（机械电子工程专业论文）翼型剪切流传感器数据采集系统设计与试验研究.pdf

中文摘要海洋科学研究、海洋探测、海洋资源开发是海洋活动的三大主题。海洋探测为海洋科学研究和海洋资源开发服务。为了保护海洋环境，高效利用海洋资源，海洋探测是必不可少的。获取海洋环境和资源信息是海洋探测的任务。微尺度结构测量是海洋探测的重要分支之一。微结构海洋湍流是产生海洋宏观现象的原动力，微尺度的海流剪切数据和温度剪切数据是通过专用的海洋测量仪器获取的。使用搭载翼型剪切流传感器的海洋湍流垂直剖面仪进行测量，是当前最普遍、最有效的获取海洋垂直剖面微尺度湍流数据的方法。本文研究设计的数据采集系统是服务于翼型剪切流传感器的信息采集系统。文章首先分析介绍了一般需要测量的海洋参数以及翼型剪切流传感器的工作原理，并详细说明了数据采集系统的设计研究。在传感器研制初期，数据采集系统需要具有开发周期短、灵活度高、精度高的特点。本文基于l a b v i e w 编程语言，设计了剪切流传感器的数据采集虚拟仪器系统。该虚拟仪器系统可以满足传感器的数据采集、存储等功能需要，并进行了传感器性能对比试验。在保证准确度的前提下，开发出基于m s c l 2 1 0 单片机的数据采集系统。该系统利用s d 卡，成功完成大容量的数据保存任务，并进行了系统性能验证试验。关键词：海洋湍流，翼型剪切流传感器，数据采集，虚拟仪器，数据保存a b s t r a ctt h et h r e em a i nt o p i c so fo c e a nr e s e a r c h e sa r em a r i n es c i e n t i f i cr e s e a r c h ，o c e a ns u r v e y i n ga n do c e a nr e s o u r c ed e v e l o p m e n t o c e a ns u r v e y i n gi sh e l p f u lt ot h eo t h e rt w ok i n d so fr e s e a r c h e s t h es u r v e y i n gi sn e c e s s a r yf o rt h eo c e a ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i n ga n dm a r i n er e s o u r c e sd e v e l o p i n g g e t t i n gt h ei n f o r m a t i o nf o r mm a r i n ee n v i r o n m e n ta n do c e a nr e s o u r c e si st h em a i np u r p o s eo fo c e a ns u r v e y i n g o c e a n i cm i c r o s t r u c t u r em e a s u r e m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb r a n c h e so fo c e a ns u r v e y i n g m i c r o s t r u c t u r et u r b u l e n c ei st h eb a s i cs o u r c eo fm a c r o s c o p i cm o t i o ni no c e a n t h es p e c i a lt o o l sa r eu s e dt og e td a t af o ro c e a ns u r v e y i n gi n c l u d i n gm i c r o s t r u c t u r es h e a r i n gv e l o c i t ya n ds h e a r i n gt e m p e r a t u r e n o w , t h em o s tu n i v e r s a la n de f f e c t u a lm e t h o dt h a tu s e dt og e ts h e a r i n gd a t af r o mt h em a r i n ev e r t i c a lp r o f i l i n gi su s i n gv e r t i c a lp r o f i l e r sa s s o c i a t ew i t ha i r f o i lp r o b e s t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi su s e dt og e td a t af r o ma i r f o i lp r o b e f i r s t , s o m ep a r a m e t e r si no c e a ns u r v e y i n ga r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ep r i n c i p l eo ft h ep r o b ei ss h o w n a n dt h e nt h ew h o l es y s t e md e s i g ni sg i v e ni nd e t a i l s h o r td e v e l o p m e n tc y c l i n gt i m e ，h i g ha g i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o na r et h r e em a i nr e q u i r e m e n t sa tt h eb e g i n n i n go ft h ep r o b ed e v e l o p m e n t ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fv i r t u a li n s t r u m e n tu s i n gl a b v i e wi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dd a t as t o r a g ef u n c t i o n sf o rt h es h e a rp r o b ea r ew e l lm a t c h e dw i t ht h ed e s i g np u r p o s e t h e nt h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r yo u tt od ot h ec o m p a r t m e n tw i t ho t h e rp r o b e sa n o t h e rs y s t e mb a s e do nm s c1210c o n t r o l l e ri sa l s od e v e l o p e dw i t h o u tr e d u c i n gp r e c i s i o ni nt h i sp a p e r t h i ss y s t e ma c h i e v e sl a r g ev o l u m ed a t as t o r a g eb yu s i n gs dc a r d s y s t e mp e r f o r m a n c eh a sb e e nt e s t i f i e db ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：o c e a nt u r b u l e n c e ，a i r f o i lp r o b e ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t as t o r a g e独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工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。学位论文作者签名：丑号压签字日期：工们略年月p 日学位论文作者签名：互号压签字日期：工们穆年歹月p 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤盗蠢堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：王子五导师签名：签字日期：廊年月，日签字日期：勿旧争年月e t第一章绪论1 1 引言第一章绪论随着现代科学技术的飞速发展，人类迫切需要了解比大气更为复杂的海洋。海洋覆盖了地球表面的7 1 ，是全球生命支持系统的一个基本组成部分，也是资源的宝库和环境的重要调节器。在广阔的海洋世界里，蕴藏着丰富的海洋生物资源、海洋矿产资源和海洋能源；同时，由于地球生态环境日益恶化，也要求我们必须更好地保护占地球面积巨大的海洋环境免受污染i lj 。海洋已经是一个沿海国家社会经济发展的重要空间与资源基地，合理开发、切实保护海洋已经成为关系沿海各国生存、发展和强盛的重大战略问题。本世纪是人类向海洋全面进军的世纪，各种海洋高技术领域应运而生。海洋科学研究、海洋探测、海洋资源开发是海洋活动的三大主题。海洋探测为海洋科学研究和海洋资源开发服务。为了保护海洋环境，高效利用海洋资源，海洋探测是必不可少的。获取海洋环境和资源信息是海洋探测的任务。微尺度结构测量是海洋探测的重要分支之一，微结构( 小尺度) 的湍流运动是产生海洋宏观现象的原动力。目前，精确测量毫米级的微尺度海水剪切流速、温度等原始数据资料是海洋科学研究的基础和难点之一。微尺度的流速剪切数据和温度剪切数据是通过专用的海洋测量仪器获取的。使用搭载翼型剪切流传感器的海洋湍流垂直剖面仪进行测量，是当前最普遍、最有效的获取海洋垂直剖面微尺度湍流数据的方法1 2 j 。1 2 研究海洋湍流的意义海水运动大多呈湍流这一高频随机运动形式。湍流对海水的动量、热量和质量输运有重要贡献，对海水运动速度、温盐特性及水中溶解态、颗粒态物质的分布有显著影响。浅海中的湍流耗散占总输入能量的6 0 以上，而且湍流还是影响海洋生物种群分布与演化的物理过程中最有说服力的驱动机制之一，而研究这一物理过程应从多尺度角度出发。小尺度湍流对浮游生物的接触率、摄食率、生长率都有重要影响。中尺度湍流( 相对涡度近似科氏频率) 对生物种群分布、生物板块的形成和弥散、食物的可获性、浮游生物捕食者和被捕食者的相遇率等因子都有重要影响【3 】。研究海水湍流运动规律对理解上述海洋现象具有重要的科学意第一章绪论义。各尺度的湍流运动之间有着相互关系，微结构( 小尺度) 的湍流运动是产生海洋宏观现象的原动力。微尺度的海水剪切流速及剪切温度数据是研究海水湍流运动规律和获取动能耗散率的重要原始资料。人们对湍流宏观效应的研究是通过建立相应的数学模型来进行模拟的。描述湍流平均运动的r e y n o d s 方程是不封闭的，需要以一定的模型将湍流的宏观效应刻画出来。一般使用的模型有j o h n s 模式的k 方程封闭模型以及水动力的k 一占封闭模型。在这些模型中，湍流的动能耗散率占是重要的参数，它的取值直接影响所建立模型模拟海洋宏观运动的精确度。而s 的获得一般是通过经验公式估算的【引。在海洋的不同地点，湍流的动能耗散率f 是不同的，它的获取需要海洋剖面的小尺度剪切数据1 4 】。同样，湍流模型的边界条件对整个模型的建立也是至关重要的。对于海气界面以及海底的固流界面，这两个边界条件的确定直接影响模型的准确程度。人们对这两个边界条件的处理采用了人为的假设，一般在海面和海底，根据对数律和能量平衡假设进行处理。这样的处理与模拟的海域实际情况必然有差别。将翼型剪切流传感器搭载到相应的剖面仪上，可以实现海气界面与海底固流表面小尺度湍流运动信息的测量。根据测量海域的数据，能够提供更为准确的边界条件，提高模型的精度。海洋与大气交界的海气界面以及海洋与海底交界的固流界面的研究具有重要意义。海气界面的动量通量、熟通量和物质通量是实现海洋和大气相互作用的唯一途径，是影响全球气候变化的重要机制【5 】。海气界面通量的研究对保护海洋生态环境、提高海洋大气耦合数值模式预报能力等方面具有重要的应用价值和科学意义。海气界面研究的主要目的是获得海气界面的湍流通量【6 】。气、液界面的微尺度数据是海气界面湍流通量分析计算的原始数据。海底边界层的湍流结构及其动力学特征和规律的研究，也同样依赖于海底固流界面附近微尺度的海水剪切流速和温度这些原始数据。1 3 剪切流传感器( s h e a rp r o b e ) 发展简介世界上第一台测量海洋湍流的传感器是使用金属铂丝制作的用于测量速度的探头，但是这种传感器受水域温度改变和浮游物撞击、附着的影响非常大。在19 6 2 年，g r a n t 等人通过把金属铂固着在锥形玻璃体底层上，设计出薄膜流速计( f i l m a n e m o m e t e r ) ，部分减少了浮游生物固着的影响，但是温度波动对测量信号仍然存在很大扰动【7 】。目前，金属铂结构的湍流测量传感器很少应用于测量研究，取而代之的是翼型剪切流传感器( a i r f o i lp r o b e ) 1 8 1 。2第一章绪论翼型剪切流传感器最早由多伦多大学的s i d d o n 和r i b n e r 在1 9 6 5 年设计【9 1 ，用于风洞和大气环境的测量，并于1 9 7 1 年由s i d d o n 改制，用于水域的剪切流速测量f lo 】。1 9 7 2 年，改装后的剪切探头第一次由o s b e m 用于海洋测量，从此以后翼型剪切流传感器变为测量海洋微结构最为有效的传感器】。目前，翼型剪切探头是测量海洋动能耗散率最有效和最好的工具1 5 儿1 2 j ：1 9 8 0 年，o s b e r n 和c r a w f o r d提出剪切探头的工作原理和校准方法1 13 1 。1 9 9 4 年，p r a n d k e 在翼型剖面传感器内部增加悬臂梁结构，它把作用于探头的水动力放大，从而使得探头的尺寸可以明显减小，同时增加了传感器的灵敏度 1 4 1 。这样不仅可以提高探头的空间分辨率，而且在测量灵敏度方面也比其它探头的性能改进很多。19 9 5 年，m o u m 等海洋学家对传感器进行了耐水改进设计，使用塑料护套对压电陶瓷片进行密封处理，可以使传感器在水中的有效工作时间至少达到3 个月，这使得长期连续测量变为可制1 5 】，此后，翼型剪切探头在外形上也有所改动。目前，世界上已经应用的翼型剪切流传感器主要为：t o s b e m 研制的剪切探头，目前发展为r o a k l a n d 公司s p m 系列传感器；b e d f o r d 海洋研究所n o a k e y 研制的系列剪切流传感器；俄勒冈州立大学m m o u m 研制的剪切探头以及i s ww a s h e r 公司h p r a n d k e 研制的p n s 系列剪切探头。目前，国内关于剪切流传感器的研制尚属空白，天津大学进行了剪切流传感器的应用研究，研制了微结构剪切流剖面仪1 1 6 。1 4 数据采集技术简介传感器变换的海洋湍流信息需要使用数据采集系统才能保存下来。数据采集技术是信息科学的一个重要分支，与传感器技术、信号处理技术、计算机技术共同构成了现代检测技术的基础。而数据采集技术正是这些技术的前端，也是信息进行可靠传输和正确处理的基础。数据采集是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也可以是化学量、生物量等) 通过各种传感元件或做适当转换后，再经信号调理、采集、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。数据采集系统的任务，是将传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，送入计算机，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量3第一章绪论的测试都要有一定的精度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范引r 丌。数据采集常用的方式是在p c 机或工控机内安装数据采集卡，如a d 卡及r s 4 2 卡、r s 4 8 5 卡；或专门的采集设备，包括p c i ，p x i ，p c m c i a ，u s b ，r s 2 3 2 接口等，可用于台式p c 机、便携式电脑以及联网的应用系统中。数据采集技术己在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用。国内外许多科研单位和技术公司都在积极研制数据采集系统。国外的数据采集器研制己经相当成熟，而且种类不断增多，性能越来越好，功能越来越强大。国外数据采集行业的佼佼者有美国的n i 公司，福禄克( f l u k e ) 公司，尼高力仪器技术公司等。在国内，也有不少的大学、科研机关、公司从事数据采集器的研制。由于数据采集技术不断发展，市场上出现了各种新型的数据采集器。致力于这个方向的有北京中泰研创科技有限公司，四川拓普数字设备有限公司，北京华控技术有限责任公司，北京康泰电子有限公司等等。1 5 研究意义为了推动国家海洋探测技术的发展，弥补我国在剪切流传感器制造领域的空白，本试验室已经成功申请了国家8 6 3 “面向海洋湍流测量的翼型剪切流传感器研究 项目。本文研究的目的就是对翼型剪切流传感器信号进行数据采集并进行适当处理。传感器工作时产生微弱的电荷信号，该信号相当微弱并且存在温漂，必须对其进行转换、放大、滤波才能使用。通过本文研究将设计开发出翼型剪切流传感器的信号采集系统，包括硬件、软件两部分。系统将对传感器产生的信号进行调理、滤波和数模转换，以获得能够被后续处理的信号。系统主要包括以下四个模块：信号调理电路模块、数据采集模块、数据保存模块、数据回传模块。本文的研究对整个8 6 3 项目的完成起到非常关键的作用，是整套翼型剪切流传感器研制的基础。1 6 研究内容文章的主要研究内容是设计构建翼型剪切流传感器的数据采集系统。4第一章绪论文中简要阐述了研究海洋湍流的意义，指出翼型剪切流传感器是目前测量海洋湍流最普遍、最有效的海洋探测仪器，并通过对海洋学家关心的一些海洋参数的介绍，表明了传感器的测量目的。文中提出两套数据采集系统。一套是在研制传感器初期使用的，具有高度灵活性的，基于l a b v i e w 的数据采集虚拟仪器系统；利用这套系统，进行传感器的性能分析比对试验；第三章中对此套系统的设计开发过程进行了详细的介绍。另一套系统则是考虑传感器的实际海洋工作条件，以小型化为目的而设计的基于m s c l 2 1 0 的数据采集系统，通过试验进行了系统的可行性验证；第四章中对此系统的通信和数据保存方式做了较为详细的介绍。5第二章翼型剪切流传感器系统概述第二章翼型剪切流传感器系统概述翼型剪切流传感器不同于通常人们见到的工业用传感器，其所处的海洋工作环境决定了它自身的结构与特性与工业用传感器有着很明显的区别。本试验室研制的翼型剪切流传感器迫切需要一套数据采集、处理系统为其服务，实现完整的测量目的。本章主要是对翼型剪切流传感器系统所涉及的原理进行简单的介绍。2i 翼型剪切流传感器工作原理在揣流测量系统中，剪切流传感器是其中最为重要的传感器之一。目前广泛应用的翼型剪切流传感器，是利用流体动力学的机翼理论，最早由多伦多大学的hsr i b n e r 和t s i d d e n 研制完成的。剪切流传感器在工作时一般要搭载到剖面仪上，与压力传感器、温度盐度传感罂和加速度传感器一起，在某一海洋剖面上进行实时铡量。导线宙封瞳一 孔悬臂粱擐甘尊持螺鲭莲接杆压电陶瓷斯俸图2 - l 翼型剪切流传感器机械结构如剧所示，翼型剪切流传感器的机械结构主要可以分为6 个部分，分别是壳体、翼型搛针、悬臂梁、压电陶瓷、连接杆以及导线。第二章翼型剪切流传感器系统概述传感器的工作原理如下【9 】【1 8 】：在水下运动时，水流穿过翼面形状的探头顶端，产生水动力，而探头对沿轴线的力分量不敏感，垂直轴线的力分量作用于探头内部压电陶瓷而产生电荷。在一定范围内，电荷的大小与垂直探头轴线的力分量成正比，进而与垂直轴线的速度分量成正比，所以通过测定电量大小，就可以得到速度的垂直分量。根据流体动力学的机翼理论，剪切流传感器在随剖面仪在下降过程中，横向流会在探针上产生升力。在探头处分布的横向力可以表示为，= 三2 州n 2 口p 流体密度：u 一流体流速么- 探头轴线方向横截面积：口一一攻角( ，1 、将流体速度在水平和垂直方向上分解后，此表达式可进一步表示为f = , o d u v1 ，垂直方向速度：“横向方向速度r ，2 、在探头上的这一升力会被悬臂梁直接传递给压电陶瓷。悬臂梁在传递力的过程中，实际上起到了杠杆的作用，它将探头上的升力在压电陶瓷端进行放大，因此这种结构可使剪切流传感器在减小探头尺寸的情况下提高测量的灵敏度同时获得更高的空间分辨率。根据压电陶瓷的压电效应，当湍流在探头上所形成的切向力传递给压电陶瓷片时，压电陶瓷片会产生相应的电荷。若口角很小，则剪切流传感器与横向速度“呈线性关系，压电陶瓷产生的电荷量q p 与u ，口，u ，v 可由公式2 - 3 表述：g = 4 2 s u 2s i n 2 a = 2 4 2 s u c o s a u s i n 口= 2 4 2 s u l ，s 一- 传感器灵敏度；2 x 2 校准系数( 2 - 3 、典型的灵敏度s 的范围【1 9 1 为：雪= ( o 0 5 0 1 0 ) x l o 。9 c m 2 j 。2通过相应的信号调理电路( 电荷放大器，滤波器等) ，将这些电荷转变成所能采集的电压信号。2 2 湍流参数计算原理简介通过前文1 3 节剪切流传感器( s h e a rp r o b e ) 发展简介，可以了解到科学家们从上个世纪5 0 年代起，就开始了海洋湍流的测量。海洋湍流测量的目的主要在于：( 1 ) 评定海水混合频率( a s s e s st h er a t eo fm i x i n g ) ；( 2 ) 评价湍流摩擦力( t u r b u l e n tf r i c t i o n ) 在海水循环中所起的作用。7第二章翼型剪切流传感器系统概述在有效的测量手段出现之前，科学家们通过建立大量的数学模型分析得到的海水密度扩散率的平均值约等于1 0 - 4 m 2 s ；但是从上世纪5 0 年代开始到现在，经过这5 0 多年的测量，从数据中分析得到的、大部分海洋密度扩散率的平均值，要比科学家们的计算值小l o 倍。湍流测量仪器的灵敏度就是根据海洋密度扩散率确定的。在稳定、均匀、固定分层的湍流中，湍动能( t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y , t k e )是由大尺度剪切流产生的( 通常由内部波动产生) 。大部分湍动能被流体的粘滞阻力所消耗( 耗散率g ) ；而它的- - , j , 部分则是用于混合流体( 扩散率i ) 。湍动能耗散率、扩散率两者之问的关系是：k n 2rk 一垂直方向的密度扩散率s 湍动能耗散率r 一一湍动能扩散率( 2 4 )其中2 是浮力频率的平方，表达式为：n 2 ：塑一昆c 2p 流体密度：z 垂直方向坐标g _ 重力加速度：c 水中声速( 2 5 1浮力频率的平方并不是一个定值。在深海，这个值是1 旷s - 2 ，而在季节性温跃层，这个值是1 0 一s - 2 。由式( 2 4 ) 求出可探测的湍动能耗散率最小值为占1 0 - 5 - 1 0 - 6 ：1 0 一l 。形堙一l占一= 一腔o 19f 2 6 1现在已经知道，海洋湍流是不连续的，并且传感器灵敏度也不用达到计算出的精度值，因为传感器不需要达到那样深的海域。在各向同性的湍流中，动能耗散率与剪切流速率以及应力变化率有关。三者关系为占= 萼 喜) 2 划d ( 尝) 2p 运动粘性系数，约为1 1 0 - 6 m 2 s - 1“速度参数；工一与速度平行方向z - 与速度垂直方向( 2 7 )由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 知，测量工具必须能够检测到的剪切流速率的均方根值是3 x 1 0 - 3 s 一，同时这也就定义了海洋湍流频带的大小。8第二章翼型剪切流传感器系统概述湍流中，速度和标量是在空间上波动的，并且在时间上是缓慢进化的。在稍小尺度的速度波动下，剪切流和应力变化率非常大，并且在粘性的作用下，流体的运动被强烈的阻碍了。当速度波动达到( d 么) 乃这一尺度的时候，流体所有运动停止，残余的动能转换成流体内能。经科学家们多年的观测指出，9 0 的动能耗散发生在尺度大小为1 5 至7 0倍( 形) 之间；若用每米波数( c p m ) 3 l t 泺，则是在( ，) 的2 3 1 旷至o 1 l 倍之间发生的。这是速度波动的微结构范围。在广海域，动能耗散率非常低，大约是占1 0 1 0 w k g ，此时微结构尺度范围近似在o , 2 3 c p m 至l l c p m 之间；在海流稍为激烈的区域，动能耗散率约是占1 0 “形k g ，微结构尺度范围在2 3 c p m 至1 1 0 c p m 之间；而到了海岸线附近的区域，动能耗散率能高出三个数量级，使得微结构尺度范围在1 5 c p m 至6 0 0 c p m之间。微结构的波数范围给传感器以及搭载传感器的剖面仪提出了一些限制条件。首先，很明显的是，传感器必须能够涵盖微结构湍流的空间尺度范围。在广海域，波长的最小值为o o l m ，因此传感器必须能测量到这个最小值，才能够保证测量不失真。另外，剖面仪在海洋里的运动必须平缓稳定，这样才能保证测量信号在时间内的连续性与空间的连续性对应。实际测量过程中，传感器的测量与剖面仪的运动有很大关系，剖面仪不能在微结构尺度范围内有任何的振动，否则会导致测量结果的不准确。剖面仪的运动速度是经过计算得出的。传感器周围海洋环境的波数大小是通过其测量数据的频率反映出来的。f = j z k厂所测数据的频率：k 一波数形剖面仪与周围海流的相对速度f 2 8 )因此，剖面仪的运动速度必须满足传感器能够响应微结构尺度范围内的波数。通常这一点是设定运动速度上限的依据，而速度的下限是由湍流自身属性所确定的。湍流耗散的时间约是( ) 尼，剖面仪在这个时间范围内的位移必须大于，o- 1，1或等于微结构的最大尺度一7 0 ( p 么) 知，否则时间和空间的连续性无法对应。以上关系可由下面公示表示：矿竺缮- 7 0 ( 垤) 丘( 妒( 2 9 )9第二章翼型剪切流传感器系统概述在广海域，式( 2 9 ) 右侧的值一般小于o 0 7 m s 一，因此，大部分剖面仪的运动速度都要大于0 5 m s 。当剖面仪以速度形运动时，传感器产生的电压表示为= s 耽o )将电压微分后可以得到剪切流，锄l 觑1d e 一= 一一= 一一瑟形a 形2dt(2-111再与式( 2 7 ) 联合求解后，就可以得到动能耗散率大小【5 】o2 3 传感器数据采集及处理系统总体规划现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率大为提高，也节省了硬件投资；软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性；数据采集和数据处理结合的日益紧密，形成数据采集与处理系统，能够实现从数据采集、处理到控制的全部工作。数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可以分为模拟部分和数字部分。数据处理部分主要由计算机软件实现。图2 2 是系统基本组成示意图。园圈_ 圄啼 困上圉卜区墨卜固图2 - 2 数据采集及处理系统的基本组成经过研究，决定设计开发两套数据采集系统：一套是基于l a b v i e w 的虚拟仪器系统，另一套是基于m s c l 2 1 0 的数据采集系统；两套采集系统可以共用一个数据处理软件。由于在传感器的研制过程中，需要一套开发周期短、准确度高、灵活性好的数据采集系统，为此选择l a b v i e w 图形化编程语言，设计数据采集虚拟仪器系统。但是这套采集系统需要p c 机的支持，体积大成为其明显的缺点。传感器的搭载装置一剖面仪的体积有限，不可能携带p c 机这样大体积的系统，为了缩小1 0第二章翼型剪切流传感器系统概述系统体积，提高其集成度，在不减少其准确度、灵敏度的前提下，设计基于m s c l 2 1 0 单片机的数据采集系统。2 4 本章小结本章首先对翼型剪切流传感器的内部结构及其工作原理进行阐述，然后简要介绍了相关的海洋湍流参数的计算原理，最后对传感器数据采集系统进行了总体设计与规划。第三章基于虚拟仪器的剪切流传感器数据采集系统第三章基于虚拟仪器的剪切流传感器数据采集系统为适应传感器研制的需要，考虑目前测试测量仪器的发展方向，结合试验室的研究条件，使用图形化编程语言l a b v i e w ，构建用于翼型剪切流传感器的数据采集虚拟仪器系统，该系统具有数据采集、数据处理以及数据保存等主要功能。3 1 虚拟仪器简介迄今为止，测试测量仪器的发展大概经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器还有虚拟仪器四个阶段【2 0 】。3 1 1 虚拟仪器概念虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 是日益发展的计算机硬、软件和总线技术在向其他相关技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器仪表技术密切结合而产生的一项全新成果。2 0 世纪中期，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。如果再进一步说明，那么虚拟仪器是一种由计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独有的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等基本智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控制软件化，使之与计算机结合起来融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器一致，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都由软件形成，因此国际上把这类新型仪器称为“虚拟仪器”。与传统硬件化仪器比较，虚拟仪器主要有以下特点：功能软件化、功能软件模块化、仪器控件模块化、硬件接口标准化、系统集成化、程序设计图形化、计算可视化、硬件接1 2 软件驱动化。1 2第三章基于虚拟仪器的剪切流传感器数据采集系统3 1 2 虚拟仪器硬件系统虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如p c 机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 、v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 、p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 和d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 四种标准体系结构。d a q 数据采集系统是指基于p c 计算机标准总线( 如i s a ，p c i ，u s b 等) 的数据采集功能模块。它充分地利用计算机资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用d a q 可以方便快速的组建基于计算机的仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。在性能上，随着a d 转换技术、信号调理技术的迅速发展，d a q的采样速率已能达到g b i t s ，精度可高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i o 、计数器定时器等通道。在p c 计算机上挂接d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器。它既可享用p c 机固有的智能资源，具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性，是一种实用性强，应用广泛，具有高性价比的虚拟仪器方案。3 1 3 虚拟仪器软件系统虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源，使本来由硬件实现的功能软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能和灵活性。“软件即仪器 这个口号正是基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用而提出的。虚拟仪器的软件框架从底层到顶层包括三个主要的部分：v i s a 库、仪器驱动程序、仪器开发软件( 应用软件) 。图3 1 表示了虚拟仪器软件的结构框架。下面对软件结构的主要组成部分作进行一下简要的说明：( 1 ) v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 虚拟仪器软件体系结构v i s a 体系结构是标准的i o 函数库及相关规范的总称。一般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留于计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的控制。( 2 ) 驱动程序每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源代码的形式提供给使用者。( 3 ) 应用软件1 3第三章基于虚拟仪器的剪切流传感器数据采集系统应用软件是建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，进行自动测试任务。它是虚拟仪器所必需的软件工具。目前，比较流行的虚拟仪器软件开发环境有两类：一类是图形化编程语言，代表性的有l a b v i e w ，h p v e e 系统；另一类是文本式编程语言，如c 语言，v i s u a lc + + ，l a b w i n d o w s c v l 等。一。y 瑜- 母二一圈日囡曰图3 1 虚拟仪器的软件结构3 2 数据采集虚拟仪器系统设计如前小节所述，一套数据采集虚拟仪器系统主要是由软件系统和硬件系统两部分组成的。设计一套这样的系统，首先要确定其开发环境即软件部分，然后再根据所选择的软件系统，进行虚拟仪器的硬件选择，这样才能够保证两者完好的兼容性，达到精确采集的目的。3 2 1l a b v i e w 图形化编程环境本文选定的l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h )编程语言，是美国n i 公司研制的一种可以用图形建立程序的虚拟仪器开发系统，1 4第三章基于虚拟仪器的剪切流传感器数据采集系统是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器平台，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件，主要包括数据采集、控制、数据分析、数据表示等功能1 2 1 1 2 孤。在传统的、基于文本的编程语言中，程序的执行依赖于文本所描述的指令；而l a b v i e w 则提供了一种全新的程序编写方法，即对称之为虚拟仪器的软件对象进行图形化组合操作；全面兼容n i 公司的所有数据采集、信号调理和仪器控制等硬件产品【2 3 j 。如图3 2 ，显示了基于l a b v i e w 的数据采集系统的总体框架。数据流向图3 - 2 基于l a b v i e w 的数据采集系统其中数据采集卡是整个数据采集系统不可缺少的硬件单元。目前的国内市场，汇集了许多国产和进口的数据采集卡。为了与l a b v i e w 7 0e x p r e s s 开发环境更好的配和，可以考虑选用n i 公司出品的数据采集卡，构建整个采集系统。n i 公司产品的优势就是在于数据的采集与分析。3 2 2n ip c i 6 0 2 4 e 数据采集卡一个典型数据采集卡的功能包括模拟输入、模拟输出、数字i o 、计数器计时器等。1 5第三章基于虚拟仪器的剪切流传感器教据采集系统本系统主要是对数据采集卡模拟输入功能的应用。模拟输入是采集卡最基本的功能。它一般由多路开关( m u x ) 、放大器( a m p l i f i e r ) 、采样保持电路( s h ) 以及模数转换器( a d c ) 来实现。模拟信号通过上述各部分模块后，可以转化为数字信号。a d c 的性能和参数直接影响采集数据的质量，要根据实际需要的精度来选择台适的a d c 。n ip c i 6 0 2 4 e 是一块基于p c i 总线协议，具有1 6 个数据采集通道，1 2 位的a d 转换精度，2 0 0 k s s 采样速率的e 系列采集卡。如图3 - 3 所示，是p c i 一0 0 2 4 e采集卡及其附件。一厘蓬峨i圈3 - 3p c i 6 0 2 4 e 数据采集卡及其附件在差分采集的模式下，采集卡的数据采集精度是随着卡的增益设置变化而变化的。具体数值在表3 】中列出表中同时给出不同增益值下，被测电压信号的输入范围口i 。增益辅八范围精度0 5一1 0 一+ 1 0 v48 8 m v10- 5 一+ 5 v2 4 4 m v1 00- 5 0 0 一十5 0 0 m v2 4 4 1 4 w1 0 00- 5 0 一+ 5 0 m v2 44 l 本系统所采集的信号是经过传感器变换输出的电压信号。经过仔细分析比较，n ip c i 石0 2 4 e 数据采集卡，能够满足测试测量要求。目前，系统选用的参数是增益10 ，输入范围- 5 一+ s v ，精度24 4 m v 。第三章基于虚拟仪器的剪切流传感器数据采集系统3 3 虚拟仪器硬件设置确定了数据采集卡的型号之后，还要确定其具体的连接配置方式。跟据信号的类型不同，选择的测量方式也不同；另外还要在l a b v i e w 中对采集卡进行参数配置，选择合适的驱动，保证数据采集卡正常工作。3 3 1 被测信号的连接被测电压信号可以分为接地信号和浮动信号两种类型。信号的一端与系统地( 如大地或建筑物的地等) 连接起来，就是接地信号。接地最常见的方法是使用墙上的接地引出线，如信号发生器和电源就是这样接地的。接地信号与数据采集卡共地。一个不与任何地( 如大地或建筑物的地) 连接的电压信号称为浮动信号。浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些能够产生浮动信号的常见设备有电池、热电偶、变压器和隔离放大器等。经过变换的海洋湍流信号，就是浮动电压信号。测量系统分为差分测量系统( d e f ) 、参考地单端测量系统( r s e ) 和无参考地单端系统洲r s e ) 三类。两种信号源和三种测量系统共可以组成六种连接方式，如表3 - 2 所示1 2 4 j 1 2 5 j 。表3 2 信号源与测量系统连接方式测量系统接地信号浮动信号d e f簟幸r s en r s e表3 2 中，带乖号的方式为推荐的使用方式。本系统选择差分测量方式。一个理想的差分测量系统应仅能测出输入信号正、负极之间的电位差，而无法测量到共模电压。但是实际应用中的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围。在差分测量系统中，要保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备所允许的范围之内。另外，差分测量系统中，放大器输入偏置电流会导致浮动信号的电压偏离数据采集卡的有效范围。为了稳住信号电压，要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻，如图3 4 所示。对低阻抗信号源来说，1 0 k f 2 1 0 0 k q 的电阻比较合适 2 6 1 1 2 7 j 。目前选择冠= 足= 1 0 0 k q 的电阻作为偏置电阻。1 7第三章基于虚拟仪器的剪切流传感器散据采集系统图3 4 差分测量示意图3 3 2 数据采集卡的软件配置一般的说，数据采集卡都有相应的驱动程序，使用者通过该程序来控制采集卡的硬件操作。这个驱动程序由采集卡供应商提供的，用户一般不需要对驱动程序的编写做过多的了解，儿要能使用驱动程序对采集卡进行驱动即可。n i 公司为其出品的数据采集卡提供了一个配置工具软件- - m e a s u r e m e n t a u l o m a t i o ne x p l o r e r ( m a x ) ，通过m a x 可以对采集卡的采集通道、采集任务、采样方式等参数进行配置】。如图3 - 5 所示。口p r 0 唑i ! l 宣竺，1 i mv o l t a 汪r o e f t a a e 憎ir 帅 w e o 日r h 啪t h e d r n n 】啦gi sn * d h n * iv a l i d ?：h 一【t y a n a b q i r t l tt 怕v l r “a it y p e) j 腿p c h 6 0 2 柏憎憎o f t 目d 日v m w h i c h t h er h a m e l，w i e e m m b e rd e v lt h e 由v t e h b 口o f h 0 e r i e w m w h i c h 廿1 日) 州船a n f lo l m r e l0t r * h a r 6 w ，e a 啊1 w mv e h l 由怕c h a t b l it a bt v 雄幢t h e t 肼9 l e a 一目倒w a h t * d 目惮lr 驯t h b d er b 旨瓢酣t 忙t h r r 曲o f 口e d x “t l* n 蚶a c 山竹t m ev o f f , a q e t h e 帅e o f c 山灯m e 删b 怕* n s 口m c 咖竹r a- 5 bs v1 r 怕r 日。o f 忙g r 甜洲眦口* u a 口ro a nm y 3 i r 坤- 5 5 vt 旧r 坤o f 怕晰$ k “删”曲螂u：】ct y p et h e 噼o f c o h - j u n c t o n m 自i b a t b nu db yi t d 哺a 曲t r t d r “e “r o d