[發明專利]基于電磁力加載的霍普金森壓桿實驗設備控制系統

有效

• 申請號: 201510050378.7
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104678853B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 曹增強;韓超眾;楊柳;左楊杰;王杰;臧傳奇
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;G01N3/317
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種基于電磁力加載的霍普金森壓桿實驗設備控制系統，其特征在于：包括人機交互控制單元、電容量調節控制單元、加載方式控制單元、放電線圈溫度控制單元、電容充電控制單元、電容放電控制單元、泄流控制單元、實驗數據采集控制單元和安全控制單元；

人機交互控制單元由計算機、HMI設備、可編程控制器及模擬量I/O模塊構成，四部分通過以太網通信接口相互連接，用于控制實驗過程，顯示設備運行狀態，處理、顯示及保存實驗數據；

電容量調節控制單元由電容量調節觸發器、脈沖電容器及真空交流接觸器J1～J7構成，用于調節電容量，以此控制應力波脈沖寬度；可編程控制器與電容量調節觸發器、電容充電主電路順次連接；

加載方式控制單元由加載方式觸發器、單軸接觸器及雙軸接觸器構成，用于控制霍普金森壓桿實驗單/雙軸不同的加載方式；可編程控制器與加載方式觸發器、電容放電主電路順次連接；

放電線圈溫度控制單元由流量控制器、溫度變送器、空氣流量計構成，用于控制放電線圈溫度，保證相同情況下應力波脈沖的一致性；可編程控制器與模擬量I/O模塊、流量控制器、應力波發生器、溫度變送器/空氣流量計、模擬量I/O模塊順次連接形成回路，壓縮空氣與流量控制器、應力波發生器順次連接；所述溫度變送器包括縱向溫度變送器ST1和橫向溫度變送器ST2；

電容充電控制單元由充電觸發器、電容充電主電路、電壓變送器TV1、電流變送器TA1構成，用于控制應力波脈沖幅值；可編程控制器與模擬量I/O模塊、充電觸發器、電容充電主電路、電壓變送器TV1/電流變送器TA1、模擬量I/O模塊順次連接形成回路；

電容放電控制單元由放電觸發器、電容放電主電路、電壓傳感器、應力波發生器構成，用于產生應力波脈沖；可編程控制器與放電觸發器、電容放電主電路、電壓傳感器、模擬量I/O模塊順次連接形成回路，電容放電主電路、應力波發生器順次連接；

泄流控制單元由泄流觸發器、泄流接觸器構成，用于釋放脈沖電容器組C4中儲存的能量；可編程控制器與泄流觸發器、電容放電主電路、電壓傳感器、模擬量I/O模塊順次連接形成回路；

實驗數據采集控制單元由應力波發生器、實驗臺、Rogowski線圈、積分器、電阻應變片、超動態應變儀和高速數據采集器構成，用于測量脈沖電容器組C4放電電流大小和材料的應變率大小；應力波發生器、實驗臺順次連接，實驗臺、Rogowski線圈、積分器、高速數據采集器順次連接，實驗臺、電阻應變片、超動態應變儀、高速數據采集器順次連接，高速數據采集器與計算機通過USB接口相互連接；所述電阻應變片包括第一電阻應變片(15)、第二電阻應變片(16)、第三電阻應變片(17)和第四電阻應變片(18)；

安全控制單元由充電完成指示燈、過壓指示燈、過流指示燈、過溫指示燈、閃光蜂鳴器、安全監控器構成，用于顯示設備運行狀態，保證設備安全可靠地運行；充電完成指示燈、過壓指示燈、過流指示燈、過溫指示燈、閃光蜂鳴器分別與可編程控制器連接，電容充電主回路、電容放電主回路、實驗臺分別與安全監控器連接，安全監控器、可編程控制器順次連接；

電容量調節觸發器、真空交流接觸器J1～J7、脈沖電容器C1～C3構成電容量調節控制單元；可編程控制器與電容量調節觸發器、真空交流接觸器J1～J7、脈沖電容器C1～C3順次連接；可編程控制器通過輸出端子輸出控制信號至電容量調節觸發器，電容量調節觸發器控制對應的真空交流接觸器J1～J7使之閉合，脈沖電容器C1～C3與真空交流接觸器J1～J7相互組合構成不同電容量的脈沖電容器組C4；

變壓器TM1、整流晶閘管M1～M2、限流電阻R1、濾波電感L1、脈沖電容器組C4、整流二極管D1～D2順次連接形成回路構成電容充電主回路，電壓表與電壓變送器TV1均并聯在脈沖電容器組C4兩端，電流變送器TA1連接在脈沖電容器組C4與整流二極管D1～D2之間；充電觸發器、電容充電主電路、電壓變送器TV1、電流變送器TA1構成電容充電控制單元；可編程控制器與模擬量I/O模塊、充電觸發器、電容充電主電路、電壓變送器TV1/電流變送器TA1、模擬量I/O模塊順次連接形成回路；可編程控制器通過模擬量I/O模塊、充電觸發器控制整流晶閘管M1～M2的通斷，從而對脈沖電容器組C4進行充電或停止充電；電容充電控制單元采用專家自整定串級PID控制器；

加載方式觸發器、雙軸加載接觸器J9、單軸加載接觸器J10、構成加載方式控制單元；可編程控制器與加載方式觸發器、電容放電主回路順次連接；雙軸加載接觸器J9分別于放電晶閘管M3、縱向放電線圈(3)連接，單軸加載接觸器J10一端與放電晶閘管M3連接，另一端分別與縱向放電線圈(3)、橫向放電線圈(8)連接；可編程控制器通過輸出端子輸出控制信號至加載方式觸發器；加載方式觸發器控制雙軸加載接觸器J9或單軸加載接觸器J10使之閉合；

縱向溫度變送器ST1的測量端與縱向放電線圈(3)緊密貼合，橫向溫度變送器ST2的測量端與橫向放電線圈(8)緊密貼合；所述的流量控制器、縱向溫度變送器ST1、橫向溫度變送器ST2、空氣流量計構成放電線圈溫度控制單元；可編程控制器與模擬量I/O模塊、流量控制器、電容放電主回路、縱向溫度變送器ST1/橫向溫度變送器ST2/空氣流量計、模擬量I/O模塊順次連接形成回路；可編程控制器通過模擬量I/O模塊輸出控制信號對流量控制器進行控制，流量控制器根據控制信號調節氣壓閥門的大小，從而控制縱向放電線圈(3)和橫向放電線圈(8)的溫度；

當雙軸加載時，脈沖電容器組C4、放電晶閘管M3、雙軸加載接觸器J9、縱向放電線圈(3)、橫向放電線圈(8)、放電電阻R3順次連接形成回路構成電容放電主回路，在脈沖電容器組C4兩端并入續流二極管D3；所述的放電觸發器、電容放電主回路、電壓變送器TV1、應力波發生器構成電容放電控制單元；可編程控制器與放電觸發器、電容放電主回路、電壓變送器TV1、模擬量I/O模塊順次連接形成回路；可編程控制器通過輸出端子輸出控制信號至放電觸發器；放電觸發器輸出觸發脈沖對放電晶閘管M3進行觸發使之導通，脈沖電容器組C4通過縱向放電線圈(3)和橫向放電線圈(8)進行放電；縱向驅動線圈(4)與縱向放電線圈(3)相互貼緊，橫向驅動線圈(9)與橫向放電線圈(8)相互貼緊，從而產生排斥力，即電磁力；該電磁力在縱向應力放大器(5)與橫向應力放大器(10)的輸入端形成應力波脈沖；

脈沖電容器組C4、泄流接觸器J8、泄流電阻R2順次連接并構成電容-電阻泄流回路；所述的泄流觸發器、泄流接觸器J8構成泄流控制單元；可編程控制器與泄流觸發器、電容放電主回路回路順次連接；可編程控制器通過輸出端子輸出控制信號至泄流觸發器；泄流觸發器使泄流接觸器J8觸點閉合，脈沖電容器組C4存儲的能量通過泄流電阻R2釋放；

縱向放電線圈(3)通過螺栓連接固定在縱向放電線圈基座(2)上；橫向放電線圈(8)通過螺栓連接固定在橫向放電線圈基座(7)上；縱向驅動線圈(4)通過螺栓連接固定在縱向應力波放大器(5)上；橫向驅動線圈(9)通過螺栓連接固定在橫向應力波放大器(10)上；縱向導向軸(1)通過螺紋連接在縱向應力波放大器(5)上；橫向導向軸(6)通過螺紋連接在橫向應力波放大器(10)上；縱向入射桿(11)與縱向應力波放大器(5)通過螺紋連接，端面相互接觸；橫向入射桿(12)與橫向應力波放大器(10)通過螺紋連接，端面相互接觸；縱向透射桿(13)同軸安裝在縱向入射桿(11)的自由方向；橫向透射桿(14)同軸安裝在橫向入射桿(12)的自由方向；縱向入射桿(11)、縱向透射桿(13)、橫向入射桿(12)、橫向透射桿(14)之間留有放置試件(21)的空間；縱向緩沖器(19)安裝在縱向透射桿(13)的末端；橫向緩沖器(20)安裝在橫向透射桿(14)的末端；第一電阻應變片(15)粘貼在縱向入射桿(11)上；第二電阻應變片(16)粘貼在橫向入射桿(12)上；第三電阻應變片(17)粘貼在縱向透射桿(13)上；第四電阻應變片(18)粘貼在橫向透射桿(14)上；

Rogowski線圈(23)、積分器(24)、高速數據采集器(25)、計算機(26)順次連接，構成放電電流測量電路，Rogowski線圈(23)測量孔通過電容-放電線圈放電回路中的放電電纜；第一電阻應變片(15)、第二電阻應變片(16)、第三電阻應變片(17)、第四電阻應變片(18)分別與超動態應變儀(22)連接，超動態應變儀(22)、高速數據采集器(25)、計算機(26)順次連接，構成材料應變測量電路；

應力波發生器、實驗臺、Rogowski線圈(23)、積分器(24)、第一電阻應變片(15)、第二電阻應變片(16)、第三電阻應變片(17)、第四電阻應變片(18)、超動態應變儀(22)和高速數據采集器(25)構成實驗數據采集控制單元，用于測量脈沖電容器組C4放電電流大小和材料的應變率大小。