林明， 王新倫， 馮曉軍， 趙玉虎， 馮英偉
摘要：60-gt 土工離心機電氣系統由轉速控制、攝影攝像、數據采集等組成。通過計算機給定模擬轉速和加速度設置，電流和轉速反饋雙閉環系統實現轉速控制。數碼相機、攝像機、閃光控制儀等組成完成運動模型的定點攝影攝像及圖像監視。40 通道的靜態數據采集系統完成信號的測量、采集、傳輸與存儲，并對速度調節參數、加速度穩定度和轉速測量精度分析與計算。系統仿真表明該系統穩定可靠，精度高。
關鍵詞： 離心機； 電氣系統； 轉速控制； 攝影攝像； 數據采集
1 引言
    土工離心機是土力學研究與巖土試驗的重要設備， 廣泛用于堤壩、邊坡地基基礎擋土結構、路基、隧道、建筑物基礎等工程應用研究及探索各種自然現象的機理， 如地震、大地構造、異常地質形成等研究， 其試驗結果可用來驗證數值分析計算的結果， 重現土工原形的物理變化過程[6]。離心機的基本構成如圖1。

    由電機驅動轉臂、吊籃在密閉機室內進行高速旋轉， 根據運動學原理， 當轉臂以角速度ù 繞主軸旋轉時，旋轉半徑R 的模型箱處所產生的向心加速度為a＝Rù2。系統由機械及電氣系統構成， 電氣系統技術要求如下：
① 加速度范圍： 10g～ 200g；
② 啟動時間： ≤ 20min；
③ 轉速穩定度： ±0.1% F.S；
④ 數據采集系統： 40 通道， 能測適應于電阻式全橋、半橋傳感器接法的應變信號、電壓信號及溫度信號；
⑤ 安裝攝影及攝像設備： 定點拍攝動態模型變化照片和監視模型動態變化圖像。
2 電氣系統組成簡述
    電氣系統如圖2， 由轉速控制、攝影攝像、數據采集等部分組成[1]。
2.1 轉速控制系統設計
    離心機運行， 一般分啟動升速、穩速保持、減速停機三個過程。在加速與減速過程中會出現角加速度， 此時， 模型不僅受到離心力作用， 還受到切向加速度引起的慣性力的作用。過大的切向加速度會改變模型受力的方向， 影響試驗精度， 控制離心機加速和減速過程中要平滑和緩慢的進行， 不宜過快。系統由全數字直流調速器與計算機組成（ 見圖2），采用電流反饋和脈沖編碼器轉速反饋構成電流、轉速調節雙閉環系統， 單向運行， 逆向制動， 具有電流自適應功能和自診斷處理功能和跟蹤/ 保持功能[5]。轉速給定采用模擬量給定和計算機給定兩種方式。在計算機給定方式下， 根據離心機主機轉動慣量大、轉速易發生超調的特點， 采用S 曲線給定方式； 當給定量接近目標量時改變給定速率， 實現轉速的平穩過渡并抑制了轉速超調量[3]， 通過界面設置運行參數并根據負載重量和離心機允許的zui大載荷， 限制離心機zui大加速度值。在模擬給定方式下，采用高精度數/ 模轉換器，使給定精度和線性度得到保證，并設置了置數/ 鎖存控制功能，以防止給定設置時的誤操作；轉速測量采用M.T 法，雙顯示轉速和加速度值， 測量任意半徑處的加速度值[2]。系統采用啟動連鎖與實時監測方式， 對離心機加速度、轉速、轉臂平衡狀態、主要軸承溫度、電機電流等主要參數進行監視， 即時判斷與處理運行過程中的異常狀態， 保證離心機長期工作的穩定性[1]。

2.2 運動模型定點攝影與監視系統設計
    攝影系統由計算機、閃光控制儀、數碼相機、閃光燈、位置檢測、閃光檢測等部分組成， 攝像系統由CCD 攝像頭、錄像機等組成，見圖3。照相機及短脈沖氙燈安裝在裝有攝影玻璃窗的主機室頂部， 位置檢測傳感器安裝于離心機轉臂的下面， 采用運動模型定點觸發閃光燈閃光與自動拍照方式，得到模型動態照片。當高速旋轉的模型運行到攝影窗口下方時， 霍爾傳感器輸出脈沖推動高速閃光儀放電， 短脈沖氙燈閃光， 完成一次攝影。拍攝高速旋轉中模型照片， 需要在曝光時間、閃光能量、模型位置與閃光同步三方面嚴格控制、協調， 方能獲得高質量的照片[4]。

① 閃光時間。該離心機zui大線速度為70.4m/ s，經計算曝光時間t≤ 17.8μs 能滿足曝光要求， 光源脈寬取6μ s；
② 閃光強度。選用1J～40J 可滿足曝光量要求；③ 閃光控制儀觸發響應時間。從檢測位置信
號到閃光， 控制儀的響應時間約為20μ s。若線速度為70.4m/ s， 則運動模型的位移量約為1.4mm，有充分的響應時間。攝像系統中選擇CCD 攝像頭保證了圖像的清晰度， 鏡頭距模型比較近， 需要專門設計的廣角鏡頭。攝像頭處于加速度為2000m/ s2 的過載值位置，其固定支架要穩固。
2.3 數據采集與傳輸系統設計
    測量模塊與計算機組成40 通道靜態數據采集系統， 通過計算機對每一個通道的參數進行設置和初始化，完成采集過程中的傳感器選擇、測點選擇、信號類型選擇等，并將測量值以數據庫的形式存放，供用戶進行數據分析[1]。軟件設計采用Windows 平臺下的面向對象的程序設計思路， 見圖4。系統與地面的采集系統不同， 傳感器、變換器、計算機等采集單元放置在離心機上， 測量信號在離心機上進行數字變換后， 經滑環將數字信號傳輸送到地面計算機。信號的傳輸是離心機上數據采集系統的關鍵環節， 制約著系統的采樣率與傳輸質量的提高， 采用數字傳輸或無線傳輸兩種方式， 能解決滑環接觸電阻變化對信號的影響。為克服離心機運行時所產生的離心力、大電流的高次諧波、強脈沖電源對系統的影響， 對離心機上的采集單元采取了加固與減小體積的措施， 減小旋轉半徑， 測量系統供電應與電機的驅動裝置、攝影系統的供電進行隔離。

3 系統分析與計算
3.1 系統仿真結果
    根據離心機負載特性及系統參數， 建立系統模型并進行仿真， 結果如圖5、圖6。


4 結束語
    對速度調節參數、加速度穩定度和轉速測量精度分析與計算及系統仿真表明， 該系統穩定， 精度滿足要求。