专利名称：防护具高速粒子冲击测试仪检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于防护具冲击测试检测装置，特别是一种防护具高速粒子冲击测试检测装置。
背景技术：
防护玻璃器具的强度测试，现有技术中有采用落球撞击或摆球撞击进行测试，其测试方法简单，但不够精确
发明内容
本发明的目的在于提供一种防护具高速粒子冲击测试仪检测装置，能精确检测防护具强度。
为达到上述目的，本发明的构思是高速粒子在压缩气体的激励压力作用下，从发射管发射出而去撞击防护具，通过测量发射管进出口端高速粒子经过的时刻，可计算出高速粒子发射出的速度，从而计算出撞击力，换算出防护具的耐冲击强度。
根据上述的构思，本发明采用下述技术方案一种防护具高速粒子冲击测试仪检测装置，包括发射管和从发射管发射的高速粒子，其特征在于发射管的进出口端部分别各安装一个光纤传感器，两个光纤传感器的输出分别经两个光电耦合器后连接一个信号处理电路和一个单片机的输入，它们的输出经一个液晶驱动�？榱右桓鲆壕允酒鞯氖淙耄壕允酒鞯南允酒料允境龈咚倭Ｗ釉诹焦庀舜衅髦涞木奔浜退俣�。
上述的信号处理电路采用型号为EPM71288LC84的CPLD逻辑器件，单片机采用AT89C51单片机，构成MCPU+CPLD双片结构；两路光电耦合器的输出，先后接入单片机的P3.2、P3.3端口，同时也接入CPLD逻辑器件EPM7128SLC84的IOAO、IOA1管脚；单片机通过其PO口和P2.0-P2.2与CPLD实现数据通讯，而P1口接矩阵键盘，P2.3、P2.4端口用于出错报警和启动控制，通过PO口将测量数据接入液晶驱动模块和液晶显示器。
上述的光纤传感器采用欧龙系列型号为E3X-F21，动作时间小于20μs；液晶驱动�？楹鸵壕允酒鞑捎眯秃盼狹SC-C164DYSY-2N的LCD液晶�？�。
下面对本发明采用的技术方案作详细说明
1.光纤传感器的选择由于钢球通过的速度很快，通过两传感器之间的间隔约3.39ms，速度越44.2m/s，钢球的直径为3mm，可以计算得出钢球通过光纤传感器的时间T＝3390×3/150＝67.8μs，这样系统就要求光纤传感器有很强的响应能力。本系统使用欧姆龙光线传感器，型号为E3X-F21，DC12-24V供电，动作时间小于20μs。根据推算对于3mm直径的高速滚动的钢珠，传感器至少可测速度为104.5m/s，完全可以满足系统要求。两传感器信号通过TLP620光电耦合器后，将12VDC转变成5VDC。TLP620是一种高速光电耦合器，其响应时间为10μs。将光纤传感器和光电耦合器的延时一并考虑，从钢珠通过传感器到脉冲信号进入系统内部芯片的时间延迟约20μs，由于两路输入信号期间对称，参数一致，所以两路信号均延迟大约相同的时间，减小了输入信号延迟误差。
2.单片机和PLCD逻辑器件的选择8052单片机采用查询方式检测两传感器的输入脉冲，避免中断响应丢失的十几个μs的时间。当钢球通过第一个传感器，单片机即查询到P3.2引脚变低，立即启动定时器，直到钢珠在通过第二个光纤传感器，单片机的P3.3引脚变低，就关闭定时器，此时定时器内部的数据就是钢球的通过两个传感器的时间t1。单片机系统采用了12MHZ的外部晶体震荡器，这样定时器是以μs为单位计时，保证了计时的精确要求。同时为了保证时间的精确性，我们加入了PLCD逻辑器件EPM7128，内部硬件电路原理见图2，是一种16为计数器，CLK脉冲是由外围电路2MHZ的晶体震荡器提供，这样计数器每进一位就相当于一个μs的时间。在第一个传感器的信号到来，即自动把此时的16位计数器放入二个锁存器74737内。8052单片机可以从EPM7128读出两次的时间，而后相减即可得时间t2。通过比较的软件计数时间t1和硬件计数时间t2，可得两者差值ε＝|t2-t1|。我们设定的误差ε′＝10μs，当差值 即根据报警测量出错。这样使用不同的硬件和软件方式计时，避免了单一计时可能因为器件性能波动产生的测量错误，达到测量的可靠性。当 单片机根据传感器之间的距离s和软件测量时间值t1，计算出速度V。然后将t1和V一起送入LCD液晶显示�？镸SC-C164DYSY-2N显示。
3.8025型单片机及原理随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、PRAM、POM、定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义又称为单片微型计算机，直译为单片机。
(1)单片机的特点具有优异的性能价格比、集成度高、体积小、可靠性高、控制能力强、低电压、低功能。
(2)单片机的基本组成它由CPU、存储器(包括RAM和ROM)、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。输入/输出引脚P0、P1、P2、P3的功能P0.0-P0.7P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。在EPROM编程时，由P0输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证程序时，要求外接上拉电阻。P0能以吸收电流方式驱动8个LSTTL负载。P1.0-P1.7(1～8脚)P1是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和验证程序时，由它输入低8位地址。P1能驱动4个LSTTL负载。在8032/8052中，P1.0还相当于专用功能端T2，即定时器的计数触发输入端；P1.1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2的外部控制端。P2.0～P2.7(21～28脚)P2也是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，由它输出高8位地址。在对EPROM编程和验证程序时，由它输入高8位地址。P2可以驱动4个LSTTL负载。P3.0～P3.7(10～17脚)P3也是一上带内部上拉电阻的双向I/O口。在MCS-51中，这8个引脚还用于专门的第二功能。P3能驱动4个LSTTL负载。
P3.0 RXD(串行口输入)P3.1 TXD(串行口输出)P3.2 INT0(外部中断0输入)P3.3 INT1(外部中断1输入)P3.4 T0(定时0的外部输入)P3.5 T1(定时1的外部输入)P3.6 WR(片外数据存储器写选通)P3.7 RD(片外数据存储器读选通)(3)单片机的应用
a.在智能仪器仪表中的应用在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
b.在机电一体化中的应用机电一体化产品是指集机械、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的电子产品。
c.在实时过程控制中的应用用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量。
d.在人类生活中的应用目前国外各种家用电器已普遍采用单片机代替传统的控制电路。
e.在其他方面的应用单片机除以上个方面的应用，它还广泛应用于办公自动化领域、商业营销领域、汽车及通信、计算机外部设备、模糊控制等各领域。
4.测速基本原理高速粒子测速仪的测速方法如图4所示，这里我们假设所测粒子的速度为平均速度，不计粒子运动过程中的摩擦力与其他阻力，压缩空气激发粒子运动时，压力变化不计，因为之间很短。为了测到速度有两个问题需要解决，一是经过150mm以44.2m/s所需要的时间，这是选定测速传感器的依据，二是在什么位置才能测到相对合理的平均速度。
由于t′=1vδ=4.544.2×10-3=1.02×10-4s=102μs]]>式(1-1)其中δ是传感器检测间隙。可见传感器的灵敏度要小于120μs，才能检测到信号。我们分析传感器的测速位置。根据质点运动的牛顿定律F＝ma，两边对时间积分∫0tFdt=m∫0tadt=m(vt-v0)]]>钢球受力 Ft＝mvt式(1-2)T=mFvt=mpvt/πpR2=4R3Pρvt]]>其中t表示钢球速度达到vt时所需要的时间，ρ表示钢球的密度7.8*103kg/m3，R表示钢球的半径，P表示压缩空气的激励压力。此时，x表示速度达到vt时粒子与激发处的距离，则∫0ttdt=∫0xmP1/πR2dx=mxP1/πR2]]>12t2=mxP1/πR2]]>x=P2mπR2t2=3P8Rt2/p]]>式(5-3)表1压力—时间—距离
可见，测试平均速度时，其传感器应放置在x的附近，才能测到它的速度。我们根据式(5-2)、(5-3)，表1给出了在不同压力下，钢球达到所需速度的时间t以及与其离激发处的距离x。由表可以发现当压力比较小时，x的距离相应要大些，表示需要获得速度要有一定的时间。当压力比较大时，获得速度时间比较短，相应的距离比较小。以上分析均是建立在理想物理模型上，与实际情况有一定的差异。具体表现在钢球运动时会受到由通道产生的阻力影响，如通道的摩擦、通道的直线通道表面粗糙度等。钢球受力的时间，实际上钢球受激是瞬时状态，并非在达到所需速度之间一直有一个恒定的作用压力P。根据实际情况以及计算式(5-2(5-3)我们可以知道，若压力增加相应的时间减少但是要比理论时间长，且相应的距离也比理论的大。这是因为钢球受激是瞬时状态而不是恒定的作用。我们在设计时采用激励压力为P＝0.4-0.6Mpa，传感器的位置离激励的距离x＝50mm。
5.电路工作原理本系统的电路原理框图如图5所示，在钢珠弹射的管道前后放置两个光纤传感器，两者距离150mm。当钢珠高速通过管道，两传感器先后测到脉冲，送入测速器。两信号通过TLP620高速光电耦合器后，分成两路。一路送入8052单片机P3.2、P3.3口；一路送入PLCD器件EPM7128的64和67脚。8052单片机通过软件计时，算出两信号间的时间间隔t1，同时EPM7128芯片由硬件之间进行误差比较，ε＝|t2-t1|，当误差大于标定的误差ε’，系统在控制面板上报错。当误差小于标定ε’，，单片机再根据确定的距离计算出钢珠的速度，为150mm，一般不改变，以后假如距离参数改变，可以通过系统的控制面板的键盘改变距离L。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点本发明提出的检测装置主要由两个光纤传感器及一个单片机控制电路和液晶显示系统组成。高速粒子钢球速度很快，而光纤传感器有恒腔的响应能力，能实现快速、精确、可靠检测，然后由单片机快速处理运算出时间差和速度，由液晶显示出来。本检测装置适用于眼护具和各种显示屏玻璃强度测量。
图1是本发明一个实施例的结构示意2是图1示例的电路框图。
图3是图1示例的电路原理图。
图4是本发明的测速原理5是本发明的系统电路工作原理框6是单片机软件流程主程序框7是本单片机软件流程测量子程序框图
具体实施例方式本发明的一个优选实施例是参见图1和图2，本防护具高速粒子冲击测试仪检测装置，包括发射管2和从发射管发射的高速粒子1，发射管2的进出口端部分别各安装一个光纤传感器3、4，两个光纤传感器3、4的输出分别经两个光电耦合器5、6连接一个信号处理电路7和一个单片机8的输入，它们的输出经一个液晶驱动�？榱右桓鲆壕允酒�10的输入，液晶显示器10的显示屏11显示出高速粒子1在两光纤传感器3、4之间的经历时间和速度。
参见图2，信号检测装置选用AT89C52单片机8和CPLD信号处理电路7为核心，以MCPU+CPLD双片结构完成信号计时、LCD液晶显示9和串口通讯等功能。系统硬件由单片机89C51、CPLD、光纤传感器3、4、光耦电路5、6、LCD液晶显示�？�9、支流稳压电源组成。光纤传感器3、4选用欧姆龙系列，型号E3X-F21，动作时间小于20μs。CPLD逻辑器件7型号为EPM7128SLC84，内部逻辑使用EDA软件实现。钢珠通过光纤传感器产生信号通过光纤信号接口，再经过两路光电耦合器5、6、先后送入单片机8的P3.2、P3.3端口，同时也送入CPLD逻辑器件EPM7128SLC84的IOA0、IOA1管脚。单片机8通过P0口和P2.0～P2.2与CPLD实现数据通信，P1口接矩阵键盘12，用于两光纤传感器3、4之间长度L调整。键盘12放置在面板上，P2.3、P2.4出于出错报警和启动控制13。最后，单片机8通过P0口将测量数据送入LCD液晶模块MSC-C1 64DYSY-2N显示。
图3示出本检测装置的具体电路原理图。
参见图6和图7，本检测装置中植入单片机的软件是单片机系统软件主要由主程序和测量子程序构成，单片机对光纤传感器的信号采用查询方式，避免的中断方式引起的十多us的延迟。CPLD器件数字逻辑使用MAX+PLUS软件AHDL硬件描述语言编写，内设计成16位自动循环计数器，每次计数为1us，当第一传感器信号来临，自动锁存计数值，当第二次信号来临再锁存此时的计数值，这样两次计数值之差就是计时时间t’，其计数最大值为65535us。
粒子运动速度较快，对系统的响应要求快，准确性高。系统使用双计时设计，单片机AT805 1和CPLD器件EPM7128LC84(信号处理单元)可以分别计算两光纤传感器的信号时间间隔T、t。比较单片机计数时间T和CPLD计数时间t，可得到两者差值ε＝|T-t|，预先设定标定的误差ε’＝400us，当差值ε＜ε’，即计时正确；当差值ε＞ε’，即报警测量出错。这样使用不同的两种方式计时，避免了单一计时可能因为器件性能波动产生的测量错误，保证测量的可靠性、精确性。
权利要求
1.一种防护具高速粒子冲击测试仪检测装置，包括发射管(2)和从发射管发射的高速粒子(1)，其特征在于发射管(2)的进出口端部分别各安装一个光纤传感器(3、4)，两个光纤传感器(3、4)的输出分别经两个光电耦合器(5、6)连接一个信号处理电路(7)和一个单片机(8)的输入，它们的输出经一个液晶驱动�？榱右桓鲆壕允酒�(10)的输入，液晶显示器(10)的显示屏(11)显示出高速粒子(1)在两光纤传感器(3、4)之间的经历时间和速度。
2.根据权利要求1所述的防护具高速粒子冲击测试仪检测装置，其特征在于信号处理电路(7)采用型号为EPM71288LC84的CPLD逻辑器件，单片机(8)采用AT89C51单片机，构成MCPU+CPLD双片结构；两路光电耦合器(5、6)的输出，先后接入单片机(8)的P3.2、P3.3端口，同时也接入CPLD(7)逻辑器件EPM7128SLC84的IOAO、IOA1管脚；单片机(8)通过其PO口和P2.0-P2.2与CPLD(7)实现数据通讯，而P1口接矩阵键盘(12)，P2.3、P2.4端口用于出错报警和启动控制，通过PO口将测量数据接入液晶驱动�？�(9)和液晶显示器(10)。
3.根据权利要求2所述的防护具高速粒子冲击测试仪检测装置，其特征在于光纤传感器(3、4)采用欧龙系列型号为E3X-F21，动作时间小于20μs；液晶驱动�？�(9)和液晶显示器(10)采用型号为MSC-C164DYSY-2N的LCD液晶�？�。
全文摘要
本发明涉及一种防护具高速粒子冲击测试检测装置。它包含有发射管和从发射管发射的高速粒子，其特征在于发射管的进出口端部分别各安装一个光纤传感器，两个光纤传感器的输出分别经两个光电耦合器连接一个信号处理电路和一个单片机的输入，它们的输出经一个液晶驱动�？榱右桓鲆壕允酒鞯氖淙耄壕允酒鞯南允酒料允境龈咚倭Ｗ釉诹焦庀舜衅髦涞木奔浜退俣�。本装置能快速、精确、可靠检测出高速粒子速度。本检测装置适用于眼护具和各种显示屏玻璃强度测量。
文档编号G01M7/08GK1651893SQ20041009300
公开日2005年8月10日 申请日期2004年12月15日 优先权日2004年12月15日
发明者金士良, 洪跃, 王恒三, 宋毅, 金钢, 田景鹏 申请人:上海大学
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