專利名稱：：流變儀控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及流變儀以及用于控制流變儀的方法。
背景技術(shù)：
：流變儀被用于研究材料的流動和變形。旋轉(zhuǎn)流變儀(rotaryrheometers)通常能在固定的底板(baseplate)和旋轉(zhuǎn)的上板(upperplate)之間夾持樣品。在一種類型的測量中，底部和旋轉(zhuǎn)的上部之間的間距保持恒定，而在另一類型的測量中，樣品上的法向力保持恒定。通常通過簡單的開關(guān)調(diào)制方法(on-offmodulationapproach)來實現(xiàn)法向力控制。圍繞期望的法向力環(huán)(normalforceloop)設(shè)置了上通帶和下通帶(upperandlowerpassbands)0設(shè)置簡單的步長和更新率并且該系統(tǒng)移動并測量，直到該力處于通帶中。然后斷開控制，直到看到該力移出通帶。
發(fā)明內(nèi)容在一個總的方面，本發(fā)明以一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀為特征，所述流變儀包括移動部分(mobilepart)，具有用于接觸所述樣品的接觸面；以及，固定部分(fixedpart)，具有用于接觸所述樣品的接觸面。所述流變儀還包括豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；以及，旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動。連續(xù)采樣的力控制器(continuouslysampledforcecontroller)用以(operativeto)，通過使用被提供至所述豎直致動器的連續(xù)控制信號，來控制由所述移動部分和所述固定部分施加在所述樣品上的力。在另一總的方面，本發(fā)明以一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀為特征，所述流變儀包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；以及，固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面。所述流變儀還包括豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；以及，旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動。豎直控制器用以控制所述豎直致動器，并且所述豎直控制器包括順應(yīng)性(compliance)控制邏輯，該順應(yīng)性控制邏輯用以校正所述流變儀中的順應(yīng)性誤差。在一些優(yōu)選的實施方案中，所述豎直控制器可以用以校正應(yīng)變儀中的順應(yīng)性誤差。在另一總的方面，本發(fā)明以一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀為特征，所述流變儀包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；以及，固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面。所述流變儀還包括豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；以及，旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動。豎直控制器用以控制所述豎直致動器，并且所述豎直控制器包括自適應(yīng)(adaptive)控制邏輯，該自適應(yīng)控制邏輯用以使它的控制適應(yīng)于所述樣品的至少一個性質(zhì)的變化。在一些優(yōu)選的實施方案中，所述控制器可以用以基于所述樣品的模量來使它的控制適應(yīng)。在另一總的方面，本發(fā)明以一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀為特征，所述流變儀包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；以及，固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面。所述流變儀還包括豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；以及，旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動。豎直控制器用以控制所述豎直致動器，并且所述豎直控制器包括可編程的(programmable)抗飽和(anti-windup)邏輯，該抗飽和邏輯用以，基于可定制的(customizable)位置-速度分布圖(profile)，來限制所述移動部分和所述固定部分之間的最大相對速度。在一些優(yōu)選的實施方案中，所述抗飽和邏輯可以用以生成線性分布圖。所述抗飽和邏輯可以用以生成指數(shù)分布圖。所述抗飽和邏輯可以用以將子分布圖(sub-profiles)組合為較大的分布圖。在另一總的方面，本發(fā)明以一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀為特征，所述流變儀包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；以及，固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面。所述流變儀還包括豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；以及，旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動。豎直控制器用以控制所述豎直致動器，并且所述豎直控制器包括慣性補(bǔ)償(inertialcompensation)邏輯，該慣性補(bǔ)償邏輯用以在所述移動部分的速度變化期間校正慣性效應(yīng)的力值(forcevalues)。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的優(yōu)勢可以在于，它們允許更精確的流變儀控制以及改進(jìn)的流變儀測量。圖1是示出了用于間距控制和法向力控制的旋轉(zhuǎn)流變儀的配置的框圖；圖2是圖1的流變儀的控制系統(tǒng)的框圖；圖3是圖1-圖2的具有順應(yīng)性和其他校正的流變儀的自適應(yīng)法向力控制的框圖；以及圖4是圖1-圖2的具有順應(yīng)性和其他校正的流變儀的間距控制的框圖。具體實施例方式參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的一種流變儀包括旋轉(zhuǎn)致動器，所述旋轉(zhuǎn)致動器被可操作地(operatively)連接至能移動的上部部分，例如上板。該上板和下板被一個用于測試樣品的間距分隔開。豎直致動器被可操作地連接至該旋轉(zhuǎn)致動器，且能隨該上板一起升起或降低該旋轉(zhuǎn)致動器，以控制該間距或者該間距中的樣品上的力。參考圖2，該流變儀的豎直致動器被豎直控制器控制。該控制器優(yōu)選地是采樣數(shù)據(jù)數(shù)字控制器(sampled-datadigitalcontroller)，不過也可以使用各種其他類型的公知的控制器，例如模擬控制器或者模糊邏輯控制器。該豎直控制器接收目標(biāo)間距信號，該目標(biāo)間距信號可以由用戶指定。它還接收來自安裝在該豎直致動器和/或該上部上的應(yīng)變儀(straingauge)的信號?；谶@些信號，該控制器生成豎直致動器驅(qū)動信號。該豎直控制器還可以包括數(shù)據(jù)輸出，該數(shù)據(jù)輸出可以提供額外數(shù)據(jù)(例如中間狀態(tài)數(shù)據(jù))，用于顯示或者進(jìn)一步的計算。該豎直控制器優(yōu)選地對應(yīng)變儀信號進(jìn)行連續(xù)采樣，從而允許它采用比例控制法(proportionalcontrollaw)來實現(xiàn)特定的受控制的法向力。這與現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)控制方法(on-offcontrolmethods)相比取得了顯著的改進(jìn)。現(xiàn)有技術(shù)的流變儀的開關(guān)控制可造成兩種影響。首先，所測量的力通常是鋸齒效果的且不太恒定。突然的移動可對正在運行的旋轉(zhuǎn)試驗造成不利影響，使其常常會在測量中的敏感點期間斷開。第二個問題是，除非這兩個板十分靠近，否則用戶可能必須使用傳統(tǒng)的間距控制來手動移近上部系統(tǒng)，然后等待法向力控制去“發(fā)現(xiàn)”樣品，這個等待的時間相當(dāng)不確定。如果樣品具有有限的壽命，或者如果樣品的性質(zhì)在幾秒鐘內(nèi)可發(fā)生顯著的改變，則這會尤其是個問題。對于短測試(shorttests)——其中快速接近樣品是能否做出合理測量的關(guān)鍵——例如發(fā)泡來說，這也會是個問題。該豎直控制器在實施其控制法(methodology)時可以接收樣品狀態(tài)信息、抗飽和分布圖、順應(yīng)性參數(shù)信息和/或慣性參數(shù)信息。這些中的每一個都允許該豎直控制器改進(jìn)其控制法。樣品狀態(tài)信息可被用于自適應(yīng)地控制該流變儀?；诒壤?積分-微分(PID)環(huán)，法向力(NF)需求(demand)和測得的力被饋入自適應(yīng)型控制器。對法向力的控制使得樣品中可以不存在移動著的幾何結(jié)構(gòu)，所以該力可以隨著碰撞(withimpact)快速變化。這可以通過使用受控制的間距算法并且檢測該力的階躍變化然后控制該力來確定，但是這可能會產(chǎn)生如下問題當(dāng)該控制環(huán)的預(yù)充量(pre-charging)與對該力的反作用之和增大時，沒有為碰撞留出合理的時間，使其不那么有用。一個較好的方法是使控制器一直運行，并且使控制器適應(yīng)有效的樣品狀態(tài)的改變。這更平滑和連續(xù)，并且還意味著控制器也將適應(yīng)樣品性質(zhì)的變化。但是這帶來的一個問題是，加載過程期間的輸出需求速度可能會以不受控制的方式增長。這需要由實際的工作條件來限制。對此的解決方案是，將最大速度饋入控制器以限制積分器，這個過程稱作抗飽和。該流變儀可以提供可編程的飽和分布圖。隨著板向下行進(jìn)，這可以將最大速度變化限制在預(yù)定范圍內(nèi)。示出的分布圖可以包括線性分布圖和指數(shù)分布圖。該系統(tǒng)還可以在總體分布圖的開始和結(jié)束處組合這些分布圖。因此，當(dāng)該幾何結(jié)構(gòu)(geometry)接近樣品時，用戶可以為最大速度指定一個線性分布圖，然后指定一個指數(shù)分布圖，反之亦然。也可以指定其他組合，例如線性/線性或指數(shù)/指數(shù)。該系統(tǒng)的控制本質(zhì)上來說是壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力測試。因此控制參數(shù)是材料的模量(modulus)。材料的模量可以是從空氣(在空載情況下，模量是零)到固體材料的任何模量，因此需要適應(yīng)。對于高模量的材料，該儀器的順應(yīng)性可以起到作用。控制器必須適應(yīng)該系統(tǒng)的順應(yīng)性，以確保受控制的間距或所報告的間距(在力控制的情況下)總是正確的。如果該系統(tǒng)的順應(yīng)性可以顯現(xiàn)為可重復(fù)的(I^peatable)，則它可以作為控制法的一部分被校正?？梢允褂煤唵蔚脑鲆婧脱a(bǔ)償(offset)校正，或者在適當(dāng)時使用更高階的校正，來校正系統(tǒng)順應(yīng)性。通常的系統(tǒng)順應(yīng)性是幾十微米的數(shù)量級，因此除非間距顯著小于1mm，測量中的誤差都會小于1%。順應(yīng)性校正還可以以迭代方法實施，但是可以開環(huán)地施加至所報告的間距，并且在間距控制模式下該環(huán)可以閉合以校正期望的間距。在法向力控制模式下該順應(yīng)性校正是開環(huán)的，因為受控制的參數(shù)是法向力而非間距。圖3示出了自適應(yīng)法向力控制方法的圖，圖4示出了間距控制的圖。間距分布圖允許以更受控制的方式接近樣品，并且還允許該系統(tǒng)保持在發(fā)動機(jī)的實際工作限度內(nèi)。這樣做的效果是使該系統(tǒng)以受控制的速度接近樣品，從而防止出現(xiàn)太多可能會影響未來樣品性能的沖擊力。目的可以是測量材料的壓縮性能或拉伸性能，或者僅僅是在執(zhí)行一些其他處理之前進(jìn)行樣品加載。對于通常的處于壓縮下的樣品，該力隨著間距的減小而指數(shù)地上升。在受控制的壓縮應(yīng)力測試中，通過控制法向力，樣品面積增加，所以該應(yīng)力對數(shù)地下降，造成該間距的變化率變慢。在真實的受控制的法向力實驗中，這意味著，之前所描述的開關(guān)控制將不能很好地工作。通過使用自適應(yīng)反饋控制，該間距隨時間的變化率被連續(xù)地控制，給予了平滑穩(wěn)定的法向力(在該系統(tǒng)的噪聲下限(floorconstraints)內(nèi))以及更平滑的隨時間連續(xù)指數(shù)衰減的間距。另一個實際的應(yīng)用是在拉伸測試期間。在這種情況下，材料的拉伸模量在線性區(qū)域期間將是高的，于是可以顯現(xiàn)出塑性破壞(plasticfailure)，給予了延展拉伸(ductilestretching)。為了恰當(dāng)?shù)啬M后一階段，要求對該材料的變化著的效應(yīng)進(jìn)行快速控制。當(dāng)該系統(tǒng)加速時，法向力呈現(xiàn)出力誤差(forceerror)，其與所加載的系統(tǒng)的質(zhì)量成比例?？諝廨S承和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子(torquerotor)以及該幾何結(jié)構(gòu)都是該系統(tǒng)的重量的一部分。當(dāng)該系統(tǒng)加速時，在應(yīng)變儀上測得了與負(fù)載質(zhì)量和加速度成比例的力。這可以在小力時在該力控制系統(tǒng)中引起誤差，因此將它從控制法中移除是有益的。該系統(tǒng)具有可以在控制算法中被模擬和校正的特征時間常數(shù)。該順應(yīng)性校正作為對測得的間距的直接校正而被施加?？梢詫?nèi)部需求做出額外的校正，以校正間距誤差。這被稱為主動順應(yīng)性校正，并且被施加至豎直驅(qū)動致動器所需求的位置。該校正具有一個環(huán)時間常數(shù)，并且，如果該控制發(fā)生顯著振蕩，則將使用該控制算法中的滯后補(bǔ)償器(lagcompensator)來校正該時間常數(shù)。在本實施方案中，該豎直控制系統(tǒng)通過用C++寫成的且運行在流變儀機(jī)箱內(nèi)的通用控制處理器上的專用軟件來實施。還有可能創(chuàng)建一種至少部分地基于專門定制硬件(specializedcustomhardware)的實施方案，或者一種從標(biāo)準(zhǔn)外部工作站運行豎直控制系統(tǒng)的實施方案。本申請的教導(dǎo)與題為“RHE0METERWITHMODULARENVIRONMENTALCONTROLSYSTEM”和“EXPERT-SYSTEM-BASEDRHE0L0GY”的兩個共有臨時申請的主題結(jié)合起來是有用的，這兩個臨時申請是與本申請在同日提交的，并以引用的方式全部納入本文中?，F(xiàn)在已經(jīng)結(jié)合多個具體實施方案描述了本發(fā)明。然而，預(yù)計落入本發(fā)明范圍內(nèi)的多個修改現(xiàn)在對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說應(yīng)是明顯的。因此，這意味著，本發(fā)明的范圍將僅由所附隨的權(quán)利要求的范圍所限制。另外，權(quán)利要求的出現(xiàn)順序不應(yīng)被解釋為限制了權(quán)利要求中的任何具體項的范圍。權(quán)利要求1.一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀，包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動；以及連續(xù)采樣的力控制器，用以通過使用被提供至所述豎直致動器的連續(xù)控制信號來控制由所述移動部分和所述固定部分施加在所述樣品上的力。2.權(quán)利要求1的裝置，其中所述控制器是數(shù)字采樣數(shù)據(jù)控制器。3.一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀，包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動；以及豎直控制器，用以控制所述豎直致動器，并且所述豎直控制器包括順應(yīng)性控制邏輯，該順應(yīng)性控制邏輯用以校正所述流變儀中的順應(yīng)性誤差。4.權(quán)利要求3的裝置，其中所述豎直控制器用以校正應(yīng)變儀中的順應(yīng)性誤差。5.一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀，包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動；以及豎直控制器，用以控制所述豎直致動器，并且所述豎直控制器包括自適應(yīng)控制邏輯，該自適應(yīng)控制邏輯用以使它的控制適應(yīng)于所述樣品的至少一個性質(zhì)的變化。6.權(quán)利要求5的裝置，其中所述控制器用以基于所述樣品的模量來使它的控制適應(yīng)。7.一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀，包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動；以及豎直控制器，用以控制所述豎直致動器，并且所述豎直控制器包括可編程的抗飽和邏輯，該抗飽和邏輯用以基于可定制的位置-速度分布圖來限制所述移動部分和所述固定部分之間的最大相對速度。8.權(quán)利要求7的裝置，其中所述抗飽和邏輯用以生成線性分布圖。9.權(quán)利要求7或權(quán)利要求8的裝置，其中所述抗飽和邏輯用以生成指數(shù)分布圖。10.權(quán)利要求7至權(quán)利要求9中任一的裝置，其中所述抗飽和邏輯用以將子分布圖組合為較大的分布圖。11.一種用于測量樣品的性質(zhì)的流變儀，包括移動部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；固定部分，具有用于接觸所述樣品的接觸面；豎直致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的豎直運動；旋轉(zhuǎn)致動器，用于在所述移動部分和所述固定部分之間提供相對的旋轉(zhuǎn)運動；以及豎直控制器，用以控制所述豎直致動器，并且所述豎直控制器包括慣性補(bǔ)償邏輯，該慣性補(bǔ)償邏輯用以在所述移動部分的速度變化期間校正慣性效應(yīng)的力值。全文摘要公開了一種包括改進(jìn)的控制邏輯的旋轉(zhuǎn)流變儀。所述邏輯可提供連續(xù)采樣的力控制邏輯、順應(yīng)性控制邏輯、自適應(yīng)控制邏輯、抗飽和邏輯和/或慣性校正邏輯。文檔編號G01N11/14GK102112861SQ200980130001公開日2011年6月29日申請日期2009年7月31日優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日發(fā)明者I·皮爾遜,J·P·威爾金森申請人:馬爾文儀器有限公司