基于LabVIEW的壓力測試系統(tǒng)設計

李豪帥 王高

【摘要】設計了壓力測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以壓力傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、PC機為硬件開發(fā)平臺，以圖形化編程語言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，將虛擬儀器技術運用到壓力測試中。結(jié)果表明，本設計各項功能運行情況良好，使工作效率和準確性都得到較大提升，同時也減少了故障率，能夠有效地應用于各種通用的測試系統(tǒng)中。

【關鍵詞】壓力測試;LabVIEW;虛擬儀器

一、引言

壓力是過程生產(chǎn)中四大重要參數(shù)之一，它是檢測生產(chǎn)過程能否完全可靠正常運行的重要參數(shù)指標。目前很多傳統(tǒng)的壓力測試多采用手動方式或者是單片機來采集相關測試信息。其測試系統(tǒng)功能單一，開發(fā)周期長，功能難以擴展，測試精度不高[1]。應用LabVIEW虛擬儀器技術能按照客戶的需求來設計儀器，方便靈活而且開發(fā)周期短。它不僅降低了儀器成本，而且提高了工作效率[2]。本文應用LabVIEW軟件設計的壓力測試系統(tǒng)，包括壓力傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集與傳輸和計算機軟件模塊等。

二、壓力測試系統(tǒng)硬件部分設計

壓力測試系統(tǒng)的硬件由壓力傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡及PC機等組成，壓力信號的處理過程是：壓力傳感器把壓力轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過調(diào)理電路，將信號放大，通過數(shù)據(jù)采集卡采集，再送入PC機進行各種處理。

1.壓力傳感器

壓力傳感器是用金屬彈性體將壓力轉(zhuǎn)換為應變的功能元件，通過粘貼在彈性體敏感表面的電阻應變計及其以一定方式組成的電橋網(wǎng)絡，在外加電源的激勵下，實現(xiàn)壓力、應變、電阻變化、電信號變化等轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的一種壓力傳感器[3]。此硬件系統(tǒng)主要利用陶瓷壓力傳感器AP681來測量壓力信號。

2.信號調(diào)理電路設計

信號調(diào)理電路，是把模擬信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計算顯示讀出或其他目的的數(shù)字信號。包括零點調(diào)整電路，信號的放大、濾波、隔離電路，多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路及電源電路。

3.數(shù)據(jù)采集卡的選擇

本系統(tǒng)采用研華PCI-1711，該數(shù)據(jù)采集卡完全符合PCI規(guī)格Rev2.1標準。支持即插即用;有16路單端模擬輸入。12位MD轉(zhuǎn)換器，16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出，2路12位模擬量輸出，采樣速率可達100KHz;每個輸入通道的增益可編程，自動通道，增益掃描[4]。本系統(tǒng)為單通道測試系統(tǒng)，因此該采集卡符合要求。

三、壓力測試系統(tǒng)軟件部分設計

壓力測試系統(tǒng)的軟件設計，是運用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，該平臺是當前測試領域功能最強、應用最廣、發(fā)展最快的一種圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境[5]。在程序的設計過程中運用模塊化的設計思想，根據(jù)不同功能的需要，分別組建各種功能模塊，該系統(tǒng)包含了實時顯示模塊、參數(shù)設置模塊和儀器控制模塊等。

1.信號模擬模塊

隨機函數(shù)產(chǎn)生0～1的隨機數(shù)，在達到最大壓力值之前，每循環(huán)一次，循環(huán)計數(shù)加1，再與之前產(chǎn)生的隨機數(shù)相加，即可產(chǎn)生隨機遞增的模擬壓力信號，如圖1所示。

圖1 信號模擬模塊 ? ? ? ? ?圖2 壓力值的實時顯示

2.實時顯示模塊

在前面板中，采用LabVIEW中“數(shù)值”面板中的“儀表”。在程序框圖中，與之前產(chǎn)生的模擬壓力信號連接即可，如圖2所示。

在前面板中，采用LabVIEW中“數(shù)值”面板中的“水平刻度條”。在程序框圖中，與循環(huán)計數(shù)連接即可，如圖3所示。

3.參數(shù)設置模塊

在前面板中，采用LabVIEW“數(shù)值”面板中的“數(shù)值輸入控件”。在程序框圖中，由于該數(shù)值要與壓力信號進行比較，因此要與“大于”函數(shù)連接，如圖4所示。當壓力信號大于最大壓力時，程序進入下一階段。

圖3 實驗進度實時顯示 ? ? ? ?圖4 最大壓力值設置

在程序框圖中，利用“函數(shù)”面板中“提示用戶輸入”模塊，與保壓過程連接即可，如圖5所示。當壓力信號大于最大壓力值時，程序?qū)⑦M入保壓階段，此時，程序啟動“提示用戶輸入”模塊，提示用戶輸入保壓時間，待用戶輸入后，系統(tǒng)進入保壓階段。

圖5 保壓時間設置

4.儀器控制模塊

保壓過程采用For循環(huán)結(jié)構和等待函數(shù)，由于等待函數(shù)是毫秒計算，所以“提示用戶輸入”的“保壓時間”輸入要利用“乘以”函數(shù)換算到秒。圖6為升壓、保壓階段程序框圖。整個升壓、保壓過程流程如下：由信號模擬模塊產(chǎn)生的隨機遞增模擬壓力信號每循環(huán)一次都會與用戶輸入的最大壓力值相比較。當模擬壓力信號比最大壓力值小時，程序?qū)⑼ㄟ^移位寄存器，將此時的壓力值傳送到下一次循環(huán)，直到當前的壓力信號大于最大壓力值，程序進入后續(xù)的保壓階段。首先，經(jīng)過參數(shù)設置模塊的保壓時間設置，程序進入保壓階段，時間設置單位為秒。

圖6 升壓、保壓階段程序框圖

暫?？刂频膶崿F(xiàn)，采用了事件結(jié)構和單按鈕對話框，如圖7所示。當用戶通過前面板點擊暫停時，程序?qū)⑻幱跁和顟B(tài)。

圖7 暫?？刂?? ? ? ? ? ?圖8 泄壓階段程序框圖

泄壓過程采用For循環(huán)，條件結(jié)構和“單按鈕對話框”函數(shù)，如圖8所示。保壓階段的壓力值傳送到這個階段后與保壓階段的壓力值比較。由于加函數(shù)與循環(huán)次數(shù)連接，因此保壓階段新產(chǎn)生的信號是隨循環(huán)次數(shù)遞增的，再通過減函數(shù)將該信號與之前的壓力值連接，可以實現(xiàn)泄壓的目的。當之前的壓力值與新產(chǎn)生的數(shù)值相減小于0時，程序顯示“泄壓完成”字樣，運行結(jié)束。

四、仿真

在“初始壓力”設置中填寫0，在“壓力上限”設置中填寫5，點擊“運行”，點擊“開始采集”，開始進行仿真，壓力將不斷上升。如圖9和圖10所示。

圖9 開始仿真 ? ? ? ? ?圖10 升壓過程

當壓力值超過壓力上限時，即當前壓力值為5.56842Mpa，超過了預設壓力上限5Mpa。系統(tǒng)紅燈亮起并跳出頁面，提示用戶輸入保壓時間并進入保壓階段。如圖11和圖12所示。

圖11 超過壓力上限 ? ? ? ? 圖12 輸入保壓時間

為了仿真的效率，我們選擇0s。保壓時間結(jié)束后，系統(tǒng)自動進入泄壓過程，泄壓結(jié)束后，出現(xiàn)“泄壓完成”窗口，仿真結(jié)束，如圖13和圖14所示。

圖13 泄壓過程 ? ? ? ? ? ? ? ?圖14 泄壓完成

五、結(jié)束語

本文介紹了基于LabVIEW的壓力測試系統(tǒng)的設計。通過仿真，所得結(jié)果與預想的升壓、保壓和泄壓過程基本吻合，設計目的基本達到，該設計可行。模塊化的編程使程序擴展變得很方便，可以預見，虛擬儀器技術在測試領域?qū)⒂懈篮玫陌l(fā)展前景。

參考文獻

[1]晏克俊，劉君.基于虛擬儀器的壓力開關測試系統(tǒng)設計[J].宇航計測技術，2010，30（2）.

[2]陳敏等.虛擬儀器軟件LabVIEW與數(shù)據(jù)采集[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2001，4：5-9.

[3]周又平，梅長彤.座倚壓力測試系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2006（10）：189-190.

[4]Li Bo-quan：Data socket technique and Its Application in the Monitoring System[J].Computer application， Vol.23，（2003）.12，p229-230.

[5]National Instruments Corporation，LabVIEW Use Manuals[M].U.S.A.，2006.

作者簡介：李豪帥（1988—），男，山西運城人，中北大學碩士研究生在讀，研究方向：測試計量技術及儀器。