基于虚拟仪器的机械工程测试系统开发毕业论文.doc

摘要随着机械产品的机电一体化和生产过程自动化程度的不断提高，机械工程测试系统越来越复杂，它已成为整个机械设备研制、开发、应用和教学过程中不可或缺的组成部分。本文以PXI虚拟仪器为平台，完成了基于虚拟仪器的机械工程测试系统试验平台的开发，该方法以常见机械测试量为基础，结合虚拟仪器技术，通过计算机和数据采集卡把硬件和软件结合在一起实现对基本机械量的测试分析。首先，对目前的主要虚拟仪器平台从性能、价格、稳定性、可重复操作性等方面做了详细的对比，也与传统的机械测试系统做了对比，研究后最终选取NI公司的基于PXI组合机箱和嵌入式计算机的虚拟仪器为试验平台进行试验开发。其次，提出系统的设计方案，系统采用功能模块进行组建设计。参考传统测试流程，设计软件系统的程序执行流程，从底层开发完成基本测试与控制功能的模块：信号采集、滤波、信号显示、时域分析、频域分析、信号的保存、备份、生成实验报告、数据读取等，利用所开发的测试系统完成了测试试验。然后，在测试系统的总体设计中，建立数据库对数据进行存储、管理和查询，利用ADO技术的LabVIEW数据库访问包LabSQL访问数据。通过菜单编辑器对程序进行编辑管理。编程遵循层次化顺序化结构。主体采用了顺序结构，通过上个模块结束来进入到下一模块。再次，本文将最小二乘法曲线拟合和小波理论中的Mallat分解算法嵌入到LabVIEW中。为细化波形显示和分析起到了很好的作用。最后，通过实验，对本文设计的测试系统进行了压力、流量、位移试验，验证了测试系统的可行性。关键词：机械参数、测试系统、PXI虚拟仪器、功能模块、小波分析Abstract With the integration of mechanical and electrical machinery products and production processes continue to improve the degree of automation, mechanical engineering testing systemMore and more complex, it has become the whole machinery and equipment research, development, application and the teaching process of the indispensable component of the Department of Branch.Based on the PXI virtual instrument platform, completed the mechanical engineering based on virtual instrument test system test platformDevelopment, the method with common mechanical test as the basis, combined with the virtual instrument technology, through the computer and data acquisition cardThe hardware and software are combined together to achieve the basic mechanical quantity measurement and analysis.First of all, the main virtual instrument platform from the performance, price, stability, the operation can be repeated so as to doA detailed comparison, also with a traditional mechanical testing system to do comparative study, after the final selection of NI company based on PXICombined case and embedded computer virtual instrument for testing platform for test development.Secondly, put forward the system design, system function module design were established by. Traditional testing process,Design of the software system of the program implementation process, developed from the ground up to complete the basic test and control function modules: signal acquisition,Filter, signal display, time domain analysis, frequency domain analysis, signal storage, backup, spanning experimental report, data readSo, using the developed test system test test.Then, in the test system overall design, database for data storage, management and query, useADO technology of LabVIEW database access package - LabSQL access data. Through the menu editor program intoLine editing management. Programming follows the hierarchical sequence structure. Subjects used a sequential structure, through the last end of the module toMove to the next module.Again, this will be the least square method for curve fitting and the wavelet theory in the Mallat decomposition algorithm is embedded into LabVIEWIn. Refinement of waveform display and analysis played a very good role. Finally, through the experiments, the design of test systemThe pressure, flow, displacement test, verify the feasibility of testing system.Key words: mechanical parameters, test system, virtual instrument, PXI function module, wavelet analysis摘要2ABSTRACT3目录4第一章绪论5第二章虚拟仪器平台及系统的构成7第三章机械工程测试系统开发环境13第四章机械测试系统的程序设计20第五章测试系统的现场试验38第六章结论47参考文献48致谢49第一章 绪论11机械工程测试系统概述测试是测量与试验的简称，测试中最基本的是测量。测量是利用各种装置对可观测量(或称被测参数)进行定性和定量的过程。测试的基本任务是获取信息。测试是发展和检验自然科学理论的实践基础。在工程技术领域，由于实际研究对象的复杂性，很多问题难以进行完善的理论分析、推导和计算，所以必须通过试验来获得研究对象的状态，变化和特征等，这正是通过测试来实现的。测试技术正是研究有关测试方法、测试手段和测试理论的科学，它应用于不同的领域并在各个自然科学研究领域起着重要作用。特别是现在机械工程测试技术引起了大型工业企业和高等院校极大的重视。机械工程测试系统的基本任务是从测试对象获取反映其变化规律的动态信息，一个功能完善的机械工程测试系统由传感器、信号转换装置、信号分析处理装置和显示与记录等功能模块组成，无疑，讨论和设计机械工程测试系统及其构成要素，是十分有意义的。分享到测试系统的第一个环节是信号的传感，即是将被测量的量或被观察的量通过一个被测量传感器或敏感元件转换成一个电的、液压的、气动的或其他形式的物理量，被测的或被观察的量与被转换的输出量之间根据可利用的物理定律应该具有一种明确的关系。第二个环节为信号的转换和调理。被测物理量经传感环节被转换为电阻、电容、电感或者电压、电流、电荷等电参量的变化，由于在测试过程中不可避免地遭受各种内、外干扰因素的影响，且为了用被测信号驱动显示、记录和控制等仪器或进一步将信号输入计算机进行数据处理。因此经传感后的信号尚需进过调理、放大、滤波、运算分析等一系列加工处理，以抑制干扰噪声、提高信噪比，便于进一步传输和后续环节中的处理。第三个环节是是对这些信号进行分析处理以及显示记录，包括信号的时域分析、频域分析、相关分析等。原始波形显示、处理后波形显示等。从而还可以分析出机械运转的工况等。机械工程测试系统有测量、监控、试验分析机械设备运行过程中的参数功能，但前序步骤必经信号的采集、分析才能得出。所以，本系统对于机械的后续分析作用意义重大。12虚拟仪器技术在机械工程测试系统中的应用现状科学技术的日益发展，对现在的机械工程测试系统影响很大，特别是相对于传统的测试系统来讲。以前要用特定的仪器对信号进行分析，但是利用虚拟仪器组建的机械工程测试系统却不用专用的仪器，而是利用计算机作为连接虚拟仪器软硬件的平台，信号源通过调理后数据采集卡就可以获取数据进行分析处理。现代计算机技术对机械工程测试技术和仪器的发展产生了革命性的影响。测试系统的发展经历了模拟测试仪器、计算机测试系统(智能仪器)及虚拟仪器三个阶段。现代机械工程测试技术以计算机为中心，计算机的发展必然促进测试技术和仪器的发展。在此背景下，虚拟仪器的产生也就水到渠成。在虚拟仪器中，软件是虚拟仪器系统的关键，目前国内外这种软件主要有美国DSP公司的DADISP软件，以实验后数据处理分析和表示见长美国NI公司的系列虚拟仪器开发平台(LabVIEW、LabWindowsCVI、Virtual Bench和Component Works)、美国QUATECH公司的DASLab软件包和惠普公司的VEE软件平台都是可以搭建虚拟测试系统的软件平台，以图形化编程和界面灵活见长。华中理工大学的V198虚拟仪器系统和哈尔滨工业大学的仪器王以虚拟的单个仪器或仪器库见长。其中，美国NI公司的LabVIEW软件功能最为完善，LabVIEW软件以简单、直观的图形化编程方式、强大的图形显示和数据处理能力见长，运行速度快、开发周期短、界面灵活是其又一大优势，最能体现虚拟仪器的风格，所以基于LabVIEW的虚拟仪器应用相当广泛。也是本文选择这一软件的原因。由于Pc的功能变得越来越强大，速度快，价格低，在标准PC上连接一个或多个仪器模块构成测试仪器成为一种趋势。这种仪器即为虚拟仪器。虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW中，“所见即所得”的可视化技术是应用于测试领域的雏形。虚拟仪器注重测试人员在进行工作中的感觉。用仿真的面板给人以真实仪器的感觉，用丰富的曲线图像向测试人员传递信息，是虚拟现实技术在机械工程测试领域中的广泛应用趋势。几个测试站点连成一个大的测试网络，互通数据和信息，联合分析测试结果，实现数据和信息共享的网络化测试是机械工程测试系统的一个发展趋势。 虚拟仪器技术是现代机械工程测试系统的发展趋势，在丰富的虚拟仪器软硬件产品支持下，尤其是在被誉为“科学家和工程师的语言”LabVIEW的支持下，组建一个机械工程测试系统正变得越来越容易。在技术发展日新月异的今天，为了让测试系统就有开放性、兼容性和不断更新的可能，利用虚拟仪器的概念组建测试系统不失为一种好的选择。在机械工程测试系统中，应用虚拟仪器编的越来越普遍，因为很多传统的硬件设备在虚拟仪器中都可以用软件代替，从而降低了大量的设备浪费，降低了成本，并且还可以直观化的显示其结果，将多种的传统仪器合并到一套虚拟仪器测试系统中，有利于编程，也有利于增强测试系统的准确度。抱歉，系统响应超时，请稍后再试13本文研究的目的、意义和内容131本开发平台的目的及其意义开发此平台的目的和意义主要是针对不是专业的使用人员，使那些用户对软件在不精通甚至熟练的情况下能够操作这个开发平台，使用这个软件进行自己所需要的操作和相关的析。132国内外研究现状及水平(1)国外情况：虚拟仪器的发展，开始于美国，在80年代的时候，就有产品开发出来了，并且增长速度特别快，到了90年代，就有上千种不同类型的产品问世，逐渐在全球范围内发展起来。而且使用虚拟仪器越来越普遍。不光仅限于美国生产和使用。(2)国内情况：国内的发展时间与国外的发展时间相差不大，在80年代就提出了这个想法，而且有相应的软件开发出来了，也就是DASP。虚拟仪器主要的用途是在我国的企业当中，事业单位和科学研究所也有涉及，学校当中的使用主要是用在高等学校特别是21l的学校。有超过百分之八十的比例。这是使用领域的情况。还有在对虚拟仪器的研究开发方面，重庆大学的研究是比较先进的。还有专门的公司对其进行研究，也取得了很多成果，像北京东方振动与噪声技术研究所对于软硬件的开发，对我国在这方面的发展都有很重要的贡献。133论文的研究内容本论文的主要包括对机械工程测试技术和虚拟仪器技术的研究，对机械工程测试软件系统进行设计开发。主要按照以下几个方面进行：(1) 对传统的机械工程测试系统的仪器工作特点做了比较细致的研究，与现在的机械工程测试系统做对比，设计出合适的机械工程测试系统软件如何开发的想法。(2) 根据所选取本文的机械量，选取恰当的硬件，程序编写时有条理、选择物理通道和任务输入通道。 (3) 对需要测试的机械量的整个测试过程研究清楚，设计符合各个测试流程的应用软件的结构。开发的软件与整个测试过程相一致。(4) 利用NI通用的数据采集卡PXI-6122S以及PX卜_6521M系列多功能数据采集卡，GPIB接口适配器，TB2705同步数据采集卡接线端子等虚拟仪器硬件组建机械工程测试硬件系统，根据硬件的要求和目的，在LabVIEW平台上，开发实现机械工程各测试量测试的各个测试仪，对系统硬件进行有效管理和监测，完成常规机械量测试任务以及功能的扩展。(5) 对所开发的测试系统进行试验验证。14本测试系统的开发平台由于PC的功能变得越来越强大，速度快，价格低，在标准PC上连接一个或多个仪器模块构成测试仪器成为一种趋势。这种仪器即为虚拟仪器。虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW中，“所见即所得”的可视化技术是应用于测试领域的雏形。虚拟仪器注重测试人员在进行工作中的感觉。用仿真的面板给人以真实仪器的感觉，用丰富的曲线图像向测试人员传递信息，是虚拟现实技术在机械工程测试领域中的广泛应用趋势。几个测试站点连成一个大的测试网络，互通数据和信息，联合分析测试结果，实现数据和信息共享的网络化测试是机械工程测试系统的一个发展趋势。虚拟仪器技术是现代机械工程测试系统的发展趋势，目前虚拟仪器的产品不管是硬件还是软件都种类繁多，特别是有LabVIEW开发软件做软件编程，使得利用整套虚拟仪器的软硬件就越来越方便了，也构建得越来越简单，当代对测试系统要求越来越多功能化，而虚拟仪器的兼容性和可扩展性使得其具有广泛的客户群。所以本文选用LabVIEW软件作为开发平台。15本章小结本章阐述了机械工程测试系统的基本内容，虚拟仪器在此系统中的应用优点和虚拟仪器的国内外发展现状，明确了本论文的研究内容，确定了此测试系统的软件开发平台。4虚拟仪器的发展标志着机械测试与测试仪器领域技术发展的一个崭新方向。将虚拟仪器技术应用于设备的综合性能测试中，实现了多种设备测试系统一体化和集成化，节省了仪器的购置成本，提高测试效率，而且增加了测试系统的通用性，虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术，其实质是“软件就是仪器”，充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器特性。第二章 虚拟仪器平台及系统的构成虚拟仪器的发展标志着机械测试与测试仪器领域技术发展的一个崭新方向。将虚拟仪器技术应用于设备的综合性能测试中，实现了多种设备测试系统一体化和集成化，节省了仪器的购置成本，提高测试效率，而且增加了测试系统的通用性，虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术，其实质是“软件就是仪器”，充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器特性。21虚拟仪器综述虚拟仪器的应用主要是用在测量测试领域，它的优点是效率高、组建起来非常灵活方便，并且软件中每个子VI可以组建模块化的程序，而硬件部分厂家一般都是一个一个模块设计的，这样就确保了虚拟仪器的性能相比于其它硬件比较高。211虚拟仪器定义虚拟仪器的定义有很多，现在普遍为人们所接受的、应用比较规范的定义为美国NI公司的定义：由软件和硬件组成的虚拟仪器，由计算机操纵的一种系统，并且这种系可以对信号进行采集、分析。最主要的是这种系统的软件采用模块化编程，方便直观。212虚拟仪器组成虚拟仪器的组成主要有三大部件构成：(1)软件部分软件部分利用图形化的程序子VI，可以建立与传统的测试仪器逼真的前面板，并且可以编写程序对数据进行处理分析等。(2)硬件部分硬件部分中，主要采用模块化的设计，这是区别于一般的测试系统硬件的主要特征。并且厂家会提供标准的驱动程序，让用户的需求得到满足，也能对用户自己根据需要进行功能的扩展。(3)虚拟仪器平台虚拟仪器的平台是计算机，它将虚拟仪器的软件和硬件集到一块，有机的连起来实现相应的功能，这主要是借助了计算机的一些特有的功能，像对数据的运算功能、对数据存放储存功能、还可以对储存的数据进行调用和重新显示，同时，还可以对数据进行管理，再者，网络的联通也是计算机的一个特有功能之一，都在虚拟仪器的构建组成中发挥极其重要的作用。虚拟仪器的组成如下图所示：213组建虚拟仪器的平台组建虚拟仪器的平台主要是利用模块化的方法进行组建，这是由于虚拟仪器的模块化结构决定的。其主要的部分为下面几项：(1)工作平台的建立。如何组建虚拟仪器的工作平台直接关系到所开发的测试系统的完整性，由于虚拟仪器系统的特殊性模块化结构，而模块化结构之间的连接是靠标准总线连接起来的，但是总线标准有很多不同的类别，在目前比较常用的有以下几种用来连接硬件：1)建立在个人计算机基础上的仪器；2)利用VXI总线进行组建；3)利用PXI总线组建；4)GPIB接口的仪器系统；5)利用串口或另外的工业标准总线的仪器。在需要选择的时候，根据用户的情况和测试的规范进行选用。(2)测试的时候硬件要满足的规范要求。本论文采用信号调理和数据采集卡的模式接收传感器采集的信号，再将接收到的信号传送到虚拟仪器软件平台，本文设计的系统组成图如下。22 LabVIEW221 LabVIEW软件LabVIEW是一种软件开发工具，但不像C语言、C+、JAVA语言那样试用文字编程的，它是一种图形化编程语言，也即G语言，就现在来说，是应用很普遍的，并且其发展势头有越来越广泛越普遍的迹象。它的应用领域的测试、测量和控制等方面。这里指的这种开发工具是指美国NI公司开发的，可与常用的操作系统相匹配，采用这种开发软件进行程序设计时，不要求程序编写人员具有精通的程序设计功底，非专业人员即可掌握。利用LabVIEW开发软件编写程序时，所编写的程序叫做VI，在编写的时候，每一个VI都有对应的前面板和后面板，程序编写人员在前面板编写程序时，其后面板即程序框图有相应的子VI图标生成与之对应，并且可以自动的将相对应的图标连接成线。用户直接面对的就是程序的前面板，那是可以供用户进行操作和选择以及观看的界面，在这个面板上，用户可以选择一些参数，例如采样点数、采样频率、输入通道等等，选择的测试系统有如本文开发的应变测试系统、压力测试系统、位移测试系统、流量测试系统、温度测试系统等。并且在这个界面上用户可以直观的看到用户需要了解和显示的信息等。程序框图与一般的程序区别主要是直观的图形显示，程序之间的连接通过专用的联线联系起来，并且执行时如果使用指示灯可以很清楚的看到程序的每一步流程，包括执行顺序、变量的值大小等，还可以把执行后得到的结果显示出来，反馈给用户和操作者。LabVIEW开发软件平台有下面这些特性：一：采用图形化的编程方法，在进行程序编写时，程序设计人员不用像C语言设计编写时那样编写代码和语句，而是直接使用库函数中的字VI。二：此开发软件具有很多库函数供程序编写者调用和使用。例如通常的数据存储、数据分析、仿真信号的产生等。三：在进行程序的验证时，可以根据调试的需要选择是否运用断点设置、运行步骤的选择、是否使用动画式的运行方式等。222 LabVIEW的创新性LabVIEW的创新性主要有一下几个方面：(1)界面的友好直观。(2)图形化的编程方式。(3)功能丰富的库函数和可扩展性。223 LabVIEW中实现最b-乘法曲线拟合曲线拟合的最小二乘法一般提法是：对给定的一组数据(x，y)(i=0，1，n)，要求在函数类=。、。)中找到一个函数y=s(x)，使误差平方和最小。利用LabVIEW图形化编程的方便，在LabVIEW利用最小二乘法曲线拟合的方式减d,N试误差，对曲线进行平滑处理。224 LabVIEW中实现小波变换小波变换是20世纪80年代中后期兴起的-fq学科，是在调和分析(包括函数空间、广义函数、傅立叶分析和抽象调和分析等)的基础上发展起来的，它的产生、发展、完善和应用的整个过程都得益于计算机科学、信号和图像处理科学、应用科学和纯粹数学、物理科学等众多学科领域和工程技术应用领域的专家、学者和工程师的共同努力。所以，小波变换已成为科学研究和工程技术应用中涉及面及其广泛的一门新兴学。这也是本文选择这一方法的原因之一。小波变换是一种变换分析方法，它主要是通过变换能够充分突出某些方面的特征。小波变化具有许多其他的处理手段(比如Fourier分析、Gabor变换、Viginer-Wi 11e分布等)所不具备的优良特性，如正交性、方向选择性、可变的时频分辨率、可调节的局部支撑等。小波分析通过对分析信号进行小波变换，把信号空间尺度(频率)的不同，分为低频近似部分和高频细节部分，从而实现各成分在时间轴上的位置保持不变以及行数据压缩等。Mallat算法即为正交小波变换的快速算法，在小波分析中的地位相当于快速傅立叶变换算法在经典傅立叶分析中的地位。NI公司提供了一个外挂的Signal Processing Toolset软件工具包，该工具包内有联合小波与滤波器设计(WFBDWavelet and Filter Bank Design Toolbox)组件。可以在LabVIEW环境下自行设计小波变换的应用程序。23 PXI总线系统概括在二十世纪九十年代的时候，一种全新的连接模块化硬件间的总线诞生了，那就是美国研制出来的一种总线，有其自有的规范，这种总线主要是用在模块化的设备中，有异用在虚拟仪器中普遍，其名叫做PXI总线规范。这种总线是在原来的总线方面的一个技术上的更新和发展应用范围更广了，所以这种总线推广很快，因为相比于原先的那些总线规范，性能明显好很多，而且价格上很具有吸引力。下图23表示的是PXI规范体系结构的结构图。(1)PXI机械规范以及特点这种特点主要指的是其在结构上是由标准的准则为其参照，它的构造表现在制造的时候对其进行了密闭的设计。这就决定了它的应用范围的特点，即可以在比较恶劣的情况下进行操作，尤其适合于户外操作测试系统中。PXI的一个特点就是与之前开发出来的其他的总线标准有很好的互动性和兼容性，并且不要求用户在购买的时候把所有的仪器都买完，可以根据实际需要有选择的进行购买，因为PXI总线规范系统具有独立的运作操作性。像可以在购买的PXI机箱中使用PCI总线的系统，同样，在其他总线标准的机箱中也可以使用PXI系统模块进行组建虚拟仪器。(2)PXI规范的电气性能在很多常见的或者必须的情况下要求用到其他的总线而不是PXI总线，这时候对于系统的很多规范要求就不一样了，如何满足这些要求是选择规范总线系统的一大难题，美国新研制出来的PXI总线规范系统可以解决这一问题，因为它设置有专门的时钟供这个总线规范选用，这些都是在原来那些总线的基础上添加的具有优越性的特性。这些独特的功能与普通的计算机相比更能显出其优势。(3)软件性能因为每一个硬件都要有相应的软件与其合作，才可以保证系统的正常运行。在PXI硬件系统中，PXI硬件系统与目前用户使用普通计算机的操作系统都可以给以支持，例如使用最为普遍的所有的Windows2000，WindowsXP操作系统等，这一个方便的软件支持，极大地方便了用户的使用，也为PXI系统的普及做了一个很好的铺垫，从而使编程人员可以在熟悉的操作系统下同时运行能与这些操作系统兼容的其他开发软件，可以是这几种开发软件在同一个操作系统下操作，便于相互调用等。还有一点就是，PXI系统附带的ini文件很大程度上为配置和优化系统资源提供了极大的便利。24本章小结本章主要阐述了虚拟仪器的基本概念和组建虚拟仪器测试系统的技术，根据实际需要选定了PXI模块作为本次测试的试验系统，并着重介绍了G语言LabVIEW。LabVIEW编程语言的流程图式程序设计、丰富的函数、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，都是对传统测控系统，甚至传统计算机结构执行方式的创新。LabVIEW面向的对象更加广泛，软件的学习和应用简单方便，是未来机械测试系统技术发展的一个重要方向。第三章 机械工程测试系统开发环境本文针对常见机械量应变、位移、压力、流量、温度为测试量，分别设计出测试系统的前面板和程序框图。31应变测试系统311应变测试系统硬件虚拟应变测试硬件系统组成如下：虚拟式应变测试仪由硬件和软件两大部分组成，这里采用PCDAQ体系结构组建虚拟仪器。其原因是因为PCDAQ系统是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器系统，它充分利用了主流和普及的PC机总线、机箱、电源以及丰富的软件，以极少的硬件就能形成功能完备的应变测试系统平台，这种方案的性价比最佳。虚拟应变测试仪的硬件由传感器、信号调理电路(测量电桥、应变放大器)、数据采集卡和计算机等组成。其中传感器为电阻应变计，起作用是将被测应变s的变化转换成应变计电阻的相对变化ARR；信号调理(Signal Condition)则包括测量点桥、应变放大器，由于电阻难以测量，故需要用测量电桥将应变计电阻的相对变化ARR转换成电信号(u或i)，转换后电信号很小，采用应变放大器对其进行放大及必要的滤波处理，使之达到数据采集卡DAQ的要求范围；数据采集卡将调理后的信号进行采样、量化和编码，将模拟信号转换成数字信号；转换后得到的数字信号通过接口送入计算机，由计算机对其进行分析处理，并在屏幕上显示信号的波形和测量值，根据需要还可以将数据或波形图进行存盘和打印输出。电阻应变计的选用。每一种应变计都有自己的特点和性能，在应变测量中，应变计的选择将直接影响测量结果，所以应根据被测对象的受力状态和构建的材质、测量精度要求、测试环境等条件，选用合适的应变计。应变计灵敏系数K愈大，不但输出也愈大，而且可简化测量电路中的放大单元，但在用单臂电桥测量时，K值越大，电桥输出与应变计电阻变化的非线性误差越大，故一般宜选用Ko=2，阻值R120的应变计。动态应变测量时还应考虑应变计的频响特性，一般选用箔式应变计。敏感栅或基底材料在常温下选择康铜箔或聚酰亚胺胶基。如果测量对象的温度较高(中温60+350)，此时应选用卡玛合金箔或丝、酚醛环氧胶基应变计，而且应变计具有温度自补偿，如中航电测仪器股份有限公司生产的BB250C系列应变计。本文应变力的测量以液压试验台为被测对象，将应变片粘贴在液压油路管路上，反应管道内油液压力信号变化，它不仅可以监测管路中静态压力的变化，也可以监测动态压力信号的变化，静态应变信号可以用于逐步逼近故障部位及故障元件，用来检测一些重要部位的压力。动态应变信号可以通过信号处理的方法提取压力信号的变化特征。因此，应变测试技术在液压系统中的应用前景十分广阔。312应变测试系统调理模块虚拟仪器系统设计重点应体现在软件功能的设计上，而不把设计的重点放在硬件设计上。为了减小系统设计者的硬件设计工作量，选用专门的应变计电桥信号调理器，即应变放大器。应变放大器是应变测试系统中的信号调理部分，其作用是将电桥传输过来的电信号调理到数据采集卡所允许的范围内。因此它必须包括高性能可调增益低电平放大器、应变电桥激励源以及可调截频的低通滤波器等。信号调理的性能如直线性、稳定性、温度系数、零点漂移、噪声等均影响到整个系统的性能。故应变放大器的选择和使用相对测试精度有着重要的影响。选择放大器时，应该考虑如何选择放大器的放大倍数以及测试精度的要求。按现在通用的AD转换芯片的水平，一般要求输入信号在100 V级以上方可正常工作，故要求放大器的放大倍数大于100，而且要求高输入阻抗、高共模抑制比及低温漂，所以宜选择采用高精度低漂移的差动式直流电压放大器。下图是一个模拟信号的数据采集过程示意图，从这个图中可以看到模拟的信号通过设定的通道以后，再经过多路开关，经过AD转换等将模拟信号变为数字信号，这些信号到达计算机中，计算机中的已经编好的LabVIEW程序对其信号进行分析处理。对信号进行采集时，采样频率、采样通道以及采样点数是需要用户设定的参数，用户通过前面板的参数选择项根据实际需要进行设置，这些范围和数据采集卡的精度有关。本文设计的应变测试这一块，对与满足数据采集卡精度要求的应变信号，都可以通过数据采集卡，并对其进行相关设定的分析，本文选用NI公司的PXI-6251多功能数据采集卡。3 2位移测试系统3 21位移测试系统硬件位移检测技术在工业生产中有着广泛的应用。位移检测是机械量检测的基础，将机械量转化成位移量来检测是机电一体化技术的重要组成部分之一。对位移的检测不仅为提高产品质量和生产安全提供了重要数据，同时也为其他参数的检测提供了基础。实现位移测量的关键是信号的转换即传感器的选用。本文对位移的测量通过电涡流位移侍感器CWY-DO一504将位移信号转化为电压信号进行测量；通过传感器把非电量转化成相应的电压信号，再经过信号调理电路进行测量”。在测量过程中，为了保证测试系统的可靠性与测试精度，在测试系统的设计过程中必须注意传感器地选择、信号调理模块的选择以及系统抗干扰设计。传感器的选择要根据具体的应用场合、性价比、测试对象的要求等条件选用最合适的传感器，一般依据以下几个原则：(1)高的可靠性、强的适应性：(2)测量或控制的范围和精度；(3)高性价比；(4)结构简单，便于安装，使用和维护方便本系统中，位移传感器选用电涡流位移传感器CWY-DO504，这是一种将机械位移或振动幅度转换成电信号输出的非电量电测装置，由探头(传礴器)、延伸电缆和变换器(前置器)组成，具有频响宽，线性测量范围广、体积小、抗干扰能力强，安装使用方便、长期连续稳定的工作等优点。特别是具有非接触测量的特点，这将给旋转轴等转动体的动态测量带来方便，探头可在水、油等介质中工作。其具体形状见下图：在进行位移测量时，本检测系统可以将位移量转换成电压信号供数据采集卡。在执行机构带动位移传感器运动时可以进行电压信号的采集，最后通过标定将电压信号转换成相应的位移信号，实现位移的测量。322位移测试系统的调理在信号经过位移传感器后，还要对这个信号进行适当的处理，而不能直接进入数据采集卡，这个过程也就是所谓的信号调理，包括的调理方法很多，比如有线性化处理调理方法、对信号进行隔离处理、根据处理的频率范围选择滤波、为了便于识别选用放大器进行放大处理等等，选择其中的哪一种主要从信号的类型、大小、受噪声影响等方面考虑。本文的位移信号调理是选用与位移传感器配套的位移信号调理器。323位移测试系统的数据采集位移信号经过调理后，传输到数据采集卡中，数据采集卡选用Nl公司生产的PXI-6251多功能数据采集卡。33压力测试系统本测试系统是以国家自然科学基金试验平台液压试验平台为测试平台而进行的一系列机械量测量测试，以此液压实验台做压力信号源，随着液压系统向高压、大功率、高精度方向发展，液压系统的结构变得越来越复杂，故障率也随之增加，安全问题日益突出，因此，在液压系统工作过程中，需要确切的了解液压系统内部的压力和流量等，这对于防止系统出现意外故障和有效提高系统工作效率具有十分重要的意义。所以本系统选取液压试验平台的液压管道压力为被测对象。331压力测试系统的传感器选取根据本液压系统实验台，压力传感器要求压力变化范围：O-32Mpa，精度要求：02Mpa。压力测试硬件组成：332压力测试系统的信号调理模块信号调理是指将信号进行电学处理，调整至后续数据采集部件能用或能驱动记录设备的标准信号，即信号调理的过程是将微弱信号放大(或信噪分类)，转化为后续仪表可以直接利用的标准信号。信号调理电路的设计原则，是对有用信号起增益作用，对噪声干扰起抑制作用，信噪比是它的一项重要指标。传感器感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号。例如，热电偶、电阻式测温计(RTD)、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变为模拟数字转化器(analog-todigital，ADC)可测量的模拟信号。其他例子包括应力计、流速和压力。在所有这些情况下，传感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号。为了适合数据采集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过处理。从传感器得到的压力信号在通过数据采集卡之前同样要经过相关的调理仪器对信号进行处理。333压力测试系统的数据采集一般而言，所有能够在计算机控制下完成数据采集与控制任务的板卡产品都称为DAQ产品，这些产品分为内插式和外挂式板卡两类。基于LabVIEW的数据采集系统如下所示：数据采集是LabVIEW的核心技术之一，也是LabVIEW与其他编程语言相比较的优势所在。使用LabVIEW的DAQ技术，模拟信号数据采集是LabVIEW的DAQ中的一个主要功能，为用户提供了功能强大、方便快捷的模拟信号采集解决方案。34流量测试系统本测试系统是以国家自然科学基金试验平台液压试验平台为测试平台而进行的一系列机械量测量测试，以此液压实验台做流量信号源，以液压实验台的对于液压系统来说，最重要的两个参数就是流量和压力，两个参数要求精度高，稳定性好，易于调节。在多功能液压测试试验台中，流量调节控制涉及到电机、变量泵、流量调节阀、排量反馈传感器、电控模块、流量传感器、计算机、管路等多个环节，影响流量的有负载、压力、温度、泄漏等因素。在液压测试中，要得到准确的流量参数、必须对流量调节各环节进行分析计算，确定各环节对流量的影响【321。并采取措施改善流量调节的精性和稳定性。以提高流量控制精度。34 l流量测试系统的传感器选用根据本液压系统实验台，流量传感器要求流量变化范围：0 66m3h，精度要求：l级。工程机械仪器及相关设备的流量一般指的是在规定的时间中通过那些液体管道中的液体的数量，也可以用质量表示。分别用不同的符号表示印可。如何对流量进行测量，方法有很多，一般说来有下面这些：(1)通过对留过液体的容积的大小的测量。(2)通过流体流经时速度的变化测量。其中包括能量的变化、动量的变化等。涡轮流量计在奉流量测试系统中，选用的是国家自然科学基金的液压实验台，以其流量作为测信号源，针对此实验台的特点，综合多方面因素，决定选用速度式涡流流量传感器，由于涡轮流最计测量精度高、可重复性好，安装方便，是一种速度式流量仪表，由于具有测量精度高，反应速度快，测量范围广，价格低廉，安装方便等优点，被广泛应用于化工生产中1”】。鉴于涡轮流量计的应用在工业中特别是液压系统中的应用还是比较多，所以本论文在选择流量传感器时也选用了这一个，并且能与本液压实验台的规范要求相符合。这个传感器可以对流量进行累计的计量，也可以对瞬态的流量进行测试。流量信号通过传感器后传送到数据采集卡后进行需要的分析处理。342流量测试系统数据采集通过信号调理后的信号可以与数据采集卡设备相连，通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡，与计算机的连接可以采用多种方式。NI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethemet以及火线等各种总线【33 341。本文选用PXI总线的PXI6251多功能数据采集卡。利用LabVIEW的NIDAQmx软件，选择物理通道和任务输入通道进行流量信号采集。35温度测试系统温度是机械工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数，许多系统的工作都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度的场合及其广泛。目前的温度测量控制系统常采用单片机控制，该技术应用十分广泛，但其编程复杂，控制不稳定，系统的精度不高。而利用虚拟仪器开发和设计的温度测量系统，采用普通PC机为主机，利用图形化可视软件LabVIEW为软件开发平台，来监测温度的变化情况，采集数据并进行处理、存储、显示等。设备成本低，使用方便灵活。351温度测试系统传感器的选取本文的温度测量是以液压试验台的油液温度为被测对象。对温度的测量而言，温度传感器的选择是整个系统的第一步，也直接影响系统的性能的重要因素之一【43 441在各种温度传感器中，常用的有热电偶、热电阻、热敏电阻等，其中热敏电阻具有较好的灵敏度、较宽的电阻和尺寸选择范围，但是其输出是非线性的，一般具有负温度系数；热电偶可在赤道及以上范围内工作，到那时输出较低，因而要求对其进行特别调节，包括冷端点补偿等；热电阻是线性最好的，在200-,+500。C的温度范围内，可获及其广泛的应用。因此，在本文中，选择热电阻温度传感器。其工作原理为：热电阻测温仪是根据金属导体的电阻随温度变化的特征进行测温的。常用的铂电阻的特点是精度高，性能稳定可靠，被国际组织规定为一259-一+500间的温度测量。其阻值与温度的关系可以表示为：热电阻传感器需要外加电源将电阻值转换为电压值进行测量。通常通过平衡电桥将热电阻温度变化转换为电压的变化输出。然后进行放大，通过测量电桥输出电压变化求得温度值。常用三根引线的热电阻如图所示，它的原理是：在使用平衡电桥对热电阻B进行测量时由电阻体引出的三根导线，一根电阻与电源E串联，不影响桥路的平衡，另外两根的电阻被分别置于电桥的两臂内，它们随环境温度变化对电桥的影响可以大部分抵消。使用三根引线的热电阻如图所示，它的原理是：在使用平衡电桥对热电阻进行测量时由电阻体引出的三根导线，一根的电阻与电源E串联，不影响桥路的平衡，另外两根的电阻被分别置于电桥的两臂内，它们随环境温度变化对电桥的影响可以大部分抵消。本文所测温度变化范围：一20+120，精度要求O5级。选用的热电阻传感器如下：型号：Ptl00 厂家： 上海源本磁电技术有限公司主要技术指标：1、公称直径10mm2、输出信号4-20mA标准模拟信号3、供电电源电压：24V104、温度范围一201203 5 2温度测试系统的信号调理此温度传感器用温度变送器进行信号调理，温度变送器的T作原理：采用热电阻作为测温元件，从测温元件输出的信号送到变送模块，经过稳压滤波，运算放大，非线性校正和反方向保护等处理电路，转换为与温度成线性关系的420mA电流信号输出，在信号输出端加个220欧的电阻转换成0 8844V的电压信号输出。与Ptl00电阻温度传感器配套的是SBWZ 2460温度变送器，它的主要性能指标：型号：SBWZ一2460 厂家：海格仪表有限公司主要技术指标：1、公称直径lOroJn2、输出信号420mA标准模拟信号3、供压电源电压：24V士104、温度范围2012035 3温度澳4试系统的数据采集模块化设计数据采集，数据采集模块的设计对后续的数据显示和分析结果以及整个系统功能的实现，具有直接影响，本文利用NI公司的DAQ(DataAcQuisition)卡及其驱动程序设计这一模块，充分利用集成的功能全面的DAQ函数库和子VI，设计可以实现对数据采集的控制，包括触发控制、通道控制等的数据采集模块。第四章 机械测试系统的程序设计41总体设计思路随着科学技术的发展，对测试系统提出越来越高的要求，传统的测试系统模式已不能适应要求。为了从根本上改变传统测试系统模式，必须从概念更新入手，建立新型的现代测试系统。以计算机为中心，利用数据采集与传感器相结合的方式构成现代测试系统，将众多的测试仪器功能集成在计算机的一个“测试功能软件库中，通过与专用的采集卡和接口搭配，在一台计算机内实现了被集成测试仪器的全部功能，使测试技术的进步发生了质的飞跃。在对传统的机械工程测试系统测试过程及传统的测试仪器和现有的虚拟测试系统进行对比研究后，本文的系统总体的结构为：(1)本文设计开发的机械工程测试系统采用模块化结构，