論基于虛擬儀器的機(jī)械工程測試系統(tǒng)開發(fā)

1、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(dòng)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(duì)象獲取反映其變化規(guī)律的動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換裝置、信號(hào)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(hào)的傳感,即是將被測量的量或被觀察的

2、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(dòng)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(hào)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)、外干擾因素的影響,且為了用被測信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示、記錄和控制等儀器或進(jìn)一步將信號(hào)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(hào)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(duì)這些

3、信號(hào)進(jìn)行分析處理以及顯示記錄,包括信號(hào)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(duì)現(xiàn)在的機(jī)械工程測試系統(tǒng)影響很大,特別是相對(duì)于傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)來講。以前要用特定的儀器對(duì)信號(hào)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(tái),信號(hào)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。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)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

4、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(tái)(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(tái)都是可以搭建虛擬測試系統(tǒng)的軟件平臺(tái),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

5、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(tái)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

6、 應(yīng)變測試系統(tǒng) 虛擬應(yīng)變測試硬件系統(tǒng)組成如下: 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PCDAQ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(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)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(tái),這種方案的性價(jià)比最佳。 下圖是一個(gè)模擬信號(hào)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(hào)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(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),這些信號(hào)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?hào)進(jìn)行分析處理。 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集

7、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(duì)與滿足數(shù)據(jù)采集卡精度要求的應(yīng)變信號(hào),都可以通過數(shù)據(jù)采集卡,并對(duì)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。位移檢測是機(jī)械量檢測的基礎(chǔ),將機(jī)械量轉(zhuǎn)化成位移量來檢測是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分之一。對(duì)位移的檢測不僅為提高產(chǎn)品質(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)位移測量的關(guān)鍵是信號(hào)的轉(zhuǎn)換即傳感器的選用。本文對(duì)位移的測量通過電渦流位移傳感器CWYDO504將位移信

8、號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行測量;通過傳感器把非電量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號(hào),再經(jīng)過信號(hào)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,在測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中必須注意傳感器地選擇、信號(hào)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(hào)供數(shù)據(jù)采集卡。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)位移傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)可以進(jìn)行電壓信號(hào)的采集,最后通過標(biāo)定將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位移信號(hào),實(shí)現(xiàn)位移的測量。位移信號(hào)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PXL-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(tái)為測試平臺(tái)而進(jìn)行的一系列機(jī)械量測量測試

9、,以此液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)做壓力信號(hào)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)構(gòu)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(duì)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)選取液壓試驗(yàn)平臺(tái)的液壓管道壓力為被測對(duì)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(hào)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(hào)采集解決方案。 壓力信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后,傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采

10、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: (1)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,16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(tái)為測試平臺(tái)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(tái)做流量信號(hào)源,以液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的對(duì)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(tái)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

11、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(duì)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(duì)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。 1 2 根據(jù)本液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),流量傳感器要求流量變化范圍:0.6-6m3/h,精度要求:1級(jí)。 通過信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)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PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火線等各種總線。本文選用PXI總線的

12、PXL-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx軟件,選擇物理通道和任務(wù)輸入通道進(jìn)行流量信號(hào)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(tái),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(chǔ)、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)

13、據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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

14、用戶操作與控制。 (2)采用數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和查詢?；谛枰獙?duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、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(chǔ)、管理和查詢數(shù)據(jù)。建立一個(gè)Access數(shù)據(jù)源,通過ADO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(duì)數(shù)據(jù)庫的操作,執(zhí)行用戶命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理。利用ADO技術(shù)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問包-LabSQL,用戶可以直接在LabVIEW中以調(diào)用子VI的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)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

15、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(duì)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(tái)對(duì)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(tái),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(dòng)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。 參考文獻(xiàn) 1張朝暉.檢測技術(shù)及應(yīng)用M.北京:中國計(jì)量出版社,20