微压力弹簧性能检测仪双闭环控制与误差分析

石油勘探、地震测量中大量使用差动螺管式电感传感器。传感器中对称弹簧性能的-致性是提高测量精度首要解决的问题。目前 ，国内生产差动螺管式电感传感器的很多企业都缺少必要的检测手段，往往采用经验法人工筛选对称弹簧组或采用高精度测量天平，通过气动压紧的方式确定弹簧弹力的最大值。后-种方法由于零点定位问题及弹簧劲度系数的非线性 ，导致产品的误差较大且重复性不好。在现有的机械加工误差无法提高的基础上，采用好的检测手段是提高传感器精度的唯-方法。

针对上述问题，研制了-种高精密弹簧性能检测仪，检测仪可以测量出微压力弹簧在弹性范围内的任意位置所受到的弹力值，并能根据弹力与位移的对应关系计算出任意位置的劲度系数。通过对弹簧劲度系数的非线性分析，找出最佳匹配组，有效提高了差动螺管式电感传感器的测量精度。

1 系统结构与工作原理检测仪主要由机械结构和检测与控制电路2部分组成。

步进电机和线性导轨垂直安装，压盘水平安装。立架与各拈通过螺钉连接减少振动，保证压杆稳定地伸缩运动，避免机械收稿 日期：2012-06-27 收修改稿日期：2013-04-20传动时引入偏移误差 。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图图 1中位移测量控制策略采用双闭环控制 ，内环为增量编码器检测角位移 ，用于消除步进电机失步带来的误差，外环为磁栅检测直线位移，用于消除导轨丝杠间隙及机械传动带来的误差。内环实现快速位置标定，外环对重复性误差进行校正。

图2中主控单元采用 16位低功耗微控制器 MSP430F149，用于控制步进电机驱动器 J。步进电机驱动器选用细分型高性能步进电机驱动器 DCM4010，步进电机为两相混合式步进电机。内环检测回路中的增量式编码器套紧在步进电机驱动轴上，经过四细分辨向电路将角位移所对应的4倍脉冲数据送入主控单元 。外环检测回路中的磁栅尺经四细分辨向电路将4倍频的脉冲送人主控单元，确定导轨移动的直线位移。压力传感器经过24位模/数转换器CS5532将采样的压力数据送人控36 Instrument Technique and Sensor Ju1.2013图2 检测与控制电路原理框图制核心，通过数字滤波实现弹力检测。位置传感器选用光电开关用以限定导轨滑块的移动范围，避免导轨滑块堵死。

对称微压力弹簧加工误差的存在要求对劲度系数做精准测量，根据胡克定律测量位移与压力对应关系可绘出劲度系数特性曲线。弹簧长度为(2±0.1)mm，受力小于l0 gf的特性要求检测仪测量的位移误差小于5 p，m，压力误差小于2 mgf.胡克定律描述的是材料在弹性变形范围内，力与变形成正比，即：FK·X (1)由式(1)很容易得到式(2)：AFK·AX (2)式中：K为劲度系数，N/n(工程上常用 kg/m)。

在对称弹簧的弹性变形范围内，任意求出两点的位移与压力的值，即可计算出劲度系数。由于制造弹簧的材质严格意义上讲是非均匀的，材料内各点受力后将有不同的弹性效应 J，因此，劲度系数近似为常数。为了能更好的分析弹簧制造过程中引入误差的影响，需要对不同批次的弹簧进行多点测量 ，并绘制出劲度系数特性曲线。

2 误差分析与补偿2.1 电机细分驱动与减振选用两相混合式步进电机的步距角为 1.8。，导轨丝杠的螺距为2.54 mm，如果不接步进细分驱动器 ，则电机步进-步的直线距离为：2.54/(360/1.8)12.7 p.m (3)步进精度无法满足系统要求，所以必须选用步进电机细分驱动器。没有接细分驱动器调试系统时 ，电机启动及运行期间振动较明显，编码器的输出脉冲受到干扰较大∮细分驱动器将细分等级调到 16细分时，可明显改善电机振动现象。16细分步进-步对应直线距离为：2.54/(360/(t.8÷16))0.794 m (4)当细分等级调到64细分时，理论上步进电机步进-步对应的直线距离为：2.54/(360/(1.8÷6.4))0.198 m (5)实际上由于步进电机控制是开环系统，在细分等级高的情况下，会出现失步现象，所以根据主控单元输出脉冲多少来计算步进的位移存在较大的误差，步进电机开环控制系统通过增加编码器构成反婪节，实现闭环控制。编码器的脉冲输出能真实反映步进的角位移，编码器输出脉冲经四细分辨向电路送入主控单元处理，单个脉冲所对应的直线距离为：2.54/(1000×4)0.635 txm (6)此时，步进精度由编码器最小分辨率决定。因此，细分等级提高到64细分与 16细分相比，精度改善不大。但能更好地抑制电机低频时的振动。实际上，编码器测量 的是角位移，由于导轨丝杠的间隙误差对角位移转换为直线位移影响较大，只有增加直线位移检测环节，才能有效提高测量精度。

细分驱动器的主要作用首先是抑制电机低频时的振动，其次是提高步进精度 。当细分等级为 16细分以上，则精度提高不明显。因为步进电机是由细分驱动器精确控制其相电流来实现细分控制的 ，以两相混合式步进 电机为例，若步进电机额定相电流为1 A，如果使用常规驱动器控制，步进电机每运行-步，其绕组内的相电流从 0突变到 1 A或从 1 A突变到 0，相电流的巨大变化 ，必然会带来电机的振动。如果使用细分驱动器，在8细分的状态下驱动电机，电机每运行-个微步，其绕组内的电流变化只有0.125 A而不是 1 A，且相电流以正弦曲线的规律变化，这样就极大改善了步进电机的振动，降低了噪声。但细分驱动器细分等级越高，工艺越复杂，成本越高。

2.2 位移测量与误差校准检测仪双闭环控制系统中，内环误差可以表示为：66l 占3 (7)式中： 为导轨中丝杠的制造误差；6：为压力传感器引入的非线性误差； 为增量编码器角位移转换为直线位移带来的测量误差。

系统设计的位移测量精度小于 5 m，实验初期很难满足这-要求。分析后发现造成误差的主要因素与磁栅尺本身精度及安装方式有关。反复测量发现磁栅尺对每段位移测量的误差值都不同，表现为测量误差 的非线性。因此，必须对误差的非线性进行补偿。

文献[8]提出了光栅位移测量系统的误差 自修正方法 ，实验采用光电开关作为多个绝对零位信号的位置检测，由于光电开关位置检测时 自身存在误差，此方法将引人多个零位检测误差。系统选用应差距离为 25 Ixm的光电位置传感器作为零位置标定 ，采用临界法标定零位 ，具体实现步骤 ：首先判断滑块是否遮住光电位置传感器，遮住时后退 ，直到主控单元检测的光电位置传感器输出高电平，高电平为无遮挡状态；确定为无遮挡时驱动电机前进，当检测到低电平立即停止，并将编码器初值清零；然后驱动步进电机后退，并对编码器反馈的脉冲计数，当检测到高电平立即停止；若脉冲计数值小于设定值，将编码器初值清零，并将此时位置作为参考零点；若脉冲计数值大于设定值，重复上述操作，直至满足条件为止。

临界法中的设定值取为l0时，循环3次左右即可标定零位；设定值小于6时系统振动，无法标定零点。若设定值为10，则：10×0.6356.35 p，m (8)由此可知，零位信号的检测将引入误差。因此，引入多个绝对零位信号对提高精度不利。

第 7期 王亭岭等：微压力弹簧性能检测仪双闭环控制与误差分析 37文献[9]提出了光栅尺分段线性误差补偿算法 ，大量重复性实验时发现，标定的标准值及相应区问的斜率k 受测量时的环境因素影响较大。不利程序查表计算。

系统内环的增量编码器检测角位移实现快速定位 ，外环磁栅尺检测直线位移补偿角位移转换过程中的误差，并对重复性误差进行校正。磁栅尺选用MB500，分辨率为5 Ixm，经四细分辨向电路处理可使分辨率提高4倍。

增量式光电编码器由于结构简单且在价格上 比绝对式编码器具有显著的优势，因此，检测仪角位移检测选用1 000线 的增量式编码器。如果不采用特殊处理 ，增量式编码器不足之处是上电后必须先确定零位参考点，这需要花费较长的时间进行设备初始化，并且在抗干扰能力等方面具有明显的缺陷。驱动器经过细分后连接两相混合式步进电机，在步进电机启动瞬间会出现微震现象，这会对编码器输出产生干扰，零点标定后设备需要大量的往复运动实现不同批次的测量 ，如果不加处理会导致检测仪重复性不好。最为突出的问题是增量编码器启动或换向时出现抖动现象，如图3所示。

X0 Xl X2厂] ； ；B相 1 厂 ] --------- ； 。 -1- L 围3 编码器抖动示意图增量编码器换向时，如果在X0和x1之间抖动，会使增计数器连续加 1；如果在在 x1和 X2之问抖动，会使减计数器连续加 1。设计中采用文献[4]中的细分辨向电路可有效避免换向抖动带来的误计数。由图 3很容易判断正向移动和反 向移动，正向移动时 AB两相脉冲的逻辑时序：11-0l-o0-10-11；反向：11-10-加l0-01-l1。当 A相在 X0和 xl之间抖动时，将交替产生正向和反向脉冲信号。MSP430单片机采用中断方式分别对正向和反向脉冲进行加 1计数，对两种计数值取代数差则可以消除它们的影响。

2.3 压力测量与误差分析压力传感器无压力时输出2.0 mV，载荷为 10 时输出2.69 mV.实验首先选用 16位的模/数转换器 AD7705，参考电压为2.5 V，选择单极性测量方式，增益选为增大值 128倍 ，则 AD7705的分辨率为：(2.5×10 )/2 0.038 147 mV (9)2 69 2 0等12 8/0 03-8 147 .3 m (10) (.-.)× )。

在增益设置为 128倍时，压力传感器的差分信号输入的干扰同时被放大，载荷为 1O gf保持不变，连续采样 1O次的 16位数据中低3位为随机变化值，受干扰严重，通过数字滤波也只能把干扰降低-半。2位随机值使精度降低到 1/4，最后压力误差只能控制在 18 mgf以下，无法满足精度要求。

测量仪对精密度要求很高，对正确度要求不是很严格，也就是对弹簧的劲度系数的-致性要求很高。针对压力传感器无法消除零点漂移带来的影响的前提下，选用高精度的模/数转换器是行之有效的方法。系统最后选用 24位串行模/数转换器CS5532作为压力的采集处理电路的核心 。参考电压为2.5 V，选择单极性测量方式，增益选为16倍，则 CS5532的分辨率为(2.5×10 )/2 0.000 149 mV (11)等 - 0.135 mgf2 69 2 0 X 160 00 149 (12) ((.-.) )×. ～ 、-考虑增益对干扰信号的放大，并且 CS5532采样后的数字量仍然无法保证低3位稳定不变。若将精密度控制在1 mgf以下，必须采用数字滤波算法。设计采用去极值平均滤波算法可将精度提高 1倍以上。

3 功能设计与程序实现检测仪保证测量精度的同时，也要兼顾检测效率。因此，- 致性、重复性和快速性相辅相成。实现三者有机结合对控制程序要求较高。根据实验检测要求，检测仪工作方式分自动和手动2种。上电默认为自动工作状态。自动方式下有3种模式。手动方式可以进行微调和校准。

自动方式下的模式0每次检测3个点，算出2个劲度系数值，用于快速检测；模式 l每次检测11个点，算出 10个劲度系数 K值 ，用于分批次检测；模式 2每次检测 21个点，算出20个劲度系数 值，用于加工工艺分析。

输出脉 冲与编码器 输出脉 冲经 四细分 辨 向电路送 入MSP430中断//0口，通过触发中断完成脉冲计数。系统中还使用了其他类型中断，如定时器中断显示信息等。为了不影响脉冲计数，需要设置脉冲触发中断的优先级为最高，避免其他中断源嵌套。压簧测量时，为了防止步进电机压紧天平造成仪器损坏，硬件设置了限位光电传感器，程序中也采用压力与位移反馈的极大值中断方法予以避免。

上位机监控与分析软件通过 Visual c#.NET设计开发的，通过串口实现数据传输与命令发送。为保证数据发送的准确性，自定义了各种模式下的数据包的帧格式，采用异或和算法校验。数据格式统-采用首字节和尾字节做标志，以区分不同模式下的数据。采用 ADO.NET技术来操作 Access数据库实现数据存储与访问，使用 DataGridView控件显示和编辑来 自Access数据库的表格数据。

4 实验结论实验测试时，首先标定零点确定对应的压力值，然后步进固定的距离(程序设定步进 100步)读取对应的压力值。计数压力增量和位移增量即可算出劲度系数。对随机选出的弹簧进行 1 1次重复测量所获取的实验数据如表 1所示。

根据表 1算出的压力平均值为 1.698，最大偏差为 1.702-1.6880.014，相对偏差为 0.014/1.6980.82%，精度为0.014/100.14%。大量重复测试数据显示，位移误差小于2 m，压力误差小于 1 mgf，最终得出劲度系数精度等级为0.5级。

5 结束语微压力弹簧性能检测仪用于对精密弹簧性能的非线性分析。为弹簧的后期分类提供理论依据 ，从而有效提高差动螺管式电感传感器的测量精度。受弹簧长度和压力(下转第41页)第7期 李勇峰等：超声探伤仪收发电路的改进研究 4112图9 门沿制电路2.2.7 峰值保持电路为了方便 A/D采样，峰值保持器是必不可缺的，在以往的超声电路 中大都采用 PKDO1或者 LF398来实现峰值保持，文中通过运算放大器 AD8066以及三极管来实现峰值保持。图10中运算放大器的输出通过-个二极管或门与 C凹相连，由三极管 Q 的输入信号FS1决定 的输出延迟时间，从而为A/D采样提供足够时间。当CF1为低电平时，回波信号对电容 C 充电；当CF1为高电平时， 对地放电。Q 可保证电路不会由于电源不足而降低其转换速率。

3 结束语超声探伤仪收发电路的改进与研究主要是采用低压谐振发 射，三极管谐振接收放大 、AD8331可变增益放大以及简便的c !CA VD- 月。R5V，LFSv仃lQFSN 。 Q 丰 /QA -1、9ol3 l DGNDAGND l GND图l0 峰值保持电路峰值保持器以硬件电路的形式建立超声探伤模拟数字电路，从而实现高精度、低成本的高效探伤，可以看出，系统电路相对简单，成本较低。在金属、非金属和复合材料等无损检测领域有广阔的应用前景。