電纜模擬壓痕裝置的設計與實現

張 躍, 高雁鳳, 許 睿, 史昌鑫

(中國計量大學 機電工程學院, 杭州 310018)

0 引言

高溫壓力試驗是電纜檢測中常見的檢驗項目,旨在檢驗電纜絕緣層在一定溫度下受外力變形,并在溫度降低、除去外力后電纜絕緣層恢復原有形狀的能力。 目前,國內電纜高溫壓力試驗方法按照GB/T 2951.31—2008 執行,將電纜試樣放在支架上,試樣上負重矩形刀片,刀片上裝載對應電纜外徑的砝碼,隨后將支架置于空氣烘箱中,待規定熱老化時間結束并冷卻后進行試驗。 當試樣外徑小于6 mm 時,試驗人員以刀片沿垂直軸向方向切取兩張薄片,然后分別測量凹痕點及臨近點的厚度,兩值之差即實際凹痕的深度; 當試樣外徑大于6 mm時,試驗人員從電纜壓痕最深點沿軸向切取一窄條薄片,再測量凹痕中心點及未壓處連線的距離[1]。

上述測試過程及方法,存在以下問題:①人工切片難以實現精細化測試,試驗結果較為離散[2];②測試過程時間跨度大,需要長時間的試驗準備和切片處理;③窄條法中壓痕測量選點較為困難。 由此分析,試驗的結果較為依賴試驗人員的操作經驗和操作手法[3]。

本工作設計了一款電纜壓痕模擬裝置,包含了對壓痕深度的測量和對試驗過程中水平度的監控,實現了高溫壓力下的精細化測量,能夠較好地解決人工加壓、人工切片誤差大和離散性較大的問題。

1 系統整體方案設計

1.1 整體結構設計

電纜壓痕模擬裝置基于STM32 單片機開發,是集載荷計算、平衡測試、環境信號采集等為一體的數字控制系統。 具體功能如下:系統上電后,用戶將待壓電纜放入夾具,然后通過顯示屏輸入電纜相關參數,由單片機計算出去皮后的砝碼重量,并于顯示屏顯示,等待用戶加載砝碼;隨后,超聲波傳感器開始工作,確認下刀是否平衡,若不平衡,返回報警,重新調整砝碼至平衡;最后,容柵傳感器開始測量壓痕深度。 系統流程圖見圖1。

圖1 系統流程圖

系統裝置由下列模塊組成:STM32 單片機、顯示模塊、載荷模塊、夾具模塊、測平模塊和測距模塊。裝置按照GB/T 2951.31—2008 中的高溫壓力試驗相關規定進行設計。 將以上設計進行組合,得到的系統平臺示意圖見圖2。

圖2 系統平臺示意圖

1.2 夾具設計

電纜經過加壓產生壓痕,會因為受力問題對試驗數據產生影響。 本工作改進了現有的電纜壓痕檢測夾具,保障了試驗數據的準確性。

傳統的檢測夾具主體大多為V 型,兩側面設有矩形槽。 將校直后的電纜試樣放在V 型槽中,兩端通過扎帶穿過矩形槽將電纜試樣固定在夾具上[4]。但是,不同的電纜在V 形槽內放置時,其底部均處于一個懸空狀態,易造成電纜在受力時發生彎折,產生兩邊的形變,從而對測量結果造成一定的影響。

對此,本工作設計了一種用于電纜的耐久老化測試用夾具。 該夾具通過彈簧驅動的夾塊夾住電纜,并給予電纜一個向下緊貼平面的力,夾塊由平臺上的軸與限位孔進行限位,夾塊內側的齒條與平臺上的齒輪耦合,確保兩個互相夾緊的夾塊相對于平臺完全對稱。 此外,該夾具可對多根電纜同時進行試驗,在擴展了試驗電纜數量的同時,也可使得刀具在下壓過程中更好地保持水平。

1.3 測試傳感器的設計

1.3.1 容柵測距模塊

為測量電纜加壓產生壓痕的深度,本工作采用容柵傳感器進行測距處理。 優點為:設計的相位差信號檢測電路可以在較寬頻率范圍內對相位差進行檢測,更易實現單片機對容柵傳感器輸出信號的處理;硬件結構簡單、工作可靠,有良好的測量精度和靈敏度。

容柵傳感器是基于變面積工作原理的電容傳感器,其電極的排列如同柵狀,相當于多個變面積型電容傳感器的并聯,具有可以將信號進行放大、濾波、調制解調等一系列的功能。 該模塊是將測得的信號轉換為能夠被采集模塊識別處理的模塊。 本工作將容柵傳感器直接安裝在刀頭的連接件與底座的側邊上,通過限位裝置實現兩者自由度的限制[5]。

容柵傳感器的定柵固定在底座的側面,并保持垂直狀態,再將定柵芯片與液晶屏、處理器、電池進行封裝,同時取代刀頭側面的一個連接件,保持定柵與動柵之間的接觸與平行度。 通過以上步驟,就可以實現對刀頭下沉距離的測試。 由于定柵與動柵之間的摩擦力極小,小于國家標準規定的3% 的誤差,因此,在試驗中可以忽略。

試驗過程中,對電纜進行夾持,并在安放刀頭后對容柵測距模塊進行調零,置于烘焙箱,4 h 后顯示屏上的示數即為電纜的壓痕深度。 通過游標卡尺直接測量電纜整體直徑與導體直徑,計算得到電纜的絕緣層厚度。 最后,將壓痕深度除以絕緣層厚度就可以得到壓痕的深度比。

相比于傳統的光學切割觀測,利用容柵傳感器直接測量可大大減少后續的工作量。

1.3.2 超聲波測平模塊

超聲波擁有良好的穿透能力與導向性,在空氣中能夠沿特定方向傳播。 除此之外,超聲波波長較短,衍射能力差,因此,超聲波具有優秀的直線傳播能力與反射能力。

本工作中安裝型號為HC-SR04 的超聲波傳感器,以保持試驗臺與地面平行,從而滿足下刀時保持水平的條件,在人工切片檢測上進一步提高精度。

本工作將兩塊HC-SR04 超聲波模塊的輸入端與輸出端分別接入單片機。 然后,由單片機發送一個脈沖信號激活傳感器,傳感器激活后發射超聲波,經過空氣和試驗臺兩次反射,接收器得到兩個脈沖,傳感器返回兩個高電平來確定往返的時間,即可精確得出兩端的超聲波傳感器各自與反射板之間的距離。 最后,通過對反射板兩端兩個超聲波傳感器所得數據進行對比,即能實時確認刀頭的垂直度是否符合要求。

1.4 人機交互設計

人機交互模塊可通過編寫程序實現。 顯示屏和主控的通信交互程序為:通信程序根據顯示屏返回的數據確定電纜參數并進行相關計算;另外,主控將試驗的理論計算壓力、實時壓力和溫度數值發送至顯示屏。

2 系統測試與分析

2.1 測試準備

試驗樣品采用型號為60227 IEC 01(BV)3 mm2的電纜,其絕緣層材料為聚氯乙烯(PVC)。試驗截取多個長度為300 mm 的樣品段,并將其均分成長度為100 mm 的3 小段,作為高溫壓力試驗的試樣。 然后,將電纜數據輸入顯示屏,由系統計算出電纜試驗所需的理論壓力,在去除刀具所在模塊的質量后,加入一定質量的砝碼,調整刀具至水平位置。 其中,按照GB/T 2951.31—2008 規定的方法,將理論壓力換算為整數,舍去值不超過3%。

2.2 不確定度分析

對超聲波傳感器和容柵傳感器所得數據的不確定度進行分析,檢測試驗所得數據的可靠性。

在求解試驗數據標準差時,因為真實值未知,使用平均值代替真實值,即依據殘余誤差求解標準差[6]。 標準偏差計算為

式中:S為標準偏差,cm;x為測量數據,cm;x-為測量數據的平均值,cm;n為測量次數。

2.2.1 不確定度A 類評估

根據數據統計分析,儀器產生的制造誤差的標準不確定度等同于系列觀測值獲得的標準偏差。 不確定度計算為

式中:u為重復性不確定度,cm;n為測量次數。

2.2.2 不確定度B 類評估

當測量數據x落在(x-a,x+a)區間的概率為1 時,服從平均分布[6],其不確定度分量計算為

式中:a為分辨率的1/2。

合成不確定度的計算為

式中:U為合成不確定度;k為1 或2;i為自然數。

2.3 測距模塊試驗與分析

為驗證容柵測距模塊測試的可靠性,通過記錄標定檢測器具千分尺測量的實際數據和容柵測距模塊的測量數據,計算容柵測距模塊測量數據與實際數據之間的誤差。 經過5 次測量試驗,其測量數據及誤差見表1。

表1 容柵傳感器的測量數據與誤差

由表1 中試驗數據可以計算得出千分尺和容柵測距模塊對壓痕深度測量的平均值,分別為0.432,0.436 mm。 容柵測距模塊測量數據與實際數據之間的誤差平均值為1.02%。

容柵傳感器主要應用于數顯游標卡尺,其最小分辨率約為0.001 mm,誤差主要來自動柵的制造誤差、定柵的刻度誤差、裝配時產生的機械誤差和環境誤差。

動柵的制造誤差主要來自刻劃誤差,刻劃誤差主要來自生產工藝的不同,屬于A 類不確定度[7],滿足公式(1)。 將裝置測量數據x及其平均值x-,代入公式(1),求得標準偏差S為0.007 3 mm,再將S代入公式(2)得到容柵傳感器的重復性不確定度u11為0.003 27 mm。

容柵傳感器的定柵誤差受動柵的制造誤差影響,其測量數據x落在(x-a,x+a)區間的概率為1,服從平均分布,滿足式(3)。 將a=0.000 5 mm 代入式(3),求得u12為0.000 29 mm。

加工產生的裝配誤差由儀器制造廠給出,儀器的不確定度u13為0.001 2 mm;環境誤差主要受到溫度的影響,熱膨脹系數會影響標線的準確性,引入熱膨脹系數,查文獻可得環境不確定度u14為0.006 67 mm;

將u11、u12、u13和u14代入公式(4),求得合成不確定度為0.007 53 mm,試驗數據可靠性較強,容柵測距傳感器可用。

2.4 測平模塊試驗與分析

超聲波測平模塊中超聲波傳感器的距離為115.0 mm,預設刀頭兩側的偏離值為3 mm,理論最大偏離角度為±1.49°。 以超聲波測平模塊為基準,偏轉被測平面,測試試驗過程中觸發警報的偏轉距離。 試驗不考慮溫度變化與人為操作的誤差,僅討論校準的重復性和分辨率限制兩個因素。 經過5 組測試試驗,每組試驗測量4 次,并取其平均值,得到超聲波傳感器測量平均值及標準差,見表2。 根據表2 中數據對超聲波傳感器進行不確定度分析。

表2 超聲波傳感器的測量數據與標準偏差

由表2 可知,當測距距離為16 cm 時,標準差最小,精確度最高。

影響超聲波傳感器(最小分辨率為0.1 cm)不確定度的誤差主要有傳感器自帶的制造誤差和傳感器自身分辨率的限制等因素。 超聲波自帶的制造誤差受重復性影響,屬于不確定度A 類評估,滿足公式(2)。 將表2 數據分組代入公式(2)求得5 組u21,分別為0.086 6,0.040 8,0.028 9,0.040 8,0.047 7 cm。 超聲波分辨率誤差的估計值服從平均分布,滿足公式(3),將a=0.05 cm 代入公式(4),求得u22為0.028 9 cm。

分別將5 組u21和u22代入公式(4),最終得到測距距離為10,13,16,19,22 cm 時的合成不確定度,其計算結果分別為 0.091 7, 0.049 0, 0.041 0,0.049 0,0.056 4 cm。

綜合對比表2 中數據可知,在測距距離為13 ～19 cm 時,試驗數據可靠性較強,超聲波傳感器可用。

3 結束語

本工作基于GB/T 2951.31—2008 設計了一款模擬高溫壓力試驗裝置,系統地介紹了電纜模擬壓痕裝置的設計,并完成了對其不確定度的評估。 通過對裝置設計和試驗數據的分析及處理,實現了動化。 相對于人工檢測,電纜模擬壓痕裝置檢測成本較低,時間較少,操作簡單且檢測精度更高。 就模擬高溫壓力試驗而論,并未完全實現高溫壓力過程,這是考慮到目前并未有完整的自動化檢測設備,直接實現高溫壓力試驗的全過程較為困難。 但是,本裝置在部分程度上推進了高溫壓力試驗自動化檢測裝置實現的可行性。

綜上,本工作設計并實現了一種電纜模擬壓痕裝置的測試系統,為線纜產品的檢測提供了一個科技化的方向。 利用科技進步來代替傳統的手工檢測,具有重要的現實意義。