金刚石液压机方案

聚晶金刚石复合片(PDC)作为钻头的切削齿既要求具有高的强度，又要求具有足够的韧性和抗冲击性等。金刚石复合片在静高压合成的效果与合成腔中的温度场及压力场有着密切的关系，作为提供温度场和压力场的传压介质性能的好坏直接影响着高压合成过程中的生长环境。因此对金刚石复合片的温度场以及内压力场进行有效实时的监控是必要的。

长期以来，对金刚石复合片的温度场的监控主要是以温度传感器的数值和工作人员的经验值来判断的，存在不直观、工作量大、效率低和过分依赖人的经验值等缺点，也导致了最终的产品质量不高。因此，在金刚石复合片生产中，温度控制得好坏将直接影响合成产品的最终质量。

公司提出检测系统的性能指标要求： 1、温度检测误差控制在0~50C之间；

2、通过对腔体内压的检测得出外部液压与内压之间的对应关系； 3、对多台六面体金刚石液压机的电压、电流、温度、压力检测信号进行上位机显示。

二、方案总体设计

整个系统采用模块化设计，由腔体热电偶温度采集模块、冷端温度采集模块、交流电压电流采集模块、腔体内压力采集模块、A/D转换模块及多机通讯模块组成。系统的总体结构框图如图2.1所示。

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热电偶温度采集模块A/D转换A/D转换单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口485转232模块冷端温度采集模块1#六面体液压机腔体内压力检测模块A/D转换A/D转换A/D转换液压机压力检测模块电压电流采集模块PC机热电偶温度采集模块A/D转换A/D转换单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口冷端温度采集模块4#六面体液压机腔体内压力检测模块A/D转换A/D转换A/D转换液压机压力检测模块电压电流采集模块

图2.1 系统的总体结构框图

由于采用多个单片机系统组成的模块化设计，因此系统采用485进行多机通讯，对所有单片机系统进行地址分配，上位机通过RS232转485模块对各个地址进行呼叫，再发送命令控制字进行压机功率控制和各路的数据采集，所有数据采集到上位机进行数据处理。单片机采用C2051，芯片性能良好，满足设备要求。通讯接口采用485总线，满足系统要求的传输距离。

三、温度采集系统

本系统腔体内温度检测采用钨錸热电偶来完成，热电偶把温度信号转换成

热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。其剖面示意图见图3.1。

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图3.1 热电偶温度采集组装块剖面示意图

温度检测系统流程框图如图3.2所示。

钨錸热电偶测温信号放大及低通滤波A/D转换C52单片机AD590检测冷端温度信号放大及低通滤波A/D转换

图3.2 温度检测系统流程框图

系统腔体内采用热电偶进行温度测量，并需要对热电偶的冷端进行温度测量，然后将热端温度和冷端温度，传输给单片机进行温度的补偿和校正。 3.1 腔体内温度检测

系统采用钨铼热偶丝来测量六面顶金刚石压机叶腊石腔体内温度。钨铼热偶丝1端置于腔体内中心处，2端和3端分别接触不同的两个顶锤中心，并将信号引出。钨铼热偶丝测温原理图如图3.3所示。

图3.3 钨铼偶丝测温原理图

3.1.1 信号调理电路

钨铼偶丝测温输出信号为20-30mV，一路经A/D转换到单片机，一路将送入

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PLC。

1）测量信号到单片机

测量信号必须经过放大滤波，将其转换为0-5V再送入A/D转换，最后到单片机。

放大电路选择方案如下： 方案一：选用AD620

AD620的引脚图如图3.4所示，

图3.4 AD620引脚图

放大电路如图3.5所示，其中AD620芯片的管脚1、8要跨接一增益调整电阻RG来调整放大倍数，管脚4、7需提供正负相等的工作电压，由管脚2、3输入电压信号即可从管脚6输出放大后的电压值。管脚5接参考基准，如果接地则管脚6的输出即为与地之间的相对电压。

C607R60522kU1286SENSOR-35AD620AN (8)4VCC+12V10uF/25V1SENSOR+27W602500R6091KC6091uFVOVCC-12VR60722kC61110uF/25V图3.5 放大电路

方案二：选用运放OP07

前置放大电路如图3.6所示，

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图3.6 前置放大电路

基于虚短虚断，有

VinVout （式1） R1R1R2R3R2R3（式2） )VinAVin

R1于是得到

Vout(1其中，放大倍数A1R2R3 R1热电偶信号变化非常缓慢，本方案中滤波电路采用二阶有源低通滤波来滤除信号中的无用信号，选择巴特沃斯型的低通滤波器，滤波电路如图3.7所示。

巴特沃斯型的低通滤波器具有两个阻尼值可调的复数极点。与其它的类型低通滤波器相比，该低通滤波器的优点是幅频特性是单调的，并且在通带内比较平坦。适当地选择两个电阻和两个电容的参数，可以很好地达到抑制工频干扰的目的。

VCC-12VC615C60.7uF10uF/25V42VOR61020KR61120KC6051uF3U136R6141kVO'OP-0771W603C61610KELECTRO2VCC+12V图3.7 滤波电路

测量信号经过放大滤波到A/D转换，再将数字信号输到单片机，由单片机进行数据采集处理。 2) 测量信号到PLC

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8这路信号将转变成4-20mA的标准信号输入到PLC，由PLC处理并控制金刚石压机动作。

方案一 DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器

DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器是DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表之一，是一种将被测的温度信号变换成统一的标准信号（1~5V或者4~20mA）的仪表，其输出直接送显示仪表或者调节器来实现对温度的自动控制。它主要由热电偶、量程单元和放大单元组成，具有热电偶冷端温度补偿、零点调整，零点迁移、量程调节以及线性化等重要功能。

DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器主要特点有：

A. 采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性及各项技术指标。 B. 在热电偶温度变送器中采用了集成线性电路，使变送器的输出电流或者输出电压和被测信号成线性关系。

C. 线路中采用了安全火花防爆措施，故可用于危险场合中的温度变送。 热电偶的热电势与调零调量程回路的信号和非线性反馈回路的信号进行综合后，输入放大单元进行处理，变送器输出为4-20mADC或l-VDC标准统一信号。

方案二 利用热电偶和XTR100组成温度变送器

集成电压/电流转换器XTR100在工业系统中，常要求在输入电压为零时输出为4mA，满量程时为20mA，通常由外接电阻Rs设定。

热电偶和XTR100组成温度变送器如图3.8所示。

图3.8 热电偶和XTR100组成温度变送器

3.2 冷端温度测量

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在本项目中，考虑到冷端温度测量的各种局限性，比如安装位置倾斜，空间狭小，环境压力偏高，现场环境恶劣等；可以使采用贴片式pt100 (ALT-PT100或STT-F系列)，其测温范围，精度完全满足项目要求，且价格便宜。通过检测六面体液压机的顶锤侧表面温度，再根据经验公式（通过大量现场试验获得）得到顶锤表面温度，从而对热端温度---叶腊石块中心金刚石应变片的温度进行补偿。

ALT-PT100贴片式温度传感器

ALT-PT100贴片式温度传感器主要用于测量物体表面的温度，贴片式温度传感器通过螺钉或其它固定方式将传感器贴在物体表面，实现较理想的测温效果。贴片式温度传感器和被测物体接触面积大，接触紧密，所以在一些表面温度测量方面具有比较明显的优势：测温准确性高、反应速度快，体积小方便固定安装。

金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。 技术参数：

铂热电阻：Pt100、Pt500、Pt1000 测温范围：（-200～400）℃ 精度等级：A级±（0.15+0.002|t|）℃ B级±（0.30+0.005|t|）℃ 注：|t|为实测温度的绝对值。 公称压力：常压 产品外形及结构图如图3.9所示

图3.9 贴片式pt100

测量电路的设计

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测温电路的原理图如图3.10所示：

图3.10 测温电路

传感器的接入非常简单,从系统的 5V 供电端仅仅通过一支 3K92 的电阻就连接到 PT100 了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是由于有了单片机的软件作为后盾,可以用软件的方式来实现补偿，因此就简化了传感器的接入方式。

按照 PT100 的参数,其在 0℃ 到 500℃ 的区间内,电阻值为 100 至 280.9，按照其串联分压的揭发，使用公式:Vcc/(PT100+3K92）* PT100=输出电压（mV），可以计算出其在整百℃时的输出电压。

测量误差

铂电阻传感器的稳定性

铂电阻传感器有良好的长期稳定性,典型实验数据为：在400℃时持续300小时,0℃时的最大温度漂移为0.02℃。 铂电阻的自热和测试电流

常规产品的测试电流:Pt100为1mA, Pt1000为0.5mA,实际应用时测试电流不应超过允许值，例如Pt100当测试电流为1mA时，温升为0.05℃; 当测试电流为5mA时，温升为2.2℃,并且自热温升的数据同产品的结构也有很大的关系，如保护管的直径，内部填充物的种类，测试条件等。

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四、内腔压力测试系统

腔体内压力采集模块测量原理是根据锰铜丝所处环境的压力变化引起测压丝应变，导致其电阻变化，然后利用恒流电流源提供恒定的电流，使锰铜丝上通过恒定的电流，因为电阻随压力的变化，所以锰铜丝两端的电压也随压力变化而变化，所取的信号即是压力信号曲线和测压丝两端的电压信号曲线。

压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。压阻效应的强弱可以用压阻系数π来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。锰铜丝具有灵敏度高，响应快，线性较好，电阻温度系数小等特点，非常适合于制作超高压力传感器。

腔体的压力在3GPa以下时，锰铜丝的电阻和腔体的压力会保持一种近似的线性关系，锰铜丝的电阻会随着腔体压力的增大呈近似线性增长的趋势。所以在实验中，采用Bi、和Ag的相变点和锰铜电阻结合标压法，对腔体的实际压力进行标定。

由于Bi、Ag会随着压力的逐渐增加而发生相变，电阻也会发生突变，而且它们的相变点已经被前人标定，所以首先利用它们的相变点标定油压和实际腔体压力的关系。而锰铜丝的电阻随着压力的增加近似线性增加，所以使用锰铜丝作为标压物质。首先采用Bi、Ag的相变点确定的油压(0—400吨)和实际压力(0—12GPa)的关系对锰铜丝的相对电阻和实际压力(0～21GPa)的关系进行校准，最后根据锰铜丝相对电阻的变化，对油压和实际压力的关系进行标定。 方案一 常温常压下测压

在实验中，腔体的实际压力首先由Bi I-Ⅱ2.55GPa，，Bi III-Ⅳ7.7GPa的相变点标定； 将Bi丝(约长2mm，直径0.1mm)放置在待测点，由铜片作为导电电极引出腔体中的电流信号。

在压力标定实验中有几个较好的相变点：Bi I-Ⅱ2.55±0.006GPa, Bi III-Ⅳ7.7GPa，腔体实际压力和油压的关系的校准就是基于这几点，可以得到腔体压力和油压的关系。在实验中，使用的锰铜电阻丝长8mm，直径0.1mm，电阻率0．05886Ω／mm，其化学组成成分：铜84％、锰12％、镍4％。由铜片引入恒定电流通过Bi丝、银丝及锰铜丝并引出电压信号，以测量高压下标压物质的电阻变化。 方案二 高温下用银测量压力

通常，各材料的融点都随压力有所不同，即相变点由压力不同而有变化。银

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的融点是961.78℃，满足测试要求，可以银的融点对压力的依赖关系作为标准，由融点的测量而定出相应的压力。

可以把银片放置在金刚石液压机内，六个方向给定一个稳定的液压，然后把液压机内的温度逐渐升高，观察银片是否达到融点。通过不同的测量数据绘制出银的融点与压力的关系曲线，从而达到通过由银的融点测量而定出相应压力的目的。(注：对温度的控制可以通过温度检测系统得到实时数据并进行精确地控制。) 测量电路：

采用直流恒流源测量标压物质的电阻，其测量思路为：由直流恒流源电流通过电阻，经信号调理后进行信号采集，然后输出显示。测量的框图如下图4.1所示。

恒流源锰铜丝（待测电阻）放大电路A/D转换电路C2051单片机 图4.1直流恒流源测量原理框图

由于直流恒流源电流较小，而要测量的电阻又是μΩ级，信号电压就可能淹没在噪声中而无法提取，所以先应进行恒流源扩展，使其大到信号能提取出来。因为在小电阻上提取出来的信号很小，且包含噪声干扰信号，所以要把该信号进行调理，主要是对提取出来的信号中有用的信号进行放大的同时，抑制噪声干扰信号。因为小电阻测量要求放大器的分辨率高、线性度好、输入阻抗高、漂移低、抑制噪声和抗干扰能力强，为此必须使用测量放大器对信号调理中的信号进行放大，然后进行信号采集和转换，最后显示测量结果。

为了提高测量准确度，A/D转换器的位数很重要，它决定了电压的分辨率。而整个系统的误差决定电路应采用的形式。由图可知，系统的误差主要由量化误差及模拟误差组成，即由A/D转换的量化误差、放大器等的非线性误差组成的量化误差及由恒流源精度、温漂及增益误差组成的模拟误差构成。当然也要考虑噪声和外部干扰对测量的影响。因此恒流源和放大器的性能非常关键。为了提高测量准确度，还应使用计算机硬件和软件进行滤波，信号在A/D转换之前应先通过有源低通滤波器滤除所有交流干扰，再用软件进行数字滤波，进一步提高抗干扰和噪声的能力。

当精密恒流源扩展到1到10A准确度为0.05％，A/D转换器为16位、放大器放大100倍时，直流恒流源测量小电阻的范围为0.1μΩ到20Ω，准确度可达

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0.05％。

4.1 恒流源扩展电路

图4.2 精密扩展恒流源电路

4.2 信号处理电路

由于恒流源输出的电压信号很微弱，需要测量放大电路将其放大，信号处理电路如图3所示。AD620是目前应用比较广泛的精密仪表运放，运放的增益可方便调节，只需在1、8脚外接一个可变电阻Rg，运放增益由G=l+49．4kΩ／Rg确定。AD620的5脚接不同的参考电压，能对输出信号起到平移的作用。通过双运放TL2372产生1V的参考电压Vref加载到AD620的5脚，则输出电压：

Uout=(Uo+-Uo-，)×G+Vref

其中Vref =1V，调节滑动变阻器R7使运放增益G=20。

在AD620的输出端接一个2.4V的稳压管，防止运放输出电压过高损坏单片机的A／D转换器。

图4.3 信号处理电路

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五、基于单片机的数据采集系统

数据采集系统的结构框图如图5.1所示。温度，压力传感器检测到的模拟信号值，分别通过信号调理电路后，由AD转换芯片转化为数字信号送给单片机。单片机对采集到的信号进行数字滤波，以及软件补偿等措施，确保采集到的信号的准确性以及精确度。最后将经过处理后的信号值通过RS485接口传输到上位机。同时在液晶屏上实时的显示数据，方便工作人员进行观测。

冷端温度信号RS-485通信接口上位机液晶显示电路热端温度信号转化模块ADSTCC52RAM/ROM扩展压力信号 图5.1 数据采集系统结构框图

电源时钟模块数据采集系统系统采用STCC52单片机作为主控芯片，是一款低功耗，高性能的8位微控制器。由于其抗干扰性好，可靠性高，在工业控制领域使用比较广泛。在本项目中，被测对象的工作环境复杂，干扰源很多，因此选用了这款单片机。

为了提高信号的精度，采集系统将采用数字信号处理技术对采集的信号进行处理，需要进行大量的数据存储以及程序存储。因此，需要对单片机的RAM（数据存储空间），ROM（程序存储空间）进行扩展。

为了确保单片机正常工作，需要有一个稳定的供电电源模块，以及时钟振荡，复位电路等基本模块。

液晶显示模块可以根据用户需要进行扩展。可以实现显示实时数据，或者信号波形等功能。

A/D转化模块采用的是TI公司的ADS1178，这是一款8通道16位同步采样模数转换器，最高采样速率为52kS/S ，其带宽达25 kHz，具有97 dB的信噪比

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和一105 dB的总谐波失真。在正常工作时每通道的功耗只有31mW，支持8路通道同时采样，并将数据依次连续地送上数据总线；在满足实时同步采样的同时，还具有52 kbps的转换速率。该芯片主要应用于三相交流电的实时监测、心电图监视器、质量流量计、振动系统的模态分析实验设计，同时还支持SPI和帧同步两种数据传输格式，并支持A/D间的级联。

通信模块采用的是RS—485方式，将在下一节给出具体方案。

六、通信系统

RS-485串行总线接口采用平衡发送和差分接收的方式进行数据通讯，较RS-232提高了抗共模干扰能力和传输距离，其在适当的波特率下通讯距离可以达到1000M以上。RS-485总线可用于多个带有RS-485接口设备的互连，以实现数据高速远距离传送，其连线十分方便，鉴于以上优点，RS-485总线在工业控制现场得到了广泛的应用。

本系统采用一台PC机作为上位机，下位机由若干台STCC52单片机担任，系统原理图如图6.1所示

图6.1 通讯接口系统原理图

上位机的RS-232串行口通过RS-232/ RS-485转换器转换为RS-485总线,各下位机通过MAX485芯片连接到总线上。各个下位机设有自己惟一的地址，且下位机之间不能通讯，一切通讯受上位机控制。开始时，所有下位机都处于监听状态，等待上位机发出指令。当上位机发出指令时，所有下位机都接收并且将其中的地址帧与自己的地址比较，如果相同则继续接收后面的指令或数据，若不同则不予理睬。

单片机的RS-485接口电路原理图如图6.2所示，RS-485的A、B为总线接

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口，DI是发送端RO是接收端，RE、DE为RS-485收发使能端，由单片机的P2.7口控制。

图6.2 单片机的RS-485通讯接口原理图

七、上位机软件设计

7.1结构设计

本系统中涉及到较多的参数和控制方试，因此图形界面也较多，在编程的时候要首先理清各图形界面之间的层次关系。下图给出了显示界面之间的相互层次关系。

图7.1 结构框图

7.2 数据存储

使用数据库可以方便地实现数据的存储、管理和条件查询。LabVIEW可以通过LabSQL工具包实现对数据库的访问。LabSQL工具包是基于ADO技术的免费数据库访问工具，用户只需要调用封装好的VI(LabVIEW中的程序称为VI)，不需

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要从底层开始编程，使用LabSQL工具包可以节约开发时间和成本。数据库采用了Microsoft Access数据库，Access利用面向对象的方式将数据库系统中的各种功能对象化，将数据库管理的各种功能封装在各类对象中，使开发应用程序更为简便。

LabVIEW调用LabSQL工具包，实现对Access数据库的操作过程包括4个步骤：创建与ADO的连接，制定并打开数据源，对数据源执行读写操作，关闭与数据库的连接。该系统没计了数据保存VI和查询VI，数据保存VI记录了从PLC读取的各项数据和采集时间，查询VI用于根据条件从数据库提取相关历史记录，并在前面板上显示。 7.3 数据采集

由于本文需要对数据采集进行更多的控制，所以本文采用程序代码设计数据采集应用程序。由于本文的监测对象较多，为减小误差，因此采用多通道多点采样。多通道多点采样就是一次由多个通道各采样多个数据。 7.4 LabVlEW程序前面板设计

设计前面板主要将各模块集成，便于调用。系统运行主界面(前面板)如图7.2所示。主界面包括通信串口参数配置、实时数据显示及实时曲线显示部分。 串口配置用于上位机与下位机通信参数的设置，为了调试方便而放在了主界面中。为了便于说明，本设计系统设为四路数据采集系统，若要扩展输入通道数量，可以在此基础上类推。数据显示用于显示各路数据实时数值，实时曲线用于显示各路数据的实时曲线。

图7.2 系统运行主界面

7.5LabVlEW串行通信功能模块

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LabVIEW的函数库中提供了串口通讯函数，可用来设计单片机与PC机的

串口通讯。在LabVIEW功能面板的Instrument I／O>serial目录下，包含串行通信所需的集成模块。利用这些模块，可以非常方便的设计出基于串行通信的测控系统。需要注意的是，在使用这些模块之前，需安装光盘上的VISA驱动程序；也可从NI公司的网站免费下载最新VISA驱动程序。下面介绍一下本系统要用到的串行通信模块。

1）VISA onfigUre Serial Port。用于初始化所选择的串行口。其中VISA resource name用于选择所用到的串行口，PC机中常用到的串口号分别用COMl和COM2表示。 Flow control用于设置握手方式，buffer size用于设置缓冲区的大小。Baud rate，data bits，stopbits，parity分别用于设置串行通信的波特率，数据位长度，停止位长度，校验方式。

2)VISA Write。用于将write buffer中的字符写到VISA resource name指定的串行接口中。

3)VISA Read。从ⅥSA resouree name指定的串行接口中读取规定字节数的数据，并将这些数据传递给read buffer。Byte count用于设置要读取的字节数。

4)VISA Close。用于关闭VISA resource name指定的串行口，让出串行口的使用权。

7.6 实时数据处理与显示

数据处理模块主要是将从下位机读取来的数据进行处理，以便于实现实时显示功能。数据处理模块包含数据格式转换、数据分离及数据的标度变换。

从VISA resource name指定的串行接口中读取出来的数据，是一系列的字符串数据。若在此处加一字符串显示器可以看到的是一组字符数据。因此必须将其进行格式转换。由于所传输的是多路数据，需要将其分离开来。本系统采用了公式节点来进行标度变换。

LabVIEW提供的图形显示控件，一类为事后记录图(Graph)，即全部测量数据一次显示完成；另一类称为实时趋势图(Chart)，即新接收数据点要接在原有波形的后面连续显示．但Chart方式只能显示单变量随时间变化的趋势(横轴是time或等间隔采样序号)．对于显示Y值随X值变化的曲线，XY Graph控件比较适合，但它是一种事后记录图，在用作实时趋势显示时，可采用循环结构。串口每读进一组数据程序循环一次。

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