基于虛擬儀器Labwindows/CVI的拉壓式微力測試系統(tǒng)設(shè)計

王立新, 李榮廷

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

機械化滑移捕集治理致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲技術(shù)研究過程中，需要仿生制備具有良好滑移功能的捕集滑板以實現(xiàn)被誘集致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲的高效滑移捕獲。捕集滑板仿生研制過程中，需要測試飛蛾、螞蟻、蝗蟲、甲蟲等致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲在仿生原型和捕集滑板表面的附著力、摩擦力，以及需要測試致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲附著系統(tǒng)的剪切力、斷裂力，為仿生原型的優(yōu)選、捕集滑板滑移功能的量化表征提供理論依據(jù)。

現(xiàn)有文獻公開的二維力測試傳感器及二維力測試系統(tǒng)能夠安全可靠地同時測量水平方向和垂直方向上的力，但該傳感器法向力、切向力的分辨力均為9.8 mN，比較適合測試壁虎等體型較大動物腳掌產(chǎn)生的附著力，對于飛蛾、甲蟲等體型較小致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲產(chǎn)生的附著力，該傳感器在測試精度方面不能滿足要求[1-2]?；诂F(xiàn)有傳感器構(gòu)建的昆蟲附著力測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)毫牛尺度昆蟲附著力的測試，但測力系統(tǒng)的測試平臺及附屬機構(gòu)過于簡單，不能滿足昆蟲附著系統(tǒng)剪切力的測試，而且容易引入由人為操作造成的誤差，影響測試準(zhǔn)確性[3-8]。利用離心力原理構(gòu)建的離心式測微力系統(tǒng)并非通過測力傳感器實現(xiàn)對昆蟲附著力的測試，而是通過昆蟲在測試平臺的離心式運動來實現(xiàn)對附著力的測量[9-10]。該離心式測微力系統(tǒng)的測量范圍、測試精度不受測力傳感器的限制，比較適合螞蟻、飛蛾等體型較小昆蟲附著力的測試，但不能滿足昆蟲附著系統(tǒng)剪切力的測試需求。

現(xiàn)有的測力傳感器及測力系統(tǒng)，在測試量程、測試精度和測試準(zhǔn)確性等方面并不能同時符合昆蟲附著力、摩擦力、剪切力等毫牛尺度微力的測試需求。因此有必要研制微力測試系統(tǒng)，滿足致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲滑移捕集滑板仿生研制過程中仿生原型優(yōu)選與捕集滑板功能量化表征的需要。本文將從硬件與軟件兩方面闡述拉壓式微力測試系統(tǒng)的設(shè)計，硬件部分主要包括配合傳感器實現(xiàn)附著力、摩擦力、剪切力等毫牛尺度微力準(zhǔn)確測量的測試平臺及附屬機構(gòu)，以及傳感器輸出信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡等；軟件部分主要包括基于windows/CVI編寫的數(shù)據(jù)處理及實時顯示程序。

1 拉壓式微力測試系統(tǒng)組成

拉壓式微力測試系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，主要由測力傳感器、配合傳感器實現(xiàn)微力準(zhǔn)確測試的測試平臺及附屬機構(gòu)、傳感器輸出信號調(diào)理模塊、完成A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理與實時顯示界面程序等5部分組成。其中測試平臺及附屬機構(gòu)不僅實現(xiàn)測力傳感器的固定安裝，更重要的能夠?qū)崿F(xiàn)昆蟲在材料表面產(chǎn)生的附著力、摩擦力及昆蟲附著系統(tǒng)剪切力、斷裂力的準(zhǔn)確測量。

圖1 拉壓式微力測試系統(tǒng)組成Fig.1 General structure diagram of tension & compression micro force measuring system

2 拉壓式微力測試系統(tǒng)硬件設(shè)計配置

2.1 測力傳感器的選擇與標(biāo)定

致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲附著系統(tǒng)在材料表面產(chǎn)生的附著力、摩擦力因受材料表面粗糙度影響而呈現(xiàn)出大范圍變化[11-12]，因此采用估算法確定昆蟲在材料表面產(chǎn)生力的量程范圍。首先選用大量程測力傳感器估測蝗蟲、甲蟲在粗糙度較大材料(砂紙)表面的附著力、摩擦力，多次重復(fù)測量后選取最大值用以確定測力傳感器的量程；參照昆蟲接觸力測量儀的測試精度確定該拉壓式微力測試系統(tǒng)選用測力傳感器的分辨率[11]。基于上述因素，選用德國HBM的應(yīng)變片式測力傳感器1-PW4MC3，其量程為300 g，精度等級為C3，靈敏度為(1.0±0.1) mV/V，參考工作激勵電壓為5 V。

圖2 測力傳感器標(biāo)定結(jié)果直線擬合Fig.2 Linear fitting of force sensor’s calibration results

對選用的測力傳感器進行加載標(biāo)定，從0～150 g每次間隔10 g連續(xù)加載砝碼，采用美國Mastech的萬用表MS8218分別測得對應(yīng)的傳感器輸出電壓值，標(biāo)定過程中室內(nèi)溫度和相對濕度分別為28 ℃和55%。采用最小二乘法對標(biāo)定數(shù)據(jù)進行直線擬合獲取傳感器特性曲線，結(jié)果如圖2所示，擬合結(jié)果表明所選用傳感器具有優(yōu)異的線性度與穩(wěn)定性。

由傳感器標(biāo)定結(jié)果擬合直線得：

V(V)=1.392F(N)+0.106,

(1)

式中：F表示加載砝碼重，單位是N；V表示加載時傳感器輸出電壓，單位是V。由此可得:

F(N)=[V(V)-0.106]/1.392,

(2)

因而得出該測試系統(tǒng)電壓-附著力的轉(zhuǎn)換公式見式(3)：

F(mN)=1 000[V(V)-0.106]/1.392。

(3)

2.2 測試平臺及附屬機構(gòu)

測試平臺及附屬機構(gòu)(圖3)配合測力傳感器，實現(xiàn)對昆蟲附著系統(tǒng)產(chǎn)生的附著力、摩擦力及剪切力、斷裂力的準(zhǔn)確測量。測試平臺采用質(zhì)輕、剛性好的鋁合金材質(zhì)，中心處加工成矩形凹槽，以矩形凹槽中心為起點，設(shè)置毫米為最小單位的刻度線，共設(shè)置相互垂直的4條刻度線；凹槽的對角處設(shè)置測試材料固定彈簧夾，便于測試材料的準(zhǔn)確固定。測試平臺軸心臨近矩形凹槽左側(cè)處設(shè)置水平定位泡，用以調(diào)節(jié)測試平臺的水平安裝，避免出現(xiàn)傾斜。測試平臺右側(cè)設(shè)置剪切力、斷裂力測試對象固定裝置，具體為鋁合金材質(zhì)的長方體夾板，用螺釘固定在測試平臺上；夾板的下側(cè)、測試平臺安裝夾板處的上側(cè)分別固定大小和形狀一致的軟質(zhì)橡膠片，用以夾持固定剪切力、斷裂力測試對象，避免測試對象固定過程中出現(xiàn)破損。

1 —測試平臺；1-1—矩形凹槽；1-2—刻度線；1-3—彈簧夾；1-4—水平定位泡；1-5—測試平臺固定螺栓；1-6—凸臺；1-7—定位凹槽；1-8—夾板；1-9—橡膠片；1-10—夾板固定螺釘；2—水平滑臺；3—水平導(dǎo)軌；4—機座；5—水平三角調(diào)節(jié)架；5-1—橢圓孔；6—水平滾珠絲杠；6-1—軸承座；6-2—水平三角連接架；6-3—水平加強套筒；6-4—軸承座固定螺釘；6-5—水平連接螺栓；6-6—固定螺釘；7—手輪；8—立板；8-1—立板固定螺釘；9—豎直滾珠絲杠；9-1—軸承座；9-2—豎直三角連接架；9-3—豎直加強套筒；9-4—豎直連接螺栓；9-5—連接立柱；10—豎直三角調(diào)節(jié)架；10-1—橢圓孔；10-2—固定螺釘；11—豎直滑臺；12—豎直導(dǎo)軌；13—手柄；14—豎直絲杠夾緊裝置；14-1—固定螺釘；14-2—旋轉(zhuǎn)螺栓；15—測力傳感器；16—機座凹槽

測試平臺固定在水平滑臺上，用水平滾珠絲杠實現(xiàn)測試平臺在水平導(dǎo)軌上的左右移動，用以調(diào)節(jié)測試平臺與傳感器之間的相對距離。設(shè)置水平三角連接架、水平加強套筒、水平連接螺栓和水平三角調(diào)節(jié)架，用以連接水平滾珠絲杠與測試平臺，實現(xiàn)從水平滾珠絲杠轉(zhuǎn)動到測試平臺在水平導(dǎo)軌上平動的傳遞；水平三角調(diào)節(jié)架上部設(shè)置橢圓孔，以調(diào)節(jié)水平連接螺栓在豎直方向上的位置，實現(xiàn)測試平臺與水平滾珠絲杠在豎直方向的精確匹配安裝。

承載測力傳感器的豎直滑臺與固定在立板上的豎直導(dǎo)軌匹配，在豎直滾珠絲杠驅(qū)動下，能夠沿豎直導(dǎo)軌在豎直方向上下移動，以調(diào)節(jié)測力傳感器與測試平臺在豎直方向的距離。為防止豎直滾珠絲杠打滑造成測力傳感器突然移位，設(shè)置豎直絲杠夾緊裝置。設(shè)置連接立柱、豎直三角調(diào)節(jié)架、豎直加強套筒和豎直連接螺栓，實現(xiàn)豎直滾珠絲杠與承載測力傳感器豎直滑臺的連接。豎直三角調(diào)節(jié)架的上部設(shè)置橢圓孔，以此調(diào)節(jié)豎直連接螺栓在水平方向上的位置，實現(xiàn)豎直滑臺與豎直滾珠絲杠間在水平方向的精確匹配安裝。

2.3 測力傳感器輸出信號調(diào)理模塊

應(yīng)變片式測力傳感器受到力的作用而產(chǎn)生機械形變時引起應(yīng)變片形變，在外加激勵電壓作用下，最終轉(zhuǎn)換為夾雜干擾噪聲的毫伏級電壓信號輸出。信號調(diào)理模塊可對摻雜干擾噪聲的毫伏級傳感器輸出信號進行去噪、濾波、放大等處理，轉(zhuǎn)換成能夠滿足數(shù)據(jù)采集卡采集量程的伏級電壓信號。經(jīng)過比較分析，選擇美國NI公司的SCXI-1520作為該拉壓式微力測試系統(tǒng)的傳感器輸出信號調(diào)理模塊。SCXI-1520具有8路同步采樣模擬通道，每通道的激勵電壓為0～10V，每通道的增益最高可達1 000，可完成對1/4橋、半橋和全橋式應(yīng)變片式傳感器輸出信號的調(diào)理。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡選擇

數(shù)據(jù)采集卡能夠使信號調(diào)理模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)處理與界面實時顯示程序能夠識別的數(shù)字信號。為使拉壓式微力測試系統(tǒng)的測試精度不受采集卡分辨率的影響，選擇性能較好的美國NI公司的PCI-6221作為完成A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡。該型號數(shù)據(jù)采集卡的最大輸入/輸出電壓范圍為±10V，輸入/輸出分辨率為16bits，采樣頻率最高可達250kHz，對輸入電壓的分辨率可達到0.03mV，完全能夠保證測力傳感器的測試精度不受數(shù)據(jù)采集卡分辨率的影響。

3 拉壓式微力測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序編寫

3.1 Labwindows/CVI軟件簡介

圖4 拉壓式微力測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序界面Fig.4 Interface of data processing and displaying program in tension & compression micro force measuring system

基于虛擬儀器技術(shù)及其開發(fā)語言Labwindows/CVI編寫了拉壓式微力測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與界面實時顯示程序。虛擬儀器技術(shù)可由用戶自己定義通用儀器系統(tǒng)，功能靈活，容易構(gòu)建，符合國際上流行的“硬件軟件化趨勢”，因而廣泛用于測量、檢測、控制等領(lǐng)域。Labwindows/CVI是影響最大的虛擬儀器編程語言之一，其以ANSI C為核心，將源代碼編輯器、32位ANSI C編譯、連接及標(biāo)準(zhǔn)ANSI C庫等集成于一個交互式開發(fā)環(huán)境中，為開發(fā)人員建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境[13-15]。

3.2 數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序設(shè)計與功能

數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序的編寫應(yīng)以簡潔、直觀和有效地體現(xiàn)昆蟲附著系統(tǒng)在材料表面的附著力、摩擦力及剪切力、斷裂力的實時變化為準(zhǔn)則，利用虛擬儀器技術(shù)及其開發(fā)語言Labwindows/CVI 編寫該程序。如圖4所示，顯示界面主要包括微力顯示窗口、開始暫停繼續(xù)結(jié)束等數(shù)據(jù)采集功能按鈕、數(shù)據(jù)采集卡通道選擇按鈕、采樣進行指示燈、計數(shù)時鐘和最大微力顯示窗口等6個部分。微力顯示窗口的橫坐標(biāo)是采樣點數(shù)，可由采樣時間與采樣頻率確定總采樣點數(shù)；縱坐標(biāo)是昆蟲在材料表面產(chǎn)生的附著力、摩擦力、剪切力、斷裂力等毫牛尺度微力，其上限值的大小可視所要采集微力范圍的大小而自由設(shè)定。數(shù)據(jù)采集功能按鈕可依據(jù)昆蟲微力采集過程而賦予特定的功能；數(shù)據(jù)采集卡通道選擇按鈕和計數(shù)時鐘的功能分別是完成對數(shù)據(jù)采集通道的選取與采樣時間的計時，程序運行時處于隱藏狀態(tài)。

測力傳感器著力點與致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲的頸部通過長度約為10 cm的細線連接。昆蟲在材料表面爬行，產(chǎn)生附著力、摩擦力，通過細線傳遞給測力傳感器，致使測力傳感器產(chǎn)生毫伏級電壓信號。電壓信號經(jīng)信號調(diào)理模塊完成去噪、濾波、放大等處理后接入數(shù)據(jù)采集卡的A/D通道，完成從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)接嬎銠C中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序中電壓-附著力轉(zhuǎn)換公式(3)后還原成能夠在界面窗口上顯示的力。對于致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲附著系統(tǒng)剪切力、斷裂力的測量，剪取昆蟲附著系統(tǒng)并固定在拉壓式微力測試系統(tǒng)測試平臺的剪切力測試樣品固定夾板處，調(diào)整測力傳感器及測試平臺的高度使昆蟲附著系統(tǒng)與測力傳感器著力點處于同水平面上，緩慢旋轉(zhuǎn)手輪使昆蟲附著系統(tǒng)靠近測力傳感器直至附著系統(tǒng)斷裂。剪切力、斷裂力測試過程中，測力傳感器因內(nèi)部應(yīng)變片的機械形變而產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡的調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換后輸入計算機，數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序?qū)⑵溥€原為剪切力、斷裂力。昆蟲微力測試結(jié)束時，需對微力采集過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)組、微力軌跡圖等進行保存?；谏鲜龇治?，制定如圖5所示的拉壓式微力測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序功能流程圖。

圖5 拉壓式微力測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序功能流程圖Fig.5 Flow chart of data processing and displaying program in tension & compression micro force measuring system

由圖5可知,昆蟲微力測試開始時，點擊顯示界面的Start按鈕，采樣進行指示燈變亮(紅色)，數(shù)據(jù)采集卡完成初始化并新建采集任務(wù)，而后對信號調(diào)理模塊輸出的測力傳感器電壓信號模擬量按照既定的采樣頻率采集，數(shù)據(jù)處理程序?qū)⒉杉降臄?shù)字量按電壓-附著力轉(zhuǎn)換公式(3)轉(zhuǎn)換成實時變化的附著力、摩擦力與剪切力、斷裂力等微力并以軌跡圖的形式實時顯示。試驗過程中突遇緊急事件時可點擊Pause按鈕以暫停采樣，點擊Continue按鈕繼續(xù)采樣。測試結(jié)束時，點擊End按鈕，程序首先保存所繪制的昆蟲微力軌跡圖及所采集的昆蟲微力數(shù)據(jù)組，然后比較數(shù)據(jù)組中所有昆蟲微力的大小并將最大昆蟲微力顯示在顯示界面的Max Attachment Force窗口，最后關(guān)閉顯示界面并結(jié)束數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

4 拉壓式微力測試系統(tǒng)調(diào)試運行

針對設(shè)計研制的拉壓式微力測試系統(tǒng)，進行昆蟲附著系統(tǒng)在材料表面的附著力測試試驗及昆蟲附著系統(tǒng)的剪切力測試試驗，以檢驗該系統(tǒng)的功能。首先進行附著力測試試驗，以蝗蟲成蟲為測試用昆蟲，以2000目砂紙(型號)為測試材料。把測試材料固定于測試平臺上，選用細線連接測試蝗蟲的背部與測力傳感器著力點，調(diào)節(jié)測力傳感器的高度使著力點與測試蝗蟲背部處于同一水平面上。設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221的采樣頻率為1 000 Hz，設(shè)定數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序的采樣頻率是10 Hz，設(shè)定整個測試過程的采樣時間為50 s。測試準(zhǔn)備就緒后，接通測力傳感器、信號調(diào)理模塊的工作電源，開啟數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，開始附著力測試。測試蝗蟲在2000目砂紙(型號)表面爬行，產(chǎn)生的附著力通過細線傳遞給測力傳感器，測力傳感器輸出電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊調(diào)理及數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換，輸送至數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，該程序把附著力數(shù)據(jù)繪制成曲線圖并在顯示界面實時顯示(圖6)。測試結(jié)束，附著力曲線圖和數(shù)據(jù)組分別以.jpeg,.txt的格式保存到指定文件夾，程序?qū)Ρ４娴臄?shù)據(jù)進行運算比較，獲取最大附著力并在窗口顯示(283.6 mN)。

圖6 蝗蟲在2000目砂紙表面附著力軌跡圖Fig.6 Attachment force of locust on 2000# sandpaper

對于剪切力的測試，以蝗蟲成蟲附著系統(tǒng)的爪為測試樣品，將其固定在剪切力樣品固定夾板上，調(diào)節(jié)測力傳感器的高度使著力點與測試樣品處于同一直線上。設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221的采樣頻率為1 000 Hz，設(shè)定數(shù)據(jù)處理與實時顯示軟件的采樣頻率是50 Hz，設(shè)定整個測試過程的采樣時間為10 s。準(zhǔn)備就緒后，開啟拉壓式測微力系統(tǒng)，進行蝗蟲附著系統(tǒng)的爪的剪切力測試。緩慢轉(zhuǎn)動手輪，測試樣品尖端抵住測力傳感器的著力點，測力傳感器受力并輸出電信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊調(diào)理及數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換后，輸送至數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，該程序把數(shù)據(jù)繪制成曲線圖并在顯示界面實時顯示。繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動手輪，直至測試樣品尖端斷裂。剪切力測試結(jié)束，程序保存剪切力曲線和數(shù)據(jù)組，并把測試過程中最大剪切力顯示于界面窗口(176.8 mN)。

拉壓式微力測試系統(tǒng)的運行調(diào)試結(jié)果表明所設(shè)計的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測試?yán)ハx在材料表面的附著力、摩擦力及昆蟲附著系統(tǒng)的剪切力、斷裂力等毫牛尺度微力，能夠在界面窗口直觀、實時地顯示微力變化情況，并能實現(xiàn)對微力變化圖像和數(shù)據(jù)組的保存及比較運算。

5 結(jié) 語

為滿足致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲捕集滑板仿生研制過程中昆蟲在材料表面產(chǎn)生的附著力、摩擦力及昆蟲附著系統(tǒng)的剪切力、斷裂力等毫牛尺度微力的測試需求，設(shè)計了拉壓式微力測試系統(tǒng)。硬件方面包括測力傳感器的選擇及標(biāo)定、配合傳感器實現(xiàn)昆蟲微力準(zhǔn)確測試的測試平臺及附屬機構(gòu)、傳感器輸出信號調(diào)理模塊與數(shù)據(jù)采集卡選取等，基于Labwindows/CVI編寫了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序。拉壓式昆蟲微力測試系統(tǒng)調(diào)試運行結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、有效地實現(xiàn)毫牛尺度昆蟲微力的測量，并能直觀、實時地顯示測試過程中昆蟲微力的變化，以及能夠?qū)崿F(xiàn)對昆蟲微力軌跡圖和數(shù)據(jù)組的保存和比較運算。所設(shè)計建立的拉壓式微力測試系統(tǒng)能夠滿足致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲捕集滑板仿生研制過程中對毫牛尺度微力的測試需求。

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