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論基于虛擬儀器的機械工程測試系統(tǒng)開發(fā)
摘 要：隨著機械產(chǎn)品的機電一體化和生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高，機械工程測試系統(tǒng)越來越復(fù)雜，它已成為整個機械設(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：機械參數(shù)；測試系統(tǒng)；虛擬儀器
1 機械工程測試系統(tǒng)概述
機械工程測試系統(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，一個功能完善的機械工程測試系統(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)計機械工程測試系統(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被測量傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換成一個電的、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一步將信號輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。因此經(jīng)傳感后的信號尚需進過調(diào)理、放大、濾波、運算分析等一系列加工處理，以抑制干擾噪聲、提高信噪比，便于進一步傳輸和后續(xù)環(huán)節(jié)中的處理。
第三個環(huán)節(jié)是是對這些信號進行分析處理以及顯示記錄，包括信號的時域分析、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械運轉(zhuǎn)的工況等。
2 虛擬儀器技術(shù)在機械工程測試系統(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行分析，但是利用虛擬儀器組建的機械工程測試系統(tǒng)卻不用專用的儀器，而是利用計算機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)進行分析處理�，F(xiàn)代計算機技術(shù)對機械工程測試技術(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、計算機測試系統(tǒng)及虛擬儀器三個階段�，F(xiàn)代機械工程測試技術(shù)以計算機為中心，計算機的發(fā)展必然促進測試技術(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，以實驗后數(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大，速度快，價格低，在標(biāo)準PC上連接一個或多個儀器模塊構(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行工作中的感覺。用仿真的面板給人以真實儀器的感覺，用豐富的曲線圖像向測試人員傳遞信息，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械工程測試領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用趨勢。
在機械工程測試系統(tǒng)中，應(yīng)用虛擬儀器編的越來越普遍，因為很多傳統(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，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，也有利于增強測試系統(tǒng)的準確度。
3 機械工程測試系統(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。其原因是因為PCDAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路和計算機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機總線、機箱、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，這種方案的性價比最佳。
下圖是一個模擬信號的數(shù)據(jù)采集過程示意圖，從這個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，這些信號到達計算機中，計算機中的已經(jīng)編好的LabVIEW 程序?qū)ζ湫盘栠M行分析處理。
對信號進行采集時，采樣頻率、采樣通道以及采樣點數(shù)是需要用戶設(shè)定的參數(shù)，用戶通過前面板的參數(shù)選擇項根據(jù)實際需要進行設(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。位移檢測疆機械鼠檢測的基礎(chǔ)，將機械量轉(zhuǎn)化成位移量來檢測是機電一傳化技術(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)，同時也為其他參數(shù)的檢測提供了基礎(chǔ)。
實現(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。
在進行位移測量時，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)行機構(gòu)帶動位移傳感器運動時可以進行電壓信號的采集，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)是以液壓試驗平臺為測試平臺而進行的一系列機械量測量測試，以此液壓實驗臺做壓力信號源，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中的一個主要功能，為用戶提供了功能強大、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路定時計數(shù)器。
3.4 流量測試系統(tǒng)本測試系統(tǒng)是以液壓試驗平臺為測試平臺而進行的一系列機械量測量測試，以此液壓實驗臺做流量信號源，以液壓實驗臺的X寸于液壓系統(tǒng)來說，最重要的兩個參數(shù)就是流量和壓力，兩個參數(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臺中，流量調(diào)節(jié)控制涉及到電機、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、計算機、管路等多個環(huán)節(jié)，影響流量的有負載、壓力、溫度、泄漏等因素。在液壓測試中，要得到準確的流量參數(shù)、必須對流量調(diào)節(jié)各環(huán)節(jié)進行分析計算，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)實驗臺，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)備是一個數(shù)據(jù)采集卡，與計算機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)輸入通道進行流量信號采集3．5 溫度測試系統(tǒng)溫度是機械工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實驗中的一個非常重要的參數(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)計的溫度測量系統(tǒng)，采用普通PC機為主機，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)計數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計對后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示和分析結(jié)果以及整個系統(tǒng)功能的實現(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)計可以實現(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 機械測試系統(tǒng)總體設(shè)計思路
在對傳統(tǒng)的機械工程測試系統(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)計開發(fā)的機械工程測試系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)�？梢栽谝粋�測試系統(tǒng)中同時組建應(yīng)變、位移、壓力、流量和溫度測試系統(tǒng)。并且每個測試系統(tǒng)用模塊化進行設(shè)計前后面板，方便程序設(shè)計和用戶操作與控制。
(2)采用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲、管理和查詢。基于需要對測試數(shù)據(jù)進行存儲、調(diào)用、管理和查詢，并且處理的數(shù)據(jù)量大，本文設(shè)計通過數(shù)據(jù)庫來存儲、管理和查詢數(shù)據(jù)。建立一個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，通過編程模型實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，執(zhí)行用戶命令，實現(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的方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。
(3)每個測試儀在進行設(shè)計時，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，選擇好一個測試以后，這個測試儀就可獨立的工作。在完成相關(guān)的需要的工作后可以選擇退出，也可以選擇進入到另一個測試儀。利用菜單編輯器對程序進行編輯，要改變程序的操作項直接從菜單編輯器中修改，為程序作總體設(shè)計。
(4)前后面板的人性化設(shè)計。程序設(shè)計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，后面板的程序框圖有與之協(xié)調(diào)的字VI運行，這樣可以保證運行操作的同步性和準確性。同時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行小范圍修改，后面板程序框圖也以直觀簡潔的方式進行設(shè)計。
5 結(jié)論
本文以虛擬儀器LabVIEW 為開發(fā)平臺，按照機械工程測試系統(tǒng)的要求，充分利用已有的標(biāo)準化系統(tǒng)資源，開發(fā)了便于更新、機動靈活、成本低廉、中文界面的機械工程測試系統(tǒng)，提高了測試的綜合應(yīng)用效率。
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