基于CompactDAQ的動車組空氣動力學(xué)性能測試系統(tǒng)設(shè)計

李 淼，陳春俊，繆曉郎

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

基于CompactDAQ的動車組空氣動力學(xué)性能測試系統(tǒng)設(shè)計

李 淼，陳春俊，繆曉郎

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對高速列車空氣動力學(xué)性能測試試驗(yàn)中，長輸送線方式會帶來測量誤差，采集點(diǎn)數(shù)量多且分布廣泛，動車密封性受到影響，各采集點(diǎn)之間的同步性難以保證，以及測試工作量大等問題，提出一種基于CompactDAQ的動車組空氣動力學(xué)性能分布式測試系統(tǒng)。采用LabVIEW編寫數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)界面程序。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能保障信號的準(zhǔn)確性和同步性，改善動車組的密封性，同時也減少了實(shí)車測試人員數(shù)量。

動車組；空氣動力學(xué)；分布式采集系統(tǒng)；CompactDAQ；隧道壓力波

0 引 言

隨著列車運(yùn)行速度的提高，高速列車運(yùn)行引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)[1]，可通過理論分析及數(shù)值模擬仿真計算進(jìn)行研究[2]，還需通過試驗(yàn)對理論分析進(jìn)行驗(yàn)證[3]。為了確保動車組運(yùn)行的節(jié)能、安全與舒適，需要對動車組表面壓力、設(shè)備倉及車內(nèi)壓進(jìn)行線路運(yùn)行實(shí)車測試[4]。目前采用的空氣動力學(xué)性能測試系統(tǒng)是將傳感器的信號輸出線通過膠帶粘貼在車體表面，走線到車體的進(jìn)線孔，由進(jìn)線孔進(jìn)入動車內(nèi)部，在車內(nèi)集中采集。由于采集點(diǎn)數(shù)量大，考慮信號線過長帶來的測量誤差，通常8編組的動車以相鄰兩節(jié)車廂設(shè)置一個采集點(diǎn)，在試驗(yàn)過程中造成各采集點(diǎn)的同步性難以保證。傳感器信號線過多致使車體氣密性下降，影響測試精度，并且試驗(yàn)過程中操作人員增多。本文提出一種基于CompactDAQ的空氣動力學(xué)測試方法，利用C系列板卡自身的硬件濾波功能和分布式采集的特點(diǎn)，降低中間過程對信號準(zhǔn)確性和動車的影響；采用LabVIEW圖形化編程語言編寫數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理程序及人機(jī)界面。

1 測試系統(tǒng)硬件組成

針對動車組的高速移動性、強(qiáng)風(fēng)、振動、惡劣測試環(huán)境及高精度測試要求，采用基于NI-CompactDAQ的分布式采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括傳感器、采集卡、CompactDAQ和電腦4個部分。測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 CDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

其工作過程為：傳感器將氣壓變化量值，以電信號的形式傳入數(shù)據(jù)采集卡；CompactDAQ機(jī)箱借助TCP/IP協(xié)議將采集到的信號通過網(wǎng)線傳入電腦進(jìn)行顯示、記錄和分析[5]。本系統(tǒng)可以安裝8塊數(shù)據(jù)采集卡，每塊卡包含8通道，所以本系統(tǒng)可進(jìn)行64通道的同步數(shù)據(jù)采集。通過交換機(jī)配置多套這樣的設(shè)備，組成局域網(wǎng)進(jìn)行同步采集。

1.1 傳感器選擇

傳感器選擇的原則一般包括測量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)，但在空氣動力學(xué)測試中還需考慮到傳感器尺寸對流場的影響及傳感器自身的安全；因此，本系統(tǒng)選擇壓阻式薄片傳感器8515C，該傳感器體積小，直徑6.35 mm，厚度只有0.76 mm；靈敏度高，工作穩(wěn)定；氣壓測量范圍0～100kPa，滿足空氣動力學(xué)測試系統(tǒng)需求，氣壓的波動幅度在傳感器的響應(yīng)范圍內(nèi)。

1.2 CompactDAQ采集器

針對空氣動力學(xué)性能測試采集點(diǎn)多、空間分布距離大、振動噪聲大等特點(diǎn)，選擇可自由組合的高可靠性CompactDAQ分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是分布式的I/O，可以分離采集通道；同時采集器可安置在設(shè)備倉內(nèi)，減少了通過進(jìn)線孔的線纜數(shù)量，在一定程度上提高了動車的密封性能；同時CompactDAQ系統(tǒng)采用的定時引擎具有靈活性和同步率高等特點(diǎn)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，ADC需要時鐘信號以確定信號采集時間點(diǎn)，且多個系統(tǒng)的多個ADC是通過共用同一個時鐘以同步所有通道的測量。

針對空氣動力學(xué)性能測試中，會車壓力波及隧道壓力波的快速變化，以及嚴(yán)格的同步性要求，同時車內(nèi)壓力的最小分辨率要求為50 Pa[6]，因此需要有很高的采集精度和分辨率以及高頻率時鐘。

NI 9236具有8個模擬輸入通道，每條通道都帶有獨(dú)立的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和輸入放大器，每通道最高采樣頻率為6.25kHz，可對8個通道信號同步采樣，且每個通道均可連接一個1/4橋傳感器，提供恒定的激勵電源電壓，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1.3 硬件系統(tǒng)配置

CDAQ通過網(wǎng)線與電腦連接后，利用NI自帶的Measurement&Automation軟件，可檢測到設(shè)備并對其進(jìn)行設(shè)置[7]。如果有多臺CDAQ設(shè)備，可以通過交換機(jī)，組成一個局域網(wǎng)，再由交換機(jī)連接到PC機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對所有設(shè)備的配置。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW是為測量與控制而設(shè)計的圖形化編程語言[8]。它將軟件和各種不同的測量儀器及計算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，以形成用戶自定義的解決方案[9]。本系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存儲與處理軟件的設(shè)計。

2.1 數(shù)據(jù)采集及存儲

本系統(tǒng)采用壓阻式傳感器，其內(nèi)部是一個電橋電路，包含4根線纜。因此配置采集系統(tǒng)的模擬輸入類型為四線制電阻，選擇內(nèi)部電流激勵源。在空氣動力學(xué)測試中，后期的數(shù)據(jù)分析和處理很重要，所以需要對氣壓進(jìn)行連續(xù)采集，且采樣頻率要求很高，滿足采樣定理，這里采樣頻率設(shè)置為1000Hz，數(shù)據(jù)采集程序如圖2所示。

為方便現(xiàn)場測試人員在實(shí)驗(yàn)過程中觀察實(shí)際壓力值的變化情況，在采集程序中需要對每個通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)漂移和靈敏度的配置。根據(jù)實(shí)際需求，本文只對ComapactDAQ進(jìn)行了一個采集卡的配置，包含8個通道的數(shù)據(jù)。換算關(guān)系如圖3所示。

為了滿足后期數(shù)據(jù)處理的需要，編寫數(shù)據(jù)存儲程序。存儲方式包括文本、二進(jìn)制、波形文件等，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行自由編程。考慮到空氣動力學(xué)性能測試的特殊性及測試點(diǎn)的多樣性，本文利用LabVIEW自帶的TDMS存儲方式存儲數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序

圖3 標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序

圖4 TDMS數(shù)據(jù)存儲配置程序

同時TDMS還可以進(jìn)行采集信息的配置，如采集人員的信息、時間信息，每通道的數(shù)據(jù)名稱也可單獨(dú)命名，方便測試人員在讀取數(shù)據(jù)文件時，直觀地了解此通道是哪個位置的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

測試結(jié)束后，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，如計算數(shù)據(jù)的最大值、最小值以及壓力差，計算1s和3s氣壓變化率的最大值。根據(jù)計算結(jié)果分析列車在明線運(yùn)行、明線會車、隧道通過、隧道會車、過分相等工況下，車外壓力以及車內(nèi)壓力的流場分布，列車的氣密性能是否滿足出廠設(shè)計要求，以及車內(nèi)壓力的波動是否滿足人體舒適性的要求[10]。數(shù)據(jù)處理程序如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理程序

2.3 人機(jī)界面設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集和存儲界面中，可以很方便地查看每個通道的實(shí)時波形及波形值，也可以自由選擇保存數(shù)據(jù)的時間段，面板上的按鈕可以很方便地實(shí)現(xiàn)，界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集及存儲界面

數(shù)據(jù)處理界面中可以顯示出每個通道的最大值和最小值以及氣壓差；同時還可以顯示出1s和3s氣壓變化率及最大值。從界面上可以很清晰地觀察出這個數(shù)據(jù)段的車內(nèi)壓力指標(biāo)是否滿足人體舒適度的要求，界面如圖7所示。

3 測試數(shù)據(jù)分析

選取動車通過某一隧道時車外壓力的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對原始信號采取低通濾波處理，從處理結(jié)果知道，最大值-694.5Pa，最小值-1262Pa，壓差567.5Pa。車外壓力時域波形如圖8所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理界面

圖8 車外壓力時域波形

判斷車內(nèi)壓力波動對人體舒適度影響的兩個重要指標(biāo)是1s和3s氣壓變化率。由本系統(tǒng)計算出的車內(nèi)壓力1s和3s變化率如圖9所示。1s和3s變化率符合列車過隧道時的特征[11]，且1s變化率最大67Pa/1s，3s變化率最大159Pa/3s，滿足人體舒適性要求[10]。

計算車內(nèi)氣壓的最大值、最小值，以及壓力壓差1s和3s變化率，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

圖9 車內(nèi)氣壓的1s和3s變化率

表1 某隧道180km/h上行隧道通過車內(nèi)氣壓變化率

4 結(jié)束語

1）基于CDAQ的空氣動力學(xué)測試系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能良好，在應(yīng)用中最大限度減小了測試員數(shù)量，提高了自動測試水平，節(jié)約了成本。

2）基于CDAQ的空氣動力學(xué)測試系統(tǒng)減少了中間環(huán)節(jié)，保障了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，縮短了信號傳輸線長度，降低了信號的測量誤差，保證了各個采集點(diǎn)之間的同步特性。

3）基于CDAQ的空氣動力學(xué)測試系統(tǒng)減輕了對整車氣密性的影響程度。

4）圖形化編程提高了程序設(shè)計效率、人機(jī)接口友好、有利于數(shù)據(jù)的處理與氣壓舒適性評價。

[1]田紅旗.中國列車空氣動力學(xué)研究進(jìn)展[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2006，6（1）：1-9.

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[3]陳燕榮，肖友剛.高速列車空氣動力學(xué)性能計算[J].鐵道車輛，2009，47（1）：14-16.

[4]聶錫成，陳春俊.一種高速列車空氣動力學(xué)測試方案的設(shè)計[J].中國測試，2012，38（4）：73-75.

[5]孫朝，云蘆娜.基于LabVIEW的應(yīng)力應(yīng)變信號數(shù)據(jù)采集與處理[J].通訊和計算機(jī)，2007，4（9）：30-32.

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Designing aerodynamic test system for EMU based on CompactDAQ

LI Miao，CHEN Chun-jun，MIAO Xiao-lang
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiao Tong University，Chengdu 610031，China）

At present，long transmission lines mode will bring measurement error in high-speed train aerodynamics test.Because of the large number of measuring points and widely distributed，it has affected the tightness of EMU.It is hard to satisfy with time synchronization between each collection points and so on.For these reasons，this paper presents a distributed aerodynamic test system for EMU based on CompactDAQ.LabVIEW was used to write data acquisition，data processing and human-machine interface program.Test results show that this system can ensure synchronization and accuracy of single，improve the tightness of EMU，and also reducing the number of testers，and reach the desired effect.

EMU；aerodynamic；distributed acquisition system；CompactDAQ；tunnel pressure wave

U292.91+4；V211.24；TP274；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0145-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.037

2014-03-12；

：2014-05-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（SWJTU12CX038）

李 淼（1988-），男，四川成都市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樽詣踊瘷z測與控制。