王亭岭 周芬芳 熊军华 陈建明 沈媛雪

(华北水利水电学院电力学院1，河南 郑州 450011;中州大学信息管理中心2，河南 郑州 450044)

0 引言

能源危机促进了物质勘探行业的快速发展。在石油勘探、地震测量中，大量使用地震检波器来采集地层传递过来的电磁波。因此，地震检波器的测量精度是决定物质勘探成败的关键所在。地震检波器中对称弹簧的性能是影响测量精度的主要因素，而提高地震检波器测量精度的有效方法是采用适宜的检测手段。目前，国内生产地震检波器的很多企业都缺少必要的检测手段，导致产品的误差较大且重复性不好。

本文通过分析弹簧劲度系数的非线性，找出最佳匹配组，满足两片弹簧劲度系数之和为常数的要求。文中研制的微压力弹簧性能自动测试装置能对多批次弹簧性能实现动态快速自动测量，并能测量出弹簧在弹性范围内的任意位置所受到的弹力值，根据弹力与位移的对应关系计算出任意位置的劲度系数。

1 系统结构组成

整个系统由自动测试装置和上位机监控与分析程序两部分组成。自动测试装置主要包括机械结构、传动机构、检测环节和主控单元。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

步进电机和直线导轨垂直安装，压力模块水平安装。支架与各部分通过螺栓固紧减少振动，避免机械传动时引入偏移误差[2]。

图1中，机械结构设计的关键是直线导轨的滑块如何推动圆形转盘自动放置弹簧。测试装置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;外环为磁栅尺检测直线位移，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。

系统检测与控制电路原理图如图2所示。

图2 检测与控制电路原理框图Fig.2 Schematic diagram of the detection and control circuit

图2中，主控单元采用TI公司的16位低功耗微控制器MSP430，用于控制步进电机驱动器[3]。步进电机驱动器选用美国海顿公司的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。在内环检测回路中，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四倍脉冲数据送入主控单元[4]。外环检测回路中的磁栅尺经四细分辨向电路将四倍频的脉冲送入主控单元，确定导轨移动的直线位移。

系统采用Verilog HDL硬件描述语言编程实现四细分辨向计数电路功能，并将整个电路布线到FPGA芯片中;利用FPGA中，同步D触发器的延时特性及一定的与逻辑，对A、B信号的边沿进行提取，以实现信号的四细分。四细分信号通过逻辑判断得到计数器所需的加减计数信号，计数器对加减计数信号进行可逆计数，完成四细分辨向计数电路功能。压力传感器通过24位A/D转换器CS5532，将采样的压力数据送入控制核心，通过数字滤波实现弹力检测。主控单元通过MAX3232转换芯片将TTL逻辑电平转换为RS-232C逻辑电平，实现与上位机的串行通信。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。

2 步进位移误差校准

弹簧片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，可绘制测量位移与压力的对应劲度系数特性曲线。弹簧长度为(2±0.1)mm，受力小于10 gf(1 kgf=9.8 N)，检测仪测量的位移误差小于5 μm、压力误差小于2 mgf(1 kgf=9.8 N)。胡克定律描述的是材料在弹性变形范围内力与变形的关系:

式中:K为劲度系数，N/m;X为弹性形变，m。在对称弹簧的弹性变形范围内，求出任意两点的位移与压力值，即可计算出劲度系数。严格意义上讲，由于制造弹簧的材质是非均匀的，材料内各点受力后将有不同的弹性效应[5]。为了能更好地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。

选用两相混合式步进电机，步距角为1.8°，导轨丝杠的螺距为2.54 mm，不接细分驱动器时，电机步进一步的直线距离为12.7 μm。

此时，步进精度不满足系统要求，需要增加步进电机细分驱动器。当传动机构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干扰较大;当传动机构接细分驱动器时，将细分等级调到16细分，则可明显改善电机振动现象。16细分步进一步对应直线距离为0.794 μm，当细分等级调到64细分时，理论上步进电机步进一步对应的直线距离为0.198 μm。但实际上由于步进电机控制是开环系统，在高细分等级情况下会出现失步现象，因此根据主控单元输出脉冲多少来计算步进的位移会使测试距离存在较大的误差。

细分驱动器的主要作用是抑制电机低频时的振动，同时提高步进精度[6]。当细分等级为16细分以上时，精度提高不明显，这是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[7]。

步进电机开环控制系统通过增加编码器来构成反馈环节，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。图1中的角位移反馈信号选用400线的增量式编码器进行检测。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:

此时，步进精度由编码器最小分辨率决定。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。系统设计的位移测量精度小于5 μm，试验初期很难满足这一要求。分析发现:造成误差的主要因素与磁栅尺本身精度及安装方式有关。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]提出了光栅尺分段线性误差补偿算法。大量重复性试验发现，标定的标准值及相应区间的斜率ki受测量时的环境因素影响较大，不利于程序查表计算。

文献[9]提出了光栅位移测量系统的误差自修正方法，试验采用光电开关作为多个绝对零位信号的位置检测。由于光电开关进行位置检测时自身存在误差，因此此方法将引入多个零位测量误差。系统选用应差距离为25 μm的光电位置传感器作为零位置标定，采用临界法标定零位，具体实现步骤如下。

①判断滑块是否遮住光电位置传感器，如果遮住，则滑块后退，直到主控单元检测的光电位置传感器输出高电平，高电平即为无遮挡状态;

②无遮挡时驱动电机前进，当检测到低电平时立即停止，并将编码器初值清零;

③驱动步进电机后退，并对编码器反馈的脉冲计数，当检测到高电平时立即停止;

④若脉冲计数值小于设定值，将编码器初值清零，并将此时的位置作为参考零点;

⑤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。

当临界法中的设定值为8时，循环4次左右即可标定零位;当设定值小于5时，系统振动，无法标定零点。若设定值为8，则有:

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。自动测试装置内环选用增量编码器检测角位移，以实现快速定位;外环选择磁栅尺测量直线位移，以补偿角位移转换过程中的误差，并对重复性误差进行校正。

磁栅尺选用德国SIKO的MB500，分辨率为5 μm，经四细分辨向电路处理后，分辨率提高了4倍。增量式光电编码器结构简单，价格上比绝对式编码器占明显的优势，自动测试装置角位移检测选用400线的增量式编码器。

3 压力误差分析与修正

压力传感器无压力时，输出电压为2.0 mV;载荷为10 gf(1 kgf=9.8 N)时，输出电压为 2.69 mV。试验首先选用16位的A/D转换器AD7705，参考电压为2.5 V，测量方式选择单极性测量方式，增益选为增大值的128倍[10]，则 AD7705的分辨率为:

在增益设置为128倍时，压力传感器差分输入信号上的干扰同时被放大。保持载荷为10 gf(1 kgf=9.8 N)不变，在连续采样10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一倍。2位随机值使精度降低了4倍，最后压力误差只能控制在18 mgf(1 kgf=9.8 N)以下，无法满足精度要求。

自动测试装置对精密度要求很高，而对正确度要求不是很严格，即对弹簧劲度系数的一致性要求很高。为了解决压力传感器无法消除零点漂移的问题，选用高精度的A/D转换器是行之有效的方法。

本系统以24位串行A/D转换器CS5532为压力采集处理电路的核心。参考电压为2.5 V，测量方式选择单极性测量方式，增益选为16倍，则CS5532的分辨率为:

考虑增益对干扰信号的放大影响，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(1 kgf=9.8 N)以下，必须采用数字滤波算法。本设计采用去极值平均滤波算法，大大提高了测试装置的精度。去极值平均滤波算法的实现过程为:首先主控单元连续读10次取CS5532的采样值并将其累加求和;然后找出其中的最大值与最小值并从累加和中减去;最后按8个采样值求平均，得到有效采样值，供系统使用。

4 控制程序设计

自动测试装置在满足高精度测量的同时，还要兼顾弹簧性能测试的效率。因此，装置的工作方式设置为自动和手动两种形式。手动方式可以进行微调和校准。自动方式下共有模式0、模式1、模式2这3种。

系统上电时默认为自动工作状态。自动方式下的模式0每次检测3个点，并算出2个劲度系数K值，用于快速检测;模式1每次检测6个点，并算出5个劲度系数K值，用于分批次检测;模式2每次检测11个点，并算出10个劲度系数K值，用于加工工艺分析。磁栅尺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I/O口，通过触发中断完成脉冲计数。系统中还使用了其他类型的中断，如定时器中断显示信息等。

为了不影响脉冲计数，设置脉冲触发中断的优先级为最高，避免其他中断源嵌套。

自动测试装置主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图Fig.3 Flowchart of the main program

5 试验结果

试验测试时，首先标定零点确定对应的压力值，然后标定步进固定的距离(程序设定步进100步)并读取对应的压力值。计算压力增量和位移增量，即可计算出劲度系数。对随机选出的弹簧进行6次重复测量所获取的试验数据如表1所示。

表1 重复测量压力数据Tab.1 Pressure data of repeated measurements

根据表1所算出的压力平均值为1.697 gf(1 kgf=9.8 N)，最大偏差为 1.702 － 1.688=0.014 gf，相对偏差为0.014/1.697=0.825%，精度为 0.014/5=0.28%。大量重复测试数据显示，位移误差小于3 μm，压力误差小于 1 mgf(1 kgf=9.8 N)，最终得出劲度系数精度等级为0.5级。

6 结束语

本文设计的自动测试装置主要用于对精密弹簧的性能进行定量检测，通过测量压力与位移的对应关系实现对弹簧弹力值及劲度系数的定性分析。弹簧的劲度系数在实际测量时存在非线性，只有经多点测量才能准确判断。受弹簧长度和压力的制约，测量必须达到高精度要求。

自动测试装置将实时采集的数据上传给上位机监控程序，完成对弹簧劲度系数的非线性分析，为弹簧的后期分类提供理论依据。经用户使用表明:该装置检测精度高、控制效果好，对地震检波器性能的提升起到了很好的作用。

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