多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计_毕业设计论文.docx

题 目 多头微试样蠕变实验装置 位移采集系统的设计 学 院 机械与动力工程学院 系 别 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 学 号 姓 名 导 师 定稿日期： 2013 年 6 月 14 日2摘要火电、核电、石油化工行业中有大量的压力容器、管道和构件,准确评价在役设备材料的脆化和结构完整性,对于保证装置的安全运行具有重要意义。微试样蠕变试验法能够利用尺寸极其微小的试样对服役材料进行失效分析和寿命评估。针对蠕变试验耗时长，试验影响因素多，实验室开发了多头微试样蠕变试验机，可实现多个试样、一种或多种蠕变试验方法同时进行试验。本课题针对该多头蠕变试验装置，重新设计了恒温炉，并基于labview平台设计专用的位移采集系统和蠕变参数反演程序，实现了多通道位移数据的采集、筛选和存储，并可反演获取材料的蠕变性能参数。 关键词：多头微试样蠕变试验机，labview虚拟仪器软件，多通道位移采集系统，蠕变参数反演程序abstractin the thermal power, nuclear power, petrochemical industries, there are a lot of pressure vessels, piping and components operated at high temperature. accurate assessment on the structural integrity of the equipment in service, is of great significance to assure the safe operation of the device. small specimen creep test method with a small volume of materials, can be used for failure analysis and life prediction. as creep tests are time-consuming and many factors influence them, multi-sample small specimen creep testing machine has been developed in the lab. it can realize one or more creep test methods with more than one specimens at the same time.in this paper, the constant temperature furnace in that creep testing machine is redesigned. meanwhile, based on the labview software, a appropriative multi-channel displacement acquisition system and creep parameter regression procedure are designed for the creep testing machine. the system adopts multi-channel short interval data acquisition, point by point selection, data homogenization, large capacity data storage and parameter regression. keywords：multi-sample small specimen creep testing machine, labview, multi-channel displacement acquisition system, creep parameter regression procedure目录1 前言11.1 论文研究的概述11.2 技术背景21.3 论文主要研究内容及结构安排61.4 本章小结72 系统硬件搭建92.1 多头微试样蠕变试验机92.2 pc机132.3 位移传感器132.4 数据采集卡132.5 本章小结153 单通道位移采集系统163.1 单通道数据采集模块设计163.2 单通道数据处理模块设计173.3 单通道数据实时显示模块设计183.4 单通道数据储存模块设计193.5 单通道辅助模块设计213.6 单通道采集系统的实现233.7 本章小结254 多通道位移采集系统274.1 多通道数据采集模块设计274.2 多通道数据处理显示模块设计294.3 多通道数据储存模块设计324.4 多通道辅助模块设计344.5 多通道采集系统的实现364.6 系统界面设计414.7 本章小结435 蠕变参数反演程序445.1 数据读取模块设计445.2 数据筛选模块设计455.3 数据计算模块设计475.4 蠕变参数反演程序的实现495.5 程序界面设计535.6 本章小结556 结论与展望566.1 结论566.2 展望56参考文献57致谢60iii多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计611 前言1.1 论文研究的概述1.1.1 研究背景随着石油、化工、电力等各种工业产业的快速扩张，各行业用于生产、制备、储存等过程的机械设备，正向着高温、高压、高效率等高参数方面发展，以提高设备效率和能源使用。但正因为如此，结构完整性对于长时间处于高压、高温工作状态中机械设备起着尤为重要的作用。譬如，核电设备中有许多金属结构长期服役于高温环境，在复杂载荷作用下设备中的缺陷随时间发生扩展，迫使构件发生断裂并导致灾难性后果。因此对于高温服役构件的安全性检测获得了广泛的应用1-4。目前预测在役高温设备安全性和剩余寿命的常用方法是蠕变试验法。该方法是一种材料机械性能试验，可测试出材料的持久强度（即在一定温度下和规定时间内不产生断裂的最大应力）与蠕变极限（表示材料抵抗蠕变能力大小的指标，一般用规定温度下和规定时间内达到一定总变形量的应力值表示），这两个指标是重要的设计与安全性检测依据。而微试样技术由于其进行试验时所取试样的尺寸较小，选取试样时对于所检验设备的损伤也尽可能地控制在了最小，因而近几年得到了广泛的应用。实验室中的多头蠕变试验机可多个试样同时进行一种或多种不同方法的蠕变试验。通过加载系统、热风循环式加热炉等设备创造了恒温、恒载荷的条件，并可以长时间运转。本次课题基于labview虚拟仪器软件，针对于实验室现有的多头蠕变试验机进行多通道位移数据采集系统的设计。系统设计内容包括对试验中多个试样的挠度进行数据采集、数据筛选、数据存储、虚拟仪器界面设计以及后期的蠕变参数反演程序设计。保证整个数据采集系统能实时、高稳定性地进行数据采集、处理与存储，并能通过反演程序得到所需的材料蠕变参数。1.1.2 研究目的本次课题基于labview虚拟仪器软件，设计一个用于多头蠕变试验机的多通道位移数据采集系统，在试验过程中，通过位移传感器对多组位移数据进行实时采集及储存，并附加一个蠕变参数的反演程序，将测量数据转换为所需的材料性能参数。而这种多通道数据采集系统的实现，保证了多头微试样蠕变试验机在进行多路试样试验时的数据采集。提高了试验效率，减少了实验操作量，加快了研究进度。对于所采集到的实验数据，可进行优化筛选与处理，并通过反演程序直接转换至所需要的材料蠕变参数。1.2 技术背景1.2.1 微试样蠕变试验随着能源紧缺和环境污染，核电、火力等能源行业向着高温、高参数方向发展以提高能源利用效率，为此对高温设备材料的工作以及设备服役过程中的安全性要求越来越高。在这些领域中，大多高温机械设备都处于复杂、恶劣的工作环境，且价格昂贵，在整个生产过程具有不可代替的作用。一旦因设备事故而非计划停车，将可能造成重大损失。目前预测其安全性的常用方法主要为蠕变试验法。蠕变试验法是测定金属材料在长时间的恒温和恒载荷作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。温度越高或应力越大，蠕变现象越显著。蠕变可在单一应力（拉力、压力或扭力）或复合应力下发生。通常的蠕变试验是在单向拉伸条件下进行的。蠕变曲线与单轴蠕变试验机如图1-1与1-2所示。 图1-1 典型的蠕变曲线 图1-2 传统的单轴蠕变试验机传统单轴拉伸试验采用标准试样获取材料的蠕变力学性能，但往往需要较多材料，且大量取材也会对原设备带来破坏，影响设备的正常运行。而在某些微小装置可靠性的研究中，有时也会因所取试样体积太小，无法满足传统性能试验对试样尺寸的要求，而导致试验无法进行。一方面要尽可能采用无损或半无损检验的方法；另一方面又必须最大限度地得到材料的性能，微试样技术是解决这种两难问题的有效方法5-8。 (a)三点弯曲简支梁试验方法 (b)悬臂梁试验方法(c)小冲杆试验方法图1-3 微试样的多种蠕变试验方法微试样蠕变试验法采用微型试样，如小冲杆9-11、压痕试样12-13、三点弯14-17和悬臂梁试样18-20，试验时微试样在恒温和恒载荷的条件下进行长时间蠕变试验。试验过程中实时采集试样的变形数据（扰度），并通过转换公式将采集到的数据最终转换为所需的材料性能参数。图1-3表示了三点弯、悬臂梁和小冲杆微试样蠕变试验方法。1.2.2 多通道数据采集（1） daq系统在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。随着计算机和总线技术的发展，基于pc的数据采集（data acquisition，以下简称daq）板卡产品得到了广泛应用。许多应用使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其他应用中数据采集硬件和pc分离，通过并行或串行接口和pc相连。如图1-4所示的基于pc的数据采集系统各组成部分可分为：l pcl 传感器l 信号调理l 数据采集硬件l 软件（虚拟仪器）图1-4 典型的基于pc的daq系统从基本的角度出发，daq系统的任务就是测量或生成物理信号。一个daq系统通常具有（除了插入式daq之外）一套用于获取、处理原始数据，分析传感器和转换器，信号调节及显示、储存数据的软件。图1-5表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的buffer是数据采集存储的中间环节21。daq板卡/da/dbuffer(fifo)外触发驱动程序虚拟仪器程序内存buffer硬件显示图1-5 数据采集系统结构（2） 虚拟仪器传统的测试与采集技术由于硬件价格昂贵，不同的测试对象其硬件平台不一样，导致了现代测试技术中其发展比较滞后。随着计算机总线技术、软件技术的发展，自动测试系统发生了巨大的变化。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流。虚拟仪器利用计算机来控制与其连接的具有仪器功能的硬件，能够完成对输入、输出信号的采集、控制、数据分析和显示，能够实现传统仪器的功能。与传统的测量仪器的设计方法相比，它具有成本低、功能强大、集成度高、质量可靠、维护方便等优点。虚拟仪器（virtual instrument）是一种基于计算机的仪器，它以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，其面板用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。下面的框图1-6反映了常见的虚拟仪器方案。图1-6 常见的虚拟仪器方案虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国ni公司的labview。（3） labview软件labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是美国ni（national instruments）公司开发的一种图形化的编程语言g语言，被用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，已经被工业界、学术界和研究实验室所接受。与c或basic语言一样，labview也是通用的编程系统，它提供了一个可完成任何编程任务的庞大函数库，集成了与满足gpib、vxi、rs-232和rs-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，它还内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣22-27。与c或basic语言不同，labview是图形化程序语言，又称为g”语言。使用该语言编程时，基本不写程序代码，取而代之的是流程图，其编程过程就是通过图形符号描述程序的行为。它尽可能利用了技术人员、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强用户构建科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。labview应用程序，即虚拟仪器（vi）的构成主要包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。前面板是图形用户界面，也就是vi的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图1-7所示是本设计数据采集程序daq.vi的前面板，上面以曲线的方式和数字的形式显示了所采集的一系列位移信号。流程图提供vi的图形化源程序。在流程图中对vi编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板各参量之间的数学及逻辑关系例如函数、结构和连线等。如下，图1-8是图1-7的流程图。本次课题采用labview express 8.6版本，通过编制数据采集程序，实现微试样蠕变试验的自动数据采集、储存、处理等功能。在采集过程中，可以根据试验过程中对数据不同的采集要求，很方便的随时调整采集频率，获得需要的试验数据。 图1-7 daq.vi范例的前面板 图1-8 daq.vi范例的流程图1.2.3 位移传感器在现代科学技术发展过程中，非电量测量技术已广泛应用到各个领域，特别是自动测试、自动控制等方面，而获取这些参数所使用的传感器则是非电量测量技术最重要的组成部分。现代传感器在原理与结构上差别很大，种类繁多，设计时应根据测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了28。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。实验中，实时测量数据为微试样加载点的位移变化，故需采用位移传感器。表1.1表示了常用位移传感器的性能对比。表1.1常用位移传感器主要性能对比表位移传感器温度影响线性度精度耐振性工作环境抗干扰性应变式大一般差一般干燥差光栅式小最好最高差无尘一般差动式小好好好非水下好1.3 论文主要研究内容及结构安排1.3.1 主要研究内容本论文介绍了基于实验室目前的多头蠕变试验装置，设计多通道位移采集系统及蠕变参数反演程序。其主要的研究内容如下：（1） 多通道daq数据采集系统的了解、选择与应用，并选取系统硬件；（2） 以labview虚拟仪器软件为开发平台，构建多通道数据采集模块、筛选模块、储存模块，完成多通道位移采集系统；（3） 通过采集系统的各模块，以保证数据采集的稳定性与持续性，数据筛选的准确性，提升抗干扰性，数据储存的稳定性与正确性；（4） 对系统界面（虚拟仪器前面板）进行优化设计，设计出合理美观的界面外观；（5） 编写蠕变参数反演程序，保证大量数据的读取与计算，以得到所需的材料性能参数并植入整个系统。1.3.2 技术路线多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计采集卡、传感器、工控机等硬件选择根据硬件选择程序labview软件编程学习单通道数据采集程序编程各模块组合形成单通道数据采集系统并进行模拟输入测试多通道位移数据采集系统编写多通道系统测试与优化蠕变参数反演程序编程蠕变参数反演程序的嵌入反演程序测试与完善1.3.3 结构安排本论文是以研究数据采集技术为目的，针对实验室现有的多头蠕变试验机，基于labview平台进行实现多通道数据信号的采集、筛选、储存以及处理等。第一章为前言，对该论文进行概述，并介绍相关领域的技术背景；在第二章具体介绍系统硬件的选择与应用；接下来，第三章与第四章给出了整个单通道与多通道位移采集系统的设计方案，以及各个模块的构建模式与编写方法，以及整体的界面外观设计；第五章是在前四章建立的系统基础上构建蠕变参数反演程序。第六章为结论与展望。1.4 本章小结作为整篇论文的开头，该章介绍了整个课题的研究背景，并阐述了课题目标：基于labview虚拟仪器软件，设计一个用于多头蠕变试验机的多通道位移数据采集系统与蠕变参数的反演程序。之后介绍了该论文相关的技术背景，包括微试样蠕变试验技术、多通道数据采集技术、虚拟仪器以及labview软件技术等。并于后部分简单介绍了论文的主要研究内容、技术路线与结构安排。该章为之后整个课题的展开铺下了基础。2 系统硬件搭建2.1 多头微试样蠕变试验机2.1.1 简介目前普通的蠕变试验机单次实验只针对一种材料、一种试验方法，这导致了实验效率较为低下。对于测试者与实验人员来说，除非购置多台设备，否则便阻碍了其测试与研究进度。况且，长时间的实验过程难免会存在诸多如振动、温度波动等的干扰，因而对实验结果的精度会造成一定的影响。即使只针对一种材料，倘若进行多次试验，其结果也会存在些许差异29。综上所述，多试样技术（即一次实验，多个试样同时进行）便是一种非常良好的解决方案。通过多头试样安装盘、组合夹具、加载系统等机械部件实现了多试样同时进行试验。有效地提升了试验效率，减少了人力、物力资源浪费，也方便了实验数据的后续处理30。实验室目前的微试样实验装置已实现了多试样、不同受力状态（如三点弯曲简支梁、小冲杆、悬臂梁等）下的微试样蠕变试验，可在各种要求温度下进行试验。图2-1与2-2表示了实验室目前现有的多头微试样试验机，目前最多可6个试样同时进行试验。图2-1 多头微试样蠕变试验机图2-2 试验机上部的加载系统与位移测量辅助装置2.1.2 热风循环式恒温炉本研究设计了多头蠕变试验机中的关键硬件热风循环式恒温炉，功能为试验机在进行蠕变试验时，提供长时间恒温的试验环境。下为恒温炉的基本介绍。（1） 应用背景热风循环式恒温炉广泛适用于工农业，医疗卫生，塑料机械，各院校和科研部门的生产车间或实验室，其可创造并长时间保持高温、干燥的工作条件，以满足生产、实验等各种环境要求。在现阶段，各领域中与热风循环式恒温炉相类似的加热炉有两种，一是应用于工业上进行金属热处理的空气循环电炉，该炉按照工艺用途分为：加热炉、淬火、退火炉、时效炉等。二是热风烘箱，广泛用于医药、化工、食品、农副产品、水产品、轻工等行业物料的加热固化、干燥脱水。如原料、中药饮水、浸膏、粉剂、颗粒、脱水蔬菜等。目前实验室中的金属高温蠕变实验，需要恒温炉来创造长时间高温的炉内条件，来满足实验环境需求。（2） 工作原理热风循环式恒温炉采用风机循环送风方式，风循环均匀高效。风源由耐热长轴电机带动多叶涡轮式风扇产生，通过加热元件升温，而将热风送出，再经由气流通道至炉膛内部，均匀加热工件，再将使用后的空气通过炉膛内的出风口吸入风扇成为风源再度循环，加热使用。为确保炉膛内保持恒温，以热力学为基础，通过热平衡计算来校核各结构尺寸设计的合理性与确定加热元件。而当因开关门动作或其他干扰现象引起温度值发生摆动时，则通过温度控制系统来调整加热元件的功率，从而调整炉内温度，保证恒温。（3） 恒温炉最终参数与图像热风循环式恒温炉的最终各项数据如下表表2.1 热风循环式恒温炉各项参数名称热风循环式恒温炉温度范围室温20至600（设计温度800）炉膛尺寸恒温额定功率（800）736w最大额定功率(快速升热)4735w整炉尺寸整炉重量约360kg保温材料石棉板，规格810mm厚密封材料石棉绳耐热结构材料2cr25n外壳材料q235支座材料ht100炉体外观粉体烤漆电源ac 380v，5.5kw加热方式电加热加热元件粗端式硅碳棒（8根），尺寸300mm（长）电机参数“与鑫”牌，ys71长轴心耐温电机，功率1/2hp散热风扇“enermax”牌，uctb12p型风扇热电偶k型装配式热电偶温度控制仪表“宇电”牌，ai-808p型温控器，尺寸96*96定时器国内优质交流接触器韩国lg固态继电器欧姆龙其它电控配件国内优质安全设置超温保护，时到保护其恒温炉的装配图与solidworks三维透视图如图2-3与2-4所示：图2-3 热风循环式恒温炉装配图图2-4 恒温炉三维图（透视图）2.2 pc机整个多头蠕变试验装置的位移采集程序将会基于windowsxp系统运行，选用实验室现有的个人计算机即可，此处不做过多赘述。2.3 位移传感器根据1.2.3分节所介绍的位移传感器概况，由于微试样蠕变试验测量的数据为连续变化的试样加载点变形，因此要求位移传感器的测量必须能够长时间精确可靠的工作。良好的抗干扰性与抗振性变成了必要条件。根据常用位移传感器主要性能对比表2.2以及微试样蠕变试验的要求，本系统中选用了实验室中已有的线性差动式位移传感器。该传感器由中国科学院成都科学仪器研制中心生产，其次级线圈采用差动接法，使外界各种电磁干扰相互抵消，因而抗干扰性能强。具体技术指标如下：（1） 测量范围：5mm（2） 综合精度：0.3（f、s）（3） 灵敏度：150vm（4） 分辨率 ：0.25m （选用4位半数显仪）（5） 重复偏差：0.06（f、s）（6） 温度系数：0.04（f、s）/（7） 工作环境：温度045，相对湿度3085（8） 电源：220v10，50hz（9） 功耗：15w（10） 外形尺寸：直径14mmx112mm（11） 质量：约0.5kg传感器如图2-5，传感器牢固安装在磁性表座上，磁性表座安装在台架的上支撑板上并可方便的调整位置。测量过程中固定磁性表座和传感器，保持测杆的灵活性，使测头垂直接触测量杆，即可测量试样加载点的变形。图2-5 线性差动位移传感器2.4 数据采集卡2.4.1 采集卡选用与介绍数据采集卡选取凌华pci-9221-i多功能数据采集卡，该计算机i/o卡支持可程序化多功能数字i/o功能，可用在定时器、计数器、马达译码器（encoder）及脉宽调变（pwm）输出等弹性化的设计，因此pci-9221是凌华科技首张兼具数据采集与基本运动控制功能的工业用适配卡，能有效提供自动化测试设备厂商或实验室最佳化的整合接口。凌华pci-9221提供2个16位的静态模拟输出，可用于一般直流电压信号控制的应用。该产品支持自动校正功能，通过板卡内建精准的参考信号源，提高自我校正的准确度，避免在不同操作环境温度下的量测误差。图2-6为凌华pci- 9221-i采集卡与其引脚分配图。图2-6 凌华pci-9221-i多功能数据采集卡2.4.2 连接方式选用采集卡信号输入有单端输入和差分输入两种模式：单端输入，输入信号均以共同的地线为基准。这种输入方法主要应用于输入信号电压较高，信号源到模拟输入硬件的导线较短，且所有的输入信号共用一个基准地线。而单端输入的一线变化时，gnd 不变，所以电压差变化较大，抗干扰性较差。差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。单端输入时，是判断信号与gnd的电压差。由于差分输入时，是判断两个信号线的电压差。信号受干扰时，差分的两线会同时受影响，但电压差变化不大，抗干扰性较佳31-32。差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面： （1） 抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。 （2） 能有效抑制emi，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。 （3） 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的lvds（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。 因此，根据上述结论，为了更好地抑制共模噪声，我们对数据信号的输入采取差分输入方式。若针对目前的设计的如5路通道采集，选择10个端口即可。2.5 本章小结该章内容介绍整个系统的硬件搭建，包括整个系统的基本采集初端平台多头微试样蠕变试验机，以及其中的关键部分热风循环式恒温炉；pc机、位移传感器、数据采集卡以及其连接方式的介绍。确定各个硬件的选择与其使用方式，搭建完成程序设计的硬件平台。3 单通道位移采集系统单通道数据采集系统33由采集模块、数据处理模块、数据储存模块等构成，具有所述对单条数据的采集信号、干扰处理、转换计算、大容量存储等功能，单通道系统主要模块的程序框图如图3-1所示。下面对与单通道数据采集系统中的各个模块进行介绍。图3-1 基于labview的单通道位移采集系统-程序框图3.1 单通道数据采集模块设计采集模块需要基于选择完毕的位移传感器与凌华pci-9221-i多功能数据采集卡，设计并选择合理的采集程序与软硬件i/o端口，使数据可以大量、多通道且完整无误地传输进pc进行处理。同时数据采集时需通过程序实现人为设定所需要的采集频率、间隔时间，保证所采集数据的有效性。3.1.1 数据采集模块实现图3-2 系统中的数据采集模块程序框图如图3-2所表示为单通道的数据采集模块，其中的“aicontinuous.tsk”为其系统中所使用的软硬件接口程序。该程序配合数据采集卡可正确地在单通道数据输入的情况下工作。其所采集的信号为初始数据，即位移传感器在测量时所产生的电压信号；“rate(hz)”与“timeout(s)”为接口程序的频率与工作间隔，通过前面板的人为设定输入，默认频率为100000hz，工作间隔为10s；“stop”与“stopped”为接口程序停止工作的信号输入与工作状态显示，通过按下前面板的所对应的“stop”按钮可以停止接口程序的数据通信，此时“stopped”所对应的状态显示灯亮；“error out”为错误输出，对应前面板的数据框，将错误信号输出；“单路数据综合显示”对应前面板的波形图表，其功能为在采集过程中实时观察采集的数据信号；“选择信号”能实现接口程序传输信号时的选择功能，选择对应信号输入的端口。3.1.2 数据采集模块工作流程上述的采集模块所实现的功能为在程序开始进行时，将数据采集卡所采集到的数据输入进pc中的labview程序，以进行后续的操作。具体的工作流程如下：（1） 先设定接口程序的频率与工作间隔；（2） 每个端口开始采集信号，单个信号采集的间隔取决于处理器执行时所需要的工作时间；（3） 将所采集的数据信号显示于波形图中；（4） 选择信号端口，将所选定端口的数据取出，送至后续模块；（5） 继续信号采集。3.2 单通道数据处理模块设计在先前的数据采集模块中，将采集的信号数据，输入进数据处理模块。故数据处理模块的功能主要为去除干扰，得出合理的电压信号，并通过计算公式最终获得出所需要并可以进行储存的实际位移量。3.2.1 数据处理模块的实现所设计的单通道数据处理模块如下图3-3所示，下面对该程序框图进行介绍：图3-3 系统中的数据处理模块程序框图“转换”为一数据类型转换函数，前部分采集的数据类型为动态数据，通过这一函数，将动态函数类型转换为数组类型；两个“索引数组”为基本的数组函数之一，为了在选择所需的数据列或数据；“burrerworth filter.vi”为一labview系统自带的滤波器，其主要目的为对数据信号进行滤波。其中，“lowpass”为低通滤波选项，“x截止频率”与“x阶数”包括“100”常值都为滤波器所需要设定的参数，通过前面板对应的输入框来进行人为设定；“第一路位移表述图”对应前面板的波形图表，其功能为在采集过程中实时观察已经过处理的数据信号；“乘号”、“加号”、“减号”与其所对应的常值与“位移零点”，都为数值函数，目的为了将通过滤波的信号数据通过公式计算，从而得到实际的所需相对位移值，该值也为最后我们所需的数据。“第一路初值”为通过上述的计算所得出实际绝对位移值；“第一路位移值零点”也人为设定的初始位移值，用于获得相对位移值。3.2.2 数据处理模块的工作流程上述的数据处理模块所实现的功能为将所采集数据经过处理，得到所需的实际位移量，具体工作流程如下：（1） 将动态数据转换至数组类型，并通过索引选择对应的数据列；（2） 将数据通入低通滤波器，进行数据滤波，获得合理的信号，去除干扰；（3） 将通过滤波的信号， 输出显示，并且进行公示运算，得出位移传感器实际的绝对位移数据；（4） 将绝对位移数据减去位移值零点，获得相对位移值；（5） 继续数据处理。3.3 单通道数据实时显示模块设计显示模块主要用于将采集并经过处理所得出的位移相对值进行显示，以便实时监测，其描点的实际间隔通过人为设定与其所测量的实际时间相吻合，保证在实时监控时的准确性。3.3.1 数据实时显示模块的实现所设计的单通道数据实时显示模块如下图所示，图3-4为程序框图，其具体内容便是针对位移相对值创建一个波形，图3-5为所对应的前面板，表示的为一个显示该路位移整体趋势的波形图表。 图3-4 系统中的数据实时显示模块程序框图 图3-5 系统中的数据实时显示模块前面板“第一路数据显示”将数据处理模块所得出的位移相对值显示于前面板对应的显示框中。“动态数据转换”通过该函数，将动态函数类型转换为数组类型；“时间”获取当时的实际时间（日期与时间），作为波形创建的初始时间；“时间间隔”人为设定的点与点之间的时间间隔，默认为500ms；“等待”迫使cpu放弃对当前线程的控制，等待时间为对应的输入时间；“除号”与常数1000为将时间间隔转换为秒单位制，之后输入时间间隔dt；“创建波形”以输入的数据流作为y值，以时间t为x值，获取t0初值与dt，从而创建波形；“第一路位移整体趋势图”将所创建的波形输入进波形图标，实时显示位移趋势，用于人为监测。3.3.1 数据实时显示模块的工作流程上述的数据实时显示模块所实现的功能为将所得出的位移相对值根据实际时间形成时间-位移波形图表，用于实时监测，具体的工作流程如下：（1） 显示位移相对值；（2） 动态数据转换至数组类型；（3） 获取实际时间，获取描点的真实时间间隔（初期人为设定），并将上述数据与位移相对值输入“创建波形”函数；（4） 通过波形图表形成第一路位移整体趋势图，实时观察实际位移相对值。3.4 单通道数据储存模块设计至此，数据采集、处理、显示基本实现完毕，但还需将所采集的数据进行储存，用于后续对试验数据进行研究与计算。数据储存模块的功能便是将采集并通过数据处理所得出的位移相对值，按照具体的绝对时间与相对时间，存储至文件中。3.4.1 数据储存模块的设计如下图3-6所示即为设计的储存模块，选用写入文本文件，即txt文件用于储存，相比与excel格式，txt文件形式具有容量大、工作稳定、保存方便等功能，除读取数据功能相较于excel较弱以外，在大容量、长时间数据储存中较为常用。（07版excel表格最多显示1048576行，不符合要求）图3-6 系统中的数据储存模块程序框图“数据存储开关”与“指示灯”对应前面板的按钮，来控制存储模块的开关，“指示灯”表示存储模块的运行状态；“数据存储频率调节”对应前面板的输入框，人为设定所需要的存储频率，若为2，则为2次采集存一位数；“循环次数”为目前整个采集系统的循环次数，即采集次数；“商与余数”即对“数据存储频率调节”与“循环次数”进行除运算，拿后者除前者，将余数传至后端的比较函数；“等于零”为比较函数，即若为零则输出“true”，若不为零则输出“false”；“与门”将“数据存储开关”的状态与“等于零”的状态进行“与”操作，即两端都输出“true”才可以运行后续的存储端口；“获取日期/时间”获取当前的实际日期与时间，输出数据类型为时间标识数值；“获取日期/时间字符串”将时间标识数值分列转换为日期字符串与时间字符串，默认模式为“abbreviated”；“搜索替换字符串”将人为设定的字符常量“-”替换时间字符串的“：”，更易于辨认；“连接字符串1”将之前分离的日期字符串与时间字符串重新连接，中间加入空格；“存储开始时间”、“减号”与“除号”该部分的一系列运算为将每个数据存储的时间减去整个系统开始存储的时间，除去3600后即为每次存储的相对时间；“数据至小数字符串转换”将数组数据转换至字符串数据类型；“连接字符串2”将采集的绝对时间、“空格”、相对时间、“空格”、位移相对值、“回车键常量”按顺序连接成长字符串；“写入文本文件”将字符串写入txt文件，文件为通过“引用句柄输出”所连接的txt文件；3.4.2 数据储存模块的工作流程上述的数据储存模块所实现的功能为将所得出的位移相对值，根据存储频率，存入txt文件，每次存入的数据有采集数据的实际时间，相对时间与相对位移量，具体的工作流程如下：（1） 设定存储频率，打开数据存储开关；（2） 获取实际时间转换至时间字符串与日期字符串，将时间字符串间的数字连接符更换为“-”后，重新将日期与时间字符串连接，中间加一“空格”；（3） 将存储实际时间与系统存储开始时间进行减运算，获取存储的相对时间；（4） 将位移相对值与存储相对时间的数据类型转换为字符串类型；（5） 将存储的实际时间、存储的相对时间与位移相对值写入文本文件。3.5 单通道辅助模块设计除去上述的主要系统模块外，还有部分模块用于保证整个单通道采集系统运行完善，具体介绍如下： 图3-7 系统启动开关 图3-8 系统等待图3-7所示的为系统启动开关，其控制一个包含整个系统的条件结构，由该开关控制系统的工作开始；图3-8所示的为系统等待，即当系统启动开关未开启时，整个系统经过10ms的等待，继续判断之前的系统启动开关的状态；图3-9 创建文本文件图3-9所示的为当系统开关启动后，会进行层叠式顺序结构的第一步，即创建文本文件，文件名通过系统启动后弹出的地址框设定，文件表头通过对应前面板的输入框写入，所创建的文件通过引用句柄输出关联至后端的存储模块； 图3-10 采集停止 3-11 采集延迟图3-10所示的为采集停止开关，通过该开关来控制采集暂停或者继续；图3-11所示的为采集时间间隔调节，接口程序每采集一个数据，经过整个采集系统循环一次后，将会延迟一定时间，该时间间隔由人为设定； 图3-12 事件结构1：一路清零 图3-13事件结构2：数据存储开关图3-12所示的为一事件结构，第一个事件为当前面板对应的一路清零按钮被按下时，数据处理模块中的第一路初值将会读取第一路位移值零点中人为设定的值，便于清零；图3-13所示的为事件结构中的第二个事件，即存储模块的存储开关被按下时，将会获取系统开始存储的实际时间，用于之后存储相对时间的计算。3.6 单通道采集系统的实现3.6.1 系统的工作流程整个单通道系统的设计基本已经介绍完毕，下面对系统的工作流程做一具体介绍，以了解系统如何实现：（1） 操作：a. 开始运行labview，在前面板上人为设定参数，所需要设定的参数有：输出文件表头名、timeout、rate、描点的真实时间间隔、采集时间间隔调节、第一路位移值零点、数据存储频率调节；b. 打开系统启动开关，开始采集，采集过程中可以点击采集停止开关，暂停采集，再点击则继续；c. 点击一路清零按钮，再点击数据存储开关，开始数据存储；d. 整个过程要保证各种软硬件处于正常稳定的工作状态，不允许有较大的振动，不允许断电。e. 实验结束后，可以通过关闭labview软件来停止系统；f. 获得已保存数据的文本文件，进行下一步的数据研究与计算。（2） 数据流（描述一次循环）：a. 软硬件接口获取从数据采集卡所采集的电压信号，输入至数据处理模块；b. 转换数据类型，通过低通滤波器去除干扰，获得合理的数据信号；c. 进行数据计算，转换至绝对位移值，再结合第一路位移值零点进行计算，获得相对位移值；d. 将相对位移值作为y值，结合实际时间，绘制时间-位移波形图表，用于实时监测；e. 将相对位移值送入数据储存模块，获取存储的绝对时间与存储的相对时间，将上述三个数据写入初始创建的文本文件；f. 等待，继续下一循环g. 继续采集整个单通道位移采集系统的工作流程图如下：labview软件启动系统启动开关t输入各系统参数数据采集选择信号；索引对应数据列低通滤波数值计算获取绝对位移值获取相对位移值存储开关t获取绝对时间计算获取相对时间写入txt文件f电压信号趋势显示显示已经过处理的信号显示时间-位移图时间延时f短延时图3-14 单通道位移采集系统的工作流程图3.6.2 系统的试验结果采用上述的单通道数据采集系统，进行了一次试验，如下图3-15为长达600小时微试样蠕变试验所采集的单通道数据txt文件。其中，txt文件中的第一列数据为日期，第二列为绝对时间，第三列为相对时间，第四列为所采集的单通道数据。图3-15 600小时的蠕变位移试验单通道采集数据文件（部分）下图3-16为该试验数据的时间-位移图形。采集的数据与图形符合理论趋势，了解所设计的单通道采集系统可以满足长时间大容量的数据采集与储存。图3-16 600小时的蠕变位移试验时间-位移图（部分）3.7 本章小结 该章介绍了单通道采集系统，详细说明了整个系统中，数据采集模块、数据处理模块、数据实时显示模块、数据储存模块和一些辅助模块的设计原理、方法，并基于整个系统介绍了整体的工作流程。之后将该系统的试验结果进行展示，说明该系统合理地实现了单通道的长时间数据采集，能够去除部分干扰并实现大容量的数据存储，为后期的多通道扩展打下基础。4 多通道位移采集系统为了配合多头蠕变试验机，需要在单通道的基础上进行多通道的扩充，基本编程形式不变，增加线程即可。然而，在扩充为三通道后，多次数据模拟却发现原先的编程方式和数据处理方式存在很大的不稳定性问题，出现数据串线（比如采集了10多个小时之后数据出现完全紊乱），或是出现十分严重的数据跳点或波动。见下图4-1，为三个通道进行采集时在300个小时之后出现较为严重的数据跳点与波动。图4-1 1000小时以上的三通道蠕变试验的时间-位移图（有波动）根据个人分析和资料检索，最终确定问题的根源主要可能是由于数据采集卡的存在不稳定问题或是软硬件接口的兼容性问题。所以需对多通道采集系统进行重新的优化设计。4.1 多通道数据采集模块设计基于labview的多通道采集存在部分不稳定性问题，比如初期所设计的单通道数据采集系统在进行单通道数据流时十分稳定，但当数据通道扩张为2条甚至更多时。由于软硬件接口或数据采集卡的稳定性，容易出现异常的数据波动或者串线，不能按要求正常采集。本次研究内容的重点便是要在不更换数据采集卡的前提下，优化软硬件接口程序，设计采集程序，实现稳定的多通道数据采集。4.1.1 数据采集模块的实现下图4-3为针对多通道所设计的数据采集模块，先前相比，采取差分方式，每次循环采集100个电压信号的方式，来保证后期数据处理时可以基于较多数据样本，从而能够较好地实现均化误差与去除干扰的功能。说明下每次需采集100个信号的原因：所采集的信号为位移传感器所得到的电压信号，这100信号采集的间隔非常短，近乎于10-4秒，因此理论上信号可以看作同时取得，应为相同值。但由