基于Lab VIEW的應變信號采集系統(tǒng)設計

呂婷，鄭德聰，潘榮超，王嘉偉，劉文智，李建平

（山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷030801）

以電阻應變式傳感器為輸入環(huán)節(jié)的應變測試系統(tǒng)，由于其靈敏度高、通用性好、成本低等特點，在機械工程測試領(lǐng)域得到了廣泛應用［1］。如通用機械的性能參數(shù)功率、扭矩、拉壓力，運動學參數(shù)位移、速度、加速度等參數(shù)的測試，普遍采用這種應變測試系統(tǒng)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)主要包括測量電橋、電阻應變儀、數(shù)據(jù)采集儀和記錄儀器等，結(jié)構(gòu)復雜，使用操作不方便。為此我們以NI公司數(shù)據(jù)采集設備及Lab VIEW8.2軟件為開發(fā)平臺，按照一般動態(tài)應變信號的測試要求，進行系統(tǒng)的二次開發(fā)，以拓展虛擬儀器系統(tǒng)的功能。

1 系統(tǒng)功能及要求

應變信號測試過程如圖1所示。一般在動態(tài)實測前進行正負電標定，并利用電標定結(jié)果，求出電標定常數(shù)，以此確定實測應變值的大小。傳統(tǒng)的電標定信號，是通過附設在應變儀上的標定電橋，產(chǎn)生電阻變化，模擬已知的應變值引起的測量電橋輸出，實現(xiàn)電標定。采用虛擬儀器及A／D轉(zhuǎn)換器進行信號采集時，需要利用測量電橋，在其某一橋臂上并接一個大電阻，引起該橋臂電阻的變化，導致電橋輸出，通過A／D轉(zhuǎn)換器，采集此直流信號，實現(xiàn)電標定［2～6］。

考慮到A／D轉(zhuǎn)換器電壓調(diào)零不方便，因此在實際測量過程中同時記錄零線，通過該零線值消除由于電橋輸出非零值所引起的測量誤差。

具體計算時，通過記錄曲線得到的數(shù)組（0，a1），（ε0＋，a＋），（0，a2），（ε0－ ，a－ ）和 （0，a3）由下式分別確定相對于零輸入的標定輸出平均值［7～9］：

圖1 應變測試過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of strain test process

式中，

A＋－相對于零輸入的正標定采樣；A－－相對于零輸入的負標定采樣輸出平均值；a＋－標定ε0＋時的實際采樣值；a－－標定ε0－時的實際采樣值；ai－電橋平衡，輸入為零時的才零時的采樣值，（i＝1，2，3）。

則，正負電標定時的標定常數(shù)分別為：

式中，ε0＋，ε0－ 標定正負應變值［10］。

實測應變值的大小由下式確定：

式中，ax－實測采樣值；＄－修正系數(shù)，＄ ＝，其中＄ 為所使用應變片的靈敏度系C數(shù)［11～13］。

2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)測試的功能和要求，利用Lab－VIE W8.2軟件平臺，進行二次開發(fā)。

程序框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.2 Flowchart of Data acquisition system

2.1 前面板的設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前面板如圖3所示。前面板中包括動態(tài)信號波形顯示窗口、數(shù)字顯示窗口、通道顯示、電標定輸入、輸出顯示及各功能控制按鈕，并且同時可將電標定輸入輸出結(jié)果及動態(tài)采集結(jié)果分別存入數(shù)據(jù)文件中，以便進一步進行信號的分析和處理。

圖3 數(shù)據(jù)采集的前面板Fig.3 Data acquisition of the front panel

使用操作時，確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)連接無誤后，按下生成文件按鈕后，可在D盤中自動生成一個名為dianbiaodingjieguo.xsl的電子表格文件。在標定區(qū)域輸入窗口中分別輸入已知的標定應變值，依次按下各個標定控制按鈕，可分別得到對應于各輸入值的標定輸出結(jié)果，并由此自動計算出標定常數(shù)。

按下動態(tài)采樣按鈕，可自動將動態(tài)采集數(shù)據(jù)保存在D盤的caiyangjieguo.xsl文件中，同時可通過動態(tài)波形顯示窗口和動態(tài)數(shù)據(jù)顯示窗口對測試過程進行監(jiān)視。

2.2 后臺設計

后臺設計是實現(xiàn)虛擬儀器前面板功能的核心，后臺程序設計結(jié)果如圖4所示。該程序主要包括電標定、動態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)文件的存儲等模塊。其中，數(shù)據(jù)文件的存儲利用布爾控件、條件結(jié)構(gòu)和I／O函數(shù)實現(xiàn)［13］。電標定操作，通過使用數(shù)組函數(shù)、布爾函數(shù)控制，可利用一個條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)五次標定輸入和輸出。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖Fig.4 Flow diagram of Data acquisition system

動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊分別采用了DAQmx Create Virtual Channel創(chuàng)建任務、DAQmx Start Task運行任務、DAQmx Read讀任務、DAQmx Write寫任務、DAQmx Wait等待任務、DAQmx Ti ming定時任務、DAQmx Trigger觸發(fā)任務、DAQmx Stop Task控制任務、DAQmx Clear Task消除任務等控件，利用循環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)連續(xù)采樣［14］。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)動態(tài)應變信號測試的要求，提出了由于非零輸出導致測量誤差的軟件修正方法，方便數(shù)據(jù)采集過程的操作。

（2）利用Lab VIEW8.2軟件開發(fā)平臺，完成應變測試系統(tǒng)的二次開發(fā)，包括后臺設計的前面板設計、系統(tǒng)已在教學和科研工作中應用，效果良好。

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