基于LabVIEW的壓力測試系統設計

李豪帥 王高

【摘要】設計了壓力測試系統，該系統以壓力傳感器、信號調理電路、數據采集卡、PC機為硬件開發平臺，以圖形化編程語言LabVIEW為軟件開發平臺，將虛擬儀器技術運用到壓力測試中。結果表明，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中。

【關鍵詞】壓力測試;LabVIEW;虛擬儀器

一、引言

壓力是過程生產中四大重要參數之一，它是檢測生產過程能否完全可靠正常運行的重要參數指標。目前很多傳統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。其測試系統功能單一，開發周期長，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，包括壓力傳感器、信號調理電路、數據采集與傳輸和計算機軟件模塊等。

二、壓力測試系統硬件部分設計

壓力測試系統的硬件由壓力傳感器、信號調理電路、數據采集卡及PC機等組成，壓力信號的處理過程是：壓力傳感器把壓力轉換成電信號，經過調理電路，將信號放大，通過數據采集卡采集，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絡，在外加電源的激勵下，實現壓力、應變、電阻變化、電信號變化等轉換環節的一種壓力傳感器[3]。此硬件系統主要利用陶瓷壓力傳感器AP681來測量壓力信號。

2.信號調理電路設計

信號調理電路，是把模擬信號變換為用于數據采集、控制過程、執行計算顯示讀出或其他目的的數字信號。包括零點調整電路，信號的放大、濾波、隔離電路，多路數據轉換電路及電源電路。

3.數據采集卡的選擇

本系統采用研華PCI-1711，該數據采集卡完全符合PCI規格Rev2.1標準。支持即插即用;有16路單端模擬輸入。12位MD轉換器，16路數字量輸入及16路數字量輸出，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]。本系統為單通道測試系統，因此該采集卡符合要求。

三、壓力測試系統軟件部分設計

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

1.信號模擬模塊

隨機函數產生0～1的隨機數，在達到最大壓力值之前，每循環一次，循環計數加1，再與之前產生的隨機數相加，即可產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“數值”面板中的“儀表”。在程序框圖中，與之前產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“數值”面板中的“水平刻度條”。在程序框圖中，與循環計數連接即可，如圖3所示。

3.參數設置模塊

在前面板中，采用LabVIEW“數值”面板中的“數值輸入控件”。在程序框圖中，由于該數值要與壓力信號進行比較，因此要與“大于”函數連接，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”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，程序將進入保壓階段，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循環結構和等待函數，由于等待函數是毫秒計算，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：由信號模擬模塊產生的隨機遞增模擬壓力信號每循環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，程序將通過移位寄存器，將此時的壓力值傳送到下一次循環，直到當前的壓力信號大于最大壓力值，程序進入后續的保壓階段。首先，經過參數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

暫停控制的實現，采用了事件結構和單按鈕對話框，如圖7所示。當用戶通過前面板點擊暫停時，程序將處于暫停狀態。

圖7 暫停控制 ? ? ? ? ? ?圖8 泄壓階段程序框圖

泄壓過程采用For循環，條件結構和“單按鈕對話框”函數，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。由于加函數與循環次數連接，因此保壓階段新產生的信號是隨循環次數遞增的，再通過減函數將該信號與之前的壓力值連接，可以實現泄壓的目的。當之前的壓力值與新產生的數值相減小于0時，程序顯示“泄壓完成”字樣，運行結束。

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。保壓時間結束后，系統自動進入泄壓過程，泄壓結束后，出現“泄壓完成”窗口，仿真結束，如圖13和圖14所示。

圖13 泄壓過程 ? ? ? ? ? ? ? ?圖14 泄壓完成

五、結束語

本文介紹了基于LabVIEW的壓力測試系統的設計。通過仿真，所得結果與預想的升壓、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將有更美好的發展前景。

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與數據采集[J].小型微型計算機系統，2001，4：5-9.

[3]周又平，梅長彤.座倚壓力測試系統設計[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。