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論基于虛擬儀器的機(jī)械工程測試系統(tǒng)開發(fā)
摘 要：隨著機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)電一體化和生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高，機(jī)械工程測試系統(tǒng)越來越復(fù)雜，它已成為整個(gè)機(jī)械設(shè)備研制、開發(fā)、應(yīng)用和教學(xué)過程中不可或缺的組成部分。
關(guān)鍵詞：機(jī)械參數(shù)；測試系統(tǒng)；虛擬儀器
1 機(jī)械工程測試系統(tǒng)概述
機(jī)械工程測試系統(tǒng)的基本任務(wù)是從測試對象獲取反映其變化規(guī)律的動態(tài)信息，一個(gè)功能完善的機(jī)械工程測試系統(tǒng)由傳感器、信號轉(zhuǎn)換裝置、信號分析處理裝置和顯示與記錄等功能模塊組成，無疑，討論和設(shè)計(jì)機(jī)械工程測試系統(tǒng)及其構(gòu)成要素，是十分有意義的。
測試系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)是信號的傳感，即是將被測量的量或被觀察的量通過一個(gè)被測量傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)電的、液壓的、氣動的或其他形式的物理量，被測的或被觀察的量與被轉(zhuǎn)換的輸出量之間根據(jù)可利用的物理定律應(yīng)該具有一種明確的關(guān)系。傳感器就是用來完成這種轉(zhuǎn)換的裝置。
第二個(gè)環(huán)節(jié)為信號的轉(zhuǎn)換和調(diào)理。被測物理量經(jīng)傳感環(huán)節(jié)被轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感或者電壓、電流、電荷等電參量的變化，由于在測試過程中不可避免地遭受各種內(nèi)、外干擾因索的影響，且為了用被測信號驅(qū)動顯示、記錄和控制等儀器或進(jìn)一步將信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此經(jīng)傳感后的信號尚需進(jìn)過調(diào)理、放大、濾波、運(yùn)算分析等一系列加工處理，以抑制干擾噪聲、提高信噪比，便于進(jìn)一步傳輸和后續(xù)環(huán)節(jié)中的處理。
第三個(gè)環(huán)節(jié)是是對這些信號進(jìn)行分析處理以及顯示記錄，包括信號的時(shí)域分析、頻域分析、相關(guān)分析等。原始波形顯示、處理后波形顯示等。從而還可以分析出機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的工況等。
2 虛擬儀器技術(shù)在機(jī)械工程測試系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀
科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，對現(xiàn)在的機(jī)械工程測試系統(tǒng)影響很大，特別是相對于傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)來講。以前要用特定的儀器對信號進(jìn)行分析，但是利用虛擬儀器組建的機(jī)械工程測試系統(tǒng)卻不用專用的儀器，而是利用計(jì)算機(jī)作為連接虛擬儀器軟硬件的平臺，信號源通過調(diào)理后數(shù)據(jù)采集卡就可以獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理�，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對機(jī)械工程測試技術(shù)和儀器的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。
測試系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬測試儀器、計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)及虛擬儀器三個(gè)階段�，F(xiàn)代機(jī)械工程測試技術(shù)以計(jì)算機(jī)為中心，計(jì)算機(jī)的發(fā)展必然促進(jìn)測試技術(shù)和儀器的發(fā)展。
在此背景下，虛擬儀器的產(chǎn)生也就水到渠成。
在虛擬儀器中，軟件是虛擬仗器系統(tǒng)的關(guān)鍵，目前國內(nèi)外這種軟件主要有美國DSP公司的DADISP軟件，以實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理分析和表示見長美國NI公司的系列虛擬儀器開發(fā)平臺(LabVIEW、LabWindows／CVI、Virtual Bench和Component Works)、美國QUATECH公司的DASLab軟件包和惠普公司的VEE軟件平臺都是可以搭建虛擬測試系統(tǒng)的軟件平臺，以圖形化編程和界面靈活見長。
由于PC的功能變得越來越強(qiáng)大，速度快，價(jià)格低，在標(biāo)準(zhǔn)PC上連接一個(gè)或多個(gè)儀器模塊構(gòu)成測試儀器成為一種趨勢。這種儀器即為虛擬儀器。
虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺LabVIEW 中，所見即所得
的可視化技術(shù)是應(yīng)用于測試領(lǐng)域的雛形。虛擬儀器注重測試人員在進(jìn)行工作中的感覺。用仿真的面板給人以真實(shí)儀器的感覺，用豐富的曲線圖像向測試人員傳遞信息，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械工程測試領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用趨勢。
在機(jī)械工程測試系統(tǒng)中，應(yīng)用虛擬儀器編的越來越普遍，因?yàn)楹芏鄠鹘y(tǒng)的硬件設(shè)備在虛擬儀器中都可以用軟件代替，從而降低了大量的設(shè)備浪費(fèi)，降低了成本，并且還可以直觀化的顯示其結(jié)果，將多種的傳統(tǒng)儀器合并到一套虛擬儀器測試系統(tǒng)中，有利于編程，也有利于增強(qiáng)測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。
3 機(jī)械工程測試系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
3．1 應(yīng)變測試系統(tǒng)虛擬式應(yīng)變測試儀由硬件和軟件兩大部分組成，這里采用PC-DAQ體系結(jié)構(gòu)組建虛擬儀器。其原因是因?yàn)镻CDAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)，它充分利用了主流和普及的PC機(jī)總線、機(jī)箱、電源以及豐富的軟件，以極少的硬件就能形成功能完備的應(yīng)變測試系統(tǒng)平臺，這種方案的性價(jià)比最佳。
下圖是一個(gè)模擬信號的數(shù)據(jù)采集過程示意圖，從這個(gè)圖中可以看到模擬的信號通過設(shè)定的通道以后，再經(jīng)過多路開關(guān)，經(jīng)過刀D轉(zhuǎn)換等將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，這些信號到達(dá)計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)中的已經(jīng)編好的LabVIEW 程序?qū)ζ湫盘栠M(jìn)行分析處理。
對信號進(jìn)行采集時(shí)，采樣頻率、采樣通道以及采樣點(diǎn)數(shù)是需要用戶設(shè)定的參數(shù)，用戶通過前面板的參數(shù)選擇項(xiàng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置，這些范圍和數(shù)據(jù)采集卡的精度有關(guān)。
本文設(shè)計(jì)的應(yīng)變測試這一塊。對與滿足數(shù)據(jù)采集卡精度要求的應(yīng)變信號，都可以通過數(shù)據(jù)采集卡，并對其進(jìn)行相關(guān)設(shè)定的分析.
3．2 位移測試系統(tǒng)位移檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。位移檢測疆機(jī)械鼠檢測的基礎(chǔ)，將機(jī)械量轉(zhuǎn)化成位移量來檢測是機(jī)電一傳化技術(shù)的重要組成部分之一。對位移的檢測不僅為提高產(chǎn)黠質(zhì)量和生產(chǎn)安全提供了重要數(shù)據(jù)，同時(shí)也為其他參數(shù)的檢測提供了基礎(chǔ)。
實(shí)現(xiàn)位移測量的莢鍵是信號的轉(zhuǎn)換即傳感器的選用。
本文對位移的測量通過電渦流位移傳感器CWYD()~5o4將位移信號轉(zhuǎn)化為電壓信號進(jìn)行測量；通過傳感器把非電量轉(zhuǎn)化j寢楠應(yīng)的電壓信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行測量。
在測量過程中，為了保證測試系統(tǒng)的可靠性與測試精度，在瀏試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中必須注意傳感器地選擇、信號調(diào)理模塊的選擇以及系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)。
在進(jìn)行位移測量時(shí)，本檢測系統(tǒng)可以將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號供數(shù)據(jù)采集卡。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動位移傳感器運(yùn)動時(shí)可以進(jìn)行電壓信號的采集，最后通過標(biāo)定將電壓信號轉(zhuǎn)換成棵虛的位移信號，實(shí)現(xiàn)位移的測量。位移信號經(jīng)過調(diào)理后，傳輸刊數(shù)據(jù)采集卡中，數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司生產(chǎn)的PXL一6251多功能數(shù)據(jù)采集卡.
3．3 壓力測試系統(tǒng)本測試系統(tǒng)是以液壓試驗(yàn)平臺為測試平臺而進(jìn)行的一系列機(jī)械量測量測試，以此液壓實(shí)驗(yàn)臺做壓力信號源，隨著液壓系統(tǒng)向高壓、大功率、高精度方向發(fā)展，液壓系統(tǒng)的結(jié)幸句變得越來越復(fù)雜，故障率也隨之增加，安全問題日益突出，因此，在液壓系統(tǒng)工作過程中，需要確切的了解液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力和流量等，這對于防止系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障和有效提高系統(tǒng)工作效率具有十分重要的意義。所以本系統(tǒng)選取液匿試驗(yàn)平臺的液壓管道壓力為被測對象。
數(shù)據(jù)采集是LabVIEW 的核心技術(shù)之一，也是LabVIEW與其他編程語言相比較的優(yōu)勢所在 使用LabVIEW的DAQ技術(shù)，模擬信號數(shù)據(jù)采集是LabVIEW 的DAQ中的一個(gè)主要功能，為用戶提供了功能強(qiáng)大、方便快捷的模擬信號采集解決方案。
力信號經(jīng)過調(diào)理后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡中，數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司生產(chǎn)的PxI～6251多功能數(shù)據(jù)采集卡，其主要功能參數(shù)如下：
(j)16路模擬輸入通道，16位精度，1．25MS／S采樣率}
(2)2路模擬輸出，I6位精度，2．8Ms／s輸出速度；(3)24路數(shù)字I／O，2路定時(shí)計(jì)數(shù)器。
3.4 流量測試系統(tǒng)本測試系統(tǒng)是以液壓試驗(yàn)平臺為測試平臺而進(jìn)行的一系列機(jī)械量測量測試，以此液壓實(shí)驗(yàn)臺做流量信號源，以液壓實(shí)驗(yàn)臺的X寸于液壓系統(tǒng)來說，最重要的兩個(gè)參數(shù)就是流量和壓力，兩個(gè)參數(shù)要求精度高，穩(wěn)定性好，易于調(diào)節(jié)。在多功能液壓測試試驗(yàn)臺中，流量調(diào)節(jié)控制涉及到電機(jī)、變量泵、流量調(diào)節(jié)閥、排量反饋傳感器、電控模塊、流量傳感器、計(jì)算機(jī)、管路等多個(gè)環(huán)節(jié)，影響流量的有負(fù)載、壓力、溫度、泄漏等因素。在液壓測試中，要得到準(zhǔn)確的流量參數(shù)、必須對流量調(diào)節(jié)各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析計(jì)算，確定各環(huán)節(jié)對流量的影響。并采取措施改善流量調(diào)節(jié)的精確性和穩(wěn)定性。以提高流量控制精度根據(jù)本液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，流量傳感器要求流量變化范圍：0 66m0／h，精度要求：1級。
通過信號調(diào)理后的信號可以與數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備相連。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，與計(jì)算機(jī)的連接可以采用多種方式。NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括PC1、PClExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethemet以及火線等各種總線。本文選用PXI總線的PXL一6251多功能數(shù)據(jù)采集卡。利用LabVIEW 的NIDAQnlx軟件，選擇物理通道和任務(wù)輸入通道進(jìn)行流量信號采集3．5 溫度測試系統(tǒng)溫度是機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，許多系統(tǒng)的工作都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，需要測量溫度和控制溫度的場合及其廣泛。目前的溫度測量控制系統(tǒng)常采用單片機(jī)控制，該技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，但其編程復(fù)雜，控制不穩(wěn)定，系統(tǒng)的精度不高。而利用虛擬儀器開發(fā)和設(shè)計(jì)的溫度測量系統(tǒng)，采用普通PC機(jī)為主機(jī)，利用圖形化可視軟件LabVIEW 為軟件開發(fā)平臺，來監(jiān)測溫度的變化情況，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、存儲、顯示等。設(shè)備成本低，使用方便靈活。
模塊化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)對后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示和分析結(jié)果以及整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，具有直接影響，本文利用M公司的DAQ(Data AcQulsition)卡及其驅(qū)動程序設(shè)計(jì)這一模塊，充分利用集成的功能全面的DAQ函數(shù)庫和子VI，設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道控制等的數(shù)據(jù)采集模塊。
4 機(jī)械測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路
在對傳統(tǒng)的機(jī)械工程測試系統(tǒng)測試過程及傳統(tǒng)的測試儀器和現(xiàn)有的虛擬測試系統(tǒng)進(jìn)行對比研究后，本文的系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)為；
(1)本文設(shè)計(jì)開發(fā)的機(jī)械工程測試系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)。可以在一個(gè)測試系統(tǒng)中同時(shí)組建應(yīng)變、位移、壓力、流量和溫度測試系統(tǒng)。并且每個(gè)測試系統(tǒng)用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)前后面板，方便程序設(shè)計(jì)和用戶操作與控制。
(2)采用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和查詢�；谛枰獙y試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、調(diào)用、管理和查詢，并且處理的數(shù)據(jù)量大，本文設(shè)計(jì)通過數(shù)據(jù)庫來存儲、管理和查詢數(shù)據(jù)。建立一個(gè)Access數(shù)據(jù)源，通過AD0數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，充分利用ADO的靈活性，通過編程模型實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，執(zhí)行用戶命令，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理。利用ADO技術(shù)的Lab．V1Ew 數(shù)據(jù)庫訪問包一LabSQL，用戶可以直接在LabVIEW中以調(diào)用子VI的方式實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。
(3)每個(gè)測試儀在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選用的模型是菜單選擇結(jié)構(gòu)。在后面板中利用case結(jié)構(gòu)完成在前面板中不同的按鈕選擇，選擇好一個(gè)測試以后，這個(gè)測試儀就可獨(dú)立的工作。在完成相關(guān)的需要的工作后可以選擇退出，也可以選擇進(jìn)入到另一個(gè)測試儀。利用菜單編輯器對程序進(jìn)行編輯，要改變程序的操作項(xiàng)直接從菜單編輯器中修改，為程序作總體設(shè)計(jì)。
(4)前后面板的人性化設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)包括前面板和程序框圖兩部分，系統(tǒng)前面板由參數(shù)設(shè)置和五個(gè)測試系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)用戶在前面板操作相應(yīng)的功能時(shí)，后面板的程序框圖有與之協(xié)調(diào)的字VI運(yùn)行，這樣可以保證運(yùn)行操作的同步性和準(zhǔn)確性。同時(shí)在前臺對話框有供測試人員填寫參數(shù)或者選擇功能界面。為了便于后續(xù)人員按自己的要求進(jìn)行小范圍修改，后面板程序框圖也以直觀簡潔的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
5 結(jié)論
本文以虛擬儀器LabVIEW 為開發(fā)平臺，按照機(jī)械工程測試系統(tǒng)的要求，充分利用已有的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)資源，開發(fā)了便于更新、機(jī)動靈活、成本低廉、中文界面的機(jī)械工程測試系統(tǒng)，提高了測試的綜合應(yīng)用效率。
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