論基于虛擬儀器的機械工程測試系統開發

摘 要:隨著機械產品的機電一體化和生產過程自動化程度的不斷提高，機械工程測試系統越來越復雜，它已成為整個機械設備研制、開發、應用和教學過程中不可或缺的組成部分。

關鍵詞:機械參數;測試系統;虛擬儀器

中圖分類號:TH122文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01029302

1 機械工程測試系統概述

機械工程測試系統的基本任務是從測試對象獲取反映其變化規律的動態信息，一個功能完善的機械工程測試系統由傳感器、信號轉換裝置、信號分析處理裝置和顯示與記錄等功能模塊組成，無疑，討論和設計機械工程測試系統及其構成要素，是十分有意義的。

測試系統的第一個環節是信號的傳感，即是將被測量的量或被觀察的量通過一個被測量傳感器或敏感元件轉換成一個電的、液壓的、氣動的或其他形式的物理量，被測的或被觀察的量與被轉換的輸出量之間根據可利用的物理定律應該具有一種明確的關系。傳感器就是用來完成這種轉換的裝置。

第二個環節為信號的轉換和調理。被測物理量經傳感環節被轉換為電阻、電容、電感或者電壓、電流、電荷等電參量的變化，由于在測試過程中不可避免地遭受各種內、外干擾因素的影響，且為了用被測信號驅動顯示、記錄和控制等儀器或進一步將信號輸入計算機進行數據處理。因此經傳感后的信號尚需進過調理、放大、濾波、運算分析等一系列加工處理，以抑制干擾噪聲、提高信噪比，便于進一步傳輸和后續環節中的處理。

第三個環節是是對這些信號進行分析處理以及顯示記錄，包括信號的時域分析、頻域分析、相關分析等。原始波形顯示、處理后波形顯示等。從而還可以分析出機械運轉的工況等。

2 虛擬儀器技術在機械工程測試系統中的應用現狀

科學技術的日益發展，對現在的機械工程測試系統影響很大，特別是相對于傳統的測試系統來講。以前要用特定的儀器對信號進行分析，但是利用虛擬儀器組建的機械工程測試系統卻不用專用的儀器，而是利用計算機作為連接虛擬儀器軟硬件的平臺，信號源通過調理后數據采集卡就可以獲取數據進行分析處理。現代計算機技術對機械工程測試技術和儀器的發展產生了革命性的影響。

測試系統的發展經歷了模擬測試儀器、計算機測試系統及虛擬儀器三個階段。現代機械工程測試技術以計算機為中心，計算機的發展必然促進測試技術和儀器的發展。在此背景下，虛擬儀器的產生也就水到渠成。

在虛擬儀器中，軟件是虛擬仗器系統的關鍵，目前國內外這種軟件主要有美國DSP公司的DADISP軟件，以實驗后數據處理分析和表示見長美國NI公司的系列虛擬儀器開發平臺(LabVIEW、LabWindows/CVI、Virtual Bench和Component Works)、美國QUATECH公司的DASLab軟件包和惠普公司的VEE軟件平臺都是可以搭建虛擬測試系統的軟件平臺，以圖形化編程和界面靈活見長。

由于PC的功能變得越來越強大，速度快，價格低，在標準PC上連接一個或多個儀器模塊構成測試儀器成為一種趨勢。這種儀器即為虛擬儀器。

虛擬儀器的軟件開發平臺LabVIEW中，“所見即所得”的可視化技術是應用于測試領域的雛形。虛擬儀器注重測試人員在進行工作中的感覺。用仿真的面板給人以真實儀器的感覺，用豐富的曲線圖像向測試人員傳遞信息，是虛擬現實技術在機械工程測試領域中的廣泛應用趨勢。

在機械工程測試系統中，應用虛擬儀器編的越來越普遍，因為很多傳統的硬件設備在虛擬儀器中都可以用軟件代替，從而降低了大量的設備浪費，降低了成本，并且還可以直觀化的顯示其結果，將多種的傳統儀器合并到一套虛擬儀器測試系統中，有利于編程，也有利于增強測試系統的準確度。

3 機械工程測試系統開發環境

3.1 應變測試系統

虛擬應變測試硬件系統組成如下:

虛擬式應變測試儀由硬件和軟件兩大部分組成，這里采用PCDAQ體系結構組建虛擬儀器。其原因是因為PCDAQ系統是以數據采集板、信號調理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器系統，它充分利用了主流和普及的PC機總線、機箱、電源以及豐富的軟件，以極少的硬件就能形成功能完備的應變測試系統平臺，這種方案的性價比最佳。

下圖是一個模擬信號的數據采集過程示意圖，從這個圖中可以看到模擬的信號通過設定的通道以后，再經過多路開關，經過刀D轉換等將模擬信號變為數字信號，這些信號到達計算機中，計算機中的已經編好的LabVIEW程序對其信號進行分析處理。

對信號進行采集時，采樣頻率、采樣通道以及采樣點數是需要用戶設定的參數，用戶通過前面板的參數選擇項根據實際需要進行設置，這些范圍和數據采集卡的精度有關。本文設計的應變測試這一塊，對與滿足數據采集卡精度要求的應變信號，都可以通過數據采集卡，并對其進行相關設定的分析。

3.2 位移測試系統

位移檢測技術在工業生產中有著廣泛的應用。位移檢測是機械量檢測的基礎，將機械量轉化成位移量來檢測是機電一體化技術的重要組成部分之一。對位移的檢測不僅為提高產品質量和生產安全提供了重要數據，同時也為其他參數的檢測提供了基礎。

實現位移測量的關鍵是信號的轉換即傳感器的選用。本文對位移的測量通過電渦流位移傳感器CWYDO504將位移信號轉化為電壓信號進行測量;通過傳感器把非電量轉化成相應的電壓信號，再經過信號調理電路進行測量。在測量過程中，為了保證測試系統的可靠性與測試精度，在測試系統的設計過程中必須注意傳感器地選擇、信號調理模塊的選擇以及系統抗干擾設計。

在進行位移測量時，本檢測系統可以將位移量轉換成電壓信號供數據采集卡。在執行機構帶動位移傳感器運動時可以進行電壓信號的采集，最后通過標定將電壓信號轉換成相應的位移信號，實現位移的測量。位移信號經過調理后，傳輸到數據采集卡中，數據采集卡選用NI公司生產的PXL-6251多功能數據采集卡。

3.3 壓力測試系統

本測試系統是以液壓試驗平臺為測試平臺而進行的一系列機械量測量測試，以此液壓實驗臺做壓力信號源，隨著液壓系統向高壓、大功率、高精度方向發展，液壓系統的結構變得越來越復雜，故障率也隨之增加，安全問題日益突出，因此，在液壓系統工作過程中，需要確切的了解液壓系統內部的壓力和流量等，這對于防止系統出現意外故障和有效提高系統工作效率具有十分重要的意義。所以本系統選取液壓試驗平臺的液壓管道壓力為被測對象。

數據采集是LabVIEW的核心技術之一，也是LabVIEW與其他編程語言相比較的優勢所在。使用LabVIEW的DAQ技術，模擬信號數據采集是LabVIEW的DAQ中的一個主要功能，為用戶提供了功能強大、方便快捷的模擬信號采集解決方案。

壓力信號經過調理后，傳輸到數據采集卡中，數據采集卡選用NI公司生產的PXI-6251多功能數據采集卡，其主要功能參數如下:

(1)16路模擬輸入通道，16位精度，1.25MS/S采樣率;

(2)2路模擬輸出，16位精度，2.8Ms/s輸出速度;

(3)24路數字I/O，2路定時計數器。

3.4 流量測試系統

本測試系統是以液壓試驗平臺為測試平臺而進行的一系列機械量測量測試，以此液壓實驗臺做流量信號源，以液壓實驗臺的對于液壓系統來說，最重要的兩個參數就是流量和壓力，兩個參數要求精度高，穩定性好，易于調節。在多功能液壓測試試驗臺中，流量調節控制涉及到電機、變量泵、流量調節閥、排量反饋傳感器、電控模塊、流量傳感器、計算機、管路等多個環節，影響流量的有負載、壓力、溫度、泄漏等因素。在液壓測試中，要得到準確的流量參數、必須對流量調節各環節進行分析計算，確定各環節對流量的影響。并采取措施改善流量調節的精確性和穩定性。以提高流量控制精度。

根據本液壓系統實驗臺，流量傳感器要求流量變化范圍:0.6-6m3/h，精度要求:1級。

通過信號調理后的信號可以與數據采集卡設備相連，通常情況下數據采集設備是一個數據采集卡，與計算機的連接可以采用多種方式。NI的數據采集設備支持的總線類型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火線等各種總線。本文選用PXI總線的PXL-6251多功能數據采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx軟件，選擇物理通道和任務輸入通道進行流量信號采集。

3.5 溫度測試系統

溫度是機械工業生產和科學研究實驗中的一個非常重要的參數，許多系統的工作都是在一定的溫度范圍內進行的，需要測量溫度和控制溫度的場合及其廣泛。目前的溫度測量控制系統常采用單片機控制，該技術應用十分廣泛，但其編程復雜，控制不穩定，系統的精度不高。而利用虛擬儀器開發和設計的溫度測量系統，采用普通PC機為主機，利用圖形化可視軟件LabVIEW為軟件開發平臺，來監測溫度的變化情況，采集數據并進行處理、存儲、顯示等。設備成本低，使用方便靈活。

模塊化設計數據采集，數據采集模塊的設計對后續的數據顯示和分析結果以及整個系統功能的實現，具有直接影響，本文利用M公司的DAQ(Data AcQulsition)卡及其驅動程序設計這一模塊，充分利用集成的功能全面的DAQ函數庫和子VI，設計可以實現對數據采集的控制，包括觸發控制、通道控制等的數據采集模塊。

4 機械測試系統總體設計思路

在對傳統的機械工程測試系統測試過程及傳統的測試儀器和現有的虛擬測試系統進行對比研究后，本文的系統總體的結構為:

(1)本文設計開發的機械工程測試系統采用模塊化結構，可以在一個測試系統中同時組建應變、位移、壓力、流量和溫度測試系統。并且每個測試系統用模塊化進行設計前后面板，方便程序設計和用戶操作與控制。

(2)采用數據庫對數據進行存儲、管理和查詢。基于需要對測試數據進行存儲、調用、管理和查詢，并且處理的數據量大，本文設計通過數據庫來存儲、管理和查詢數據。建立一個Access數據源，通過ADO數據庫訪問技術，充分利用ADO的靈活性，通過編程模型實現對數據庫的操作，執行用戶命令，實現對數據的管理。利用ADO技術的LabVIEW數據庫訪問包-LabSQL，用戶可以直接在LabVIEW中以調用子VI的方式實現對數據庫的訪問。

(3)每個測試儀在進行設計時，選用的模型是“菜單選擇結構”。在后面板中利用“case”結構完成在前面板中不同的按鈕選擇，選擇好一個測試以后，這個測試儀就可獨立的工作。在完成相關的需要的工作后可以選擇退出，也可以選擇進入到另一個測試儀。利用菜單編輯器對程序進行編輯，要改變程序的操作項直接從菜單編輯器中修改，為程序作總體設計。

(4)前后面板的人性化設計。程序設計包括前面板和程序框圖兩部分，系統前面板由參數設置和五個測試系統構成。當用戶在前面板操作相應的功能時，后面板的程序框圖有與之協調的字VI運行，這樣可以保證運行操作的同步性和準確性。同時在前臺對話框有供測試人員填寫參數或者選擇功能界面。為了便于后續人員按自己的要求進行小范圍修改，后面板程序框圖也以直觀簡潔的方式進行設計。

5 結論

本文以虛擬儀器LabVIEW為開發平臺，按照機械工程測試系統的要求，充分利用已有的標準化系統資源，開發了便于更新、機動靈活、成本低廉、中文界面的機械工程測試系統，提高了測試的綜合應用效率。

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