1、摘 要纖維與樹脂復合材料的強度與重量比明顯優于金屬，其產品同時具有機構性能可設計及耐腐蝕等優點，因此在航天、國防和民用工業中正發揮越來越重要的作用。張力控制是纖維和樹脂復合材料生產工藝中極其重要的技術環節，生產過程中能否獲得穩定可控的張力是纖維材料制品是否高強可靠的關鍵所在。我國現有的纖維鋪放機中所是使用的張力控制儀的控制精度和張力可調節性能都比擬低，為此，本文進行了 8通道纖維鋪放張力控制系統的方案設計。通過分析張力控制的特點和要求，本文研究設計了金屬應變式張力傳感器，包括金屬應變效應介紹、應變信號調理轉換電路設計，張力傳感器的結構特點分析和結構參數設計。同時還研究了張力控制執行機構直流力矩

2、電機和工作特性和控制器的設計等方面的內容。文中同時涵蓋數據采集和處理，增量式數字 PID 控制方法的內容并給出張力控制系統方案設計的系統框圖以及張力控制局部的相關電路圖設計。關鍵詞：張力控制儀，張力傳感器，直流力矩電機，PID 控制ABSTRACTDue to the better strength-weight ratio compared with that of metal, and because it has advantages like erosion endurance, the tow and resin-compound materials are becoming mor

3、e important in spaceflight, tension control is the crucial technique in the manufacturing process of the tow and resin-compound materials.KEY WORDS：tension-control equipment, tension sensor, the DC torque motor, the PID control mode目 錄第 1 章 概述.51.1 引言.51.2 纖維鋪放設備中張力控制國內外研究現狀.5本文研究意義及內容.6第 2 章 張力控制系統

4、總體設計.82.1 系統設計要求.82.2 系統設計方案.8 2.2.1 系統框圖.8 2.2.2 硬件電路設計.9第 3 章 張力檢測機構設計.163.1 電阻應變片工作原理及橫向效應.16 3.1.1 金屬的電阻應變效應及應變片結構.16 3.1.2 橫向效應簡介.183.2 電阻應變片的動態響應特性.193.3 電阻應變片的溫度誤差及補償.203.4 張力傳感器調整電路.22 3.4.1 電橋原理.22 3.4.2 張力傳感器結構設計.24第 4 章 執行結構直流力矩電機.274.1 直流力矩電機工作原理.274.2 直流力矩電機特點.284.3 直流力矩電機特性.29 4.3.1 直流

5、力矩電機輸入輸出特性.29 4.3.2 帶控制器的直流力矩電機特性.304.4 張力控制算法.31 4.4.1 比例調節器P.32 4.4.2 比例積分調節器PI.33 4.4.3 比例微分調節器PD.33 4.4.4 增量式 PID 控制算法 .33第 5 章 總結.36參考文獻.37致 謝.38第第 1 章章 概述概述1.1 引言引言在工業生產的諸多行業中，經常會遇到卷繞控制問題，如在紙張、紡織品、塑料薄膜、電線、印刷品、等的生產過程中，帶料或線材的收放卷的張力對產品的質量至關重要，張力過大會造成加工材料的拉伸變形，張力過小會使卷取材料的層與層之間的應力變形，造成收卷不整齊，影響加工質量。

6、為此要求進行恒定張力控制，即在卷繞的過程中使產品承受最正確壓力，且自始至終保持不變。尤其是在纖維復合材料的應用中，由于纖維的強度與重量比明顯優于金屬，產品又具有結構性能可設計及耐腐蝕等優點，所以在航天、國防和民用工業中正發揮著越來越重要的作用。因此，提高纖維以及一些樹脂復合材料的質量就尤為重要1。在復合材料的成型工藝中，纖維纏繞成型工藝是指采用連續纖維在浸漬樹脂粘合劑后，在張力的作用下按照一定的線型有規律的排布在芯模上，然后通過加熱是粘合劑固化而制成一定形狀的工藝方法。纖維鋪放技術全稱是自動絲束鋪放成型技術，也稱自動鋪絲技術(Automatic Fiber Placement, AFP)。該技

7、術是 20 世紀 70 年代作為纖維纏繞和自動鋪帶技術的改革而開展起來的全自動復合材料加工技術，也是近年來開展最快效率最高的復合材料自動化成型制造技術之一。纖維鋪放技術既可以鋪凸面也可以鋪凹面，還可以鋪放復雜的雙曲率構件，并具有在鋪層時切割絲束的功能，可以滿足對鋪層驚醒剪裁以適應局部加厚，鋪層遞降和開口鋪層的需要，因此相比纖維纏繞技術和自動鋪帶技術具有更廣泛的應用價值。在復合材料的成型工藝中，合理的控制張力可以提高纖維的工作應力，充分發揮纖維材料的高強特效2。復合材料制品的最終性能與其生產過程中的工藝參數密切相關。在鋪放發動機殼體、壓力容器時，鋪放張力的大小，各束纖維間的張力的均勻性及各鋪放層

8、間纖維張力的量級變化對制品強度影響極大。研究證明，張力選擇不當或張力不穩定，可使纖維纏繞制品的強度損失2030%?？梢?，性能優良的纖維鋪放機必須配上準確控制張力的張力控制器，才能對系統的高效可靠提供保障3,4。為了滿足高品質纖維制品的生產要求，本課題就纖維鋪放過程中恒定張力的控制方法進行了研究。在分析了系統的要求及動態響應等各方面的要求后，對張力控制系統現象具有自動報警功能的可控張力控制儀。1.2 纖維鋪放設備中張力控制國內外研究現狀纖維鋪放設備中張力控制國內外研究現狀資料顯示，國內早期纖維線繩張力控制采用的是單純的加重錘法，這種方法不能根據張力的實際情況調節放線速度，可調節精度差。從 20

9、世紀 80 年代開始，出現了具有有限反響調節功能的機械式線繩張力控制裝置，這也是目前國內主要使用的精度較低的機械式張力器，此裝置在線繩輥后部增加了一個摩擦片，可以一定程度上調整線繩張力，但反映不靈敏，調節范圍有限，控制精度也不太高，不易保證鋪放過程中的張力精確控制要求。其實控制紗線張力的實質是控制紗線軸的轉動阻力矩，一個理想的張力控制系統應能給出穩定、可調的鋪放張力。20 世紀 80 年代后期開始，一些進口成型機中常見的張力控制系統的線繩導開裝置常采用的恒定張力自動控制系統，其線繩輥采用直流電機驅動，控制系統采用 PWM調速，這樣的裝置有電流反響、張力反響等多環反響環節，并且由此之后出現了以磁

10、粉離合器、磁粉制動器為執行機構的張力控制系統。目前國內已研制的一些張力控制系統主要是采用工業控制機為控制核心，磁粉離合器為執行元件，半徑跟隨臂實時反響紗團半徑變化?？墒牵欧垭x合器的磁通增長速度取決于激磁線圈的電感量，磁通建立后，磁粉由離散狀態到形成橫過間隙的磁粉鏈時有延時過程；同時，纖維由于自身的伸展性也會延遲張力的建立，這使磁粉離合器帶有滯后的特性，因此，這種系統必須解決滯后問題，提高其響應速度，否那么將影響整個控制系統的穩定性和精度1。調查說明，力矩電動機在低轉速、大轉矩拖動系統中有廣泛的應用，所以，如果把力矩電動機用在張力控制系統中，作為自動控制裝置來改良張力控制系統的時間滯后性，可以

11、有效地提高系統的控制精度6,7,8。當前國外在整個工程上正在向集成模塊開展，其充分利用計算機技術，把測量、控制、顯示等進行一體化設計，尤其是在織機的張力控制系統中，國外的一些張力控制系統都具有極高的性能和智能化，如意大利的舒美特織機的“天馬超優秀織機、瑞士的蘇爾壽系列織機、日本津田駒系列織機等等。這些織機都實現了電子卷取和電子送經控制，具有較高的智能化控制水平，在國際市場上占據重要的地位。所以，智能化的張力控制器也正是我們該產業努力開展的方向。為了適應現代智能化控制的開展方，使控制系統向一體化方向開展，同時，方便進行復合材料制品的質量跟蹤，提高纖維產品質量，張力控制系統的研究有很重要的現實意義

12、。根據所選的檢測元件和轉矩調節元件不同，可以有各種不同的張力控制方案，例如，可以根據帶料或線材收卷直徑的變化來控制張力，也可以根據帶料或線材的長度變化來控制張力，當然也可以用測力傳感器直接測量張力來實現控制。一般按照不同的工藝要求，有間接張力控制和直接張力控制兩種方法。間接控制是通過控制維持張力恒定的傳動系統的電參數(往往是速度調節器的輸出限幅)實現張力控制，一般采用最大力矩控制或恒功率控制等方式，適用要求不高的場合，可實現一般的簡單張力控制要求。直接張力控制系統采用張力傳感器并構成張力閉環調節，視傳感器結構不用，可分為位置式控制和反響式控制，一般用在高精度，高速度的張力控制場合。這幾種方法各

13、有優缺點，如何選取技術方案要綜合考慮技術與工藝要求、可靠性和經濟性等因素。由于纖維鋪放時紗線總是處于運動控制中，并且要求張力恒定，因此要求張力控制系統在動態，尤其是加、減速過程中能有效控制張力，也就是要求系統能夠準確補償由于加、減速及摩擦所帶來的動態力矩，所以本文采用直接控制中的反響式張力控制 。所謂反響式張力控制是指采用微處理器為控制核心，實現復雜的控制算法，硬件采用張力傳感器實時監測張力，構成張力的反響以實現閉環控制。因此，文中張力控制系統將直接采用張力傳感器實時監測張力，以直流力矩電機執行機構，利用直流力矩電機工作時提供的阻力矩恒定纏繞纖維上的張力，通過 AT89C52 微處理器控制直流

14、力矩電機轉矩，以到達控制張力的目的。以下對張力控制裝置的主要結構進行介紹，讓讀者對本文的主要研究內容有個根本了解。(1) 纖維鋪放張力控制儀：張力控制儀正面是控制界面，控制儀正面左上方有 6 個 5 寸紅色數碼管組成的現實區域，可以實時現實張力值及設置的各個參數之；在面板的右面是功能按鍵和數字按鍵區域，可以按照要求完成一系列設置、檢測、控制的功能。在控制儀的后面有八個航空插頭，用于接入八路控制信號。該張力控制儀將在本文第 2 章作詳細的介紹。(2) 張力傳感器： 傳感器底部貼有金屬應變片，應變信號由信號線通過張力控制儀后的航空插頭送入張力控制儀進行數據處理。全套系統共有 8 個這樣的傳感器結構

15、，用來檢測 8 路張力。本文的第 3 章將重點介紹應變效應，應變傳感器的工作原理、根本結構，電阻應變片溫度誤差和補償，應變信號調理電路及張力傳感器參數設計等方面的內容。(3) 直流力矩電機： 在每個傳感器的正下方都對應有一個直流力矩電機。直流力矩電機是該控制系統 執行機構，它工作時提供的阻力距用于維持纖維線繩上的張力。在整個系統執行過程中，對直流力矩電機的控制將直接影響到整個系統的控制精度和可靠性問題，它是整個系統的運行核心和控制關鍵，因此對它的透徹研究和準確分析將是重點。本文的第4 章將就此問題展開詳盡的討論，從直流力矩電機的工作原理著手，結合實驗討論直流力矩電機的特性和輸入輸出控制關系，目

16、的在于找出張力和控制電壓之間的數量關系，是張力控制儀可以通過運算得到穩定張力需求的輸出控制電壓。在介紹完整個張力控制系統的相關檢測和執行局部之后，在此根底上，本文將按照這個順序依次展開詳細討論。第第 2 章章 張力控制系統總體設計張力控制系統總體設計2.1 系統設計要求系統設計要求該系統將用于復合材料預浸紗鋪絲設備在鋪絲時的張力控制，以到達充分發揮纖維材料的高強度特性的目的。系統要求根據上位機輸入的張力控制閥值，對 8 根絲的張力同時進行控制，將鋪絲過程中的張力控制結果實時記錄、顯示并且儲存，對斷絲進行實時報警，以便質量跟蹤。要求該控制系統能夠到達以下這些性能指標：(1)量程 03kg；(2)

17、控制精度要求在紗速為；(3)分辨率；(4)實時顯示 8 根絲的張力值(或通過通道切換，顯示其中任意一路)，當張力小于或超過限定值時，進行斷紗的聲光報警，并顯示斷紗的通道號；(5)具有串口通訊的功能；(6)檢測精度 1%。在這樣一套張力控制系統中，結合上述系統的性能指標，如要很好的完成這樣一套 設備，需要解決以下一些關鍵技術：(1)絲的張力檢測，主要是解決系統中張力傳感器的動態檢測精度問題和提高響應頻率的問題，從結構上保證絲的張力檢測的結果穩定。(2)8 個通道之間的信號干擾問題，主要措施是在前置放大器的輸入端采用屏蔽。(3)微弱信號的非失真放大問題。(4)對制動裝置(直流力矩電機)的控制問題，

18、包括控制系統的方案選取以及控制參數的整定。(5)此噪聲放大器的設計問題。 系統設計方案系統設計方案 系統框圖系統框圖整套張力控制系統實行的是閉環反響控制。系統運行時，首先通過張力傳感器實時監測并顯示纖維線繩上的張力，然后再通過控制系統執行機構直流力矩電機的阻力矩來穩定纖維線繩上的張力，到達恒定張力，提高纖維復合材料質量的目的。在鋪放過程中共，系統隨時監測纖維絲上的張力大小，經過 CPU 與設定值進行比擬計算后，由 D/A(數字量信號轉換成模擬信號)輸出模擬控制電壓信號，再由功率放大器放大后制動直流力矩電機，讓其恒定運轉，提供恒定的阻力距，從而穩定纖維絲上的張力大小以控制張力。整個系統的根本組成

19、如圖 2-1 所示。絲絲卷卷1 1計計算算機機系系統統放放大大器器8 8控控制制器器力力矩矩電電動動機機8 8力力矩矩電電動動機機1 1絲絲卷卷8 8張張力力傳傳感感器器8 8張張力力傳傳感感器器1 1放放大大器器1 1多多路路轉轉換換器器斷斷絲絲報報警警A A/ /D DD D/ /A A功功放放8 8上上位位機機功功放放1 1D D/ /A AR Rs s2 23 32 2張張力力輸輸入入圖 2-1 系統組成框圖 硬件電路設計硬件電路設計本節將重點介紹這套張力控制系統的各個相關環節的硬件電路設計，這些電路都被封裝在張力控制儀的內部。下文就是電路中電源、濾波、放大等各個相關環節的電路設計、所

20、采用的電器設備以及電路連接等方面逐個進行介紹。(1) CPU使用 AT89C52 單片機，程序容量 8K，晶振使用 11Hz。這是整個張力控制系統的運算和控制中心。AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256bytes 的隨機存取數據存儲器(RAM)，功能強大的 AT89C52 單片機適用于較多較為復雜的控制應用場合?？臻e方式時停止 CPU 的工作，但是允許 RAM、定時/計數器、串口通訊口及終端系統繼續工作。掉電方式時保存 RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部

21、件工作直到下一個硬件復位。鑒于以上種種性能優點，因此，本文中的張力控制系統選用AT89C52 作為系統 CPU。(2) 外部存儲器：使用 EEPROM2864。用于存儲設定的 8 根絲的張力值、各個通道的 PID 控制參數以及其他一些參數。EEPROM(Electrically Erasable Programmable Red Only Memory,電可擦除可編程只讀存儲器)的擦除不需要借助其他設備，它是以電子信號修改內容的，而是以 Byte 為最小修改單位，沒有必要將原來的資料全部洗掉才能寫入，這樣的性能徹底的擺脫了 ROM(Read Only Memory，只讀存儲器)、EPROM 在

22、編寫和擦除時各種束縛，得到很廣泛的使用。EPROM2684 是可讀寫掉電能保存的存儲器，可以被保護單元中存儲定值和調試所需的參數。但是在更換主機板時 EEPROM2864 只能對應原來的保護單元，否那么將造成保護單元的不能正常工作。(3) 通訊：采用 RS232 通訊方式，芯片為 MAX232。其中包含兩路接受器和驅動器的 IC 芯片，適用于各種 EIA-232 和 V.29/V.24 的通信接口。從 MAX232 芯片中兩路發送接收中任選一路作為接口。使用時要特別注意其發送、接收的引腳的對應關系，如 T2in 引腳接單片機的發送端 TXD，那么 PC 機得 RS232 的接收端 RXD 一定

23、要對應 T2in 引腳；同時,R2out 接單片機的 RXD 引腳，PC 機得 RS232 發送端 TXD 對應接 R2in 引腳。其接口電路如圖 2-2 所示91011121314151687654321vCCC5C3+C4+C2+C189C52RXDTXDGND上位機GNDRS232RXDTXDMAX232R2outvCCGNDT1inT2inR2inT2outR1outV+C2+V-R1inC1+C1-C2-T1out圖 2-2 采用 MAX232 的串行通信連接電路圖 這里有一點說明：由于器件對電源噪聲很敏感，Vcc 必須對地加去藕電容 C5，其值為F。電容 C1C4 取同樣數值的鉭電

24、解電容F/16V,用以提高抗干擾的能力，電容連接時要盡量靠近芯片 MAX232。(4) 復位電路：初步選用上電復位兩種方式。復位功能是單片機的初始化操縱，其主要作用是把PC 初始化為 0000H，使單片機從 0000H 單元開始執行程序。除了進入系統正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操縱錯誤使系統處于死鎖狀態時，為擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動。復位功能的信號是通過 89C52 單片機的 RESET 引腳輸入的，復位信號是高電平有效，其有效時間持續 24 個振蕩周期以上，本張力控制系統使用的晶振s 左右才能完成復位操縱。復位操作由上自動復位和按鍵手動復位兩種方式：上電自動復位是通過外部復位

25、電路的電容充電來實現的，只要電源 Vcc 的上升時間不超過 1ms 就可以實現自動上電復位，即接通電路完成了系統的復位初始化。按鍵手動復位又可以分為電平方式和脈沖方式兩種。前者是通過使復位端經電阻與 Vcc 電源接通而實現的；后者那么是利用RC 微分電路產生的正脈沖來實現的。圖 2-3 中，包含了上點自動復位和按鍵手動復位兩種方式?；蚍情T接89C52信號RESET引腳VCC13251K1KS1RESET122uF/16VRESET21uF/16V74LS28圖 2-3 復位電路圖復位電路雖然簡單，但是它的作用相當重要。一個單片機系統能否正常運行，首先要檢查的就是能否復位成功。可通過示波器探頭監

26、視 RESET 引腳，按下復位鍵后，觀察是否足夠幅度的波形輸出(瞬時的)；還可通過改變復位電路的電阻電容值進行試驗9。(5) 報警電路：采用聲光報警，光報警擬利用數碼閃爍顯示的方式。當系統在運行過程中出現斷絲(即測量張力值小于設定的閥值下限)或者絲線纏繞(即測量張力值大于設定閥值上線)時，立刻通過聲音提示和顯示閃爍的方式通知使用者系統出現故障，讓其盡快解決問題，使系統恢復正常運行。(6)A/D(模/數)轉換：使用內部帶有 20KHz 采樣頻率的采樣保持芯片 AD1674，結合模擬多路開關AD7501，實現 8 路張力電壓信號的采樣。AD1674 是美國 AD 公司推出的一種完整的 12 位并行

27、(模/數)轉換單片集成電路。該芯片內部自帶采樣保持器(SHA)、10 伏基準電壓源、時鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態輸出緩沖器。AD1674 的內部結構緊湊，集成度高，工作性能(尤其是上下溫穩定性)較好，而且可以使設計板面積大大減小，因而可降低本錢并提高系統的可靠性。在張力控制系統中，AD1674 可以實時的采集各個傳感器的模擬參量，進行快速、精確的數據轉換并傳給 CPU 進行數據處理，從而有效地控制整個張力控制系統的檢測精度。正因為 AD1674 具有以上這些特點，在本套張力控制系統中，選用AD1674 作為 A/D 轉換的核心裝置，其連線原理如圖 2-4 所示。+12V-12

28、V11248+-320.1uF0.1uF-12VTP1LMoutLM35812+12V0.1uF143V-V+Vcc16142ABCS1S2S4S3S7S8S6S52423222120191817GNDA2A1A0OUTENAD7501S5S6S8S7S3S4S2S10.1uF0.1uF+12V-12VANout1VccQD4GNDWRQIORWA0QQD6QD5QD7QD0QD7QD5QD6QD2QD1QD3QD410912131487112564262527282019171822212324163VccREF-IN+VsREFout-Vs20VspnAN-GNDBPLRof10VspnA

29、D1674CSIsbDB0DB8DB7DB5DB6DB2DB1DB3DB4STATUSmsb-11DB9DB10A0/SCCER/C12/8圖 2-4 AD1674 連線圖本文所述系統中要同時進行 8 路纖維鋪放設備中的張力控制，當系統中有多個變化較為緩慢的模擬量輸入時，常常采用模擬多路開關，利用它將各路模擬量輪流與A/D 轉換器接通，這樣使用一片 A/D 轉換器就可完成多個模擬輸入信號的依次轉換，從而節省了硬件電路。目前已有多種型號的模擬多路開關集成芯片，它們的功能根本相同，僅在某些參數和性能指標上有所差異。本文使用的是一種具有代表性的模擬多路開關芯片 AD7501，他是一種 8 路輸入，1

30、 路輸出的集成芯片。當 EN 高電平有效時，A0、A1、A2 三個輸入端狀態的組合決定接通 8 路輸入模擬信號 S1S8 的某一路 Si，即將 Si 于 OUT 端接通輸出，真值表見表 2-1，AD7501 的連線如圖 2-4 所示。這里同時指出，由于模擬多路開關的引入也引入了誤差和延時，在選擇模擬多路開關時，要結合具體要求，綜合考慮這些性能指標，從而進行選擇表 2-1 AD7501 真值表 A0A1A2A3 接通 Si 0 001 S1 0 011 S2 0 111 S3 0 111 S4 1 001 S5 1 011 S6 1 101 S7 1 111 S8 X XX0 無(7) D/A(

31、數/模)轉換：采用 8 片 8 位的 DAC0832，分別驅動 8 路控制器。 DAC0832 是采用 CMOS 工藝制造的 8 位單片 D/A 轉換器，主要由兩個 8 位存放器和一個 8 位 D/A 轉換器組成，使用兩個存放器(輸入存放器和 DAC 存放器)的好處是能簡化某些應用中的硬件接口電路設計。DAC0832 采用二次緩沖方式，這樣可以在輸出的同時，采集下一個數據，從而提高轉換速度；更重要的是能夠在多個轉換器同時工作時，實現多通道 D/A 的同步轉換輸出。DAC0832 分辨率位 8 位；只需在滿量程下調整其線性度；可與所有的單片機或微處理直接接口，需要時亦不可與微處理器連接而單獨使用

32、；電流穩定時間為 1；可雙緩沖、單緩沖或直通數據輸入；功耗低，約為s200mW。DAC0832 的輸出是電流型。然而在控制系統中，需要使用的是電壓信號，因此，需要通過運算放大器將其轉換成單極性輸出，接線如圖 2-5 所示，對應數字量00FFH 的模擬電壓 V0 的輸出范圍是 0-VREF，但是系統需要輸出電壓是+1.2+3.7V，因此通過反相器調整輸出電壓 VOUTV。-+VoutGND10K5K50KV0-12V+12V-+5VGND2181019891211+5V203GNDGNDVCCAGNDDAC0832WR2WR1VrefDGNDILERfbIout2Iout1D0(ISB)D1D3

33、D2D6D7(MSB)D5D4XferCS117161513145467圖2-5 DAC0832接線圖(8) 放大與濾波： 濾波器是一種能使用頻率信號通過而同時抑制(或衰減)無用頻率信號的電子電路或裝置，實際工程上常用它來進行信號處理、數據傳送和抑制干擾等。以往濾波器主要采用無緣元件 R、L 和 C 組成，目前一般由集成運放、R、C 組成(常稱為有源濾波器)。有源濾波器具有輸出阻抗約為 0，電壓放大倍數大于 1，體積小于重量輕等優點。因集成運放的帶寬有限，有源濾波器的工作頻率最大可達 1MHz。通常用頻率響應來描述濾波器的特性。對于濾波器的幅頻響應，常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把受

34、阻或衰減的信號頻率范圍成為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率叫做截止頻率。濾波器在通帶內應具備零衰減的幅頻特性和線性相位響應，而在阻帶內應具有無限大的幅度衰減。假設按照受阻或衰減的信號頻率范圍，濾波器通常分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器以及帶阻濾波器等幾大類。本文中張力控制系統采用的是帶通濾波器。在濾波器的設計過程中，采用集成運放、R、C 組成有源濾波器。在張力傳感器采集到原始應變信號后，經過應變電橋的相應處理轉換成模擬電壓信號時其輸出信號比擬微弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，首先需要通過運放 AD624 進行信號放大，再將被放大的信號通過由集成運放 OP-07 組成的帶通濾波

35、器進行濾波處理之后才將信號輸出，以供后續數據處理使用。在濾波器前置放大器的目的是為了提高信號的信噪比。接線原理如圖 2-6 所示。輸出OP-076423-+817+12V-12V0.1pF0.2pF10K10K10K6910458+12VNULLOUT-12V151470.1pF0.1pF2000pF輸入模擬信號20K+IN-IN20K-+INNULL53162423161112131AD624+RG1RG2X500X200X100-圖 2-6 放大、濾波電路接線圖在這個電路設計中，為了保證信號放大之前的應變電橋線性度，要求負載電阻足夠大，也就要求放大電路具有很高的共模抑制比、高增益、低噪聲和

36、高輸入阻抗，普通的放大電路很難實現，通常采用集成測量放大器來實現傳感器信號的放大。本文選用 AD 公司生產的 AD624 芯片，它是一種高精度、低噪聲、高增益精度、低增益溫度系數和高線性度的測量放大器，是應用于高分辨率數據采集系統的理想器件。它主要包含這些特點：良好的噪聲特效，在 1kHz時輸入噪聲的典型值小于 4nV/Hz；芯片內提供 1、100、200、500、1000 倍的引腳可設增益，其他增益可通過一個外接電阻實現；所有預增益設置均保證失調電壓、失調電壓漂移、增益精度和增益溫度系數；具有完全獨立的輸入和輸出失調調零端，從而減少了增益調整過程中的失調電壓影響；帶有一個檢測端，使用戶能夠減

37、少長引線導致的誤差，還有一個參考端以便調整輸出點偏移。而 OP-07 那么是一種性能優良。價格低廉的低漂移型運算放大器，其輸入級為共射-共基組態的差動放大器，采用直接耦合型多級放大電路，其溫度漂移主要由輸入級決定。(9) 張力控制儀電源：采用 5V，12V，-12V 供電。第第 3 章章 張力檢測機構設計張力檢測機構設計在測試技術中，除了直接用電阻應變絲(片)來測定試件的應變和應力外，還廣泛利用它制成各種應變式傳感器來測定各種物理量，如力矩、壓力、加速度等，應變式傳感器是目前應用最廣泛的傳感器之一。應變式傳感器的根本構成通常分為兩局部：彈性敏感元件及應變片(絲)。彈性敏感元件在被測物理量的作用

38、下產生一個與物理量成正比的應變，讓后用應變片(絲)作為傳感元件轉換為電阻變化。應變式傳感器與其他類型傳感器相比具有以下特點：(1) 測量范圍廣：如應變力傳感器可測 10-2107的力，應變式壓力傳感器可測 10-1106Pa 的壓力；(2) 精度高：高精度傳感器的誤差可達 0.1%或更高；(3) 輸出特性的線性好。(4) 性能穩定，工作可靠。(5) 能在惡劣環境、大加速度和振動條件下工作，只要進行適當的構造設計及選用適宜的材料，還能在高溫或低溫、強腐蝕及核輻射條件下可靠工作10。由于應變式傳感器具有以上特點，因此它在控制技術中心占有很重要的地位，在航空航天、機械、電力、化工、建筑、醫學、汽車工

39、業等多種領域中有很廣泛的應用。本章就從電阻應變片的應變效應及工作原理開始，詳細介紹應變式傳感器，并重點說明在這套纖維鋪放張力控制系統中張力傳感器的設計。3.1 電阻應變片工作原理及橫向效應電阻應變片工作原理及橫向效應.1 金屬的電阻應變效應及應變片結構金屬的電阻應變效應及應變片結構在介紹電阻應變效應之前，先從電阻應變片的根本結構說起。電阻應變片的結構繁多，形式各異，但其根本結構大體相同，它一般由敏感柵、基底、粘合劑、引線、蓋片等組成。敏感柵為應變片的敏感元件，通常用高電阻率金屬細絲支撐，直徑0.10.05mm，并用粘合劑將其固定在基底上?；椎淖饔脩ＷC將構件上的應變準確的傳遞到敏感柵上去，因

40、此它必須很薄，一般為 0.030.06mm，另外，它還應有良好的絕緣性能、抗潮和耐熱性能，一般采用紙具、角膜基底、玻璃纖維布。紙具有柔軟、易于粘貼、應變極限大和價格低等優點，但耐熱耐濕性差，一般工作在 70以下，假設浸以酚醛樹脂類粘合劑，使用溫度可提高到 180，且時間穩定性好，適用于測力等傳感器。膠膜基底是由環氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等有機粘合劑支撐的薄膜。膠膜基底具有比之更好的柔性、耐濕性和耐久性，適用溫度可達100300。玻璃纖維布能耐 400450高溫，多用作中溫或高溫應變片基底。敏感柵上面粘貼有覆蓋層，敏感柵電阻絲兩端焊接引出線，用以好外接電路相連接。應變片基長為敏感柵軸向測量變形

41、的有效長度，對具有圓弧端得敏感柵，是指圓弧外側之間的距離，對具有較寬橫柵的敏感柵，是指兩側內側之間的距離。應變片寬度是指最外兩敏感柵外側之間的距離。金屬電阻應變效應金屬絲的電阻大小會隨它所受到的機械變形(拉伸或壓縮)而發生變化，因為金屬絲的電阻 R 與材料的電阻率及其幾何尺寸(長度 L 和截面積 S)有關，當金屬絲承受機械變形時，這些參數發生變化，因為引起金屬絲的電阻變化。用公式表示為： (3-1)SLR式中： R電阻值 電阻系數 L金屬絲長度 S金屬絲橫截面積由此式可推導得： (3-2) xxdRdR/)21 (/式中： 金屬絲軸向應變=xxldl 金屬絲材料的泊松系數令上式等于 K0，K0

42、稱為金屬絲的靈敏系數，其意為金屬絲產生單位變形時電阻相對變化的大小。顯然，K0越大，單位變形引起的電阻相對變化越大，即越靈敏。從(3-2)可以看出，影響 K0的兩個因素中第一項(1+2)是材料受力后其幾何尺寸發生變化引起的；第二項那么是材料發生變形時，其自由電子的活動能力和數值均發生變化xd/所致，該項無法用解析式表達。因此，只能依靠實驗求得 K0值。大量實驗證明，在金屬絲彈性變形范圍內，電阻的相對變化 dR/R 與應變成正比，因此 K0為一常數，那x么(3-2)可表達為： (3-3) xKRR0然而，當將金屬絲材料做成的敏感柵后，其電阻應變特性與金屬單絲時有所不同，必須按統一標準重新進行試驗

43、測定。測定時規定，將電阻應變片貼在一維應力作用下的試件上，例如受軸向拉壓的直桿或純彎梁等。試件材料規定為泊松系數的鋼，285. 0用一定加載方式使直桿或梁發生應變，用精密電阻電橋或其他儀器測出應變片相對應的電阻變化，便可得到電阻應變片的電阻應變特性。實驗證明，應變片的與的RRx關系在很大范圍內仍然有很好的線性關系，即：= 或 (3-4) RRxKXRRK/式中 K 為電阻應變片的靈敏系數。應變片的靈敏系數是通過抽樣法測定的，應變片一旦粘貼到試件上，就不能取下再用，所以，只能在每批產品中按一定比例(一般為 5%)抽樣測定靈敏系數 K 的值，然后取其平均值作為這批產品的靈敏系數，稱為“標稱靈敏系數

44、。實驗說明，應變片的靈敏系數 K 總小于同種材料金屬絲的靈敏系數 K0。這是受到所謂橫向效應的影響。3.1.2 橫向效應簡介橫向效應簡介橫向效應是指金屬直絲在受到單位拉伸時，其任一微段所感受的應變都相同，且每一段都是伸長，因而，每一段電阻都將增加，線材總電阻的增加為各微段電阻增加的綜合，但是，將同樣長度的線材彎曲成應變片后，情況就不一樣了。假設將這樣的應變片粘貼在單向拉伸的試件上，這是個直線段上的電阻絲只感受軸向拉伸應變，x故各微段電阻都將是增加的；但是，各微段沿軸向(即微段圓弧的切向)的應變并非，x所產生的電阻變化與直線段上同長微段的不一樣，在的微圓弧段處最為明顯。2/由于單向拉伸時，除了沿

45、水平方向有拉應力外，同時在垂直方向按泊松關系產生應變-，因此，該微段的電阻不僅不增加，反而會減少，而在圓弧的其他各微段上，其軸x向感受的應變由-變化到+。因此，圓弧段局部的電阻變化必然小于其等長電阻絲xx軸向的電阻變化。所以直的線材繞成敏感柵后，即使總長度相同，應變狀態一樣，應變片敏感柵的電阻變化仍要小些，靈敏系數有所釋放。這就是應變片的橫向效應現象。由此可知，敏感柵感受應變時，其電阻相對變化應由兩局部組成：一局部與縱向應變有關，另一局部與橫向應變有關。由于橫向效應的存在，當電阻應變片垂直方向應變不符合泊松比關系時，如果仍按標稱靈敏系數計算，必將造成誤差。要減少橫向效應所造成的誤差，一般來說，

46、敏感柵窄、基長愈長的應變片，其橫向效應引起的誤差就小。因此，適用大基長應變片，橫向效應引起的誤差小，但是當應力分布變化大時，必須使用小基長的應變片，因為應變片所測得的是在它基長內應變平均值。 電阻應變片的動態響應特性電阻應變片的動態響應特性前面詳細介紹了金屬電阻的應變效應，金屬應變片的結構和工作原理以及橫向效應。同時，電阻應變片測量變化頻率較高的動態應變時，要同時考慮他的動態響應特性。實驗說明，在動態測量時，機械應變以相同于聲波速度的應變波形式在材料中傳播。應變波有試件材料外表經粘合劑，基底到敏感柵，需要一定時間。前兩者都很薄，可以忽略不計，但是當應變波在敏感柵長度方向上傳播時，就會有時間的滯

47、后，對動態應變測量就會產生誤差。應變片的動態響應特性就是其感受隨時間變化的應變時的響應特性。應變以波的形式從試件(彈性元件)材料經基底、粘合劑，最后傳播到敏感柵，各個環節的情況不同。應變波在他你信哪個材料中傳播時，其速度為：Ev 式中： E試件材料的縱向彈性模量； 試件材料的密度。應變波由試件外表粘合劑、基底到敏感柵，需要的時間非常短，如應變波在粘合劑中的傳播速度為 1000m/s，粘合劑和基底的總厚度為，那么所需時間為 5-6s，因10此可以忽略不計。而當應變波在敏感柵長度方向上傳播時，情況與前三者不一樣。由于應變片反映出來的應變波形是應變片絲柵長度內感受應變量的平均值，即只有當應變波通過應

48、變片全部長度后應變片所反映的波形才能到達最大值，這就會有一定的時間延遲，對動態測量產生影響。故影響應變片頻率響應特性的主要因素是應變片的基長10。應變片的可測頻率或者稱截止頻率可分成正弦應變波和階躍應變波兩種情況來分析。正弦應變波響應特性：應變片反映的應變波形是應變片線柵長度內所感受應變量的平均值，因此應變片所反映的應變波幅將低于真實應變波，這就造成一定的誤差。應變片的基長增大，該誤差也增大。設應變波的波長為，應變片的基長為，其兩0l端的坐標為，此時應變片在其基長內測得的平均應變為2401lx2402lx0l最大值為：p (3-6)000120sin2sin21llxxxdxxxp故應變波幅差

49、為 ：e (3-7)1sin0000llep由上式可知，測量誤差 與應變波長對基長的相比照值有關，n 愈大，誤差愈e0/ln小，一般可取 n=1020，其誤差小于 1.6%0.4%。階躍應變波的情況：由于應變片所反映的波形有一定的時間延遲才能到達最大值，假設輸出從 10%上升到 90%的最大值這段時間作為上升時間，那么，應ktvltk/8 . 00變片可測頻率。0/44. 0/35. 0lvtfk3.3 電阻應變片的溫度誤差及補償電阻應變片的溫度誤差及補償 電阻應變片由于其動態響應特性限制了其使用的頻率范圍，同時，作為感應應變的電阻應變片，我們希望它的電阻只隨應變而變，不受任何其他因素影響，但

50、實際上應變片的電阻變化受溫度影響很大。例如把應變片安裝在一個可以自由膨脹的試件上，使試件不受任何外力作用，此時如果環境溫度發生變化，應變片的電阻將隨之發生變化。電阻應變片由于溫度所引起的電阻變化比試件應變所造成的電阻變化幾乎具有相同的數量級，如果不排除這種影響，勢必給控制帶來很大誤差，應變片將無法正常工作。這種由于環境溫度帶來的誤差稱為應變片的溫度誤差，主要由兩方面原因造成：(1) 敏感柵的金屬電阻絲電阻本身隨溫度將發生變化，電阻和溫度的關系可用下式表示：)1 (0tRRt (3-8)tRRRRtta00式中：溫度為 t 時的電阻值；tR 溫度為 t0時的電阻值；0R 溫度的變化值；t 溫度變

51、化時的電阻變化；taR 應變絲的電阻溫度系數，表示溫度改變 1時的電阻的相對變化。(2) 試件材料與應變絲材料的線膨脹系數不同，使應變絲產生附加變形，從而造成電阻變化。取一段長為的應變絲，當溫度改變時，應變絲受熱膨脹到，而0ltstl應變絲下的構件伸長為與溫度關系如下：0lgtl=stltlltls000)1 (tllllssts00tlltllgggs000)1 ( (3-9)tllllggtg00式中：溫度為 t0時的應變絲長度；0l 溫度為 t 時的應變絲的自由膨脹長度；stl 、應變絲與構件材料的線膨脹系數，溫度改變 1時長度的相對變化；gs 、應變絲與構件的膨脹量。slgl由 3-9

52、 這組式子可知，如果與不相等，那么與就不等，但是應變絲與構件gsslgl是粘合在一起的，因此應變絲被迫從拉長到，這就使應變絲產生附加變形，slgll從而使應變絲受到附加應變而產生電阻變化，其中：tRtllllsgsg0)(tsg)( (3-10)tKRKRRsgt)(00式中：應變絲與構件材料的線膨脹系數，溫度改變 1時長度的相對變化；sg、 K電阻應變片的靈敏系數；因此，由溫度變化而引起的總額電阻變化為：tR (3-11)tRKtRRRRsgttat)(0折合成應變量為： (3-12)tKtKRRsgtt)(/0由上式可知，因環境溫度改變而引起的附加電阻變化所造成的虛假式應變，除與環境溫度變

53、化有關外，還與應變本身的性能參數(K、)以及被測構件的線膨脹系數有、關。實際上，溫度與應變片特性的影響遠非上述兩個因素所能概括。溫度變化還可通過其他途徑來影響應變片的工作。例如溫度變化會影響粘合劑傳遞變形的能力，從而對應變的特性產生影響，過高的溫度甚至使粘合劑軟化而完全喪失傳遞變形的能力。但是在一般常溫和正常工作條件下，上述兩個因素還是造成應變片溫度誤差的主要原因10。要想正常使用電阻應變片，它的溫度誤差要首先排除的。溫度補償方法通常有橋路補償法和應變皮自補償兩大類。所謂的橋路補償也稱為補償片法，是效果較好而常用的一種發放。通常應變片工作時是作為平衡電橋的一個橋壁測量應變的，將工作應變片粘貼在

54、試件上需要測量應變的地方，補償片粘貼在一塊不受力而與試件材料相同的補償件上，補償件不受應變，自由的放在試件上或附近，工作片和補償片分別為電橋的相鄰兩臂。當溫度發生變化時，工作片和補償片的電阻都發生變化，而他們由于溫度引起的電阻阻值變化也相同，橋路輸出不受溫度影響，只與被測件應變有關，就起到了溫度補償作用。橋路補償法的優點是方法簡單，在常溫下不長效果較好，缺點是在溫度變化梯度較大的條件下很難保證工作片和補償片所處的溫度環境完全一致，從而影響補償效果。應變片自補償法是指在被測部位粘貼一種特殊的應變片來實現的溫度補償方法，當溫度變化，產生的附加應變為零或相互抵消，這種特殊應變片稱為溫度自補償應變片。

55、上述三種補償片各有各自的有點和使用范圍，應根據實際情況進行選擇使用。3.4 張力傳感器調整電路張力傳感器調整電路 電橋原理電橋原理前面介紹的電阻應變片通常是一個傳感器系統中的傳感元件，當傳感元件把各種被測非電量轉換為 R、L、C 的變化后，必須進一步把它轉換成電流或電壓變化，才有可能用電測儀器來進行測定，電橋測量線路正是進行這種變換的一種最常用的方法，下面從不平衡電橋的根本原理入手，分析本控制系統中運用的傳感信號測量橋路。在測量動態應變時，由于電阻變化較快，一般采用不平衡電橋法，即偏轉法來檢測應變電阻變化。這時交流或直流供電均可，在電橋的輸出端接入檢流計或放大器，如圖 3-1 所示，UKUSC

56、3412R1+R1R2R4R3圖 3-1 交流不平衡電橋在輸出電流時，為使電橋有最大的電流靈敏度，要求電橋的輸出電阻指示器的內阻盡量相等。由于放大器的輸入阻抗遠比電橋的輸出電阻大，故實際上要求電橋有較高的電靈敏度，比便較小的就產生較大的 Usc值。設交流電橋的供電電壓為 U，R1是RR/應變片，R2、R3、R4均為阻值固定的電阻。當應變片未承受應變時，電橋輸出電壓為零；承受應變后，產生變化，電橋的不平衡輸出為：1R (3-13)/1)(/1 (/341211131421RRRRRRRRRRUUUUsc令 R2/R1=n，電橋的初始平衡條件為，以及忽略分母中的微小項，上式經整理得： (3-14)

57、112)1 (RRnnUUsc因此，電橋的電壓靈敏度為： (3-15)21)1 (/nnURRUKSCU由上式可以看出，電橋電壓靈敏度與供橋電壓的橋臂電阻比值 n 二者有關，供橋電壓越高，電壓靈敏度越高。當 n=1,即 R1=R2,R3=R4的對稱條件下，電壓靈敏度最大，這種對稱電橋得到最廣泛的應用。此時上面的表達式可簡化為： (3-16)1141RRUUsc (3-17)UKU41上面的分析是基于應變片的參數變化很小的根底之上的，即，因此在1/RR分析電橋輸出電流或電壓與各參數關系時，都忽略了分母中該項，從而得到的是線性關系，這是理想情況。當應變片承受很大應變時，就不能忽略，于是，實際的RR

58、/非線性特性曲線與理想的線性特性曲線之間就有了偏差，即非線性誤差。在一些電阻相對變化較大，或者測量精度要求較高的情況下，這種非線性誤差不能忽略，必須采取措施來減小或者消除誤差。常用的方法有差動電橋法和恒流源電橋法兩種方法。前者是根據被測試件的應變情況，在電橋的相鄰兩臂同時接入兩片工作應變片，使其中一片受拉力作用，一片受壓應力作用，此時變成差動電橋，也稱惠斯登電橋。由于差動電橋的相鄰橋壁的電阻變化互相抵消，因此不僅沒有非線性誤差，而電壓靈敏片比單位工作時提高了一杯，同時還起到了溫度補償作用。如果在差動電橋中接入四片工作片，其輸出將比單工作片提高四倍，鑒于差動電橋具有以上優點，在非電量電測技術中的

59、到了廣泛的應用。歸根到底，差動電橋法是使電橋工作臂支路中的電流不隨的變化而變，或者盡量減小變化，從而減小非線性誤差。從這里得到啟示，如1R果采用恒流源供橋，也一定能減小非線性誤差，實驗證明，恒流源電橋的非線性誤差會減小一半。 張力傳感器結構設計張力傳感器結構設計在介紹了應變式傳感器以及惠斯登電橋的根底上，現在來看在這個張力控制系統中是如何使用應變式傳感測量張力的。在這個控制系統中，張力傳感器是保證控制精度的關鍵部件，其形式的設計或選用主要根據量程、精度和安裝要求綜合考慮。初步選用懸臂桿式三輥張力傳感器結構，如圖 3-2 所示。在鋪放過程中，導向輪的位置不變，那么絲通過下輪后的夾角不變，作用在連

60、2接懸臂式傳感器的輪子上的集中力 R 為：R=2T (3-18)cos理論上 R 只與 T 有關，但由于導向輪的內圈和外圈存在摩擦力，所以在實際控制系統中存在理論誤差，這時張力的控制是很不方便的，所以在選用軸承的時候，要選擇微型軸承，并且其摩擦系數要盡量的小。因為應變片測量的是集中力 R，從而圖 3-2 中可知，角度固定時，集中力 R 和張力 T 成線性關系，在實際張力控制過程中，為了保證應變片的應變只與張力的大小有關而和張力產生的位置無關，以提高控制精度，減小誤差，采用了圖 3-3 中傳感器結構，此時可以保證被測的張力產生在應變片 1 和應變片 2 的中間位置上，從而應變片產生的應變中將不包