基于称重传感器的木材蠕变仪的研制.doc

基于称重传感器的木材蠕变仪的研制.doc基于称重传感器的木材蠕变仪的研制
摘 要 为研究木材在水分吸着过程中的蠕变特性以及其蠕变的影响因素，研制出可施加一定范围内的恒力的木材蠕变仪。该仪器采用 5 相步进电机作动力；精密称重传感器作为测力敏感元件；红外激光位移传感器作蠕变测量元
件；通过 RS232 串口线与电脑（ PC 机）配合使用。它具有改变、显示施力大小、保存木材蠕变数据、可拆卸功能，并且操作简便，适用于需要施加一定范围内的恒力的木材机械吸湿蠕变实验。
关键词 称重传感器；步进电机；蠕变
中图分类号： TH715 文献标识码： A 文章编号：
1671-7597（ 2014） 08-0031-02
自 1961 年， Armstrong 等提出了木材所具有的这种特殊的机械吸湿蠕变性质后，许多科学家又从不同角度对木材的机械吸湿蠕变现象做出了解释。研制装置并进行试验来进一步解释其本质，一方面完善了木材科学理论，另一方面将促进产生新的木材工艺技术 [1] 。
然而目前应用于木材机械吸湿蠕变实验的施力系统主要是通过人工手动施力来完成，无法实现自动检测控制。本文旨在研制一种配合恒温恒湿箱使用的、实现可程式施、卸
载、自动测量、控制的木材蠕变测定仪。
木材吸湿蠕变仪测量原理
在传统的测试蠕变的装置中，施力通常选用固定荷重，
而在现装置中，我们依靠传感器与单片机、步进电机的交互
实现了力的变化，用户可以随意设置力的大小。
木材机械吸湿蠕变仪测量原理如图 1 所示，根据试验要
求，步进电机被固定在试验箱的内壁；称重传感器的一端由
螺丝固定在步进电机上；整个称重支架再由螺丝固定在传感
器上，并以此给传感器一个初始值，这个初始值大于所期望
施加的力的大小，例如，给木材最大所要施加的力为 5 N，
那么步进电机开始工作向下运动给样品施力时，样品同时给
传感器反作用力，使得传感器从最大的初值开始减小，因此
这个装置完全可以提供给样品 0～5 N 范围的力；称重装置
与木材接触的施力点为两个圆柱；木材支撑点支撑木材的两边，实现样品的固定；两个激光传感器在木材样品的上下两端，下方的激光传感器用于检测木材下表面的位移量，进而
转化成木材蠕变量，上方的激光传感器通过同时测量木材上表面位移，来消除木材本身形变带来的误差。
试验开始时，传感器将称重支架提供的初始值转化成电
压信号给单片机， 经过放大后并通过 A/D 转换成数字信号传
送给单片机，同时用户将目标力输入单片机，于是单片机将
首先比较初始值与目标力间的差值大小，然后控制步进电机
向下施力，传感器随时捕捉力的变化，在向样品施力的过程
中，系统不断比较施力的大小和初始值与目标值差的大小，
做出相应的判断来控制 5 相步进电机的上下运动，从而改变
圆柱体对木材的施力，如果达到目标力，则使步进电机停止
运动，如果步进电机具有惯性，施力大于目标力的大小，系
统依然可以进行判断