[发明专利]基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统

摘要

本发明公开了一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统，用于解决现有控制系统可靠性低的技术问题。技术方案是包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元。所述人机交互控制单元用于控制实验过程；所述电容量调节控制单元和加载方式控制单元分别用于调节电容量和选择不同的加载方式；所述电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元分别用于控制应力波脉冲幅值、产生应力波脉冲、电容器组泄流；所述安全控制单元用于保证实验人员的生命安全。与背景技术相比较，提高了控制系统的可靠性。

主权项

一种基于电磁力加载的霍普金森压杆实验设备控制系统，其特征在于：包括人机交互控制单元、电容量调节控制单元、加载方式控制单元、放电线圈温度控制单元、电容充电控制单元、电容放电控制单元、泄流控制单元、实验数据采集控制单元和安全控制单元；人机交互控制单元由计算机、HMI设备、可编程控制器及模拟量I/O模块构成，四部分通过以太网通信接口相互连接，用于控制实验过程，显示设备运行状态，处理、显示及保存实验数据；电容量调节控制单元由电容量调节触发器、脉冲电容器及真空交流接触器J1～J7构成，用于调节电容量，以此控制应力波脉冲宽度；可编程控制器与电容量调节触发器、电容充电主电路顺次连接；加载方式控制单元由加载方式触发器、单轴接触器及双轴接触器构成，用于控制霍普金森压杆实验单/双轴不同的加载方式；可编程控制器与加载方式触发器、电容放电主电路顺次连接；放电线圈温度控制单元由流量控制器、温度变送器、空气流量计构成，用于控制放电线圈温度，保证相同情况下应力波脉冲的一致性；可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、应力波发生器、温度变送器/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，压缩空气与流量控制器、应力波发生器顺次连接；所述温度变送器包括纵向温度变送器ST1和横向温度变送器ST2；电容充电控制单元由充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1、电流变送器TA1构成，用于控制应力波脉冲幅值；可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1/电流变送器TA1、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；电容放电控制单元由放电触发器、电容放电主电路、电压传感器、应力波发生器构成，用于产生应力波脉冲；可编程控制器与放电触发器、电容放电主电路、电压传感器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路，电容放电主电路、应力波发生器顺次连接；泄流控制单元由泄流触发器、泄流接触器构成，用于释放脉冲电容器组C4中储存的能量；可编程控制器与泄流触发器、电容放电主电路、电压传感器、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；实验数据采集控制单元由应力波发生器、实验台、Rogowski线圈、积分器、电阻应变片、超动态应变仪和高速数据采集器构成，用于测量脉冲电容器组C4放电电流大小和材料的应变率大小；应力波发生器、实验台顺次连接，实验台、Rogowski线圈、积分器、高速数据采集器顺次连接，实验台、电阻应变片、超动态应变仪、高速数据采集器顺次连接，高速数据采集器与计算机通过USB接口相互连接；所述电阻应变片包括第一电阻应变片(15)、第二电阻应变片(16)、第三电阻应变片(17)和第四电阻应变片(18)；安全控制单元由充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器、安全监控器构成，用于显示设备运行状态，保证设备安全可靠地运行；充电完成指示灯、过压指示灯、过流指示灯、过温指示灯、闪光蜂鸣器分别与可编程控制器连接，电容充电主回路、电容放电主回路、实验台分别与安全监控器连接，安全监控器、可编程控制器顺次连接；电容量调节触发器、真空交流接触器J1～J7、脉冲电容器C1～C3构成电容量调节控制单元；可编程控制器与电容量调节触发器、真空交流接触器J1～J7、脉冲电容器C1～C3顺次连接；可编程控制器通过输出端子输出控制信号至电容量调节触发器，电容量调节触发器控制对应的真空交流接触器J1～J7使之闭合，脉冲电容器C1～C3与真空交流接触器J1～J7相互组合构成不同电容量的脉冲电容器组C4；变压器TM1、整流晶闸管M1～M2、限流电阻R1、滤波电感L1、脉冲电容器组C4、整流二极管D1～D2顺次连接形成回路构成电容充电主回路，电压表与电压变送器TV1均并联在脉冲电容器组C4两端，电流变送器TA1连接在脉冲电容器组C4与整流二极管D1～D2之间；充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1、电流变送器TA1构成电容充电控制单元；可编程控制器与模拟量I/O模块、充电触发器、电容充电主电路、电压变送器TV1/电流变送器TA1、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；可编程控制器通过模拟量I/O模块、充电触发器控制整流晶闸管M1～M2的通断，从而对脉冲电容器组C4进行充电或停止充电；电容充电控制单元采用专家自整定串级PID控制器；加载方式触发器、双轴加载接触器J9、单轴加载接触器J10、构成加载方式控制单元；可编程控制器与加载方式触发器、电容放电主回路顺次连接；双轴加载接触器J9分别于放电晶闸管M3、纵向放电线圈(3)连接，单轴加载接触器J10一端与放电晶闸管M3连接，另一端分别与纵向放电线圈(3)、横向放电线圈(8)连接；可编程控制器通过输出端子输出控制信号至加载方式触发器；加载方式触发器控制双轴加载接触器J9或单轴加载接触器J10使之闭合；纵向温度变送器ST1的测量端与纵向放电线圈(3)紧密贴合，横向温度变送器ST2的测量端与横向放电线圈(8)紧密贴合；所述的流量控制器、纵向温度变送器ST1、横向温度变送器ST2、空气流量计构成放电线圈温度控制单元；可编程控制器与模拟量I/O模块、流量控制器、电容放电主回路、纵向温度变送器ST1/横向温度变送器ST2/空气流量计、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；可编程控制器通过模拟量I/O模块输出控制信号对流量控制器进行控制，流量控制器根据控制信号调节气压阀门的大小，从而控制纵向放电线圈(3)和横向放电线圈(8)的温度；当双轴加载时，脉冲电容器组C4、放电晶闸管M3、双轴加载接触器J9、纵向放电线圈(3)、横向放电线圈(8)、放电电阻R3顺次连接形成回路构成电容放电主回路，在脉冲电容器组C4两端并入续流二极管D3；所述的放电触发器、电容放电主回路、电压变送器TV1、应力波发生器构成电容放电控制单元；可编程控制器与放电触发器、电容放电主回路、电压变送器TV1、模拟量I/O模块顺次连接形成回路；可编程控制器通过输出端子输出控制信号至放电触发器；放电触发器输出触发脉冲对放电晶闸管M3进行触发使之导通，脉冲电容器组C4通过纵向放电线圈(3)和横向放电线圈(8)进行放电；纵向驱动线圈(4)与纵向放电线圈(3)相互贴紧，横向驱动线圈(9)与横向放电线圈(8)相互贴紧，从而产生排斥力，即电磁力；该电磁力在纵向应力放大器(5)与横向应力放大器(10)的输入端形成应力波脉冲；脉冲电容器组C4、泄流接触器J8、泄流电阻R2顺次连接并构成电容‑电阻泄流回路；所述的泄流触发器、泄流接触器J8构成泄流控制单元；可编程控制器与泄流触发器、电容放电主回路回路顺次连接；可编程控制器通过输出端子输出控制信号至泄流触发器；泄流触发器使泄流接触器J8触点闭合，脉冲电容器组C4存储的能量通过泄流电阻R2释放；纵向放电线圈(3)通过螺栓连接固定在纵向放电线圈基座(2)上；横向放电线圈(8)通过螺栓连接固定在横向放电线圈基座(7)上；纵向驱动线圈(4)通过螺栓连接固定在纵向应力波放大器(5)上；横向驱动线圈(9)通过螺栓连接固定在横向应力波放大器(10)上；纵向导向轴(1)通过螺纹连接在纵向应力波放大器(5)上；横向导向轴(6)通过螺纹连接在横向应力波放大器(10)上；纵向入射杆(11)与纵向应力波放大器(5)通过螺纹连接，端面相互接触；横向入射杆(12)与横向应力波放大器(10)通过螺纹连接，端面相互接触；纵向透射杆(13)同轴安装在纵向入射杆(11)的自由方向；横向透射杆(14)同轴安装在横向入射杆(12)的自由方向；纵向入射杆(11)、纵向透射杆(13)、横向入射杆(12)、横向透射杆(14)之间留有放置试件(21)的空间；纵向缓冲器(19)安装在纵向透射杆(13)的末端；横向缓冲器(20)安装在横向透射杆(14)的末端；第一电阻应变片(15)粘贴在纵向入射杆(11)上；第二电阻应变片(16)粘贴在横向入射杆(12)上；第三电阻应变片(17)粘贴在纵向透射杆(13)上；第四电阻应变片(18)粘贴在横向透射杆(14)上；Rogowski线圈(23)、积分器(24)、高速数据采集器(25)、计算机(26)顺次连接，构成放电电流测量电路，Rogowski线圈(23)测量孔通过电容‑放电线圈放电回路中的放电电缆；第一电阻应变片(15)、第二电阻应变片(16)、第三电阻应变片(17)、第四电阻应变片(18)分别与超动态应变仪(22)连接，超动态应变仪(22)、高速数据采集器(25)、计算机(26)顺次连接，构成材料应变测量电路；应力波发生器、实验台、Rogowski线圈(23)、积分器(24)、第一电阻应变片(15)、第二电阻应变片(16)、第三电阻应变片(17)、第四电阻应变片(18)、超动态应变仪(22)和高速数据采集器(25)构成实验数据采集控制单元，用于测量脉冲电容器组C4放电电流大小和材料的应变率大小。