（机械电子工程专业论文）转移阻抗法测试射频衬垫屏蔽效能测试系统的研究.pdf

目录 转移阻抗法测试射频衬垫屏蔽效能测试系统的研究 文沛先 指导教师蒋全兴教授 东南大学机械工程系电磁兼容研究室 摘要 本文主要探讨用气动式测试装置测试射频衬垫的转移阻抗，并运埘该装置测试出衬垫所受的压 力和该压力下的位移量，利用虚拟仪器测试系统将测试数据可视化、图形化，可根据直观的图线数 据比较不同的射频衬垫在相同的压力下的屏蔽效果，从而在工程中筛选衬垫；也可比较同一射频村 垫在某一干扰信号作用下，在不同压力下的屏蔽效果，从而在工程中衬垫用于密封时选择最佳的压 紧力。 气动式测试装置主要用橡胶波纹膜片作为密封气室的弹性元件，通过调节气室气压，借助于橡 胶波纹膜片将压力传递给受试衬垫，利用压力传感器和位移传感器采集受试衬垫所受的压力和位移 变化鼍信号，通过信号采集卡进行a d 转换并输入虚拟仪器测试系统，系统的软件采川n i ( 美国国 家仪器公司) 的l a b v i e w 软件。虚拟仪器测试系统的计算机将测试数据实时可视化、图形化输出。 整个测试系统由测试夹具装置、气动调节装置、信号输入装置和接收装置和虚拟仪器测控系统 四部分组成。测试夹具装置主要由气动式测试夹具实验台、上同轴转接头、下同轴转接头、压力传 感器和位移传感器的固定装置、气源接口组成；气动调节装置主要由气源装置，控制元件和气动辅 件组成；信号输入装置和接收装置主要由信号扫描发生器的网络分析仪组成；虚拟仪器测试系统主 要由计算机、压力传感器和位移传感器、压力和位移信号采集卡、稳压电源组成。 关键词：射频衬垫，转移阻抗，测试装置 东南大学硕士学位论文 t e s t i n gs y s t e mr e s e a r c ho fs h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s so fr fg a s k e tw l t hm e t h o do f t r a n s f e ri m p e d a n c e w e np e ix i a n s u p e r v i s e db yj i a n gq u a nx i n g e m cl a b , d 印盯m l to f m 鼬柚i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n gc h i n a a b s t r a c t t h i sd o c u m e n td i s c u s s e sh o wt ot e s tt h et r a n s f o r m a t i o ni m p e d a n c eo fr fg a s k e tw n hp n e u m a t i c t e s t i n ge q u i p m e n t w e 哪t h i st e s t i n ge q u i p m e n tt ot e s to u tt h ep r e s s u r eo ft h eg u s k e tr e c e i v e da n dt h e d i s p l a c e m e n ta m o u n to fi tu n d e rt h ep r e s s u r e t h et e s t e dd a t ac a l lb ev i s u a l i z e da n dg r a p h i c su t i l i z i n gv i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) t e s ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h ei n t u i t i o n i s t i cc h a r td a t a , t h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so f d i f f e r e n tr fg a s k e t sc a l lb ec o m p a r e du n d e rt h es a m ep r e s s u r e t h u sw ec a l lc h o o s et h eo p t i m a lg a s k e t si n t h ep r o j e c t w ec a na l s oc o m p a r et h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so ft h es a m er fg a s k e tu n d e rac e r t a i n i n t e r f e r i n gs i g n a lf u n c t i o na n dt h eu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e s t h u st h eo p t i m a li m p a c t i o ns t r e n g t hc a nb e c h o s e nw h e nr fg a s k e ti su s e df o rs e a l i n gi nt h ep r o j e c t t h em b b e rr i p p l ed i a p h r a g mi su s e da st h es e a l e da i rc h e m b e re l a s t i cc o m p o n e n ti nt h ep n e u m a t i c e q u i p m e n t t h r o b g hr e g u l a t i n gt h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r eo fa i rc h a m b e r , t r a n s m i tt h ep r e s s u r et ot h et e s t e d g a s k e tw i t ht h e a i do ft h er u b b e rr i p p l ed i a p h r a g u a t h cs i g n a lo fc h a n g i n ga m o u n to fd i s p l a c e m e n ta n d p r e s s u r eo f t h eg a s k e tr e c e i v e du n d e rt e s t i n gc a n b eg a t h e r e du t i l i z i n gt h ep r e s s u r es e n s o ra n dd i s p l a c e m e n t s e n s o r a dt r a n s i t i o ni sc a r r i e do nb ys i g n a lg a t h e rc a r da n dt h er e s u l ti si n p u t t e di nv it e s ts y s t e m t h c s y s t e m a t i cs o f t w a r ea d o l p t sl a b v l e ws o f t w a r eo fn i ( t h en a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n yo fu s a ) 1 1 他 c o m p u t e ro f t h ev it e s ts y s t e mw i l lp r o v i d er e a l - t i m e ，v i s u a l i z e da n dg r a p h i c st e s td a t a t h ee n t i r et e s ts y s t e mc o n s i s t so ff o u rp a r t s ，w h i c ha r et h et e s tj i gi n s t a l l m e n t , t h ep n e u m a t i cc o n t r o l i n s t e l l m e n t , t h es i g n a li n p u ti n s t a l l m e n ta n dt h er e c e i v i n gd e v i c e , a n dv it e s ts y s t e m t h et e s tj i g i n s t a l l m e n tm a i n l yc o n s t i t u t eo fa i ro p e r a t e dt e s tj i gl a b o r a t o r yb e n c h ，t h eu p p e rc o a x i a le x t e n s i o n a t t a e h m a n t , t h ed o w nc u a x i a l e x t e n s i o na t t a c h m e n t , t l l e p r e s s u r e s e n s o ra n dd i s p l a c e m e n ts e n s o r a t t a c h m e n ts y s t e ma n dt h eg a ss o u r c ec o n n e c t o r t h ep n e u m a t i cc o n t r o li n s t a l l m e n t sa r em a i n l yc o m p o s e d o fa 打s o u r c ei u s t a l l m e n t , t h ec o n t r o lp a r t sa n da i ro p e r a t e da u x i l i a r y , s i g n a ls c a ng e n e r a t o ra n dn e t w o r k a n a l y s i si n s t r u m e n tf o r ms i g n a li n p u ta n dr e c e i v ed e v i c e v it e s ts y s t e mm a j o rc o m p o s eo fc o m p u t e r , p r e s s u r es e n s o ra n dd i s p l a c e m e n ts e n s o r , t h ep r e s s u r ea n dd i s p l a c e m e n ts i g n a lg m h e r c a r da n ds t a b i l i z e d v o l t a g es u p p l y k e y w o r d s ：r fg a s k e t , t r a n s f e ri m p e d a n c e ，t e s t i n ge q u i p m e m i i 东南大学学位论文独创性声明及使用授权声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使_ j 过的材料与我一同j = 作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名：日期之翌i ：? w 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 魏必p 氢戤 l i l 2 2 第一章绪论 1 1 背景介绍 第一章绪论 r f ( r a d i of r e q u e n c y 射频) 衬垫，也称之为导电衬垫。它常填充在机箱缝隙中，能够保持缝 隙处的导电连续性。减少孔洞、缝隙、沟槽等结构不连续处的阻抗，从而降低接合处两端的电压， 达到防止干扰入侵同时可以减小缝隙的电磁泄漏。射频衬垫材料的作用简单地说就是低频时，衬垫 主要降低接合处的电阻；高频时，衬垫还必须降低接合处的电感【l j l 2 j 例。射频衬垫的屏蔽效能s e ( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ) 是指在同一激励电平下，有村垫材料和无衬垫材料时所接收到的功率或电 压之比，并以对数表示t j 。 ，p 、 s e = 1 0 l d 二旦l ( 1 2 ) 。l 只 式中：s b _ 屏蔽效能。d b ； 晦无衬垫时接收的电压； n 有衬垫时接收的电压； p 卜无村垫时接收的功率； j p 。有衬垫时接收的功率； 但实际“导电衬垫”的屏蔽质量只能凭供货商介绍的各种衬垫所能达到的龇1 f 占计值来判断，其真 正的“屏蔽效能”究竟有多好。根本无从得知。 8 0 年代以来，美国国家标准局( n s s ) 、汽车工程师学会( s a e ) 和材料试验学会( a s t m ) 对材料电 磁特性的测试提出了各自的测试方案6 3 。国外不少公司开发出了基于不同测试原理测试装置的 雏形，目前关于射频衬垫的屏蔽效能，国际上有多种测鼍方法。 1 ) 屏蔽室测量法p 】。基于g b i t1 2 1 9 0 9 0 或美军军标m i l - - g - - 8 3 5 2 8 方法，这种方法是将电磁 密封衬垫直接安装到缝隙处，测鼍缝隙的泄漏，如图1 1 所示，在开有0 6 m x 0 6 m 标准测试窗口的屏 蔽室内，用天线测试法测鼍射频衬垫的屏蔽效能。此方法可测得射频衬垫在近场环境中的屏蔽效能 但该测试方法要求孔的边缘与射频衬垫电接触良好，无泄漏。同时衬垫表面电阻的变化、孔的尺寸、 屏蔽室与电缆的连接，多次反射等都会影响测试结果的重复性。而且此装置体积大，重复测试时间 较长。适合于3 0 m h z 以f 频率范围的屏蔽效能的测试” 、， 一k r吐 l i 队 舾 东南大学硕士学位论文 图1 1 用屏蔽室测量射频衬垫屏蔽效能的原理图 2 ) 模搅拌小室( m s c ) 方法1 9 1 。该方法利用一套装置小室，内有一焊接的铝同定装置，该装置 在频率大于等于0 5 g h z 时满足模的强度和模搅拌效果的要求。计算在装置中具有盖极并装有密封衬 垫时接收到的功率与去掉试验装置中的盖极时接收到的功率值，用公式( 1 2 ) 计算，得出衬垫的屏 蔽性能。与其他方法相比。在相同的试验频率范围内，其缺点是：测得的离散的数据点最少。 3 ) a s t m 方法 9 1 。即用美国材料试验学会标准d 4 9 3 5 - - - 9 9 来测鼍。它主要测域材料的平面屏蔽 效能。如图2 - 2 所示，在适当位置上取具有射频衬垫时接收到的功率与没有密封衬垫时接收到功率 用公式( 1 2 ) 计算，得出射频衬垫的屏蔽性能，它还可以准确测试射频衬垫的体积电阻率。此方法 的优点是：测试设备的静态阻抗与同轴测试装置匹配较好，因而此装置本身的传输特性比较好。缺 点是要求衬垫与内外导体之间具有良好的电接触，否则由丁接触阻抗的存在将影响测试结果的重复 性。特别是在模拟远场测鼍时再现性较差。 图1 2a s t m 装置测量射频衬垫屏蔽效能的横截面图 4 ) 直流电阻法f 。它是描述衬垫对低频信号屏蔽性能的一种方法。使用同轴测试装置( 如幽1 3 所示) 模拟一个用射频衬垫密封的机壳屏蔽环境，用同轴传输线模拟t e m d 、室中平面波的传输。首 先将测试装置与网络分析仪相连，测得射频衬垫的相对屏敲效能。然后衬垫保持原位，使用特殊 圈l _ 3 直流电阻法测试装置横截面图 2 第一章绪论 的探头和毫欧计测量缝隙的直流电阻测得的直流电阻与低频屏蔽效能有很好的相关性。其缺点是： 要求制成射频衬垫的材料完全均匀，在高频时，这种屏蔽性能与其直流电阻的相关性并非呈现出函 数关系。 5 ) 双t e m 室法i i l j 。双t e m 室法( d c t ) 。它是由两个t e m 室在公用壁上开一个窗口，上边小室 产生的能量通过窗口传输到下边小室；从“1 ”端输入信号，则通过窗口传输到下边室的“2 ”、“3 ” 端输出。这样可以分别检测穿透测量孔的垂直电场分量和水平磁场分量。所以双t e m 室可同时模拟 高，低阻抗场。测最的基本方法与其他方法类似。同样是以窗口不加导电衬垫和加导电衬垫分别测 出入射功率p o 和传输功率 则材料的屏蔽效能可按式( 1 2 ) 计算得到。 图l - 4 双t e m 室法测试装置示意图 此方法的特点是：由于场建立在波导室内，故所需的输入功率低，对周围设备和人员不会造成 电磁干扰。其缺点是安装固定被测的导电衬垫较为困难，尤其是如何减小其接触电阻更为困难，而 且易产生泄漏或地回路，因而动态范围仅有5 0 6 0 d b 。 6 ) 球形天线测试法。球形天线测试法是用东南大学电磁兼容研究室制作的球形偶极子天线应用 于衬垫材料测试。如图1 - 5 所示，球形偶极子天线体积很小，是一个矿1 0 0 r a m 的“球”，由上f 两个半 球壳组成，所有电路均在。球”内部。可以十分方便的放入待测机构的内部作为信号源。 图1 - 5 球形天线测量法 球形偶极子天线可以提供3 0 m h z 1 0 0 0 m h z 的电磁信号，覆盖了电磁兼容领域常用的两种天线 的测试频率( 双锥天线3 0 m h z 2 0 0 m h z ，对数周期天线2 0 0 m h z 1 0 0 0 m h z ) ，简化测试程序，提 高测试效率 球形偶极予天线携带方便，自备电源，不需接电源线而引入额外的干扰。上下金属球壳也可以 起到屏蔽的作用，保护内部电路不受外来干扰 用球形偶极子天线测试可以直接把被测箱柜搬到屏蔽室里面进行测试，可以测得衬垫在实际使 用状态下是否满足屏蔽要求。 3 东南大学硕士学位论文 7 ) 转移阻抗法【1 2 1 ( t r a n s f e r i m p e d a n c e 即t i ) 转移阻抗是指屏蔽电路中两规定点之间的电压与 屏蔽体指定横截面上的电流之比转移阻抗法是设计一个同轴测试夹具，用铝板或铜板作为夹具结 构中与衬垫接触的平板 向平板施加一定的压力，以便在同轴系统的内外导体之间能提供连续的回路，使电流产生并流 过村垫材料。测量如, f i t ”1 1 6 中沿着平板接缝处衬垫的两个表面感应的电势差( r ) 和穿过装置其他 表面流动的电流( d 两者的比值既衬垫的转移阻抗。 输入 图1 - 6 转移阻抗测试夹具系统 美国a s t md4 9 3 5 推荐的材料远场平面波屏蔽效能测试方案如图1 7 所示 1 4 1 , 它是两段从中 间剖分的同轴式夹具。左右两段之间用尼龙螺钉连接，完全靠同轴线夹持端面间的电容耦合完成测 试功能，所以测试频率范围是3 0 m h z 1 5 g h z ，且测试时试样厚度不能超过l m m ，厚度不均匀度 不得超过5 。测试时还要制备一块同一厚度的参考试样，两者厚度之差不得超过2 5 1 t m ( a ) 4 第一章绪论 ( b ) 图i - 7a s t md4 9 3 5 测材料电磁屏蔽质量的两种方案 图卜7 ( b ) 是美国j o h n w a d a m a 在1 9 9 2 年提出利用a s t md4 9 3 5 法测转移阻抗的一种方案， 该测试必须确保两段同轴线外导体之间良好的电连接。 目前测试e m i 衬垫屏蔽效能的各种方法，由于各自的测试要求、设备条件、工艺规程和仪表工 具上的差异使得试验结果存在差别。为准确测定各种材料的屏蔽效能，从而选用经济合理的屏蔽材 料，要求我们设计出一种测试范围宽、测试结果准确可靠、复现性能好的电磁屏蔽效能测试装置。 本课题就是研究利用“转移阻抗法”测试射频衬垫的测试装置的结构和衬垫屏蔽效能的评定方 法。 1 2 转移阻抗法测试原理 r f ( r a d i of r e q u e n c y 射频) 衬垫，也称之为导电衬垫。它常填充在机箱缝隙中，能够保持缝 隙处的导电连续性，减少孔洞、缝隙、沟槽等结构不连续处的阻抗，从而降低接合处两端的电压， 达到防止干扰入侵的目的，同时可以减小缝隙的电磁泄漏。射频衬垫材料的作用简单地说就是低频 时，衬垫主要降低接合处的电阻；高频时，衬垫还必须降低接合处的电感。 转移阻抗是以电路的概念来衡量屏蔽材料的电磁屏蔽性能。它指在信号源激励下，屏蔽材料的 夹持面板问感应的电压与流经材料的单位电流之比。 转移阻抗法测试装置是以5 0 q 测试系统为基础，目标是测得射频衬垫的转移阻抗。通过对衬垫 转移阻抗的换算来比较衬垫的屏蔽效能。 东南大学硕士学位论文 图1 - 8 转移阻抗测试装置简图 图1 - 8 是村垫转移阻抗测试装置简图，简化图显示了测试装置的核心部分的垂直剖面图。该装置 的核心部分是回旋体结构，测试中衬垫被制作成环状、矩形或三角形形状，放在导电性能良好的试 件承载板上，这样测试系统的内外导体之间( 妞图中箭头所示) 形成了一个环形的导电通路。图中“输 入端”接频谱分析仪的信号源端口，电流流过衬垫材料。由于村垫本身有一定的电阻，衬垫与内导体 和试件承载板之间有一定的接触电阻，在衬垫的电流输入端和输出端之间分别产生一个射频电压k 和。输出端口接频谱分析仪的输出端。 如图1 - 9 所示为转移阻抗测试装置的等效电路图 图1 - 9 测试装置等效电路图 图中：r t 信号源内阻，5 0 q 如输入端内导体中串入的匹配保护电阻，5 0 f 岛接收设备的输入阻抗，5 0 f l ； 历受试射频衬垫单位长度的转移阻抗( q ) ； l 输入电流，a ； 蚪_ 聿禽入电压，v ； 珞输出电压。v ； ：z 7 i ：翌t ( ( s o n 5 0 ：矿。= ，z 。= 1 v ) x r z t互2 半c q ， 如果受试射频衬垫的展开周长为厶n ( m ) ，则衬垫的转移阻抗为： z t - z t 2 型笋( 觚) 2 0 1 0 9 z t = 2 0 1 0 9 5 0 + 2 0 l o g 圪+ 2 0 1 0 9 l m 一2 0 1 0 9 v , z t 帕= 3 4 + z o + 工md rt 6 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 第章绪论 只要用矢晕网络分析仪测得夹具测试装置的输入端电压和输出端电压的分贝值( 1 p v 的电压相 对应于o d b ) ，用公式( 1 7 ) 就可以算出受试射频衬垫的转移阻抗。则表示射频导电衬垫的电磁特性 屏蔽质量s q ( s h i e l d i n gq u a f i t y ) 碱衲”： s q = 舞 一0 l o g ( 苦) = z w 以佃 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 式中z w 是空气波阻抗，随着场源的性质和相对距离j r 而变，五是波长z t 是射频导电衬垫转 移阻抗 ， 远区平面波场，z w = 3 7 7 ( o ) ( 1 1 0 ) 2 石 r 丢近区商阻抗电场，z w 。= 南( q ) ( 1 1 1 ) ， a介质温度严c环境温度，。c耐久性 l i 吼 41 5 o 1 5 o 8一1 0 6 05 6 04 1 0 6 次 本测试系统的气动调节装置需要对被测衬垫进行多次反复测试，需换向阀不断改变气流方向。 对被测衬垫加压时，换向阀将气体输入测试夹具的气囊；测试结束后，换向阀需排出测试夹具的气 囊中的气体，使被测衬垫恢复原来的初始状态，等待再次加压。 4 2 3 流量控制阀( 调速阀) 流量控制阀主要由节流阀、单向节流阀和排气节流阀组成。 排气节流阀常装在主控阀的排气口上，用以控制执行元件的速度并降低排气噪声。节流阀通过 改变节流口的流通面积来实现流量调节。单向节流阀由单向阀和节流阀组成，只对一个方向的气流 有节流作用，对另一个方向的气流流动不节流。由于它经常用与气缸速度调节，因此又称调速阀。 其工作原理如图4 - 5 所示。 p t ( ) ( a )尹一 图4 5 单向节流阀上作原理 如图4 - 5 ( a ) 所示，当气流沿着p - a 方向流动时，经过节流阀节流：反方向流动时，如图4 - 5 ( b ) 东南大学硕士学位论文 所示。单向阀打开，不节流 本测试系统的气动调节装置需要对被测衬垫进行缓慢加载，给虚拟测控系统一定的响应时间， 也防止由于气囊体积较小对被测衬垫加压过快，无法测出其压力变化与其转移阻抗的关系，达不 到实验目的。所以选用x q 系列单向节流阀( 调速阀) x q l 0 0 4 0 0 2 “。该调速阀的组件( 上、下两端 安装了两个管接头) 外形尺寸如图4 石所示，其主要参数参见表4 3 。 表4 3 主要技术参数 接口工作压力 开启压力介质温度 环境温度 p - a 流量 i - a 通径 工作介质 螺纹 m p a ，m p ap c总 ，l t m i n 1 m m g 舌 经过滤的艋缩空气 0 1 o0 0 31 0 1 ( i o 5 6 0o 1 1 5 2 4 3 气动辅件 图4 6 调速阀组件外形图和实物图 气动控制系统中，许多辅助元件往往是不可缺少的，如管道( 管予) 和接头等。管子可分为硬 管及软管两种不需要经常装拆的地方使用硬管；硬管有铁管、钢管、黄铜管、紫铜管和硬塑料管。 连接运动部件、临时使用、希望装拆方便的管道应使用软管；软管有塑料管、尼龙管、橡胶管、金 属编织塑料管以及挠性金属导管等。 本设计中的测试装置在实验室使用，由于实验室空间有限，希望装拆方便，只在需要测试一批 衬垫时再搭建测试装置。而且测试温度不高。所以选用经济耐用的塑料管四根，通气内径尺寸6 m m ， 塑料管的长度根据实验台具体高度，及测试夹具装置与空气泵距离而定，四根长度分别取3 0 0 m m 、 6 0 0 r a m 、6 0 0 r a m 、1 5 0 0 r a m 。 管接头是管子与气动元件、管子与管子之间可拆卸的连接件。管接头必须在强度足够的前提下， 在压力冲击和振动下保持管路的密封性、连接牢固、外形尺寸小。气动系统中的管子接头有卡套式、 扩口螺纹式、卡箍式、插入块换式等。 本设计中选用三通气动接头组件一个，装在托柱底部。两通气动接头组件两个，装在调速阀两 第四章气动调节装置 侧。直角两通气动接头组件三个，分别安装在换向阀、调压阀和压力传感器支架上。管螺纹转接头 组件一个，装在换向阀和调压阀之间。 4 4 气囊充气和放气的时间 4 4 1 气囊充气的时间 给气动式测试夹具装置的气囊充气的时间对观察被测衬垫的加载变化得出正确的实验结果非常 重要。充气时，容器中的压力逐渐上升。充气过程基本上分为声速和压声速两个充气阶段。如果把 向气囊充气的过程看成是绝热过程，则充气的时间r 为i 冽： r ：( 1 2 8 5 一旦) f p 。 硝m ，川气去序 式中见气源的绝对压力( p a ) p 容器内的初始绝对压力( p a ) ； f 充气与放气的时间常数( s ) ； 矿容器的容积( m 3 ) ； 女绝热指数，对空气来说，k = 1 4 ； s 有效截面积( m 2 ) ，s = a s ：口车，口为收缩系数，d 为节流孔内径； * 气源热力学温度( k ) 。 ( 4 6 ) ( 4 - 7 ) 查液压与气压传动吲p 2 0 4 页图9 - 5 ，p = o 1 5 ，a = 0 6 0 s ；p = o 2 0 ，c t = 0 6 1 5 , 见图3 1 8 d 宅5 m m ；导气管 内 径。；6 m m ； 因 = ( 丢) 2 = ( 警) 2 * o 1 7 ，可得 口：0 6 1 5 - 0 6 0 8 f o 1 7 0 1 5 ) + 0 6 0 8 0 6 1 0 8 s ：口丝= 0 6 1 0 8 x ! ：! ! ：垒：型! ：尘。3 o 。( i n 2 ) ( 4 8 ) 4 4 将式( 4 5 ) 、( 4 7 ) 和式( 4 8 ) 代入式( 4 - 6 ) 并取以卸6 x 1 0 6 ( p a ) ，n = o o l x l 0 6 ( p a ) ， y = i 2 8 1 8 。1 0 。( m 3 ) ，t , - - 2 7 3 + 2 5 = 2 9 8 ( k ) ，干空气女= 1 4 ；则气囊的充气时间伪： 硝埘，圳屯南。t 3 = 5 2 1 7 x l o x 罴器愿删s 扣( i 2 8 5 - p p , ) 一c 1 2 8 5 一裟等黹等，x 0 1 5 m 0 1 7 如果不忽略气流流经管路和气动元件的时间，测试过程t g t 更长一些。实际充气测试时间每次 东南大学硕士学位论文 约1 分钟左右，可以达计算机响应的时间，达到实验要求 4 4 2 气囊放气的时问 和充气过程一样，放气过程也基本上分为声速和亚声速两个阶段，容器由压力 降到大气压p | r = 筹十刖s 岛) 等卜 f ：5 2 1 7 1 0 3 x 上陋 t x s 正 式中p 容器内的初始绝对压力( p a ) ； 只放气砑蠡界压力压力( 1 9 2 x l o s p a ) 硝捌例旷去j 竽= 5 2 1 7 x 1 0 3xs 器143 00 j 堡2 9 8 s t vt 1 。v r = 辟 ( 攀谶掣 器十刖拦徽等) 崇卜。s ，删舶s 如果不忽略气流流经管路和气动元件的时间，放气过程比t 更长一些。实际实验时由于装置气 密性很好，放气时间超过1 分钟。如果期望快速放气。再进行第二次重复实验，可以对“试件承载板” 施加外力( 比如手向下压等方式) 。 4 5 气动回路 图4 1 0 气动回路图 气动回路图如图4 - l o 所示，加压时，打开空气泵开关气体直接经空气过滤器输入单向缓冲气 4 8 第明章气动调节装置 缸。查看压力表的数字显示，保持气缸中一定有0 6 m p a 左右的压强，以便可以做几次测试，不用频 繁打开空气泵充气，减少噪音。 用调速阀( o 0 5 m p a i m p a ) 调速，依次通过换向阀( 触头为闭合状态) 、减压阀、压力表，进 入三通气动接头。三通接头的一侧接入托盘，将气体充入橡胶波纹膜片所形成的气囊，使承载板受 压。测试过程中，只需要调节调速阀( 粗调) 和减压阀( 微调) 即可实现气压的连续调节。三通气 动接头的另一端与压力传感器相连，可直接测量进入气囊的气压。 东南大学硕十学位论文 第五章虚拟仪器测控系统 虚拟仪器测控系统主要采用虚拟仪器技术，即传感器、数据采集卡、4 8 6 以上的p c 机和l a b v i e w 软件。利用p c 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由接口设备完成信号的 采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统 5 1 虚拟仪器技术 1 ) 虚拟仪器的基本概念 2 0 世纪8 0 年代末美国研制成功虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v 1 ) 。它是在以p c 计算机为核 心组成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器测试功能，虚拟仪器利用p c 计算机强大的 图形环境，建立界面友好的虚拟仪器面板( 即软面板) ，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程 语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析，判断、显示、存储及数据生成。 2 ) 虚拟仪器的构成 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。硬件接口模块可以包括插 入式数据采集卡( d a q ) 、串并口、i e e f a 8 8 接口( g p i b ) 昔、v x i 控制器以及其它接口昔。目前 较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统以及这三者之间的 任意组合。 3 ) 本课题选择虚拟仪器的总体方案 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：p c 总线插昔型 虚拟仪器、并行口式虚拟仪器、g p l b 总线方式的虚拟仪器、v x i 总线方式虚拟仪器、p x i 总线方式虚 拟仪器 本课题的总体方案选择基于p c 总线的虚拟仪器测试系统。这种方式借助于插入计算机内的数据 采集卡与专用的软件如美国n i 公司的l a b v i e w 图形化编程工具软件相结合，它可以通过各种控件自 已组建各种仪器。 计算机作为处理的核心部件，信号的采集由数据采集昔完成，压力、伊移信号分别由压力传感 器和位移传感器所组成。整套系统具有良好的移植性能，可以根据测试对象的不同作适当修改。即 可用于其他系统的信号采集，并且采集的速度可以依据实际需要进行调整。整套系统具有较高的性 能价格比。较其他具有同性能的测试方案可节约近一半的资金。当然系统在可靠性和稳定性能方面 较其他方案会有所下降。 5 2l a b v i e w 软件及应用 l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器下程平台) 是 美国n l 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ) 推出的一种基于g 语言的虚拟仪器软件开发工具用 l a b v i e w 设计的虚拟仪器可脱离l a b v i e w 开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操 作面板。1 2 5 1 1 2 6 | 2 7 l 第五章虚拟仪器测控系统 1 ) l a b v i e w 软件简介 l a b v i e w 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“v i s ”在计算机显示屏幕上利 用函数库和开发工具库产生一个前面板( f r o n tp a n e l ) ；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于 控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指 令 l a b v i e w 的运行机制是一种带有图形控制流结构的数据流模式( d a t af l o wm o d e ) 。l a b v i e w 中 被连接的函数节点之间的数据流控制着程序的执行次序。这种方式确保了程序中的函数节点 ( f u n c t i o nn o d e ) 只有在获得它的全部数据后才能够被执行我们可以通过相互连接函数节点快速 简洁的开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行，即所谓的多线程( m u l t i t h r e a d i n g ) l a b v i e w 稗序结构主要包括稃序前面板、框图释序和圈标，连接器三个部分。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，模拟真实仪表的前面板。控制和显示是以各种图 标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这样前面板直观易懂。每一个程序 前面板都对应着一段用l a b v i e w 图形编稃语言编写的框图程序。 框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数 据。节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行 过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。 图标，连接器是子v i 被其它v i 调用的接口。图标是子v i 在其他程序框图中被调用的节点表现形 式；而连接器则表示节点数据的输入廊出口用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一 对应。连接器一般情况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它。 l a b v i e w 的强大功能在于它的层次化结构，用户可以把创建的v l 程序当作子程序调用，以创建 更复杂的程序，而这种调用的层次没有限制。因此创建的程序结构模块化，更易于调试、理解和维 护。 用l a b v l e w 编制框图程序时，首先，从函数面板( f u n c t i o np a l e t t e ) 中选择需要的函数节点 ( f u n c t i o nn o d e ) ，将之置于框图上适当的位置；然后用连线( w i r e s ) 连接各函数节点在框图程序 中的端口( p o r t ) ，用来在函数节点之间传输数据。这些函数符点包括了简单的计算函数、高级的采 集和分析v i 以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。 当把一个控件或指示器放置到前面板上时，l a b v i e w 便在框图程序中相应的产生了一个终端 ( t e r m i n u s ) 这个从属于控件或指示器的终端不能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器 时它才会随之起被删除。 用户可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的 子任务，直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合首先设计s u b v l 完成每个子任务。然后 将之逐步组合成为能够解决最终问题的v i 2 ) l a b v i e w 软件在本课题中的应用 a ) 程序前面板 如图5 1 所示，前面板可实时显示压力和位移测量值，通过虚拟图象显示器和虚拟数字显示器显 示具体数值。压力和位移龟值的显示是一一对应的关系。通过调整校准位置处的鼍值调整位移的基 准位置。按面板上的“s t o p ”按钮可以同时停止压力和位移值的采集。前台程序运行时t 后台可以 同时打开一个文件进行数据的存储，以便于后处理。 东南大学硕上学位论文 b ) 操作步骤 射频衬垫铡试系统压力位移测试 图5 - i 射频衬垫测试系统压力位移测试前面板图 打开l a b v i e w 应用程序。打开射频衬垫压力，位移虚拟测试系统。因每个被测导电衬垫的高度 不同，所以位移传感器的测试头的起始位置也不同。在位移测试的“较准位置”对话框中键入位移 传感器的初始位置。( 位移测试系统当前的绝对位置，测试后得到的值即是以此位置为基准。) 启动测试系统，测试系统运行后，曲线框中表示了测试值的变化，数字显示框中表示了具体数 值。后台同时打开了一个e x c e l 文件将读出的数据写入。并且所写入的压力位移数据是一一对应输入 的。测试结束屙，按“s t o p ”键停止程序。 5 3 传感器 根据国家标准( g b 7 6 6 5 - - - 8 7 ) ，传感器【2 6 】1 2 7 】是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置。如图5 2 所示，完整的传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路 三部分组成。敏感元件是直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量；转换元件将敏感元件输 出的非电物理鼍( 如位移、应变、光强等) 转换成电路参数( 如电阻、电感等) 或电量。基本转换 电路将电路参数转换成便于测量的电量如电压、电流、频率等。 被 图5 - 2 传感器的组成 第五章虚拟仪器测控系统 5 3 1 传感器的分类和基本参数 5 3 1 1 传感器的分类 传感器的种类和分类方法有很多。例如按信号转换效应来分，可分为物理氆、化学犁及生物型 传感器；按构成原理来分，可分为结构型( 如电感式、电容式传感器) 和物性氆( 如压电传感器和 各种半导体传感器) 两类；按构成传感器的敏感元件的材料来分，又可分为半导体传感器、陶瓷传 感器、有机材料传感器等，而按用途来分，又可分为压力传感器，位移传感器、温度位移传感器和 光位移传感器等等【2 8 】。 5 3 1 2 传感器的基本参数 1 线性度：又称非线性误差，是被测量处于稳定状态时，表征系统输出和输入之间关系的曲线 ( 标定或校准曲线) 对选定拟合曲线的接近程度。它用非线性引用误差形式来表示，即： = 竺蔓1 0 0 y es ( 5 1 ) 式中 凡引用非线性误差( m ) ； k 标定曲线对拟合直线的最大误差( m ) y f s 满量程输出值( n 1 ) 。 由于拟合直线确定的方法不同。则用非线性相对误差表示的线性度值也不同。选择拟合直线应 保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用和计算方便。本课题采用最小二乘线性度法，设拟合直 线方程式为： y = 6 + 觑 则第个标定点的标定值与拟合直线上相应值的偏差为： a l , ；( b + 红) 一” 最小二乘拟合的原则是使n 个标定点的均方差： 上n 兰, - i 嵋= ，( 6 ，后) = 万1 善q 【( 6 + 晚) 一乃】2 为最小值，由一阶偏导数等于零，即： 幽：0 o b 幽：0 讹 可得两个方程式，并解得两个未知量b ， 的表达式： 6 = 兰# 一f 兰1 2 j - l 扣l ( 5 7 ) 笱 ” d o u 岱 东南大学硕士学位论文 | | = 兰# 一f 妻 2 j t l 一i 2 灵敏度：灵敏度是指测量系统输出量的变化量与输入量的变化量的比值，即 髟；旦k d x m ( 5 8 ) ( 5 9 ) 它代表静态特性曲线上两相应点之间的斜率，通常也取为拟合直线的斜率。开环系统的灵敏 度系数为各串联子设备灵敏系数的乘积。 3 滞后( 同稃误差) 滞后表示测量系统当输入量在量程范围内一次往返升降( 由小到大上升然后由大到小下降) 变 化时所得输出输入量曲线不重复的程度。输出量折返形成的回线称为滞后或迟滞同线。设同一输入 量时