（材料学专业论文）铸造合金线收缩、热裂检测系统.pdf

摘要 铸造合金从液态到室温的冷却过程中，其状态和晶体结构都会发生变化，不 同合金变化规律不同，性能不同，各有其自己的特征。如果能动态、定量的描述 这些特征，就可以准确地分析和判断铸造合金在不同温度下的存在状态、所发生 的结构变化以及带来的影响，这对金属材料研究、专业教学及生产工艺控制有重 大意义。为此，设计本套铸造合金线收缩、热裂检测系统。 检测系统主要由传感器、调理电路和采集机构三部分构成，设计也主要从这 三方面展开。 传感器部分利用大连理工大学研制的z q s 2 0 0 0 铸造合金热裂线收缩仪，它 可将合金铸造过程中的温度、线收缩、热裂力等参数转化为电压信号，并能在仪 表上显示出来，非常方便检测系统的调试。 传感器的信号为毫伏级的信号，且常伴随各种噪声，需要通过调理电路将其 放大并剔除噪声，进行所需演算、处理与转换。因而本文自行设计了调理模块。 该模块具有信号线性放大、过滤噪声信号、提高信号稳定性等功能。 采集机构主要由数据采集卡、计算机等硬件以及相关的检测软件构成。数据 采集卡采用阿尔泰公司的p c i 2 3 0 0 。计算机采用当前主流的配置和通用的操作系 统w i n d o w sx p 。检测软件用图形化编程c + + b u i l d e r 开发，采用功能模块化设计， 实现实验选择、数据采集、数字滤波、数据保存、结果实时显示、数据分析、调 理模块参数测量等功能，软件系统部分界面友好、操作简单方便，还可以设胃众 多工作参数，以满足不同实验条件的需要。 以z q s 2 0 0 0 铸造合金热裂线收缩仪为检测系统的传感器，以自行开发的 w i n d o w s 检测软件为核心的采集机构，和沟通二者调理模块，联机运行即构成以 计算机信号采集和分析处理为核心的铸造合金线收缩、热裂检测系统。z l l 0 7 、 z l l 0 1 a 、工业纯铝的验证性实验结果表明：该系统分析处理出的线收缩、热裂 力在评定合会铸造性能上更快速、准确、实时性更强：实验结果具有很好的重复 性，系统可适用于多种铸造合金线收缩、热裂力等参数的测试。 关键词：线收缩，热裂力，c + + b u i l d e r ，数据采集，信号调理 a b s t r a c t t h es t a t ea n dc r y s t a ls t r u c t u r eo fc a s t i n ga l l o yw o u l du n d e r g oc e r t a i nc h a n g e s f r o mt h el i q u i dc o o l i n gt or o o mt e m p e r a t u r e d i f f e r e n ta l l o yh a sd i f f e r e n tc h a n g e sa n d e a c hh a si t so w nc h a r a c t e r i s t i c s i ft h e s ed y n a m i cf e a t u r e sc o u l dq u a n t i t a t i v e l y d e s c r i b e d ，c a s t i n ga l l o y sw o u l da b l et oa c c u r a t e l ya n a l y z ea n dj u d g et h ee x i s t e n c eo f t h es t a t ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dt h es t r u c t u r a lc h a n g e sb r o u g h ta b o u tb yt h e i m p a c to ft h i sm e t a l ，w h i c hh a sag r e a ts i g n i f i c a n c et om e t a l l i cm a t e r i a l sr e s e a r c h ， t e a c h i n ga n dp r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h i ss e to fc a s ta l l o yl i n e a r s h r i n k a g e ，h o tc r a c kd e t e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d d e t e c t i o ns y s t e mw a sc o m p o s e do ft h r e ep a r t sb ys e n s o r , a m p l i f i e rc i r c u i la n d c o l l e c t i n gb o d i e s ，a n di tw a sa l s od e s i g n e df r o mt h i st h r e ea r e a s s e n s o ri sz q s 2 0 0 0 c a s t i n ga l l o y ss e p a r a t i s th o t l i n e c o n t r a c t i o nd e v i c e d e v e l o p e db yt h ed a l i a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yn a m e d ，w h i c hc o u l db et r a n s f o r m e dt h i sp a r a m e t e r si na l l o y c a s t i n gp r o c e s ss u c ha st e m p e r a t u r e ，l i n e a rc o n t r a c t o na n dh o tc r a c kf o r c ea n di tt h e y c a nb ed i s p l a y e di nt h em e t e ri sav e r yc o n v e n i e n td e t e c t i o nt os y s t e md e b u g g i n g t h es e n s o rs i g n a l sa r ev e r yw e a k ，b u to f t e na c c o m p a n i e db ya l lk i n d so fn o i s e ， a n dw i l ln e e dt oa d j u s ta m p l i f i c a t i o nc i r c u i t s ，r e m o v en o i s ea n dc a r r yo u tt h e n e c e s s a r yc a l c u l a t i o n st od e a lw i t hc h a n g e ，a c c o r d i n gt ot h es u r v e y s oac o n d i t i o n i n g m o d u l ew a sd e s i g n e d ，w h i c hw a sl i n e a rs i g n a la m p l i f i c a t i o n ，f i l t e r i n gn o i s e ，i m p r o v e s i g n a ls t a b i l i t yf u n c t i o n s c o l l e c t i n gb o d i e sm a i n l yc o n s i s to f h a r dh a r d w a r es u c ha sd a t aa c q u i s i t i o nc a r d c o m p u t e ra n dr e l a t e dd e t e c t i v es o f t w a r e t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dw a s a r tp c i 2 3 0 0 a n dc o m p u t e rw a sc o m m o nc o n f i g u r a t i o ne q u i p p e dw i t hac u r r e n tm a i n s t r e a m o p e r a t i n gs y s t e mw i n d o w sx p d e t e c t i o ns o f t w a r e ，w h i c hh a sf u n c t i o n a lm o d u l a r d e s i g n ，e x p e r i m e n t a lr e a l i z a t i o no fo p t i o n s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d i g i t a lf i l t e r i n g , d a t a r e t e n t i o n ，r e a l t i m ed i s p l a ya n da n a l y s i so fd a t aa n dt h ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n to f a m p l i f i e r m o d u l ef u n c t i o n s ，w a s d e v e l o p e d o nt h e g r a p h i c a lp r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n tp l a t f o r mo fc + + b u i l d e r s o f t w a r eh a saf r i e n d l yi n t e r f a c e ，s i m p l ea n d c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，b u ta l s os e tu pm a n yp a r a m e t e r st om e e tt h en e e d so fd i f f e r e n t e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s d e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hc o m p u t e rs i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gi sa ti t sc o r e ， i sc o m p o s e do fo n l i n eo p e r a t i o nb ys e n s o r su s e dz o s 一2 0 0 0c a s t i n ga l l o y ss e p a r a t i s t h o t l i n ec o n t r a c t i o nd e v i c e ，c o l l e c t i n gb o d i e so fd e s i g n i n gw i n d o w ss o f t w a r ea st h e c o r et oi t ，a n da m p l i f i e rm o d u l e ，w h i c hc o m m u n i c a t et h et w o t h et e s t i n ge x p e r i m e n t s o fz l l 0 7 ，z l l 0 1 aa n da l u m i n u mp r o v et ob ef a s t e r , m o r ee x a c ta n dm o r er e a l t i m e t oa s s e s s c a s t i n ga l l o yf r o mt h el i q u i dc o o l i n gt or o o mt e m p e r a t u r ew i t ht h e t e m p e r a t u r e ，l i n e a rs h r i n k a g e ，a n dh o tc r a c kf o r c e a l s o ，t h er e s u l tc a nb er e p e a t e d t i m ea f t e rt i m ea n dt h es y s t e mc a nb eu s e dt od i f f e r e n tc a s t i n ga l l o y k e y w o r d s ：l i n e a rs h r i n k a g e ，h o tc r a c kf o r c e , c + + b u i l d e r , d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a l a m p l i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弗毒6 兰 日期：z 卯，z z ， 关于论文使用授权说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名：望垒导师签名：日期：2 z ，二l 武汉理1 人学硕十学位论文 第一章引言 随着材料科学的发展，需要测量的参数种类及数量不断增多，同时由于对测 试速度及精度的要求不断提高，尤其对参数的快速、永久记录及数值传输等，常 规的检测方法很难满足上述要求，需要建立自动数据采集系统，即出现了计算机 在材料科学参数检测方面的应用。 1 1 检测系统 现代的生产与生活离不开测量，高新技术、尖端科技更离不开检测。当今的 信息时代是以计算机广泛应用为主要标志，计算机技术以其高效、快速的数据处 理功能发挥着越来越重要的作用。基于微型计算机的检测技术以其传统仪器所无 法比拟的强大的数据采集、分析、处理、显示和存储功能在测试领域得到了广泛 应用，显示出其强劲的生命力。 任何一台计算机，配以必要的接口，均可完成参数检测工作。小到一只数字 体温表，大到一台大型电炉测温系统，都由传感器、信号变送器( 即调理电路) 、 a d 转换、计算机、人机界面( 检测系统的软件部分) 构成。如图1 1 所示。 图1 1 检测系统的组成 传感器将一切科学研究和生产过程中要获取的非电量信息，转换成易于测 量、传输和处理的电信号。大连理工大学研制的z q s - 2 0 0 0 合金热裂一线收缩 仪可以灵敏的测出合金在浇铸过程中的温度、热裂、线收缩等参数。通过多功能 数据采集卡，计算机就可以对整个浇铸、凝固阶段的温度、热裂、线收缩进行实 时检测。 多数情况下，传感器输出的信号还不能与计算机的a d 电路直接连接；本套 系统中，传感器输出的电压只有几十个毫伏，而a d 转换需要上千毫伏的电压， 欲使两者相匹配，就要使用信号调理电路。 a d 转换是把欲采集的信号由模拟量变为计算机可接受的数字量的重要环 节，它是预测的模拟信号源与数字计算机之| 日j 联系的桥梁。p c i 2 3 0 0 是阿尔泰 公司推出的基于3 2 位p c i 总线的高级数据采集卡，此卡性能良好，有完善的软 件支持，适用于各类电信号的采集、拧制和输出，广泛地应用于工业、科研等领 域。 上述计算机的数据采集系统连接完成之时是通过软件完成的，因而软件的编 制就显得非常重要。为了提高软件的易用性和开发效率，本系统在w i n d o w s 平 武汉理t ：人学硕十学侍论文 台上采用c + + b u i l d e r 丌发通用程序。 1 2 收缩和热裂 收缩和热裂是合金铸造过程中最重要的两个特征，它们的形成机理如下所 述。 1 2 1 金属凝固过程中的收缩现象 液态金属浇入铸型后，由于铸型的吸热，金属温度下降，原子间距离缩短， 液态金属的体积减小。温度继续下降时，液态金属凝固，发生由液态到固态的状 态变化，原子间距离进一步缩短；金属凝固完毕后，在固态下继续冷却时，原子 问距离继续缩短。铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中，所发生的体积减小 现象称为收缩。因此，收缩是铸造合金本身的物理性质。 收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等产生的基 本原因。因此，它是获得符合要求的几何形状和尺寸，以及致密优质铸件的重要 铸造性能之一。 任何物体的体积皆与其温度和施于其上的压力有关。在一般铸造条件下，压 力的变化可以忽略不计，铸件尺寸的变化，仅取决于温度的变化( 如不考虑物态 的和同素异形的变化) 。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩( v o l u m e c o n t r a c t i o n ) 。金属在固态时的线尺寸改变量，称为线收缩( 1 i n e a rc o n t r a c t i o n ) 。此 相对收缩量称为收缩率。 在实际中，通常以相对收缩量表示会属的收缩特性，此相对收缩量称为收缩 率。当温度由t 0 一l 时，会属的体收缩卒和线收缩率为： 屯一1 0 0 一a v ( t o - t 1 ) x 1 0 0 ( 1 - 1 ) ，7 旦， q 一二譬1 0 0 一qt 0 - t 1 ) x 1 0 0 ( 1 - 2 ) f 0 式中：v o ，v 1 金属在t o 和t 1 时的体积； l o ，1 1 金属在t o 和t 1 时的长度； a ，( 2 1l - 一金属在( t 口- 1 1 ) 温度范围内的体收缩系数和线收缩系数。 n ，- 3 a l ，v o = q( 1 3 ) e 是某一温度区间的相对收缩量，为n 与温度差的乘积。因此，e 既与金属 的性质有关，又与温度区间的大小有关。 1 2 2 热裂形成的机理 热裂是影响铸件品质的最严重的铸造缺陷之一，一直足铸造科技工作关注的 热点。尤其是铸件向轻、薄、形状复杂的方向发展，对减轻铸件的热裂倾向提出 了更高的要求。 2 武汉理人学硕十学位论文 热裂，由于其行为的复杂性，人们对热裂机理的认识经历了一个漫长的过程。 当前，比较成熟的理论主要有如下几种。 ( 1 ) 液膜理论 液膜理论认为，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在 凝固过程中受到拉力共同作用的结果。液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收 缩受阻是产生热裂纹的必要条件。b o r l a n d 对合金准固态凝固力学性能进行了研 究，发现凝固末期合金强度远高于液膜理论的计算结果。因此，单纯由液膜理论 解释热裂的形成有其局限性。 ( 2 ) 强度理论 强度理论认为，铸件在凝固后期，固相骨架已经形成并开始线收缩，由于收 缩受阻，铸件中产生应力和变形。当应力或应变超过合金在该温度下的强度极限 或应变能力时，铸件便产生热裂纹。对高温力学性能的研究表明，在固相线附近 合会的强度和断裂应变都很低，合金呈脆性断裂。郑贤淑等人在强度理论基础上， 建立了电磁铸造( e m c ) 板坯凝固过程中预测热裂纹萌生部位及应力的解析表达 式，进行理论推导，结果表明，凝固过程中的最大拉应力值与板坯表面的温度有 关，而材料的力学性能及材料的组织结构不是诱发裂纹萌生的直接原因。 ( 3 ) 晶间搭桥理论 b o r l a n d 在对舢s n 合金高温性能研究的基础上，提出了凝固后期的合金存 在晶b j 搭桥的设想。c l y n e 等人提出将合金凝固过程分为准液相区、物质补缩区、 晶间分离区和晶间搭桥区。晶间搭桥理论认为，晶闻搭桥的存在加强了合会凝固 后期晶问结合力，使合金断裂应力远高于液膜理论的计算结果。而热裂纹是晶问 收缩受到阻碍时，晶间搭桥被破坏而形成的。如果晶间搭桥大量形成，使品间结 合力提高到晶内水平，则凝固收缩受阻产生的应力将可能造成晶粒变形，而不是 破坏晶间搭桥形成热裂纹。因此，在凝固过程后期，应该存在晶间搭桥区。曹禄 华等人在通过对定向凝固舢c u 合金和r e n e l 2 5 合金产生的热裂纹和裂纹断面进 行电子扫描分析，观察验证了断晶间搭桥理论。 ( 4 ) 凝固收缩补偿理论 凝固收缩补偿理论将合金凝固过程分为准液相区、可补缩区、不可补缩区和 晶间搭桥区4 个阶段。 合合凝固初期，枝晶间未形成连续的骨架，强度低，塑性高，这一凝固阶段 称为准液相区：枝晶问形成连续骨架后，合令建立起一定强度，塑性丌始降低， 随合金的不断凝固，强度升高，塑性降低到最低值，这一凝固阶段称为准固相区。 达到某一温度后，合金的强度和塑性都升高，这是由于晶间搭桥的形成使晶| 日j 强 度提高及晶粒 武汉理工大学硕十学付论文 参与变形而造成的，这一阶段称为晶问搭桥区。对于准固相区，合金的强度 和塑性都很低，如果合金凝固收缩受到阻碍，很可能造成晶间分离。如果晶间分 离能得到补缩，则不会形成热裂纹；反之，产生热裂纹。依此，可将准固相区分 成可补缩区和不可补缩区。 该理论认为，由于晶间搭桥的存在，造成了晶界初始热裂纹的不连续，生成小 的晶问孔洞，收缩受阻产生的应力引起晶间搭桥破裂，则孔洞进一步扩展形成连 续的热裂纹。合金不可补缩温度区间越大，得不到补偿的收缩量越大，当外界阻 碍一定时，受阻收缩产生的应变越大，越容易产生热裂纹。 对热裂机理的深入研究，为通过数值模拟预测热裂形成提供了可能。热裂形 成的判据大多以强度理论为基础另外，刘驰等用热节的相对长度和热节与其他部 位的温度差作判据，m r a p p a z 等人提出用热裂形核的临界压力束判断热裂的形 核，其预计结果与实际符合较好。 赵良毅等人针对凝固模拟计算的特点提出了频率因子的概念，与判掘相结 合，可提高砂型铸造4 5 号钢在凝固过程中热裂以及收缩等缺陷预测结果的可靠 性和准确度。 1 3 课题的任务与创新点 铸造合金从液态到室温的冷却过程中，其状态和晶体结构都会发生一定的变 化，不同合金变化规律不同，性能不同，各有其自己的特征。如果能动态、定量 的描述这些特征，就可以准确地分析和判断铸造合金在不同温度下的存在状态、 所发生的结构变化以及带来的影响，这对会属材料研究、专业教学及生产工艺控 制意义重大。 课题的主要任务就是设计开发这样一套铸造合金线收缩、热裂检测系统，即 利用现有的传感器、p c i 2 3 0 0 数据采集卡、计算机和自行设计的数据线、调理模 块、数掘检测软件联机运行调试，然后经合金铸造实验的验证，满足数据要求后 打包发布。 本课题的主要创新点在于： ( 1 ) 首次用c + + b u i l d e r 丌发基于p c i 2 3 0 0 数据采集卡的检测软件。据目的可 查到的资料显示，检测软件多用t c 、b a s i c 、v c 、v b 、l a b v i e w 等开发。 ( 2 ) 自行设计调理电路和接线盒，可同时放大两路信号，满足a d 转换的需 要。 ( 3 ) 在软件中设胃监控功能，可以监控温度变化自动开始和结束实验，使得 检测的整个过程不需人工干预。 4 武汉理【大学硕士学俯论文 2 1 检测系统硬件 第二章检测系统简介 传感器采用大连理工大学的z q s 2 0 0 0 合金热裂一线收缩仪，它能把合金浇铸 过程中的温度、线收缩、热裂等参数转化为电压信号。 采集卡采用阿尔泰公司的基于p c i 总线结构的p c i 2 3 0 0 ，这种数据采集卡可 直接插在i b m p c 艋或与之兼容的计算机内的任一p c i 插槽中，构成实验室、 产品质量检测中心等各种领域的数据采集以及工业生产过程监控系统，使用便 捷，性能稳定。 图2 1 采集系统硬件的基本形式框图 采集系统各部分的功能如下： ( 1 ) 传感器 即合金热裂一线收缩仪。完成信号的获得，并将温度、线收缩、热裂等欲测 量转换成对应的电压信号。 ( 2 ) 调理电路 来自传感器的输出信号通常是含有干扰噪声的微弱信号。因此，后面接配的 信号调理电路的基本作用有两个：其一是放大，将放大信号放大到与数据采集卡 p c i 2 3 0 0 相适配；其二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量，将频带压缩以 降低采样频率，避免产生混叠。 ( 3 ) 数据采集卡 其主要功能是将经过放大、过滤的模拟信号转换成数字量以适应计算机的工 作。 ( 4 ) 计算机 它是采集系统的神经中枢，它使整个检测系统成为一个智能化的有机整体， 在软件导引下按预定的程序进行信号采集与存储，自动进行数据的分析与处理。 5 武汉理【大学硕士学竹论文 2 2 检测系统软件 主要实现以下功能： ( 1 ) 实时图像显示 数据采集时实时显示图形，可以事先设置分辨率来满足要求。 ( 2 ) 数据导出功能 采集完成后以保存为各种常见格式，如w o r d 、e x c e l 、o r i g i n 等。 ( 3 ) 实验信息设置 根据实验条件和环境更改设置。 ( 4 ) 监控采集 根据温度的变化来自动开始和结束采集。 ( 5 ) 自动保存、打印数据 采集结束后保存以可将数据保存在以采集时间为名的文件中。 ( 6 ) 其他功能 可以判断热裂数据的合理性，另外可以测量出数据采集卡所接的调理电路的 放大倍数与零点漂移。 武汉理【：人学硕七学位论文 3 1 硬件部分 第三章检测系统开发准备 检测系统的硬件主要有传感器、调理电路、数据采集卡、计算机及连接它们 的数据线等构成。计算机采用普通的p c 即可，这里就不再详述。 3 1 1 传感器 合金热裂一线收缩仪是大连理工大学研制的合金铸造性能测试仪器，主要测 量热裂倾向一热裂力大小和测自由线收缩量。仪器的主要技术指标如下表： 表3 1 合会热裂一线收缩仪的主要技术指标 测试类型主要技术指标 测试范围 传感器类型 输出电压 试棒尺寸( 中，l m m ) 热裂 o 2 0 0 0 nc l 广y b 一1 3 型拉 7 8 m y 2 0 0 0 n2 0 ，3 0 0 力传感器 3 5 1 0 0 线收缩0 1 0 m ml v d t - 1 0 型同6 0 m v m m 2 0 ，4 0 0 步位移传感器3 5 ，2 0 0 ( 1 ) 测自由线收缩量 此工作是在自由线收缩状态下完成的。使试棒两端呈自由收缩状态。液态金 属从试棒中部注入。通过刚陛n 字型的传动杆，将两端自由收缩量的复合运动叠 加在一起。 该工作可以测出任何时刻的线收缩l ，由此可以算出线收缩率 f ；学1 0 0 ，可用计算机自动记录出浇铸后任何温度的自由收缩量a l t 。 l ( 2 ) 测合金热裂倾向大小 热裂倾向由热裂力( n ) 、该力对应的温度( ) 以及热裂的形态判定。热裂力数 据处理的公式f 3 1 ) 如下： ( 3 1 ) 擎扑半兰f i j _ l 一， p f 一6 武汉理工大学硕士学仿论文 式中：f 热裂力算术平均值，n ； f 第i 次测试热裂力，n ，i = 1 ，2 ，3 ： y f j 次测试热裂力的算术和，n ； 尼测试次数： 6 算术平均误差绝对值； 6 算术平均误差。 在热裂力的动态曲线上出现特征点的值为所测热裂力的数值。当误差小于等 于1 5 时，以测量两次数据的算术平均值定为测试结果。若超过1 5 ，进行第 三次测试，三次数据的平均误差小于1 5 时，测试结果有效，三次测试力的算术 平均值为测试结果，否则重做。 3 1 2 数据采集卡 数字信号处理技术的出现改变了信息与信号处理技术的整个面貌，而数据采 集作为数字信号处理的必不可少的前期工作在整个数字系统中起到关键性、乃至 决定性的作用，其应用已经深入到信号处理的各个领域中。实时信号处理、数字 图像处理等领域对高速度、高精度数据采集卡的需求越束越大，因而如何选择具 有高速、高性能、高可靠性的数据采集卡尤为重要。 阿尔泰公司推出的p c i 2 3 0 0 数据采集卡综合了国内外众多同类产品的优点， 以其使用的便捷，稳定的性能、极高的性价比，是一款具有高可比性的产品。 p c i 2 3 0 0 的主要性能与技术指标： ( 1 ) p c i 局部总线性能 1 ) p c i 总线宽度3 2 位，采用p l x 9 0 5 2 芯片 2 ) 使用方便，能够实现自动配置，实现设备的即插即用 3 ) 可靠性高，标准中考虑了负载容限，即使扩展卡超过了负载的最大值，系 统也能正常工作 4 ) p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性 ( 2 ) 模拟信号输入部分 1 ) 模拟通道输入数：3 2 路单端或1 6 路双端输入 2 ) 模拟输入电压范围：5 v 、1 0 v 、o + 1 0 v 3 ) 放大器建立时间： 2 0 u s ( 3 ) a d 转换电路部分 1 ) a d 分辨率：1 2 b i t ( 4 0 9 6 ) 2 ) 非线性误差：1 l s b ( 最大) 3 ) 转换时问：1 0 u s 4 ) 系统测量精度：0 1 8 武汉理l 大学硕十学停论文 同等性能的数据采集卡多在2 0 0 0 元左右，而这款p c i 2 3 0 0 仅8 0 0 元，并且 它提供了c 、v c + + 、c + + b u i l d e r 、v b 、d e l p h i 、l a b v i e w c v i 等多种编程语言 的函数模块，用户可以方便的编辑自己的应用程序，而不需要对硬件有所了解， 真正做到了即插即用。 3 1 3 调理电路 硬件设计除实现设备连接、信号传输功能外，必须考虑设备与设备之间、以 及外界设备等的干扰可能对系统产生影响，使得测定结果出现偏差而不准确，因 此在设计时必须加以考虑。 ( 1 ) 干扰来源分析及减小干扰的措施 系统在现场会受到很多强磁、强电的干扰，这种干扰会在信号线上形成杂波。 如果数据采集器没有很好的抗干扰能力，就会把这些干扰信号误当作正常的脉冲 信号而进行累计，这样数据采集卡就不能正常工作。造成丢失数据。 数掘采集与处理系统的工作现场一般较恶劣，弥漫着各种干扰( 来自系统内 部和外部的) ，这些干扰通常称之为噪声。当被测信号很微弱时，就会被噪声“淹 没”掉，导致很大的数据采集与处理误差，可靠性降低，还可能造成系统失灵， 甚至酿成重大事故。因此，噪声是数据采集与处理的主要障碍之一，为了能精确 地采集与处理数据，必须考虑到存在的各种干扰对系统的影响，把抗干扰问题作 为系统设计的一个至关重要的内容，干扰的主要来源有差模干扰和共模干扰。 ( 2 ) 电路设计 调理电路总体设计思想是：以外围模拟、数字电路功能模块，有效去除前述 干扰，实现从接收热电偶传感器传束的电压信号到最后采集板卡准确输出。图 3 1 是测量用调理电路的功能框图。 ( 黟噬 日仨圣日一 图3 1 调理电路功能框图 调理电路的原理图见附录l 。从图上可看出，调理电路分a 、b 两部分，两部 分的原理完全一样，只是个别电阻不同。以a 部分为例，说明模块对直流信号和 交流信号的作用。 1 ) 直流信号 数据采集测的有效信号是直流信号。对直流信号来说，u l o a 部分是初级放 大，u 1 0 b 部分是电压跟随器，即放大倍数为1 ，a o u t 为输出放大部分，也就是 9 武汉理f 人学硕十学位论文 次级放大部分，三个电路均属同相运算。 直流计算有以下四组假设： 将l m 3 5 8 看成理想放大器，故满足：开环电压倍数接近于无穷大；开环 输入电阻接近于无穷大；开环输出电阻接近于0 ；共模抑制比接近于无穷大。 根据电容通交流阻直流的特性，将电容处视为断路。 三个运算电路的输入电流都认为是0 ，即输入电阻不分担电压。 在负反馈条件下，放大器始终工作在线性状态下。 设r 1 0 4 右端电压为u 1 ，r 1 0 5 左端电压为u 2 。r l l l 左端电压为u 3 ，r 1 1 4 右 端电压为u 4 。 根据串连电路分压原理，可算出，u i o a 部分直流信号的放大倍数： 爿，。丝。 1 u 1 u i o b 部分的放大倍数： r 1 0 9 + r l l 0 ；4 7 + 9 1 。6 2 r 1 1 09 1 t 1 a o u t 部分的放大倍数： 爿，；坐。 n u 3 r 1 1 2 + w 1 0 1 + r 1 1 4 ：! ：! q 二! ! 。2 0 2 3 0 2 r 1 1 2 5 a l a x a h 一6 2 x l x ( 2 0 2 3 0 2 ) ；1 2 5 2 1 8 7 2 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 同理，根据串连电路分压原理，可算出，u 2 0 b 部分直流信号的放大倍数： 以一 r209+r210；40。0+91。：45霉 尺2 1 09 1 同理，u 2 0 b 部分的放大倍数： a f 2 = 1 b o u t 部分的放大倍数： a ，；r 2 1 2 + w 2 0 1 + r 2 1 4 。! ：! 竺二! ! 。2 0 2 3 0 2 uf 昌一- 一 。 3 r 2 1 25 a i 。以爿，2x a h 一4 5 x l x ( 2 0 2 3 0 2 ) ；9 0 9 1 3 5 9 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 2 、交流信号 采集过程中的干扰信号较多，容易使电路中混入交流信号。调理电路不仅要 放大直流信号，还要去除交流信号。u i o a 是一个过滤较高频率的信号并对低频 率信号进行保持的电路模块。 交流计算过程中有四组假设： 在计算放大倍数时将l m 3 5 8 看成理想放大器。故满足以下四条：开环电 压倍数接近于无穷大；开环输入电阻接近于无穷大；开环输出电阻接近于0 ；共 模抑制比接近于无穷大。 所有电容视为导线； 1 0 武汉理- 【大学硕七学俯论文 由于放大器的输入电阻可认为无穷大，故三个运算电路的输入电流都视 为o ； 在负反馈条件下，放大器始终工作在线性状态下。 因此，u 1 0 a 部分交流放大倍数为： 以- r 1 0 3 + r 1 0 49 1 + 5 6 r 1 0 1 + r 1 0 2 + r 1 0 3 + r 1 0 41 8 0 + 1 3 + 9 1 + 9 5 6 。0 3 3 3 0 l o ) 从电压放大倍数容易看出，交流信号经过u 1 0 a 部分时电压缩小到原来的 1 3 。 根据上面的假设，可知5 、6 、7 处( 见附录2 电路原理图) 的电压均为0 。又 将e 1 0 1 视为导线，所以r 1 0 1 左端的电压也为0 。由此可看出，经过u 1 0 b 处所 有的交流干扰信号都被过滤。 事实上，电路中有微弱的电流、开环放大倍数并非无穷大、电阻的实际阻值 与标称有差别及电容对交流信号也有阻值，因而理想情况算出的放大倍数与实际 有所偏差。 根据调理电路原理图的设计，制版后调理电路进行放大倍数测量结果如图 3 2 ，b 路实际放大倍数为9 5 1 ，在理论计算9 0 9 1 3 5 9 的范围内。 5 0 0 0 4 0 0 0 兮3 0 0 0 出 删 羽2 0 0 0 舞 1 0 0 0 o 2 03 04 05 0 输入电佧( m v ) 图3 2 调理电路的线性放大倍数验证 3 ) 电容 用x c 表示电容对电流阻碍作用，电容计算公式如下： 武汉理 大学硕十学仿论文 k 一去( 3 - 1 1 ) x c 的大小与c 和f 成反比，c 越大，f 越高，容抗就越小。 从j 1 端输入的电流，包括直流信号和交流信号两部分。其中，直流信号是 采集得到的有效信号，交流信号是采集过程中受到的干扰信号。为使放大可以正 常进行，在放大之前必须对输入信号进行过滤。从x c 的表达式知，电容具有阻 低频、通高频，即阻直流、通交流的功能。 ( 3 ) 主要元件说明 1 ) l m 3 5 8 的主要工作指标 l m 3 5 8 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器( 图 3 3 ) ，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。在推 荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的应用场合包括：传感放大器、 直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其封装形式 有塑封8 引线双列直插式和贴片式。其详细参数见表3 2 ： 精也 静 ) 最，e + 图3 3l m 3 5 8 脚位排列图 痨札2 唾，或 秘，2 【+ 表3 2 集成运算放大器l 3 5 8 工作指标 输入失调电压 2 m v输出电阻 n c 输入偏胃电流 8 5 d b电源电压抑制比 ”锭移动到“a v a i l a b l e f o r m s ”栏中，并在程序需调用该窗体处，加入下列语 句： t f o r m l * m y f o r m = n e wt f o r m l 7 ( t h i s ) ； m y f o r m - s h o w m o d a l o ； d e l e t em y f o r m ； 窗体f o r m l 仅是在需要调用时力- 调入内存，调用完成后，即用d e l e t e 清除出 内存，这样可减少程序对内存资源的占用。 ( 2 ) 遍历窗体控件的方法 要访问或修改窗体上的控件，方法很简单，以t e d i t 为例子： e d t t l 一 t e x t = ”? e d i t 2 一 t e x t = 1 ： 但如果窗体上有十来个像e d i t l 这样的控件，需要进行相同的初始化，用上 面的方法一个一个地进行，岂不麻烦! 先说明一下窗体f o r m 的c o m p o n e n t s 和 武汉理f 人学硕十学付论文 c o n t r o l s 属性。参见表4 1 。 表4 1 组件的属性 属性类型说明 c o m p o n e n t c o u n t i n t 目前f o r m 上各类控件的总数 c o m p o n e n t st c o m p o n t 。目前f o r m 上指向所有控件的数组 c o n t r o l c o u n ti n t目前f o r m 上某一子区域上各类控件的总数 c o n t r o l st c o n t r o l *目前f o r m 上指向某一子区域上所有控件的数组 其中 图4 2 f o r m l 组件布局 以图4 2 为例说明，f o r m l 的c o m p o n e n t c o u n t = 6 ，而p a n e l l 的c o n t r o l c o u n t = 4 ， 表4 2 数组成员与对应的对象 数组对象 c o m p o n e n t s 0 】 p a n e l l c o m p o n e n t s 1 】 l a b e l l c o m p o n e n t s 2 】 e d i t l c o m p o n e n t s 3 】 l a b e l 2 c o m p o n e n t s 4 】 e d i t 2 c o m p o n e n t s 5 b u t t o n l c o n t r o l s o 】 l a b e l l c o n t r o l s 1 】 e d i t l c o n t r o l s 2 】 l a b e l 2 c o n t r o l s 3 】 e d i t 2 2 1 武汉理1 ：大学硕十学付论文 下面这段代码完成了对p a n e l l 上所有t e d i t 控件的遍历初始化。稍加修改， 即可对其它控件进行遍历。这里有一个小技巧，把需要进行初始化的控件放置在 了一个p a n e l l 上，与不需要初始化的控件区分开来，这样便于编程。 a n s i s t r i n g n a m e s t r i n g = t e d i t ； f o r ( i n t i = l ；i c o n t r o l c o u n t ；i + + ) f i f ( p a n e l l - c o n t r o l s l i c l a s s n a m e l s ( n a m e s t r i n g ) ) ， t e d i t 节= d y n a m i c _ c a s t ( p a n e l l c o n t r o l s i ) ； p t e x t = “： ， ， ( 3 ) 制作主窗口显示前的版权窗口 许多软件都有漂亮的启动画面，如c + + b u i l d e r 、m i c r o s o f to f f i c e 等。这种启 动画面只在程序启动时出现一次，显示一些精美的图案作为软件的象征，并且在 软件的漫长启动过程中给用户一些耐心。 创建过程如下： 在工程文件中选f i l e 一 n e w f o r m 新建一个窗口，设计好窗口的外观。给窗口 起名为a b o u t b o x ，源文件命名为a b o u t b o x c p p 选p r o j e c t o p t i o n s ，将新建的 窗口从自动建立中去掉。选v i e w p r o j e c ts o u r c e ，打开工程文件的源文件，在 下面加入斜体加粗部分的