林明， 王新倫， 馮曉軍， 趙玉虎， 馮英偉
摘要：60-gt 土工離心機(jī)電氣系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速控制、攝影攝像、數(shù)據(jù)采集等組成。通過計(jì)算機(jī)給定模擬轉(zhuǎn)速和加速度設(shè)置，電流和轉(zhuǎn)速反饋雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、閃光控制儀等組成完成運(yùn)動(dòng)模型的定點(diǎn)攝影攝像及圖像監(jiān)視。40 通道的靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成信號(hào)的測(cè)量、采集、傳輸與存儲(chǔ)，并對(duì)速度調(diào)節(jié)參數(shù)、加速度穩(wěn)定度和轉(zhuǎn)速測(cè)量精度分析與計(jì)算。系統(tǒng)仿真表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，精度高。
關(guān)鍵詞： 離心機(jī)； 電氣系統(tǒng)； 轉(zhuǎn)速控制； 攝影攝像； 數(shù)據(jù)采集
1 引言
    土工離心機(jī)是土力學(xué)研究與巖土試驗(yàn)的重要設(shè)備， 廣泛用于堤壩、邊坡地基基礎(chǔ)擋土結(jié)構(gòu)、路基、隧道、建筑物基礎(chǔ)等工程應(yīng)用研究及探索各種自然現(xiàn)象的機(jī)理， 如地震、大地構(gòu)造、異常地質(zhì)形成等研究， 其試驗(yàn)結(jié)果可用來驗(yàn)證數(shù)值分析計(jì)算的結(jié)果， 重現(xiàn)土工原形的物理變化過程[6]。離心機(jī)的基本構(gòu)成如圖1。

    由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂、吊籃在密閉機(jī)室內(nèi)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)， 根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理， 當(dāng)轉(zhuǎn)臂以角速度ù 繞主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)半徑R 的模型箱處所產(chǎn)生的向心加速度為a＝Rù2。系統(tǒng)由機(jī)械及電氣系統(tǒng)構(gòu)成， 電氣系統(tǒng)技術(shù)要求如下：
① 加速度范圍： 10g～ 200g；
② 啟動(dòng)時(shí)間： ≤ 20min；
③ 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度： ±0.1% F.S；
④ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 40 通道， 能測(cè)適應(yīng)于電阻式全橋、半橋傳感器接法的應(yīng)變信號(hào)、電壓信號(hào)及溫度信號(hào)；
⑤ 安裝攝影及攝像設(shè)備： 定點(diǎn)拍攝動(dòng)態(tài)模型變化照片和監(jiān)視模型動(dòng)態(tài)變化圖像。
2 電氣系統(tǒng)組成簡(jiǎn)述
    電氣系統(tǒng)如圖2， 由轉(zhuǎn)速控制、攝影攝像、數(shù)據(jù)采集等部分組成[1]。
2.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    離心機(jī)運(yùn)行， 一般分啟動(dòng)升速、穩(wěn)速保持、減速停機(jī)三個(gè)過程。在加速與減速過程中會(huì)出現(xiàn)角加速度， 此時(shí)， 模型不僅受到離心力作用， 還受到切向加速度引起的慣性力的作用。過大的切向加速度會(huì)改變模型受力的方向， 影響試驗(yàn)精度， 控制離心機(jī)加速和減速過程中要平滑和緩慢的進(jìn)行， 不宜過快。系統(tǒng)由全數(shù)字直流調(diào)速器與計(jì)算機(jī)組成（ 見圖2），采用電流反饋和脈沖編碼器轉(zhuǎn)速反饋構(gòu)成電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)雙閉環(huán)系統(tǒng)， 單向運(yùn)行， 逆向制動(dòng)， 具有電流自適應(yīng)功能和自診斷處理功能和跟蹤/ 保持功能[5]。轉(zhuǎn)速給定采用模擬量給定和計(jì)算機(jī)給定兩種方式。在計(jì)算機(jī)給定方式下， 根據(jù)離心機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、轉(zhuǎn)速易發(fā)生超調(diào)的特點(diǎn)， 采用S 曲線給定方式； 當(dāng)給定量接近目標(biāo)量時(shí)改變給定速率， 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)過渡并抑制了轉(zhuǎn)速超調(diào)量[3]， 通過界面設(shè)置運(yùn)行參數(shù)并根據(jù)負(fù)載重量和離心機(jī)允許的zui大載荷， 限制離心機(jī)zui大加速度值。在模擬給定方式下，采用高精度數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器，使給定精度和線性度得到保證，并設(shè)置了置數(shù)/ 鎖存控制功能，以防止給定設(shè)置時(shí)的誤操作；轉(zhuǎn)速測(cè)量采用M.T 法，雙顯示轉(zhuǎn)速和加速度值， 測(cè)量任意半徑處的加速度值[2]。系統(tǒng)采用啟動(dòng)連鎖與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方式， 對(duì)離心機(jī)加速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)臂平衡狀態(tài)、主要軸承溫度、電機(jī)電流等主要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視， 即時(shí)判斷與處理運(yùn)行過程中的異常狀態(tài)， 保證離心機(jī)長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性[1]。

2.2 運(yùn)動(dòng)模型定點(diǎn)攝影與監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    攝影系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、閃光控制儀、數(shù)碼相機(jī)、閃光燈、位置檢測(cè)、閃光檢測(cè)等部分組成， 攝像系統(tǒng)由CCD 攝像頭、錄像機(jī)等組成，見圖3。照相機(jī)及短脈沖氙燈安裝在裝有攝影玻璃窗的主機(jī)室頂部， 位置檢測(cè)傳感器安裝于離心機(jī)轉(zhuǎn)臂的下面， 采用運(yùn)動(dòng)模型定點(diǎn)觸發(fā)閃光燈閃光與自動(dòng)拍照方式，得到模型動(dòng)態(tài)照片。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的模型運(yùn)行到攝影窗口下方時(shí)， 霍爾傳感器輸出脈沖推動(dòng)高速閃光儀放電， 短脈沖氙燈閃光， 完成一次攝影。拍攝高速旋轉(zhuǎn)中模型照片， 需要在曝光時(shí)間、閃光能量、模型位置與閃光同步三方面嚴(yán)格控制、協(xié)調(diào)， 方能獲得高質(zhì)量的照片[4]。

① 閃光時(shí)間。該離心機(jī)zui大線速度為70.4m/ s，經(jīng)計(jì)算曝光時(shí)間t≤ 17.8μs 能滿足曝光要求， 光源脈寬取6μ s；
② 閃光強(qiáng)度。選用1J～40J 可滿足曝光量要求；③ 閃光控制儀觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間。從檢測(cè)位置信
號(hào)到閃光， 控制儀的響應(yīng)時(shí)間約為20μ s。若線速度為70.4m/ s， 則運(yùn)動(dòng)模型的位移量約為1.4mm，有充分的響應(yīng)時(shí)間。攝像系統(tǒng)中選擇CCD 攝像頭保證了圖像的清晰度， 鏡頭距模型比較近， 需要專門設(shè)計(jì)的廣角鏡頭。攝像頭處于加速度為2000m/ s2 的過載值位置，其固定支架要穩(wěn)固。
2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    測(cè)量模塊與計(jì)算機(jī)組成40 通道靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 通過計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)通道的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和初始化，完成采集過程中的傳感器選擇、測(cè)點(diǎn)選擇、信號(hào)類型選擇等，并將測(cè)量值以數(shù)據(jù)庫的形式存放，供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[1]。軟件設(shè)計(jì)采用Windows 平臺(tái)下的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思路， 見圖4。系統(tǒng)與地面的采集系統(tǒng)不同， 傳感器、變換器、計(jì)算機(jī)等采集單元放置在離心機(jī)上， 測(cè)量信號(hào)在離心機(jī)上進(jìn)行數(shù)字變換后， 經(jīng)滑環(huán)將數(shù)字信號(hào)傳輸送到地面計(jì)算機(jī)。信號(hào)的傳輸是離心機(jī)上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 制約著系統(tǒng)的采樣率與傳輸質(zhì)量的提高， 采用數(shù)字傳輸或無線傳輸兩種方式， 能解決滑環(huán)接觸電阻變化對(duì)信號(hào)的影響。為克服離心機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的離心力、大電流的高次諧波、強(qiáng)脈沖電源對(duì)系統(tǒng)的影響， 對(duì)離心機(jī)上的采集單元采取了加固與減小體積的措施， 減小旋轉(zhuǎn)半徑， 測(cè)量系統(tǒng)供電應(yīng)與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置、攝影系統(tǒng)的供電進(jìn)行隔離。

3 系統(tǒng)分析與計(jì)算
3.1 系統(tǒng)仿真結(jié)果
    根據(jù)離心機(jī)負(fù)載特性及系統(tǒng)參數(shù)， 建立系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真， 結(jié)果如圖5、圖6。


4 結(jié)束語
    對(duì)速度調(diào)節(jié)參數(shù)、加速度穩(wěn)定度和轉(zhuǎn)速測(cè)量精度分析與計(jì)算及系統(tǒng)仿真表明， 該系統(tǒng)穩(wěn)定， 精度滿足要求。