1 引言
熱膨脹儀測試系統(tǒng)國內(nèi)目前大多使用VC開發(fā),其編程過程復(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NI公司提出的虛擬儀器是一種綜合的測試技術(shù),它通過計(jì)算機(jī)上添加幾種共性的基本儀器硬件模塊,通過軟件的思想來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)行開發(fā),LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)能縮短復(fù)雜程序的開發(fā)時(shí)間,更迅捷、更經(jīng)濟(jì)地解決測試問題,而且它的界面友好,這使得它已經(jīng)越來越多地在應(yīng)用在測試領(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。由于虛擬儀器開發(fā)簡單、快捷的特點(diǎn),本文利用LabVIEW軟件開發(fā)出一套熱膨脹儀測試系統(tǒng),系統(tǒng)界面友好、操作簡便、易于測量,并使用其強(qiáng)大的接口通訊功能,通過VISA通訊實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的測量和數(shù)據(jù)的采集、分析處理、存儲(chǔ)和顯示。
2 熱膨脹的測試的總體方案設(shè)計(jì)
測試系統(tǒng)通過將
測試的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。首先通過位移和溫度傳感器作為信號(hào)的輸人,信號(hào)通過調(diào)理模塊進(jìn)行放大、濾波,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后傳送到PC中,來獲得當(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)通過測量材料的膨脹量來獲得熱膨脹曲線,zui終可以通過膨脹曲線和測試的數(shù)據(jù)獲得在任意溫度段內(nèi)的膨脹系數(shù)。
3 熱膨脹儀測試的基本硬件
3.1溫度傳感器
溫度的檢測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zui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量的關(guān)鍵器件,傳感器精度影響著測量的精度。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*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。解決以上問題一般都用信號(hào)調(diào)理電路,將兩個(gè)輸出電壓的值相減。利用這種方法,能夠測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:測量范圍±2.5mm,測量電壓±12VDC,輸出信號(hào)±5VDC,非線性度為萬分之五,溫度系數(shù)為十萬分之五。
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,分別用于測試爐體加熱管溫度、被測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 熱膨脹測試的軟件設(shè)計(jì)
LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái),具有功能強(qiáng)大的函數(shù)模塊和通訊協(xié)議,大大減少了軟件開發(fā)的周期,特別是在測試和控制系統(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)將熱膨脹測試分為測量模塊和分析模塊兩部分,熱膨脹儀測試系統(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,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。接下來要發(fā)送命令將ADAM一4018中采集的數(shù)據(jù)通過VISA通訊發(fā)送到Lab
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VISA,通過VISA往儀器里面寫代碼和關(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write buffer的時(shí)候,要注意將其屬性改為可以寫代碼,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?>"、"+"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??刂菩Чㄟ^調(diào)節(jié)PID參數(shù)來整定。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)是通過采集讀人溫度信號(hào)到PID模塊,通過PID模塊來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<t2),計(jì)算就能夠得出溫度段的平均線膨脹系數(shù)。其中,L2是溫度t2下的試樣長度,L1是溫度t1下的試樣長度,△t是t2和t1間的溫度差。
5 結(jié)論與展望
本系統(tǒng)構(gòu)建了熱膨脹測試系統(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。熱膨脹測試界面友好,易于操作,能夠方便靈活地測量出被測物體的膨脹系數(shù),并且具有數(shù)據(jù)的分析功能,通過調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件為測試者自動(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)于熱膨脹的測試和材料性能的研究都有著積極的意義。