本文針對在電鏡中使用的拉伸臺所設計的一套控制系統，包括硬件和軟件兩部分，其中硬件包括：電機驅動以及力、位移傳感器信號的預處理和采集。本系統所用的拉伸臺具有尺寸小、行程短、提供的載荷大以及運動精度要求高的特點。通過對力、位移傳感器信號進行一定的預先處理，利用 LabVIEW 軟件通過采集卡進行采集、處理之后實現初始信號的實時顯示、保存；同時通過一定的反饋調節實現對拉伸臺的控制。

一、 拉伸臺結構

拉伸臺技術指標如表 1 所示，系統中的拉伸臺是置于電子顯微鏡中，用于支撐、固定試件，并通過拉伸臺的水平運動實現對試件的加載，從而使電子顯微鏡能夠觀察到材料的變化；

該拉伸臺具有尺寸小、行程短、提供的載荷大和運動精度要求高等特點。

如圖 1 所示，拉伸臺由位移、力傳感器夾具傳動裝置和電機等構成；其中包括傳動裝置

和夾具在內的拉伸臺主體采用不銹鋼材料。

在傳動裝置中采用齒輪副實現變速功能，為保證運行過程中的精度，其中齒輪加工的精度較高。

為了節省空間，將夾具通過螺紋與絲杠連接，實現夾具的聯動。同時，還設計了試件的夾具，用于固定試件和安裝傳感器，其中傳感器固定在槽的四壁。通過夾具前端的回形槽和螺釘孔實現固定試件，通過沉孔固定夾具。

二、控制系統硬件介紹

在對試件進行加載的過程中，要求能夠對試件受力的實時監測以及對拉伸、壓縮速度的控制，所以需要采集力傳感器和位移傳感器的信號，同時控制電機的轉速。

2．1 信號采集卡

本系統采用的是恒凱 USB6202 數據采集卡，包含 32 路模擬輸入通道、4 路模擬輸出，16 位分辨率；48 條數字 I／O 端口；用于采集力、位移傳感器的信號同時輸出電機驅動信號。

2．2 電機驅動模塊以及信號處理模塊

本系統所使用的電機是 FAULHABER 公司的 2642CR 系列直流電機，額定驅動電壓是 12V，其兩端壓差由驅動模塊輸出信號控制，驅動模塊輸入信號由 USB6202 采集卡產生電機驅動采用的是雙 675 運放差動放大電路，采用差動電路是為了能夠有效屏蔽共模信號。電路圖如圖 3 所示，經標定，輸出電壓與輸出電壓呈現較為精確的線性關系，標定數據一次二次的擬合結果誤差均小于 0．5％。

由于位移信號的范圍與采集卡的采集端輸入范圍不匹配，對于位移信號，通過將其移位、放大的方式使其能夠完整地利用采集卡的輸入范圍；另一方面為了能夠監控整個拉伸臺行程的傳感器信號，同時更有效地處理拉伸臺有效行程的傳感器信號，設計了兩路移位放大但具有不同放大倍數的電路來實現上述功能。由于力信號比較微弱，力傳感器采用的是電橋電路，同時設計一個可調電阻，保證對試件加載前力信號輸出為零。如圖 4 所示。

三、考慮到人機交互界面的設計和控制系統本身硬件的需求，本系統的軟件設計平臺是LabVIEW，從功能上來說，本控制系統主要分為以下幾個部分：

3．1 電機驅動程序

電機驅動程序的功能主要是控制 USB6202 采集卡輸出電機驅動電路的輸入信號，從而控制直流電機和拉伸臺的運動過程。

驅動過程：于前面板操作時控制實際直線運動速度，在程序內部通過位移傳感器標定數據將其轉化為直流電機兩端電壓，再通過電機驅動電路輸入輸出標定結果，將其轉化為驅動電路的輸入，最終控制采集卡輸出。

3．2 信號采集和處理

整個控制系統最重要的就是對于位移、力信號的采集和處理。在 LabVIEW 中提供專業的數據采集和輸出模塊 DAQmx，在本系統中，采用多通道同時采集的模式，采集力、位移傳感器的信號，針對存在的噪聲等干擾信號，采取平均法，取一定時間內的采樣數據求取算術平均值，作為樣本。

在采集過程中，可以通過程序實現對采集過程的控制：控制是否采集、采樣周期的調整和采樣結果顯示圖像的調整。

是否采集以及采樣結果顯示圖像的調整，LabVIEW 能夠很簡單地實現。

由于 LabVIEW 本身的局限性，如果直接調整采樣周期，可能會導致程序運行的不暢，甚至會出現錯誤，因此采用間接調整的方法。調整程序如圖 6 所示。

程序內部預設了采樣頻率 1000Hz，采樣數為 20，即每秒鐘采 1000 個點，每 20 個數據輸出一次。如果外部設置采樣周期為 500ms，即原來的每秒 50 數據輸出變為每秒 2 組數據輸出，則用程序控制每 25 組數據輸出 1 組即可。數據采集完成之后，則可以通過力、位移傳感器的標定結果轉化為原始數據，利用LabVIEW 本身自帶的 PID 和模糊邏輯工具包實現其速度控制和調節。

3．3 數據保存和導出

在實驗完成之后，如果想要保存實驗數據和顯示的圖像，可以通過“保存文件”功能分別保存為以 txt 和 bmp 為后綴的文件，在保存的文件中還會包含實驗的一些基本設置，包括采樣周期、試件的尺寸等；同時如果想打開之前保存的文件，也可以通過主程序來完成，保存的上述數據也會加載進來。

如果想要將多次實驗的數據和圖像整理為一個報表的話，也可以通過主程序的“生成報表”功能來實現，通過依次添加數據和圖像文件來完成報表生成。

四、實驗結果

圖 7 和圖 8 為實驗結果，試驗中采用的試件材料為 42CrMo。

五、 結束語

針對提供的拉伸臺以及配套的位移傳感器和信號傳感器，本文設計了電機驅動和傳感器

信號處理硬件模塊；同時針對硬件設計了信號采集程序以及控制信號的輸出程序，在此基礎

上構建了控制系統的整體程序。通過實驗，系統完成控制和采集信號的功能并達到相應的精

度要求。