兩船干擾力測試系統開發

葉 明姚朝幫

（1.海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011；2.海軍工程大學 船舶與海洋工程系 武漢430033）

0 引 言

當今海運中，艦船編隊海上補給與大型商船海上拖帶等現象越來越普遍。為指導編隊海上補給以及商船海上拖帶時兩船的具體操縱規律，需探究兩船或多船并列航行時相互之間的水動力干擾規律。國內外關于該課題都開展了廣泛的理論研究［1-4］，相比之下，試驗研究較少，主要原因是：兩船水動力干擾試驗裝置較為復雜，研制過程較為繁瑣；試驗成本較高且各種試驗儀器接口、通信方式不統一，數據采集復雜，試驗難度較大。

為驗證理論計算方法和實現工程應用，開展兩船水動力干擾試驗必不可少。試驗過程中會涉及多個力傳感器的數據采集，故開展基于Labview軟件的干擾力數據采集分析系統的開發，并在此基礎上實現力傳感器的標定。

Labview是基于圖形編譯（Graphics，G）語言的虛擬儀器軟件開發平臺，它具有數據采集、數據分析、信號生成、信號處理、輸入輸出控制等功能。與傳統編程采取的文本語言相比，Labview使用G語言編程，界面更加友好直觀，是一種直覺式圖形程序語言［5］。

基于Labview平臺的多通道數據采集系統開發較多，如金仁江等開展了基于Labview軟件的多通道溫度測控系統設計［6］，吳俊勇等開展了基于Labview平臺的多通道低溫測試試驗系統的研發［7］。他們開展的研究為本文提供了思路，但是由于他們的研究都針對具體的應用對象，因此開發的系統或程序只適用于他們所使用的傳感器，很難直接應用到其他類型傳感器的數據采集系統中。

為進一步增強開發系統應用的廣泛性和通用性，本文開發了基于串口通信方式的數據采集軟件，并進一步開發了多通道數據分析軟件，在此基礎上探討了力傳感器的標定方法。

1 系統設計

1.1 力傳感器

兩船水動力干擾試驗要測量兩船各自的阻力與橫向力，橫向力采用前后兩個橫向力傳感器測量，阻力采用拉力傳感器測量。因此，兩船作用力測量時共有6個力傳感器。阻力傳感器型號為CHLBS，采用電流輸出方式，輸出電流為4～20 mA，對應于量程0～50 N。橫向力傳感器型號為HGH，采用電壓輸出方法，量程為0～30 N。傳感器實物如圖1所示。

圖1 力傳感器

1.2 系統設計原理

整個系統設計主要包括船體、傳感器、A/D轉換器、通訊接口、工控機及軟件，兩船干擾試驗中選擇的兩種傳感器在信號傳輸過程中使用的均是RS-485接口，這主要是因為該接口傳輸過程中抗噪聲干擾性好，最大傳輸距離可達3 000 m。但通常工控機上自帶串口為RS-232接口，因此還需要通過轉換器將RS-485接口所傳輸的數據轉換后經過RS-232接口傳入工控機。整個系統設計如圖2所示。

圖2 整體系統設計原理

圖2中ADAM4117實現拉力傳感器模擬信號到數字信號的轉換，控制盒實現電壓的放大和橫向力傳感器模擬信號至數字信號的轉換。ADAM4117是16位A/D、8通道的模擬量輸入模塊，用來采集拉力傳感器輸出的電流信號，需要發送相關指令才能采集數據。橫向力傳感器只要接線正確、標定完成，即可實現數據采集，不需要發送指令。

2 多通道數據采集系統及分析系統開發

2.1 多通道數據采集系統

如上文所述，數據采集系統需要實現2個阻力通道及4個橫向力通道共6個通道數據的采集。其中阻力采用拉力傳感器，需要通過發送相關指令才能采集到數據，該指令在采集系統開發時已內化到程序內部；橫向力采用橫向力傳感器，使用時不需要發送指令。本文在數據采集系統開發時，按照順序結構，依次采集6個通道數據，最后將數據實時顯示并保存到指定文件中。

開發的多通道數據采集系統主要包括以下幾個模塊：①串口參數設置模塊；②發送指令顯示模塊；③接收數據顯示模塊；④標定系數設置模塊；⑤采集數據實時曲線顯示模塊；⑥采集數據統計分析模塊，主要包括最大值、最小值、平均值、總數據點數；⑦數據保存模塊。系統運行過程界面截圖如圖3所示。串口參數設置模塊及橫向力數據采集程序代碼、拉力傳感器數據采集程序代碼分別如圖4、圖5所示。

圖3 多通道數據采集系統

2.2 多通道數據分析系統

為了實現采集數據的快速分析，開發了多通道數據分析系統，該系統主要包括以下幾個模塊：①打開文件模塊；②數據分段處理模塊；③數據信息統計模塊，包括最大值、最小值、平均值。系統運行界面如圖6所示。

圖4 串口參數設置及橫向力數據采集程序后面板

圖5 拉力數據采集程序后面板

圖6 多通道數據分析系統

3 力傳感器系數的“迭代標定法”

采用上述開發的數據采集系統實現拉力傳感器的標定。對拉力傳感器的標定通常采用的方法有最小二乘法［8］、神經網絡方法［9-10］，無論采用哪種方法，歸根結底是要建立傳感器輸出值與實際值的線性擬合關系，這是力傳感器的工作原理。

以上介紹的傳感器標定方法都是采用一次標定獲得標定系數，在實際標定過程中，一次標定時數據的選取非常關鍵。如果選取的數據與真實值之間誤差較大，則會得到一個不合理的標定系數，進而影響傳感器的測量精度。為了消除這種人為因素造成的誤差，這里給出“參數標定的迭代法”。該方法的基本思想是：①采集第一次數據，每個標定點采集多個樣本，取均值；②對采集到的數據點進行線性擬合，得到回歸系數，作為第一次標定系數；③采用第一次得到的標定系數采集樣本點，并對這些樣本點擬合，對第一次得到的回歸系數進行修正，得到第二次標定系數。如此往復，直到所獲得的樣本點均值與真實值基本相同為止。采用該方法一般循環3～4次即可得到較滿意的標定系數。

為了驗證本文提出的“參數標定的迭代方法”，選取拉力傳感器開展的試驗驗證。表1中給出了第一次采集到的8組樣本數據。

表1 第一次標定用數據

對表1中樣本數據取均值，然后采用最小二乘法擬合得到第一次標定系數。

標定系數Rt=a1×Current+b1，a1=3.093，b1=-0.001。通過第一次迭代得到的回歸系數對a1進行修正，得到系數a2=3.109 1；通過第二次迭代，又得到系數a3=3.110 3。通過表2中的數據可以看出，此時的回歸系數已較令人滿意。

表2 迭代法數據

4 結 論

本文基于Labview軟件，根據兩種傳感器不同的工作方式，開發了基于串口通信的多通道數據采集系統、多通道數據分析系統，為多通道數據采集、分析提供了快捷方便的工具；同時提出力傳感器的“迭代標定法”，并用力傳感器標定的試驗驗證了該方法的有效性。

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［6］金仁江，肖志華.基于Labview的多通道溫度測控系統設計［J］.常州信息職業技術學院學報，2011，10（1）：20-22.

［7］吳俊勇，閆振靖，魏躍平.基于LabView的多通道低溫試驗測試系統［J］.自動化技術與應用，2011，30（2）：73-77.

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