踪同步性问题。这两个指标都是影响仪器测量精度的重 要因素。 4.2.1 搅拌模式温度梯度 皮革收缩温度行业标准中要求测量毛皮收缩温度时,在保持恒速升温的过程中,要 不断搅拌,其目的就是要使液体内的温度在任一时刻尽量保持上下一致,这样能够使得 测量环境中温度均匀一致,保证测量效果。通过实验得到,在 2°C/min 的恒速升温过程 中,对 2.5L 容积内的液体的低点 A 和高点 B 在搅拌模式下的温度值进行了测试[39],测 试点如图 4-2,实验结果数据如图 4-3 和图 4-4。 实验前技术参数: 实验室温度:29.5°C 电压表初始示值:表 A=3.00V,表 B=3.003V 串接电阻:10KΩ 控制加热速率:2°C/min

  从图 4-3 可以看出,在采用均匀升温的过程中,从测量数据图上来看,低点 A 和高 点 B 几乎很接近,可以认为是均衡热。在图 4-4 的差值图中,最大的正差值为 0.008V, 对应温度差值为:0.008V/(0.01V/°C)=0.8°C,最大的负差值为 0.006V,对应温度差 值为:-0.006V/(0.01V/°C)=-0.6°C,可以得出结论,在整个均匀加热过程中,在搅 拌模式下液体内部的上下温差不超过 1°C,满足标准中对加热过程中上下温差的要求。 4.2.2 显示值与实测值 本过程主要是验证整个系统的处理延迟和线性跟踪问题。一个良好的测量系统应该 保证液晶显示温度示值与实际液体的温度值相一致, 且在升温变化的过程中保持同步性。 这里取到实测的均匀加热升温过程中,液晶显示温度与实际测量的温度的显示数据如表

  4.2,表 4.3 所示,对应的均匀升温过程中的显示值与实测值数据记录如图 4-5 所示,对 应的均匀升温过程中的显示值与实测值差值记录如图 4-6 所示。

  对实际测量的数值,在 MATLAB 中进行线性拟合,拟合得到的参数如下; Linear model Poly1: f(x) = p1*x p2 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 =1.921(1.905, 1.938) p2 =25.57(25.2, 25.94) Goodness of fit: SSE: 11.03 R-square: 0.9993 Adjusted R-square: 0.9993 RMSE: 0.5534 从图 4-5 可以看出,在整个受控加热的过程中,实际测量的值与液晶显示的值之间 在高温和低温部分存在差异,这些差异来源于电路在处理传输信号过程中的延迟所造成 的,主要的延迟存在于液晶显示模块部分。图 4-6 反映出实测值与显示值之间的误差情 况,从整个升温过程来看,全程的最大误差不超过 1°C,因此可以认为,液晶的显示值 能够比较准确的反映加热介质的温度情况,测量得到的数据记录在误差允许的范围,测 量值是有效可靠的。 4.2.3 串口通信延迟测试 串口通信延迟测试 通信 由于上位机和主机的通信方式是采用串行通信方式[41],因此在通信时间上会存在延 迟, 通信的延迟时间主要从传输波特率来反映, 主机最初的设计是按照 2400 波特率的通 信速度来进行数据传输的,但在实际的使用过程中发现,2400 波特率的传输速率造成通 信过程的很大时延,最终导致上位机软件显示的收缩温度值比主机液晶显示的收缩温度 值高出好几度。通过对硬件和软件进行调整,将主机晶振从 6MHz 换为 11.0592MHz,串 口传输波特率设定为 19200,上位机软件也进行波特率参数匹配调整后,经过测试,发 现上位机控制软件出现锁定温度与主机液晶显示屏上的锁定温度差值明显减少。

  以上两图反映出上位机界面收缩温度的显示值和主机液晶显示值的差异, 4-7 中 图 二号样品和四号样品为同种毛皮材料的收缩温度显示值,一号样品和三号样品也为同种 材料,但这两种材料的收缩温度都高于 100°C,因此在水介质中就不能够收缩,上图一 号和三号显示的温度是最后水沸腾的温度。 对比上位机和液晶的所显示的最终收缩温度, 上位机的最终值都略高于液晶,这是由于串口通信的延迟作用造成的。二号样品和四号 样品的两种收缩温度分别相差 0.4°C 和 0.5°C,达到误差允许的范围之内。其实,在 实际的测量过程中经常以液晶显示的数值为准,上位机主要是用来观测皮革样品在整个 升温过程中的收缩形变情况,它所记录的是动态的数据,相对于主机只显示最终的收缩 温度值来讲,它所记录的数据值是相当完善的。其数据记录是每 2 秒钟一次,一次测量 过程大概要记录 1000 组数据。采用串行的原因是工程上容易实现,传输可靠,通过改变 晶振频率,完全可以将串行通信的传输速度达到预期的目标。

  本章主要介绍了仪器在整机后,测试其关键运行参数问题。分别做了收缩温度参数 分析、水介质中的参数测试、甘油介质中的参数测、无搅拌模式温度梯度测试、显示值 与实测值延迟测试、串口通信延迟测试。通过这些测试数据,不仅给出当前仪器的性能, 更重要的是为提高仪器的性能提供了宝贵的数据,为产品性能的提高提供了可靠依据。

  现代仪器的设计不仅仅局限于功能的实现,比如采用什么样的传感器及测量转换电 路、采用什么样的执行器及驱动电路、采用什么样的处理器和通信电路等功能单元来实 现仪器预期的测量功能。仪器的功能设计固然重要,但仪器的设计过程是一个复杂的综 合知识运用过程,仪器的设计不仅包含仪器的功能设计,同时也应该包括仪器的可靠性 设计以及人机工程学设计即本章提到的成熟度概念[42],下面将以本仪器为例,来阐述可 靠性和人机工程在本仪器的具体实现。

  仪器的可靠性是指仪器在规定的条件下和规定的时间内完成规定设计的功能的技术 指标,它是在概率统计意义上获得的,是仪器产品设计过程中必须考虑的一项重要技术 指标。它是衡量仪器使用成熟度的一项关键的指标,国外的仪器设计过程中非常重视这 个重要的环节。可靠性设计是为了发现在设计过程中的隐患,而采取的一种预防设计和 宽范围容错能力提升。新型皮革收缩温度测量仪器在设计的过程中也考虑到了可靠性的 问题因为它是一个和温度有关的仪器,测量的对象一般都存在环境比较恶劣的工厂车间 或实验室, 而且系统本身也是一

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