基于虛擬儀器的熱膨脹儀測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

   　 熱膨脹儀測(cè)試系統(tǒng)國(guó)內(nèi)目前大多使用VC開(kāi)發(fā)，其編程過(guò)程復(fù)雜，儀器之間的通訊實(shí)現(xiàn)十分繁瑣，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。美國(guó)NI公司提出的虛擬儀器是一種綜合的測(cè)試技術(shù)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)上添加幾種共性的基本儀器硬件模塊，通過(guò)軟件的思想來(lái)組合成各種功能的儀器和系統(tǒng)的儀器設(shè)計(jì)思想。虛擬儀器技術(shù)利用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，LabVIEW系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能縮短復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，更迅捷、更經(jīng)濟(jì)地解決測(cè)試問(wèn)題，而且它的界面友好，這使得它已經(jīng)越來(lái)越多地在應(yīng)用在測(cè)試領(lǐng)域。它內(nèi)置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS一232和RS一485各種通訊總線標(biāo)準(zhǔn)，具有強(qiáng)大的外部接口功能，能夠簡(jiǎn)單的完成軟件間的接口通訊，使用IabVIEW軟件進(jìn)行編程，能夠節(jié)約時(shí)間和成本。由于虛擬儀器開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、快捷的特點(diǎn)，本文利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)出一套熱膨脹儀測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)便、易于測(cè)量，并使用其強(qiáng)大的接口通訊功能，通過(guò)VISA通訊實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的測(cè)量和數(shù)據(jù)的采集、分析處理、存儲(chǔ)和顯示。

2 熱膨脹的測(cè)試的總體方案設(shè)計(jì)

   　 測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)將被測(cè)材料放在加熱爐體內(nèi)，隨著溫度升高，材料受熱膨脹后膨脹量通過(guò)頂桿將膨脹量傳遞到位移傳感器上，位移傳感器器所測(cè)得的位移量就是材料熱膨脹變化的位移量。隨著爐體溫度的升高，系統(tǒng)將溫度信號(hào)和變化的位移信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集和處理分別實(shí)時(shí)地傳到PC機(jī)中，通過(guò)熱膨脹公式計(jì)算獲得材料的熱膨脹系數(shù)，這就是測(cè)量熱膨脹的基本原理。

   　 測(cè)試的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。首先通過(guò)位移和溫度傳感器作為信號(hào)的輸人，信號(hào)通過(guò)調(diào)理模塊進(jìn)行放大、濾波，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集后傳送到PC中，來(lái)獲得當(dāng)前的溫度信號(hào)與位移信號(hào)。利用PID控制算法對(duì)電加熱爐溫度進(jìn)行的控制，使得溫度線性上升，隨著這個(gè)線性的溫度變化，可以同時(shí)通過(guò)測(cè)量材料的膨脹量來(lái)獲得熱膨脹曲線，最終可以通過(guò)膨脹曲線和測(cè)試的數(shù)據(jù)獲得在任意溫度段內(nèi)的膨脹系數(shù)。

3  熱膨脹儀測(cè)試的基本硬件

3.1溫度傳感器

　　溫度的檢測(cè)采用鎳鉻一鎳硅熱電偶(K型熱電偶)，K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性好等特點(diǎn)，能測(cè)最高溫度為1300℃，且小型牢固，能在惡劣環(huán)境下使用，但它們只能產(chǎn)生毫伏(mV)級(jí)的輸出，所以需要進(jìn)行精確放大供進(jìn)一步的處理。而熱電偶的電壓溫度曲線通常以0℃作為參考點(diǎn)，而實(shí)際的溫度通常都不是0℃，因此一般都需要采用冷端補(bǔ)償技術(shù)(CJC)。

3.2位移傳感器

　　位移傳感器是位移測(cè)量的關(guān)鍵器件，傳感器精度影響著測(cè)量的精度。本系統(tǒng)中采用的是可變式線性差動(dòng)變壓器(LVDT)是一種將位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器，其輸出與可移動(dòng)磁芯成正比。磁芯在中央初級(jí)線圈和兩外層次級(jí)線圈所構(gòu)成的變壓器內(nèi)線形移動(dòng)，初級(jí)線圈加電壓激勵(lì)，兩次級(jí)線圈的繞向相反，因此當(dāng)磁芯位于中間位置時(shí)，凈輸出電壓應(yīng)改為零。但是由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組和漏感之間的不一致，故輸出不會(huì)出現(xiàn)真正的零值。解決以上問(wèn)題一般都用信號(hào)調(diào)理電路，將兩個(gè)輸出電壓的絕對(duì)值相減。利用這種方法，能夠測(cè)量圍繞中心位置的正向變化和負(fù)向變化。位移傳感器性能指標(biāo)為：測(cè)量范圍±2．5mm，測(cè)量電壓±12VDC，輸出信號(hào)±5VDC，非線性度為萬(wàn)分之五，溫度系數(shù)為十萬(wàn)分之五。
3.3信號(hào)調(diào)理模塊

　　使用ADAM一4018作為溫度傳感器信號(hào)的調(diào)理模塊。ADAM一4018是一個(gè)16位8通道模擬量輸入模塊，可以直接采集熱電偶信號(hào)，可以分別對(duì)應(yīng)不同的熱電偶信號(hào)，本文中用到其中3個(gè)模擬輸入通道，分別用于測(cè)試爐體加熱管溫度、被測(cè)材料附近溫度和位移傳感器環(huán)境溫度。ADAM一4018其通訊接口為RS一485，所有通道都提供了可編程地輸入范圍。它可以測(cè)量多種不同的模擬量信號(hào)，例如熱電偶、mV，V，和mA信號(hào)，可以轉(zhuǎn)換不同的信號(hào)范圍。它內(nèi)部含冷端補(bǔ)償電路，可以進(jìn)行補(bǔ)償，且自帶Advan-tech Device Manager軟件，避免了軟件中將模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成K型熱電偶的溫度信號(hào)的設(shè)置，它可以將模擬電壓對(duì)應(yīng)設(shè)定的熱電偶型號(hào)，產(chǎn)生溫度信號(hào)輸出。避免了繁瑣的插值方法或者是高次多項(xiàng)式的模擬。

3.4數(shù)據(jù)采集卡

　　為了采集信號(hào)方便，本系統(tǒng)采用并行32位傳輸總線的PCI一9118HG作為插卡式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這是一款具有16路單端／8路差分輸入的數(shù)據(jù)采集卡，并且含有2路模擬輸出。輸出的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后輸出模擬電壓，通過(guò)模擬電壓信號(hào)控制調(diào)壓模塊從而控制加熱體的輸出功率。

4 熱膨脹測(cè)試的軟件設(shè)計(jì)

　　LabVIEW是一種基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有功能強(qiáng)大的函數(shù)模塊和通訊協(xié)議，大大減少了軟件開(kāi)發(fā)的周期，特別是在測(cè)試和控制系統(tǒng)當(dāng)中，能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)將熱膨脹測(cè)試分為測(cè)量模塊和分析模塊兩部分，熱膨脹儀測(cè)試系統(tǒng)的軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.1差動(dòng)變壓器的信號(hào)采集

　　利用PCI一9118HG進(jìn)行信號(hào)的采集，由于其傳輸速度快，能夠快速將熱膨脹所產(chǎn)生的位移變化傳遞出來(lái)，有較好的響應(yīng)，如圖3所示。由于系統(tǒng)采用的不是NI的數(shù)據(jù)采集卡，PCI．一9118HG對(duì)NI的某些DAQmx控件不支持，數(shù)據(jù)信號(hào)的采集采用的是DAQ采集。采集卡將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)輸出為+2．5mm信號(hào)，在圖3中加入一個(gè)公式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)度變換將信號(hào)變換成所需的信號(hào)范圍中。

4.2熱電偶信號(hào)的采集與VISA串口通訊

　　采用ADAM一4018進(jìn)行熱電偶信號(hào)采集。ADAM一4018M所有通道都提供了可編程地輸入范圍，其自帶軟件Advantech Device Manager可以將輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，也可以自己設(shè)定CJC補(bǔ)償校正，ADAM一4018是RS一485串口通訊模塊．通過(guò)RS485／RS232轉(zhuǎn)接口將信號(hào)傳遞到PC機(jī)中，軟件中允許發(fā)送命令對(duì)模塊進(jìn)行輸出控制。接下來(lái)要發(fā)送命令將ADAM一4018中采集的數(shù)據(jù)通過(guò)VISA通訊發(fā)送到LabVIEW軟件界面當(dāng)中。

　　首先要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、是否有奇偶校驗(yàn)等等。必須跟PC機(jī)上面的設(shè)置相同。接著是打開(kāi)VISA，通過(guò)VISA往儀器里面寫(xiě)代碼和關(guān)閉VISA。向ADAM一4018模塊發(fā)送命令將采集處理后的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到Lab-view中，在L,abVIEW中輸出熱電偶的溫度信號(hào)，而不需要另外運(yùn)行Advantech I)eviee Manager軟件。如圖4就是VISA通訊的串口程序。Write buffer中的#01則是將0l地址輸出的數(shù)據(jù)傳到LabVIEW當(dāng)中。在寫(xiě)write buffer的時(shí)候，要注意將其屬性改為可以寫(xiě)代碼，否則不能輸出結(jié)果。數(shù)據(jù)傳輸后，從ADAM一4018中返回的是字符串，并且?guī)в?quot;>"、"+"等符號(hào)，要將其類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)輸出。采集的溫度信號(hào)分別是爐體的溫度、棒材的溫度和差動(dòng)變壓器附近的環(huán)境溫度。其中只有爐體的溫度是可控的。

4.3 PID控制

　　PID控制前面板如圖5所示。控制效果通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)來(lái)整定。作為一個(gè)比較經(jīng)典的控制算法，PID控制常再溫度控制中使用，并且有較好的控制效果。本系統(tǒng)是通過(guò)采集讀人溫度信號(hào)到PID模塊，通過(guò)PID模塊來(lái)控制加熱的輸出功率，從而使溫度以較好的響應(yīng)逼近目標(biāo)溫度。P、I、D參數(shù)的具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID模塊中帶有參數(shù)的自整定，可以根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境情況對(duì)噪聲的狀況進(jìn)行分析。自動(dòng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

4.4數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)分析

　　數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)部分如圖6所示，在開(kāi)始運(yùn)行程序后，程序會(huì)給一個(gè)提示存儲(chǔ)文件，默認(rèn)名字為filel，txt，用戶可以對(duì)其進(jìn)行修改，系統(tǒng)將根據(jù)采樣速率記錄下時(shí)間、溫度以及對(duì)應(yīng)的位移量的值。數(shù)據(jù)分析的前面板如圖7所示。通過(guò)設(shè)置溫度段，用戶可以調(diào)用存儲(chǔ)的文件。系統(tǒng)將自動(dòng)從存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件中調(diào)出用戶輸入的溫度值對(duì)應(yīng)的位移量，根據(jù)材料的長(zhǎng)度和溫度變化的值，由熱膨脹系數(shù)公式αm=(L2一L1)／[L0(t2一t1)]=(△L／Lo)／△t(t1

5 結(jié)論與展望

　　本系統(tǒng)構(gòu)建了熱膨脹測(cè)試系統(tǒng)，采用了NI的LabVIEW軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，利用虛擬儀器強(qiáng)大的通訊功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和VISA的串口數(shù)據(jù)通訊。熱膨脹測(cè)試界面友好，易于操作，能夠方便靈活地測(cè)量出被測(cè)物體的膨脹系數(shù)，并且具有數(shù)據(jù)的分析功能，通過(guò)調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件為測(cè)試者自動(dòng)計(jì)算出分析所需溫度段的熱膨脹系數(shù)。本系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)于熱膨脹的測(cè)試和材料性能的研究都有著積極的意義。