胶合木梁弹性模量测试仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种胶合木梁弹性模量测试仪，包括拾振传感器和用于采集显示数据采集仪，所述拾振传感器固定于胶合木梁上；所述拾振传感器包括加速度传感器和电荷放大器，所述加速度传感器将胶合木梁的振动转化为电荷信号输出，并通过电荷放大器将电荷信号转换为电压信号输出至数据采集仪；所述数据采集仪根据采集到的数据信号进行转换和分析并显示振动曲线和固有频率。本发明具有结构简单紧凑、易携带、测试原理简单、测试精度高且稳定可靠等优点。
【专利说明】胶合木梁弹性模量测试仪
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及到材料工程应用检测设备领域，特指一种用于进行胶合木梁弹性模量测试的设备。
【背景技术】
[0002]在材料的工程应用中，材料的弹性模量在材料的利用、改性和微观结构的研究中具有重要的作用。目前，对木材的弹性模量的研究技术还较为落后，且主要针对板材。
[0003]胶合木梁的弹性模量是反映胶合木梁整体质量与力学性能的重要指标，但至今国内外关于胶合木梁的弹性模量的测试方法研究较少。现有技术中针对胶合木梁弹性模量的测定方法主要是标准静力法。该方法为:在胶合木梁的两端，通过静态加载负荷的方法测量胶合木梁的扰度变化计算弹性模量。上述传统方法因需要固定和加载，现场测试极为不方便，测试时间长且计算复杂。同时，加载负荷过大还有可能会给胶合木梁带来不可逆的损伤，极大的危害工程安全。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、易携带、测试原理简单、测试精度高且稳定可靠的胶合木梁弹性模量测试仪。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种胶合木梁弹性模量测试仪，包括拾振传感器和用于采集显示数据采集仪，所述拾振传感器固定于胶合木梁上；所述拾振传感器包括加速度传感器和电荷放大器，所述加速度传感器将胶合木梁的振动转化为电荷信号输出，并通过电荷放大器将电荷信号转换为电压信号输出至数据采集仪；所述数据采集仪根据采集到的数据信号进行转换和分析并显示振动曲线和固有频率。
[0006]作为本发明的进一步改进:所述数据采集仪包括信号放大滤波系统、数据采集系统、微处理器系统以及显示系统，所述信号放大滤波系统将从拾振传感器输入的微弱的电压信号放大滤波后输入数据采集系统，再通过微处理器系统控制数据采集系统进行数据采集转换，将放大滤波后的模拟电压信号转换为数字信号并通过显示系统显示振动曲线和固有频率。
[0007]作为本发明的进一步改进:所述微处理器系统包括微处理器芯片、存储单元和USB通讯接口，每次的采集数据和最终计算的弹性模量值关联编号存储于微处理器系统中的存储单元，通过数据采集仪查询或通过USB通讯接口下载至电脑保存分析。
[0008]作为本发明的进一步改进:所述数据采集仪还包括键盘控制板。
[0009]作为本发明的进一步改进:所述数据采集仪和拾振传感器均通过电源系统供电。
[0010]作为本发明的进一步改进:所述电源系统为可充电锂电池。
[0011]作为本发明的进一步改进:所述拾振传感器与数据采集仪通过电缆相连。
[0012]与现有技术相比，本发明的优点在于:
1、本发明采用振动无损检测方法测定胶合木梁的固有频率并自动计算其弹性模量值，测量快速便捷，不受测量环境限制，完全不损坏胶合木梁材料的内部结构，测量方法安全简单。
[0013]2、本发明采用便携式设计，小巧轻便，适用于任何场合单人实现测量。大屏幕彩色液晶屏显示，内置可充电锂电池供电，续航时间超长。
[0014]3、本发明采用高灵敏度的加速度传感器和放大倍数可自动调整的信号放大电路，可实现对微弱振动信号的采集，适用于各规格的胶合木梁弹性模量的测试。
[0015]4、本发明通过傅立叶变换分析方法对采集的振动曲线进行分析，采用优化的差频算法计算振动的固有频率，并通过输入相应的参数自动计算弹性模量值。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明在具体应用实例中的原理示意图。
[0017]图2是本发明的系统结构框架示意图。
[0018]图3是本发明在具体实施例中微处理器系统的中央控制单元和通讯单元的电路原理示意图。
[0019]图4是本发明在具体实施例中微处理器系统的存储单元的电路原理示意图。
[0020]图5是本发明在具体实施例中电荷放大器的电路原理示意图。
[0021]图6是本发明在具体实施例中信号放大滤波系统的电路原理示意图。
[0022]图7是本发明在具体实施例中数据采集系统的电路原理示意图。
[0023]图8是本发明在具体实施例中电源系统的智能锂电池管理电路原理示意图。
[0024]图9是本发明在具体实施例中电源系统的电压转换电路原理示意图。
[0025]图10是本发明在具体实施例中键盘和液晶显示的电路原理示意图图例说明:
1、加速度传感器；2、电荷放大器；3、数据采集仪；4、信号放大滤波系统；5、数据采集系统；6、微处理器系统；7、显示系统；8、USB通讯接口 ；9、拾振传感器；10、电缆；11、电源系统；12、键盘控制板；13、胶缝；14、胶合木梁。
【具体实施方式】
[0026]以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0027]如图1和图2所示，本发明的胶合木梁弹性模量测试仪，其原理是采用振动无损检测法测定胶合木梁14的固有频率，并根据相关参数自动计算其弹性模量值，胶合木梁14上有数条胶缝13。本发明的胶合木梁弹性模量测试仪，包括安装于被测物体的拾振传感器9和用于采集显示数据采集仪3，胶合木梁14为被测物体，拾振传感器9固定于胶合木梁14上,随胶合木梁14的振动而振动。拾振传感器9通过电缆10 (如采用屏蔽电缆线)将输出的电压信号传输至数据采集仪3采集处理。
[0028]拾振传感器9包括加速度传感器I和电荷放大器2，加速度传感器I可以采用压电式传感器，通过压电式加速度传感器I将胶合木梁14的微弱振动转化为电荷信号输出，并通过高性能的电荷放大器2将电荷信号转换为电压信号输出。
[0029]本实施例中，数据采集仪3包括信号放大滤波系统4、数据采集系统5、微处理器系统6以及显不系统7 ;信号放大滤波系统4将从拾振传感器9输入的微弱的电压信号放大滤波后输入数据采集系统5，再通过微处理器系统6控制数据采集系统5进行数据采集转换，将放大滤波后的模拟电压信号转换为数字信号并通过显示系统7显示振动曲线和固有频率。
[0030]本实施例中，微处理器系统6包括微处理器芯片、存储单元(如:大容量存储器)和USB通讯接口 8，每次的采集数据和最终计算的弹性模量值关联编号存储于微处理器系统6中的大容量存储器中，可随时通过数据采集仪3查询或通过USB通讯接口 8下载至电脑保存分析。
[0031]本实施例中，数据采集仪3和拾振传感器9均通过电源系统11供电，电源系统11可以根据实际需要采用大容量的可充电锂电池，配备智能充放电控制模块，提高锂电池的使用寿命和安全。
[0032]本实施例中，数据采集仪3还包括键盘控制板12，通过键盘控制板12来完成参数的设置和其他数据的输入工作。
[0033]参见图3和图4，本实例中的微处理器系统6包括图3的中央控制单元和通讯单元以及图4存储单元三个部分。中央控制单元采用片单片机AT89c2051和STC89C55WD，内置烧录的程序代码，控制整个系统运行，其中U16主要控制数据的采集放大，AD转换，键盘按键识别和通讯单元。U5主要控制液晶的显示，数据的存储和读取以及AD采集的数据读取。存储单元采用高速并口 Flash大容量存储器W29C040，本系统采用了 U7、U8和U9三两片存储器，容量总和为1.5M，能同时存取多达上千条曲线数据，通过U5和U6大容量缓存器实现了对振动曲线的快速存储和读取。通讯单元主要通过U3实现TTL电平和USB通讯电平之间的相互转换。
[0034]参见图5，本实例中的电荷放大器2的电路由电荷放大器UA5、C33、C34、C35和R26组成的电路将拾振传感器9输出的电荷信号转换为电压信号输出。
[0035]参见图6，本实例中的信号放大滤波系统4主要由运算放大器LF442、模拟切换开关74HC4051和电阻电容组成。本电路为4级放大和二级滤，UAlA和UA2A及外围电路为固定倍数放大电路，RA4与RA2的电阻值决定了一级放大电路的放大倍数，RA3和RA21的电阻值界定了第三级放大电路的放大的倍数。UA7、UA8、UA2A、UA3B及外围电路为自动调整放大倍数电路，由微处理器系统6的中央控制单元的单片机U16根据采集到的信号的强弱通过1 口控制UA7和UA8模拟通道的切换从而实现对放大倍数的切换选择，从而采集到电压幅值合适的信号。
[0036]参见图7，本实例中的数据采集系统5采用高速、多通道和高精度的12位AD转换芯片MAX197。AD芯片UlO为并口数据传输方式，包含8个模拟信号输入通道，最高可达200KSPS的采样速率。放大滤波的电压信号经本系统转换为数字信号通过并口方式放送给中央处理单元的U5和U16分析处理。
[0037]参见图8和9，本实例中的电源系统11主要由图8的锂电池智能管理单元和图9的电压转换单元组成。锂电池智能管理电路主要由锂电池智能管理芯片Ul和外围电路构成。Ul采用高端芯片BQ24170，实现对智能锂电池的充放电控制和性能监控。BVl和U2为电压转换芯片，BVl为L7805，输出5V电压，Ul为7660S，输出为-5V电压。电源系统11为其它的系统提供了正常工作的稳定电源。
[0038]参见图10，本实例中的键盘控制板12和显示系统7主要由按键单元和液晶显示单元。键盘单元采用2*8的矩阵按键,通过中央处理单元的U5识别正操作按键并作相应的处理。液晶显示单元主要采用液晶显示模块，电路设计是主要考虑控制接口，本系统的液晶模块由U5的1 口直接控制，内置相应的液晶驱动程序。
[0039]工作原理:数据采集仪3通过键盘控制板12、显示系统7及微处理器系统6设置采样频率和胶合木梁14的相关参数。
[0040]在数据采集仪3收到开始采集的控制指令后，就开始进行数据采集。数据采集的过程为拾振传感器9通过压电式加速度传感器I将胶合木梁14的微弱振动转化为电荷信号输出，并通过高性能的电荷放大器2将电荷信号转换为电压信号输出。拾振传感器9电压输出信号通过电缆10传输至数据采集仪3。
[0041]数据采集仪3的信号放大滤波系统4将输入的电压信号放大并通过四阶低通滤波器滤除高频信号干扰，保证输入数据采集系统5的信号干净平滑。微处理器系统6控制数据采集系统5根据设置的采样频率不断的进行数据采集，通过高分辨率的16位AD模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号传输给微处理器系统6。微处理器系统6根据米集数据到的电压信号的大小不断的调整信号放大滤波系统4的放大倍数，从而得到理想的电压信号。微处理器系统6控制显示系统7 (如:液晶显示模块)将采集到的电压信号即时显示在显示系统7上。根据设置的采样频率，数据采集仪3将实时的连续显示采样时间段1024个采样数据，并实时显示电压数据曲线(即振动曲线)，反映振动变化过程。
[0042]采样结束时，微处理器系统6对采样的数据存储后进行FFT转换，利用差频法和输入的胶合木梁14的相关参数计算得到胶合木梁14的固有频率和弹性模量值，并将傅立叶变换后的频谱图，固有频率值和最终的弹性模量值通过显示系统7直接显示。
[0043]以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种胶合木梁弹性模量测试仪，其特征在于，包括拾振传感器(9)和用于采集显示数据采集仪(3)，所述拾振传感器(9)固定于胶合木梁(14)上；所述拾振传感器(9)包括加速度传感器(I)和电荷放大器(2 )，所述加速度传感器(I)将胶合木梁(14 )的振动转化为电荷信号输出，并通过电荷放大器(2)将电荷信号转换为电压信号输出至数据采集仪(3);所述数据采集仪(3)根据采集到的数据信号进行转换和分析并显示振动曲线和固有频率。
2.根据权利要求1所述的胶合木梁弹性模量测试仪，其特征在于，所述数据采集仪(3)包括信号放大滤波系统(4)、数据采集系统(5)、微处理器系统(6)以及显示系统(7)，所述信号放大滤波系统(4)将从拾振传感器(9)输入的微弱的电压信号放大滤波后输入数据米集系统(5)，再通过微处理器系统(6)控制数据采集系统(5)进行数据采集转换，将放大滤波后的模拟电压信号转换为数字信号并通过显示系统(7)显示振动曲线和固有频率。
3.根据权利要求2所述的胶合木梁弹性模量测试仪，其特征在于，所述微处理器系统(6)包括微处理器芯片、存储单元和USB通讯接口(8)，每次的采集数据和最终计算的弹性模量值关联编号存储于微处理器系统(6)中的存储单元，通过数据采集仪(3)查询或通过USB通讯接口(8)下载至电脑保存分析。
4.根据权利要求2所述的胶合木梁弹性模量测试仪，其特征在于，所述数据采集仪(3)还包括键盘控制板(12)。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的胶合木梁弹性模量测试仪，其特征在于，所述数据采集仪(3 )和拾振传感器(9 )均通过电源系统(11)供电。
6.根据权利要求5所述的胶合木梁弹性模量测试仪，其特征在于，所述电源系统(11)为充电锂电池。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的胶合木梁弹性模量测试仪，其特征在于，所述拾振传感器(9 )与数据采集仪(3 )通过电缆(10 )相连。
【文档编号】G01H11/08GK104483215SQ201410819635
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】王解军, 曹龙, 夏滴洋, 余玲玲, 刘艳格 申请人:中南林业科技大学