0402采用LabVIEW和SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)昆蟲足力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1、精品采用LabVIEW和SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)昆蟲足力測(cè)試實(shí)驗(yàn)of insects feet using SCXIMeasurement experiment for the contact forcesystem and LabVIEW作者：顏化冰1吉愛紅2沈輝1肖世旭1戴振東3職務(wù)：碩士研究 生1講師2教授3-可編輯-單位：南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所圖1黃斑蜻爬行于三維微載荷測(cè)力陣列的照片。構(gòu)成測(cè)力片和外伸懸臂 梁均為有機(jī)玻璃。攝像機(jī)可以從陣列下方，透過陣列拍攝到爬行的昆蟲 爬行的全過程。應(yīng)用領(lǐng)域：研究開發(fā)挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)昆蟲爬行過程中多個(gè) 微小的三維足底接觸力的同步 測(cè)量，分析

2、昆蟲在地面、壁面、 天花板上爬行時(shí)多足協(xié)調(diào)配合 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué) 的規(guī)律。由于信號(hào)十分微小，因 此需要高精度、高性能的數(shù)據(jù)采 集和信號(hào)調(diào)理。應(yīng)用方案：運(yùn)用半導(dǎo)體應(yīng)變測(cè)試 技術(shù)研制三維微力傳感器，并將 其組成3 X3陣列。采用 SCXI 信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，通過其多路傳感 器激勵(lì)，同步采樣保持，以及多 路復(fù)用等功能，實(shí)現(xiàn)了多通道應(yīng) 變同步測(cè)試。用LabVIEW 開發(fā) 實(shí)驗(yàn)專用的測(cè)試軟件，將 27路 三維力信號(hào)通過數(shù)據(jù)圖線的形 式實(shí)時(shí)顯示并保存。使用的產(chǎn)品：PCI-6052E多功能 數(shù)據(jù)采集板卡；SCXI-1001 12 槽信號(hào)調(diào)理機(jī)箱； SCXI-1520 通用應(yīng)變儀輸入模塊；LabVIE

3、W 6.1完全開發(fā)版.介紹昆蟲能夠自如地在各種表 面爬行，其腳掌與表面接觸的作 用力起到了相當(dāng)大的作用。而對(duì) 于仿生研究，特別是在仿生機(jī)器 人的研究過程中，揭示生物爬行過程中各個(gè)腳掌與表面的接觸 力的規(guī)律，對(duì)于機(jī)器人步態(tài)規(guī) 劃、運(yùn)動(dòng)平衡控制等都具有極其 重要的意義。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)昆蟲爬 行過程中多個(gè)腳掌與表面之間 三維接觸力的同步測(cè)量， 我們采 用SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，通過其 多路傳感器激勵(lì)，同步采樣保 持，以及多路復(fù)用等功能，研制 出昆蟲三維足力測(cè)試系統(tǒng)。正文一、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況介紹近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開展了大 量相關(guān)生物力學(xué)的測(cè)試工作。其 中比較有代表性的有美國(guó)Lewisand Clark 學(xué)院

4、的 Kellar Autumn 與美國(guó)Stanford 大學(xué) 合作，利用微細(xì)加工和離子注入 等技術(shù)研制成nN級(jí)的兩維測(cè)力 傳感器，可以測(cè)量一定垂直預(yù)壓 力下的水平側(cè)向力。2003年， 美國(guó)Stanford 大學(xué)機(jī)械工程系 的 Michael Stephen Bartsch 博士用硅微技術(shù)自行研制了一 種4維接觸力傳感器。運(yùn)用該傳 感器，Bartsch博士成功地測(cè)得精品：承微鈍荷傳感器打用曲媵圖U）了螞蟻在爬行過程中， 各個(gè)足與 表面之間的4維接觸力。昆蟲爬行過程中各個(gè)足之間如何同步協(xié)調(diào)配合， 并通過與 表面之間的作用力和昆蟲自身 重力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自如的驅(qū)動(dòng)？要 認(rèn)識(shí)其中的奧秘，需要將多個(gè)微 小量

5、程的多維測(cè)力傳感器在小 面積內(nèi)組成測(cè)力陣列，在測(cè)試信 號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集的過程中，注 意各個(gè)通道信號(hào)之間的同步性， 所獲得的數(shù)據(jù)才具有分析價(jià)值。南京航空航天大學(xué)仿生結(jié) 構(gòu)與材料防護(hù)研究所近年來(lái)致 力于仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)的研 究。對(duì)三維微載荷傳感器陣列和 昆蟲爬行足力測(cè)試系統(tǒng)的研制 目前已經(jīng)取得階段成果。三維微 載荷測(cè)力陣列系統(tǒng)已經(jīng)申請(qǐng)發(fā) 明專利。二、三維微載荷測(cè)力陣列三維微載荷測(cè)力陣列，由多 個(gè)三維微力傳感器按照一定規(guī) 則排列安裝，傳感器前端測(cè)力片 在同一平面上組成一定規(guī)模（3X 3）的陣列。彈性體上三處 變截面部分（薄懸臂梁）貼有三 組半導(dǎo)體應(yīng)變片。三組橋路的輸 出信號(hào)經(jīng)過標(biāo)定、換算（解耦）,

6、 可以求得測(cè)力片上表面所受力 的三個(gè)空間分量 Fx、Fy、Fzo昆蟲在測(cè)力片上表面爬行 過程中，腳掌獨(dú)立踩踏在某一個(gè) 測(cè)力片上時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳感器將產(chǎn) 生相應(yīng)橋路輸出信號(hào)變化。三、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的最初方案?jìng)鞲衅鞯臉蚵份敵鲂盘?hào)， 通 常比較微弱。三維微力傳感器上 所使用的半導(dǎo)體應(yīng)變片雖然具 有很大的靈敏系數(shù)和名義阻值， 但由于所測(cè)量的力相當(dāng)小，在金 屬?gòu)椥泽w表面產(chǎn)生的應(yīng)變量也 比較小。因此，橋路輸出信號(hào)還 是比較微弱。在最初的方案中， 我們使用了簡(jiǎn)易的信號(hào)調(diào)理板 卡，只對(duì)橋路輸出信號(hào)進(jìn)行一定 倍數(shù)的放大，并用手調(diào)電位器調(diào) 節(jié)每一組橋路的初始輸出電壓， 然后直接將信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集 卡。這個(gè)方案在實(shí)際操作

7、過程中 遇到了很多麻煩。例如，由于橋 路中對(duì)應(yīng)的一組應(yīng)變片阻值偏 差過大，造成橋路初始輸出電壓 無(wú)法通過調(diào)零電位器調(diào)到零位， 甚至無(wú)法將輸出電壓調(diào)整到數(shù) 據(jù)采集卡的輸入范圍內(nèi)；由于沒 有在信號(hào)調(diào)理板卡上安排低通 濾波的環(huán)節(jié)，原本微弱的信號(hào)在 傳輸過程中接受到很多環(huán)境噪 聲的干擾，大大降低了信噪比， 其中很大部分是由于50Hz工頻 干擾，這又與供橋電源的質(zhì)量有 關(guān)系；由于測(cè)試之前，每一路信 號(hào)都需要用手調(diào)電位器進(jìn)行初 始調(diào)零，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備時(shí)間很長(zhǎng)， 操作人員工作量很大。使用這套 簡(jiǎn)易的信號(hào)調(diào)理板卡完成了對(duì) 黃斑蜻爬行足底接觸力的測(cè)試 實(shí)驗(yàn)（單個(gè)三維微力傳感器）后， 我們認(rèn)為這樣的信號(hào)調(diào)理方案 不適

8、合應(yīng)用于三維微載荷測(cè)力 陣列實(shí)驗(yàn)中使用。四、使用SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng) 在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究課題 和儀器設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行調(diào)研之 后，特別是參考了前述Autumn 和Bartsch的實(shí)驗(yàn)方案和設(shè)備 后，我們選擇了 National Instruments 的SCXI信號(hào)調(diào)理 系統(tǒng)作為三維微載荷測(cè)力陣列 昆蟲足力測(cè)試實(shí)驗(yàn)用的信號(hào)調(diào) 理裝置。我們使用的這套設(shè)備包 括一個(gè)SCXI-1001 機(jī)箱，內(nèi)部 安裝了 4塊SCXI-1520 通用8 通道應(yīng)變測(cè)量模塊，SCXI-1314 是與SCXI-1520配套的外部接 線模塊。等荷傳感-fj時(shí)間為線/ 圖2 A圖為未采用SCXI信號(hào)調(diào)理模塊獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖鑫輯-

9、 B圖為采用 SCXI信號(hào)調(diào)理模塊獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。兩次實(shí)驗(yàn)使用的蟲子種類相同，體重 相近，且使用了相同的傳感器。采用 SCXI信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)后，獲得的實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)有明顯較高的信噪比。精品屈卜立點(diǎn)豆業(yè)槌打里力的三維傳蠟看的列拓用LlhMlEW出發(fā)的試序PCI.6052E班州來(lái)義工圖3測(cè)試系統(tǒng)組成測(cè)力陣列中每一個(gè)傳感器的所有引線，通過SCXI-1314接線端口與 SCXI-1520 模塊相 連接。每一塊 SCXI-1520可以 實(shí)現(xiàn)8組獨(dú)立橋路的信號(hào)調(diào)理。 每組橋路的供橋激勵(lì)電壓也由 模塊內(nèi)的程控電源提供，且八組橋路的供橋電源彼此獨(dú)立， 供橋電壓可設(shè)定為0-10V內(nèi)的17個(gè) 級(jí)別，輸出非常穩(wěn)定。除實(shí)現(xiàn)

10、信 號(hào)放大的功能外，SCXI-1520模 塊還帶有低通濾波功能。通過使用截止頻率為10Hz的低通濾波 以及穩(wěn)定的激勵(lì)電源， 可以有效 提高信號(hào)的信噪比。采集信號(hào)的同步是傳感器 陣列測(cè)試中非常重要的一個(gè)環(huán) 節(jié)。SCXI-1520具有同步采樣與保持的特性?；趦?nèi)部T/H (Track and Hold )電路的作用，雖然SCXI 1001機(jī)箱內(nèi)有 4塊SCXI-1520信號(hào)調(diào)理卡，但 這四塊信號(hào)調(diào)理板卡上的每個(gè) 通道每次輸出給數(shù)據(jù)采集卡作A/D轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)是同步的。配合 PCI-6052E數(shù)據(jù)采集卡，在多路 復(fù)用模式下，可以用較低的成本 實(shí)現(xiàn)多通道的同步采樣。根據(jù)NI公司的用戶手冊(cè)和相關(guān)幫助 文檔中

11、關(guān)于最大采樣率的計(jì)算公式。該套信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)，在27通道同時(shí)采集的工 作狀態(tài)下，運(yùn)用 Traditional NI DAQ Driver ,最大采樣率可以 達(dá)到每秒3460次掃描，作者在 未來(lái)的研究中計(jì)劃采用新的NI DAQmx驅(qū)動(dòng)，速度將會(huì)大大提 高。在昆蟲足力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，設(shè) 定采樣率為2000scans/s ,所獲 得的結(jié)果在多通道同步性、采樣 時(shí)鐘的穩(wěn)定性等方面足以滿足 實(shí)驗(yàn)要求。五、快捷高效的LabVIEW開發(fā)環(huán)境在研制昆蟲足力測(cè)試實(shí)驗(yàn) 的過程中，LabVIEW 軟件開發(fā) 環(huán)境的運(yùn)用，節(jié)約了大量的時(shí) 間。從傳感器檢測(cè)、標(biāo)定，到單 個(gè)傳感器昆蟲足力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，再 到傳感器陣列測(cè)試

12、實(shí)驗(yàn)， LabVIEW的快捷高效便于維護(hù) 的特點(diǎn)發(fā)揮了很大的作用。昆蟲 足力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，要求相關(guān)測(cè)試軟 件能夠?qū)⒏鱾€(gè)傳感器上每一個(gè) 通道的數(shù)據(jù)用圖線的形式實(shí)時(shí) 顯示在前面板上。由于昆蟲自由 爬行過程中不受控制，在觸發(fā)數(shù) 據(jù)保存之后，昆蟲未能及時(shí)爬上 陣列，將造成實(shí)失敗。Bartsch 博士的昆蟲爬行實(shí)驗(yàn)也遇到了 相同的問題。根據(jù)相關(guān)論文的統(tǒng) 計(jì)，在做蜂螂實(shí)驗(yàn)時(shí)，獲得有效 數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)比例不超過20% ,做螞蟻爬行實(shí)驗(yàn)時(shí)獲得有效數(shù) 據(jù)的比例也只在60%左右。為了解決這個(gè)問題，我們對(duì) 測(cè)試軟件做了改進(jìn)，有效地改善 了獲得有效數(shù)據(jù)的幾率。解決的 方案是通過在 LabVIEW 程序中 安排內(nèi)存中的數(shù)據(jù)隊(duì)列

13、， 觸發(fā)數(shù) 據(jù)保存之后所保存的是前6秒鐘內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)。使用這種方 法后，獲得有效數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)比率 提高了，在有限的時(shí)間內(nèi)獲得大 量的有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)疑對(duì)后期 數(shù)據(jù)分析起到了很大的幫助。由于LabVIEW程序的修改 方便，可維護(hù)性強(qiáng)，在做實(shí)驗(yàn)的 時(shí)候，可以方便地根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案-可編輯-圖4用調(diào)整自己的數(shù)據(jù)采集程序。 其快 捷高效的特點(diǎn)是其他開發(fā)語(yǔ)言 無(wú)法比擬的。因此，我們認(rèn)為， 對(duì)于實(shí)驗(yàn)室中的生物力學(xué)測(cè)試 實(shí)驗(yàn)，使用LabVIEW作為測(cè)試 軟件的開發(fā)語(yǔ)言，無(wú)疑是很好的 選擇。六、總結(jié)三維微載荷測(cè)力陣列中使 用的三維微力傳感器是基于半導(dǎo)體應(yīng)變測(cè)量和非力學(xué)加工工 藝制成的傳感器，而不是國(guó)內(nèi)外 通常使用的基于 MEMS技術(shù)的 硅微傳感器。因此，相對(duì)硅微材 料傳感器，有非常明顯的研發(fā)成 本和制造成本方面的優(yōu)勢(shì)。目前 市場(chǎng)上相同量程的一維微力傳 感器，連同其配套的信號(hào)調(diào)理二 次儀表的價(jià)格在1萬(wàn)美元以上。 通過采用NI公司的SCXI系列信 號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，使得原本比較煩瑣 的傳感器調(diào)試的工作變得輕松