[实用新型]精密弹簧片性能测试仪

说明书

所属技术领域

本实用新型涉及弹簧片性能测试仪器，尤其是需要高精度测量弹簧在弹性范围内任意位置所受的弹力值及劲度系数的场合，比如测试地震检波器中上下两片对称微压力弹簧的性能。 

背景技术

石油勘探、地震测量中大量使用地震检波器。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。国内生产地震检波器的企业大都缺少必要的检测手段，往往采用经验法人工筛选，使精度无法保证，导致产品的一致性不好。或采用高精度测量天平，通过气动压紧的方式确定弹簧弹力的最大值。后一种方法由于零点定位问题及弹簧劲度系数的非线性，导致产品的误差较大且重复性不好。在现有的机械加工误差无法提高的基础上，采用好的检测手段是提高检波器精度的唯一方法。 

发明内容

本实用新型针对上述问题，研制了一种精密弹簧片性能测试仪，测试仪能对多批次弹簧的性能实现动态快速自动测量，可以测量出弹簧在弹性范围内的任意位置所受到的弹力值，并能根据弹力与位移的对应关系计算出任意位置的劲度系数。通过对弹簧劲度系数的非线性分析，找出最佳匹配点，然后对加工的弹簧进行后期分类，来提高地震检波器的测量精度。 

本实用新型的设计思路及工作流程如下：精密弹簧片性能测试仪，至少包括机械结构、传动机构和检测与控制电路三部分，其特征是：机械结构包括支架和底座；传动机构包括步进电机、步进电机细分驱动器和直线导轨；检测与控制电路包括检测角位移的编码器、检测直线位移的磁栅尺、检测弹力的压力测量模块、光电位置传感器、四细分辨向计数电路和主控单元。测试仪中步进电机和直线导轨垂直安装，压力测量模块水平安装，步进电机驱动直线导轨上的滑块做上下往复运动，滑块连接的压盘压缩弹簧至预设位置，压力测量模块实时检测当前弹力值，进而精确测量出弹簧在弹性范围内任意位置所受的弹力值及劲度系数。测试仪采用双闭环控制策略提高位移测试精度，内环选用增量编码器检测角位移实现快速位置标定，外环选用磁栅尺检测直线位移对重复性误差进行校正，压力测量模块选择24位模/数转换器提高采样信号分辨率，采用去极值平均滤波算法提高压力测量精度。主控核心选用16位低功耗微控制器MSP430提高响应速度，选择高精度24位模/数转换器CS5532提高压力采集电路的分辨率，并采用去极值平均滤波算法提高压力测量精度。测试仪测量的位移误差为±2μm，压力误差为±1mgf，精度等级0.5级。测试装置精度高，控制稳定性好，抗干扰能 力强，操作简便。 

附图说明

图1为测试仪原理图； 

图2为检测与控制电路原理框图； 

图3为测试仪结构图。 

具体实施方式

在图1中，测试仪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。 

在图2中，主控单元采用TI公司的16位低功耗微控制器MSP430F149，用于控制步进电机驱动器，步进电机为两相混合式步进电机。内环检测回路中的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4倍脉冲数据送入主控单元。外环检测回路中的磁栅尺经四细分辨向电路将4倍频的脉冲送入主控单元，确定导轨移动的直线位移。压力传感器经过24位模/数转换器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。 

在图3中，待测弹簧(12)放置于压力测量模块(11)上，根据键盘(9)各种模式按键确定工作模式，并在液晶显示模块(7)上显示。检测与控制电路(10)控制步进电机(2)，步进电机(2)使直线导轨(3)中的滑块(5)做上下往复运动。内环步进角位移由增量编码器(1)检测，内环步进直线位移由磁栅尺(4)检测，磁栅尺(4)、压盘(6)和滑块(5)通过螺栓固定为一体。压盘(6)压缩弹簧的过程中压力测量模块(11)实时检测弹力值。光电限位开关(14)和(15)限定导轨滑块的移动范围，避免导轨滑块堵死。支架(13)、底座(8)和各模块通过螺钉连接避免振动，保证压盘(6)稳定地伸缩运动。