高精密弹簧性能测试仪

Highly Precision Spring Performance TesterCHEN Jian-ming，ZHA0 Ming-ming(Department of Electric Power，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 45001 1，China)Abstract：A highly precision spring performance tester was designed to test function of symmetrical spring in the in-ductance sensor based on diferential coil.Closed loop control was adopted to control step motor in the transmission-mechanism of tester，which gives deformation distance of spring precisely.The pressure data acquisition was achievedby using 24 bits A-∑ ADC and double median filter was applied in data handling to improve accuracy of pressuredetection module.According to deformation distance of spring and corresponding pressure diference，stifness coeficientof spring was calculated.The experiments showed that measuring results of the tester meet the accuracy requirement。

Key words：closed-lope control；24 bits A-∑ ADC；double median filter；stifness coeficient石油勘探、地震测量中大量使用差动螺管式电感传感器。差动螺管式电感传感器中对称弹簧的性能是影响测量精度的主要因素。

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，使精度无法保证。或者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.此方法由于零点定位问题及弹簧倔强系数的非线性 .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 ，针对上述 口题 ，研制了-种高精密弹簧性能测试仪，通过对弹簧弹性系数的非线性分析，找出最佳匹配点，然后对加T的弹簧进行后期分类，从而大大提高了差动螺管式电感传感器的测量精度。测试仪于2012年 7月在门峡成义电器有限公司正式投入使用。

检测仪独立运行可实现高效大批量的弹簧性能测试。通过上位机管理程序实现联机操作，能更好地进行多批次弹簧性能测试和对比分析 ，实现现场收稿 日期 ：2012-09-18；修订 日期 ：2012-l-01作者简介：陈建明(1963-)，男 ，教授，研究方向为自动化及嵌入式；赵明明(1988-)，男，硕士研究生，研究方 为模式识圳与智能系统 。

团 Automation＆Instrumentaion 2013f2)采集数据的实时处理、有效管理和综合分析。

1 测试仪工作原理及精度要求测试仪根据弹簧的形变距离 AS和对应的压力差值 △F来计算弹簧的弹性系数 K△ △S。仪器的原理框图如图 1所示。

导昌∽ 岂图 1 仪器原 理框 图Fig.1 Instrument principle diagram检测仪的传动机构带动压盘来按压弹簧 ，从而给定弹簧形变距离。通过压力传感器、信号调理电路和基于 CS5532的压力数据采集电路 .采集弹簧受到的压力。根据弹簧的形变和对应的压力差值计算出弹簧的倔强系数，从而对弹簧性能进行分析。

上电后通过位置传感器 1确定压盘的零位参考点：通过位置传感器 2对压力传感器进行保护 ，防止压盘过冲对传感器的精度和稳定性产生影响。检测仪独立运行时，用户通过键盘和LCD显示进行操作和数据观察。测试仪通过 RS232串1：3，可以进行联机操作。

差动螺管式电感传感器中弹簧长度为2.5 mm，设计要求对弹簧形变距离的给定精度达到 l txm。测试仪的压力检测拈的称量范围在 0～30 g，精度要求为 1 mg。倔强系数的最大量程为 10 g/mm，设计要求倔强系数精度等级达到0.5级，重复性小于0.2%。

2 弹簧形变距离给定与检测2.1 测试仪传动与检测机构检测仪传动机构如图 2所示，由细分型高性能主控单元 -叫电机细分可调驱动器四倍频辨向电路 编码器 l电机 l图2 检测仪传动与检测机构Fig.2 Tester drive and testing institutions自动化s仪表 2013(z)步进电机驱动器、步进电机和线性导轨组成。使用增量编码器检测角位移，对编码器信号四倍频辨向后构成步进电机的闭环控制。

电机选用美国海顿公司的两相混合式 HLM直线步进电机，步距角为 1.8。电机驱动器也选用该公司的细分型高性能步进电机驱动器 DCM4010，细分精度为 ：2、4、8、16、32、64可眩测试仪选用科克RGS线性导轨，导轨丝杠的螺距为 2.54 mm，所有关键表面有 Kerkote TFE涂层，该复合材料已经被证明在没有润滑和维护的情况下也具有超长的寿命。

2.2 弹簧形变距离的给定HLM直线步进电机的步距角为 1.8。。导轨螺距为 2.54 mm.如果驱动器不加细分，则电机步进-步的直线距离为 12.7 Ixm，此步进精度无法满足测试仪 的要 求 所 以选用细分 型步进 电机 驱动器DCM4010。细分驱动器将细分等级调到 16细分时，步进-步对应直线距离为 0.794 Ixm：当细分等级调到 64细分时，步进-步对应的直线距离为0.196m。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，其输出脉冲经四倍频辨向电路送人主控单元处理。单个脉冲所对应的直线距离为0.635 txm。细分驱动器将细分等级提高到 64细分时，与 16细分相比步进精度改善不大。此时，步进精度由编码器最小分辨率决定 .步进精度为：0.635I.Lm，满足设计要求。

2.3 编码器的四倍频辨向电路增量式编码器输出两路相位差为 90。的方波信号 A和B。步进电机在细分驱动的情况下，启动瞬间仍会出现微震现象，会对编码器输出产生干扰，如图 3所示 。当 A相在 X0和 X1之间抖动或 B相在XO X1 X2I I I厂] 图 3 编码器抖 动示意 图Fig.3 Jiter schematic diagram of encoder团X1和 X2之间抖动时，会影响微处理器对编码器输出信号采集的准确性编码器输出信号进入四倍频辨向电路后，电机正向运动时编码器 AB两相脉冲的逻辑时序为11-O1-00-10-11，每发生-次变化。四倍频辨向电路就输出-个 UP脉冲：反向则为：1l-l0-00- l-l1，每发生-次变化 ，四倍频辨向电路就输出-个 DOWN脉冲：微处理器采用中断方式分别对 UP和DOWN脉冲进行计数，编码器输出信号-个周期内发生四次变化，则实现四倍频计数。对两种计数值取代数差就可以消除编码器抖动的影响。

3 基于 CS5532的压力数据采集电路压力传感器载荷为0 g时，信号调理电路输出信号为 1.O3 V；载荷为 30 g时信号调理电路输出信号 为 2.25 V.计算 得到 1 mg对 应 的 电压 为4O.67V。设定 ADC芯片的基准电压为 2.5 V，l6位 ADC对应的最小分辨率为38.15 V。因此压力采集电路要保证 ADC转换器的无噪声分辨率在 16位或以上，才能满足设计要求。

测试仪器要实现高效 、大批量的弹簧性能测试 ，从而要求数据采集电路要有较高的数据更新速率。综合考虑以上两种情况和高精度 △-∑型 A/D转换器的失调 、动态噪声、线性度和温度漂移等技术指标，测试仪选用具有极低噪声、高集成度、双通道的24位 △-∑型 AD转换器 CS5532(B型)。

CS553芯片内部集成 了-个噪声极低 的斩波稳定仪表放大器和-个四阶△∑调制器 (其后跟随-个数字滤波器)，可实现多级放大和多种数据输f速率的选择。提高了其动态性能和精度，得到高达24位分辨率 的输 出结果 CS5532内部有-个完整的白校正系统，可进行 自校准和系统校准，消除ADC本身的零点增益和漂移误差，以及系统通道的失调和增益误差23]。其中 CS5532具有 0.0007%的非线性度 .在增益为 l，更新率为 960 Hz时 ，典型无噪声分辨率达到 l7位 ：在增益为 l，更新率为 240Hz时.典型无噪声分辨率达到 18位 ；此外芯片内部还有-个灵活简便的三线同步串行接 口，使转换数据以串行方式输出。

检测仪选用低噪声、超低温度漂移 、高精度且稳定性好的 2.5 V电压基准 MAX6126 (A级 )给CS5532提供电压基准。MAX6126具有曲率校正电囝路、光刻薄膜电阻。最大温度系数为3 ppm/C.最大初始精度为±O.02%。特有的低噪声基准结构使得低噪声摆幅达 1.3 IxVr，宽带噪声低至60 nV/、/Hz，许可通过在噪声抑制引脚外加-个0.1 F的电容，使宽带噪声进-步降到35 nw、/Hz；可在 为0.1～10 F范围保证工作稳定，具有 20 ppm/1000h长期稳定性5l。MAX6126应用在电路中能够降低因基准噪声和温度变化引起的转换误差，保证测量的精度 。

Fig.4 Weight signal acquisition circuit实验数据表明：传感器输出的信号经过信号渊理后，采用如图5所示的数据采集电路对其进行采样，运用双重中值滤波对采样数据进行处理后，实现了 l7位的无噪声位数输出，满足设计的要求图 5 测试仪系统软件流程 图Fig.5 Software flow chart for tester system4 测试仪软件设计4.1 测试仪的软件流程高精密弹簧性能测试仪系统软件流程如 5所示。系统上电初始化后，进行系统故障自检.白检通Automation＆ Instrumentation 2013f21过后进行压盘零位标定，然后通过按键判定检测仪的独立运行或联机操作。在独立运行模式下，可用按键设置独立运行的三种模式 ，对不同模式下的检测到的数据，单片机进行数字滤波和漂移补偿 ，计算出弹性系数 后在液晶上显示。在联机操作下，通过上位机管理系统来对测试仪的运行进行管理，同时在上位机进行数据分析和处理。

4.2 测试仪的上位机管理系统测 试仪 的上位机 管理 系统 由 Visual Studio2008实现.可以为用户提供 日常操作的人机界面，实现计算机控制检测仪功能参数设置，校准和测量功能：可对数据进行处理和储存；提供浏览、查询、打印等功能：并提供给厂家和用户与仪器相关的完整信息，包括操作说明、维修信息等。

4.3 测试仪数据处理压力检测量是 △F弹性系数 的重要组成 ，压力检测数据容易受到公共阻抗耦合，电磁波、电源波动等因素引起的随机干扰 ，文中通过双重平均值滤波方法消除这种随机噪声。微处理器控制 A/D转换器采集-组 8个数据，中值法取中间 4个数据的平均值。按上述方法连续采集 8组数据，得到 8个平均值。再将 8个平均值中值法取中间4个数据的平均值。实际应用表明：双重平均值滤波方法效果显著，有效的去除了随机噪声。

5 实验结果测试仪误差和重复性检定实验数据如表 1所示。实验方法是 ：在测试仪的独立运行模式下，对同- 片标准弹簧.连续检测其 K值。

表 1 误差和重复性检 定实验数 据Tab.1 Eror and repeatability verification expe rimental data测试仪的最大量程为 l0 g/mm，由实验结果计算可得：最大偏差为0.018.测试仪精度为堡 ×100%：0.18% (1)A 。

实验结果平均值为∑( )K 苛 2·064 (2标准偏差为0.0047236 (3)重复性为±3o-×100%0.1417% (4)由实验结果计算得出测试仪的精度等级达到0.2级，重复性小于 O.15%，满足设计要求。

6 结语文中设计的高精密弹簧性能测试仪，采用了新的硬件电路设计和系统应用方法，来对差动螺管式电感传感器中对称弹簧的性能进行测量，与以往测量方法相比，大大提高对弹簧精度的测量。在三门峡成义电器有限公司的应用中.测试仪性能稳定、准确度高、重复性好。