李成偉，胡瑞強(qiáng)，戰(zhàn)利偉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

·實(shí)驗(yàn)儀器研制·

一種傾斜撞擊的實(shí)驗(yàn)裝置

李成偉，胡瑞強(qiáng)，戰(zhàn)利偉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生分析問題以及解決問題的能力非常重要。該文結(jié)合加速度傳感器、力學(xué)傳感器，系統(tǒng)地搭建了斜桿碰撞試驗(yàn)裝置。通過斜桿在不同的傾斜角度下落與撞擊塊進(jìn)行撞擊，能夠測(cè)量在不同條件下所產(chǎn)生的加速度以及力學(xué)信號(hào)。撞擊時(shí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過Labview軟件進(jìn)行采集并存儲(chǔ)，分析和顯示通過Matlab軟件實(shí)現(xiàn)。通過此試驗(yàn)?zāi)軌蚣由顚W(xué)生對(duì)碰撞現(xiàn)象的深刻理解。

傾斜撞擊；傳感器；測(cè)量；裝置

具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體，當(dāng)其相互接觸并迅速改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的現(xiàn)象叫作碰撞。碰撞按照碰撞角度可以分為正碰(對(duì)心碰撞)及斜碰(非對(duì)心碰撞)兩類。碰撞現(xiàn)象對(duì)人們來說有些是有利的，像各種沖壓機(jī)、打樁機(jī)、炮彈穿甲等；而有些也是有害的，像汽車碰撞等等。如果能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)碰撞的基本原理的同時(shí)，還能將理論運(yùn)用到實(shí)際的情況當(dāng)中，這樣不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，而且還能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力[1-3]。基于以上目的，哈爾濱工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)了斜桿碰撞測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體描述

如今現(xiàn)代化建設(shè)過程中，存在著許多復(fù)雜的碰撞現(xiàn)象[4-6]，而在工業(yè)生產(chǎn)過程中大多數(shù)碰撞都是有害的。如果能夠發(fā)現(xiàn)其潛在的規(guī)律性，可以在一定程度上減輕及消除由于碰撞所帶來的危害并能為人類服務(wù)。然而，學(xué)生只能從教材中學(xué)到關(guān)于碰撞的基本原理，很少有機(jī)會(huì)能夠?qū)⑺鶎W(xué)到的相關(guān)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活中去。為了能夠讓學(xué)生比較直觀的了解碰撞現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)了一套能夠測(cè)量斜桿碰撞的試驗(yàn)系統(tǒng)。通過此試驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生能夠更好地體會(huì)到碰撞過程基本原理及實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

該試驗(yàn)裝置主要由撞擊塊、力傳感器、加速度傳感器、擺桿、信號(hào)調(diào)理器及PC機(jī)等構(gòu)成。試驗(yàn)時(shí)將擺桿擺動(dòng)到指定角度，然后讓其自由擺動(dòng)。當(dāng)達(dá)到水平位置時(shí)，擺桿與水平固定放置安裝在撞擊塊上的力傳感器進(jìn)行相互撞擊。在此過程中，能夠獲得撞擊過程中所產(chǎn)生的加速度及力信號(hào)。此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)擺桿與水平方向夾角90°范圍內(nèi)的任意方向進(jìn)行擺動(dòng)并與力傳感器進(jìn)行撞擊。

2 系統(tǒng)硬件參數(shù)選取

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

近年來，Labview軟件廣泛應(yīng)用在許多工程領(lǐng)域當(dāng)中[7-9]。此款軟件由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，并且與其他計(jì)算機(jī)語言(如C語言和Basic語言文本編輯軟件)的最大區(qū)別是使用圖形化的編輯語言G來編寫程序的。這款軟件可以使非計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)人員容易編制出想要的程序?；诖塑浖膬?yōu)點(diǎn)，在本文系統(tǒng)中采用Labview軟件來進(jìn)行編程[10]。此程序主要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)等功能。Labview所編寫的程序框圖如圖2所示。

圖2 Labview程序框圖

為了更快的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存為TDMS格式并且可以方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以便讓學(xué)生們對(duì)碰撞過程的特點(diǎn)更加理解。利用Matlab軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取及顯示。

對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波處理(主要對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理，力信號(hào)屬于脈沖信號(hào)，包含較少噪聲不需要對(duì)其進(jìn)行濾波，其測(cè)量結(jié)果如圖3所示(斜桿與豎直方向夾角為21°時(shí)撞擊的信號(hào))。從圖3 中可以觀察到當(dāng)斜桿與撞擊塊進(jìn)行撞擊時(shí)，加速度信號(hào)呈振蕩衰減趨勢(shì)最終趨于穩(wěn)定，說明碰撞時(shí)斜桿速度在逐漸減小至最終靜止。而從碰撞所產(chǎn)生的力信號(hào)中可知，出現(xiàn)了3個(gè)尖峰。這種現(xiàn)象說明碰撞時(shí)斜桿與撞擊塊進(jìn)行碰撞并非碰撞一次就靜止而先是碰撞然后反彈接著再與撞擊塊進(jìn)行碰撞并且沖擊時(shí)間非常短(大約在幾百微妙之間)。另外，為了觀察不同角度的沖擊現(xiàn)象，每隔7°做碰撞試驗(yàn)，其測(cè)量結(jié)果(加速度及力值)如表1所示。從表中可以看出隨著沖擊角度變大，其加速度及力值也隨著變大，撞擊塊所發(fā)生的彈性形變?cè)酱?。同時(shí)對(duì)每個(gè)角度做10次試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果與表1結(jié)果幾乎一致(噪聲所導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果略有偏差)。在本文系統(tǒng)中所選擇的數(shù)據(jù)采集卡的型號(hào)為研華PCI-1706U，此板卡能夠滿足同時(shí)采集8通道的信號(hào)，其最高采樣率為250 kHz。

表1 不同擺角下力及加速度值

4 結(jié)束語

哈爾濱工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器實(shí)驗(yàn)中心采用力觸感器以及加速度傳感器完成了沖擊碰撞試驗(yàn)。通過此實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生了解并掌握碰撞的基本原理及測(cè)量過程，這對(duì)學(xué)生在以后走向工作崗位頗有益處。

圖3 測(cè)量數(shù)據(jù)

[1]張劍榮，劉超，孫爾康,等.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25(8):20-21.

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AObliqueImpactExperimentDevice

LI Chengwei，HU Ruiqiang，ZHAN Liwei

(School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，china)

It is very important to cultivate the students’ ability to analyze and solve problems during the teaching process.Combining with acceleration sensor and mechanical sensor，the oblique impact experiment device is constructed.Through the diagonal bar at different angles of inclination and impact block impact，it can be measured under different conditions generated by the acceleration and mechanical signals.The impacting data is collected and stored through the Labview software，analyze and display through matlab software.Through this test，it will deepen the students’ understanding of the phenomenon of collision.

oblique impact；sensors；measurement；experiment

2016-01-03；修改日期:2016-03-18

工業(yè)和信息化部實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目(2012年11月)。

李成偉(1963-)，男，博士，教授，主要從事過程檢測(cè)與控制方面的研究。

戰(zhàn)利偉，博士生，主要從事儀器設(shè)計(jì)、信號(hào)處理方面的研究，zhanliwei333@163.com

TH73

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.038