多傳感器測試系統設計與分析

劉延友，徐萬和，黃川

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

多傳感器測試系統設計與分析

劉延友，徐萬和，黃川

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

落錘式信號發生裝置已在工程中廣泛應用。搭建了全自動落錘信號發生裝置，通過PLC對步進電動機進行控制實現錘體的上升和下降，采用多傳感器測量信號；設計結合實際的測量傳感器，測試加速度、沖擊力和動態壓力三個參量，通過作為數據處理裝置的電荷放大器，然后通過總線傳輸，最終在計算機處理平臺LABVIEW上，對數據進行處理和顯示。

多傳感器；測試系統；LABVIEW；PLC

0 引言

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師都已將NI LabVIEW圖形化開發工具用于產品設計周期的各個環節，從而改善了產品品質、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發和生產效率。使用集成化的虛擬儀器環境與現實世界的信號相連，分析數據以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產效率[1]。

虛擬儀器將通用計算機和功能化模塊結合起來使傳統儀器的某些硬件軟件化，利用計算機強大的圖形處理能力，建立虛擬儀器前面板，完成對儀器的控制、數據分析、存儲和顯示，而且可以根據自己的需要定義儀器功能。虛擬儀器在十幾年的發展中，其專用工業控制計算機系統正沿著總線與驅動程序標準化、硬軟件模塊化、編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用方向發展，以開放式模塊化儀器標準為基礎的虛擬儀器標準正日趨完善。在測控領域，虛擬儀器是理想和高效的解決方案[2]。

1 功能綜述

基于虛擬儀器的多傳感器測試系統設計方法是在計算機上插入數據采集卡，用軟件進行控制并在屏幕上生成儀器面板，并進行信號處理分析[3]。測試系統是由多種傳感器同時對該系統的各個部位數據進行采集，并最終實現對各個數據顯示在LABVIEW的虛擬樣機平臺上，其構成如圖1所示。

圖1 信號處理儀器

圖1中，傳感器、信號調理電路和數據采集卡都屬于硬件平臺，用于實現信號采集、檢測和數字化。原始信號是信號發生裝置產生的連續信號。它的幅度一般是很微弱的。信號經傳感器到信號調理電路，能基本實現信號模擬放大和預處理，處理后的信號進入數據采集卡進行后處理。數據采集卡包括：模數轉換器、濾波器和放大器。

軟件部分可分為三個層次，包括儀器驅動程序、軟件環境和信號處理技術。儀器驅動程序為虛擬儀器對硬件的編程提供了軟件接口，實現數據獲取任務。軟件環境通常采用自成體系的軟件系統和建立在通用可視化開發平臺上的虛擬醫學信號軟件系統。信號處理技術是虛擬信號處理儀器的關鍵技術[4]。

設計結合實際的測量傳感器，主要測試加速度、沖擊力和動態壓力三個參量。在信號發生裝置進行實驗，發生相應的動作，通過各自傳感器作為數據采集的裝置對各個信號進行采集，并通過電荷放大器作為數據處理裝置通過總線傳輸，最終傳輸到計算機處理平臺LABVIEW上，對數據進行處理和顯現。

2 硬件設計

2.1 硬件組成

根據加速度、沖擊力和動態壓力三組參數的測量需要，硬件系統則主要由全自動落錘式信號發生裝置和數據采集系統兩大部分組成。其中信號發生裝置主要由全自動落錘信號發生裝置組成(圖2)；數據采集、處理和顯示裝置共同構成了數據采集系統，由壓電式加速度傳感器、壓電式力傳感器、壓電式壓力傳感器、拉線式傳感器、電荷放大器、數據采集卡、計算機及由LABVIEW開發的應用軟件組成等組成。

1—底腳；2—壓力發生器；3—落錘體(2kg)；4—電磁鐵；5—絲桿；6—導桿；7—步進電動機圖2 落錘信號發生器整體示意圖

基于虛擬儀器的多傳感器測試系統各個部位接線原理圖如圖3所示。

圖3 接線原理圖

2.2 工作原理

2.2.1 全自動落錘式信號發生裝置

信號發生裝置采用氣動驅動，其結構圖如圖4所示。圖中1為實驗臺底座，2為支撐板，質量塊5沿著導軌4運動，撞擊液壓缸3。設置的傳感器S1為位移傳感器，用于檢測質量塊5的位移；傳感器S2裝置于質量塊5上用于檢測質量塊5的運動加速度；S3設置在液壓缸上與質量塊的撞擊面上，用于檢測撞擊力；傳感器S4裝置于液壓缸上用于液壓缸的液壓運動加速度；S6為加速度傳感器用于檢測實驗臺的振動。

圖4 全自動落錘式信號發生裝置結構原理圖

實驗系統設置多個傳感器，根據需要可分別單獨使用，也可組合使用構建綜合測試系統。

2.2.2 數據采集系統

數據采集系統由電荷放大器、數據采集卡、計算機等組成，電荷放大器電荷放大器由電荷變換級、適調級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放、電源等部分組成。

1) 電荷放大器配接壓電加速度傳感器。其特點是將機械量轉變成與其成正比的微弱電荷Q，而且輸出阻抗Ra極高。電荷變換級是將電荷變換為與其成正比的電壓，將高輸出阻抗變為低輸出阻抗。

2) 電荷變換級A1，采用高輸入阻抗、低噪聲、低漂移寬帶精密運算放大器。反饋電容Cf1有101pF，102pF，103pF，104pF四檔。根據米勒定理，反饋電容折合到輸入端的有效電容量是C=(1+K)Cf1。其中K為A1開環增益典型值為120dB，即106倍。Cf1取100pF最小時C約為108pF。電荷變換級的輸出電壓為Q/Cf1，所以當反饋電容分別為101pF，102pF，103pF，104pF時，其輸出分別為10mv/pc，1mV/pc，0.1mV/pc，0.01mV/pc。

3) 數據采集卡用來采集電荷放大器傳輸的信號，在計算機上編寫程序得到傳感器信號。

2.2.3 加速度傳感器振動測量原理

在振動測量時，應合理選擇測量參數，如振動位移是研究強度和變形的重要依據；振動加速度與作用力或載荷成正比，是研究動力強度和疲勞的重要依據；振動速度決定了噪聲的高低，人對機械振動的敏感程度在很大頻率范圍內是由速度決定的。速度又與能量和功率有關，并決定動量的大小[5]。

2.2.4 沖擊力測量原理

在油缸的頂部有一活塞，油缸的徑向安裝各種測壓裝置或傳感器。重錘m自由下落獲得一定的動能并撞擊活塞，再通過活塞壓縮油缸的液體引起壓力上升。當重錘的動能全部轉化為液體體積變形的彈性勢能時，重錘和活塞達到最大行程。然后由于液體膨脹而將活塞和重錘向回推，直到重錘跳離活塞，油缸內的壓力又恢復為零。重錘下落打擊活塞一次，即可在油缸內產生一個半正弦形的壓力脈沖，壓力脈沖的峰值Pm及脈寬τ：落錘的質量m、落錘的下落高度h、油缸的初始容積VO以及活塞的工作面積S等參數。

2.2.5 動態壓力測量原理

沿導向系統自由下落的重錘將重力勢能轉化為動能，隨后與油缸頂端的精密活塞相撞，通過活塞壓縮油缸內的液體，在油缸內產生壓力，從而將重錘的動能又轉化為液壓油體積變形的彈性勢能，圖5為動態壓力測量原理圖。當動能全部轉化時，重錘與活塞達到最大壓縮行程，油缸內的壓力達到最大；其后由于液壓油的彈性恢復作用，把活塞與重錘上推，直到重錘跳離活塞彈性勢能又轉化為重錘動力。這樣在油缸內形成一個近似于半正弦的壓力脈沖。

調節落錘的工作參數(重錘質量、重錘落高、活塞面積、油缸初始容積等)，可以產生不同峰值及脈寬的半正弦脈沖，可用作塑性測壓器材的準動態校準及傳感器準靜態校準的壓力源。重錘的高度可以通過拉線式位移傳感器來測量，撞擊力(加速度)可以通過加裝在錘頭上的力傳感器測量。

圖5 動態壓力測量原理圖

3 軟件設計

信號發生裝置軟件設計，即對步進電動機的控制，實現落錘的沿導軌的往復運動，從而產生需要的信號，控制程序利用西門子PLC語言進行編寫，對于數據采集部分，程序利用LABVIEW語言進行編寫。

3.1 軟件總體設計

軟件總體設計包括步進電動機控制以及數據采集處理兩部分。具體設計如圖6所示。

圖6 測試系統整體設計

3.2 軟件流程圖及工作原理

軟件的具體設計包含PLC程序的編寫和LabView軟件的編寫，這兩部分分別對數據的發生于顯示進行直接影響，PLC的整體編寫流程圖如圖7所示，LABVIEW編寫的程序框圖及前面板設計如圖8、圖9所示。

圖7 PLC控制步進電機程序流程圖

圖8 LABVIEW數據采集程序框圖

圖9 LABVIEW數據采集前面板

4 數據采集及分析

4.1 硬件設置

1) 根據實驗要求，由PLC的流程圖編寫相應的程序，LABVIEW中設計的程序框圖前面板參見上節，通過各硬件搭建，對各組數據進行采集。

2) 分別取落錘下落的高度h=20cm，25cm，30cm，從而獲得所對應高度的加速度、沖擊力和動態壓力及壓力數值。各傳感器上的參考靈敏度為5.87 pc/ms-2、4.09 pc/ms-2、13.9 pc/ms-2。電荷放大器上的靈敏度值設置為5.87、4.09、13.9。放大增益都設置為1。

4.2 數據采集與處理

通過LABVIEW設計的數據采集程序，在不同高度h，落錘下落后，傳感器采集的信號，通過程序前面板示波器顯示，如圖10所示，數據通過面板上的保存按鍵，存儲在硬盤上，利用MATLAB進一步處理，信號處理擬合曲線的如圖11、圖12、圖13。

圖10 數據采集前面板實時顯示

圖11 h=20 cm時，加速度、力、壓力擬合曲線

圖12 h=25 cm時，加速度、力、壓力擬合曲線

圖13 h=30 cm時，加速度、力、壓力擬合曲線

4.3 數據分析

通過三通道同時采集加速度，沖擊力，壓力信號，并與理論值比較，見表1。實驗儀器相對精度較高，產生的實際誤差相對而言比較小。實驗過程中過載現象也不存在，從而測量的結果相對而言比較具有一定的參考意義。

表1 采集信號數值比較

從表1中也可以看出，加速度、沖擊力和壓力數值在隨著落錘下落高度的增加呈遞增的趨勢增長，由于只關心峰值的大小，即落錘撞擊油缸時的瞬時加速度，沖擊力，以及油缸的動態壓力，可以看到實驗值峰值與理論值是相符的，是在誤差范圍之內的，這說明了實驗的精度是滿足要求的，實驗過程是可靠的。

5 結語

測量落錘的撞擊加速度不僅可以研究落錘的運動情況，還可以研究試樣在落錘撞擊下所發生的變化，這對試樣的判爆、研究試樣的爆炸強度及炸藥的鈍感機理都有重要意義。落錘式信號發生裝置已在工程中廣泛應用。虛擬儀器對于傳統儀器的最大優勢是“傳統的獨立儀器由制造商來定義它的功能，而虛擬儀器完全由用戶定義儀器的功能”。計算機在此不僅作為數據顯示裝置，更是作為數據處理裝置，將在放大器上處理完成之后的數據進行進一步處理，以方便操作者能夠直接讀取數據，簡化其計算，增加了工作效率。

[1] 秦樹人.虛擬儀器--測試儀器從硬件到軟件[J].振動、測試與診斷,2000,20(1):1-6.

[2] 韓強,蘇中義.虛擬儀器簡介[J].上海電機技術高等專科學校學報,2004,7(2):156-156.

[3] 周兵,陳德新,陳乃祥,等.基于虛擬儀器的測量分析系統[J].儀表技術與傳感器,2004(12):18-20,40.

[4] 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,2001,22(4):501-503.

[5] 陸兆峰,等.壓電式加速度傳感器在振動測量系統的應用研究[J].儀表技術與傳感器,2007(7):3-4,9.

Design and Analysis of Multi-sensor Testing System Based on Virtual Instrument

LIU Yan-you， XU Wan-he， HUANG Chuan

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Drop hammer signal generator is widely applied in engineering. The automatic drop hammer signal generator is set up in the testing system and the PLC to control stepping motor and the measurement signal of the multi-sensor are used to control the rise and fall of the hammer body. The actual measurement sensor is used in the design to test three parameters:acceleration， the impact force and dynamic pressure and the charge amplifier is taken as the data processing device， and then through the bus transmission and ultimate deduce the signal is sent to LABVIEW of computer processing platform and the processing and display of data are carried out.

multi-sensor; testing system; LABVIEW; PLC

劉延友(1988-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向是機電系統虛擬設計，機電系統效能模擬仿真。

TP212

B

1671-5276(2014)02-0027-05

2013-02-04