毕业设计308 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发.doc
毕业设计308 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共26页)
编号：545004
类型：共享资源
大小：657.09KB
格式：ZIP
上传时间：2015-12-01
上传人：QQ28****1120
认证信息
个人认证
孙**（实名认证）
辽宁
IP属地：辽宁
6
积分
- 关 键 词：
-
电气电子毕业设计论文
- 资源描述：
-
毕业设计308 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发,电气电子毕业设计论文
- 内容简介：
-
5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 45 5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 5.1 引言 应变测量是机械工程中分析零件或结构受力状态、验证设计的正确性、确定整机在实际工作时负载情况和研究某些物理现象机理的重要手段之一，对发展设计理论、保证机械设备安全运行，以及实现自动检测和自动控制等都具有重要的作用。以应变测量为基础的机械量测量的内容极其广泛，例如测量对象的受力、变形、应力、位移、扭矩，以及材料的力学性质等等。传统的应变测量仪器以应变仪为主，它由测量电桥、放大器、相敏检波器、低通滤波器、稳压电源和振荡器等组成，如果要显示和记录数据，再配 备指示仪表、示波器和记录仪等，构成这样一个测试系统需要多台设备，设备之间必须很好的匹配，设备的选型、调试和使用比较麻烦，而且设备功能单一、固定。传统应变仪在测量的精度、稳定性和可靠性等方面都已经比较成熟，但仍然难以满足应变测量内容的多样性对应变测量仪器提出的各种不同的要求。 随着计算机的发展，虚拟仪器技术进入测试技术领域，使上述问题迎刃而解。1986 年美国 NI（ National Instrument）公司首先提出虚拟仪器（ VI， Virtual Instrument ）的概念，随后虚拟仪器技术逐步形成了一个以 计算机为基础，以软件为核心的完整的仪器体系。虚拟仪器并不完全等同于计算机辅助测试，它是一种新的工业标准，一种现代化的技术规范，一种建立在信号采集与分析理论基础之上，软硬件及其接口实现标准化，具有良好集成性与柔性的仪器体系。采用这个体系，按照它的规则操作，我们就能充分发挥计算机在数据计算、传输、存储和显示等方面巨大优势，投入最少的财力和人力，通过最方便快捷的途径，得到最高的测量精度和稳定性。 基于虚拟仪器技术的应变测试仪是将虚拟仪器技术应用于应变应力测试领域的一次尝试，研发的主要目的是解决以下传统硬件化应变测 试仪器无法或难以实现的几个问题： 多通道应力应变实时图形化显示； 应变采集数据的存储与回放； 任意时刻应力应变值测量； 多参量测量值超极限的自动报警； 波形与统计特征值的打印输出； 波形的放大与光标跟踪读数 。 nts重庆大学硕士学位论文 46 应变测试仪的测量范围可达 0 4000，其 分辨率为 1，最高频率可达400Hz，要求测量误差在 0.2%以下，测量通道数最大为 4 通道，仪器测试环境温度在 -30 +350 之间。 5.2 系统的总体设计 5.2.1 系统的组成 虚拟式应变测试仪由硬件和软件两大部 分组成，这里 采用 PC-DAQ 体系结构组建虚拟仪器。其原因是因为 PC-DAQ 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， 这种实现方案的性价比最佳。图 5.1 所示为基于 PC-DAQ 体系结构的 虚拟式 应变测试 仪的基本结构。 图 5.1 测试系统基本的结构简图 Fig.5.1 Basic structural diagram of test system 虚拟式 应变测试仪的硬件由传感器（电阻应变计）、信号调理电路（测量电桥、应变放大器）、数据采集卡（ A/D 板）和计算机及打印机等组成，如图 5.1 所示。其中传感器为电阻应变计 (Strain Gauge)，其作用是将被测应变 的变化 转换成应变计电阻的相对变化 R/R；信号调理（ Signal Condition）则包括测量电桥（ Strain Bridge）、应变放大器 (Strain Amplifier),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 R/R 转换成电信号（ u 或 i），转换后的电信号很小，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（ Data AcQuisition）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。 系统采用个人电脑系统，操作系统为 Windows 2000 (专业版 )，编程语言为计算机软件 应变信号调理模块 （ SSC） 传感器（应变计） 数据采集卡 （ DAQ） nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 47 Visual C+ 6.0 (企业版 )。硬件配置为： Pentium 以上， 64 MHz 以上的 RAM 和普通 打印机。 数据采集卡采用基于 PCI 总线的 A/D 数据采集卡，最高采样频率为200KHz，采样精度为 12bit， 单端 16 路，双端 8 路。采用含有电桥 激励电压、差动放大器、和低通滤波器的 DH3841 应变放大器。 5.2.2 系统软件的总体设计 虚拟式 应变测试仪的软件设计采用模块化编程，其主要优点是：单个模块容易编写、查错和测试，有利于程序设计任务的划分，模块可以实现共享，一个模块可被多个任务在不同的条件下调用， 易于组建、管理和升级 。根据测试过程的基本要求，系统的软件功能划分为 6 个模块：初始化模块、数据采集模 块、数据处理模块、图形显示模块、存储打印模块以及辅助功能模块。图 2 为系统总体设计程序框图。 Fig.5.2 Basic structural diagram of test system 5.2.3 系统软件开发平台的选择 虚拟仪器系统具有开发性、模块化、可重复使用性及互换性等特点，借助于一台通用计算机，用户通过软件可以构造任意功能的仪器系统，从而克服了传统仪器系统的缺点，极大地提高了开发效率，降低了投资成本。 目前较流 行的虚拟仪器软件开发环境大致有两类：一类是图形化的编程语言，代表性的有 HPVEE，LabVIEW 等；另一类是文本式的编程语言，如 C， Visual C+， LabWindows/CVI等。 （ 1） 图形化编程语言 图形化编程语言是专用编程工具，专用于开发虚拟仪器，如 LabVIEW、 HPVEE等，用它们进行开发像搭积木一样，不需要任何繁琐的计算机代码，是真正的工程师的语言。其中美国 NI 公司的 LabVIEW 是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，它有如下显著特点： 虚 拟 式 应 变 测 试 系 统 主 控 制 初始化模块 数据采集模块 数据处理模块 图形显示模块 储存打印模块 辅助功能模块 图 5.2 系统总体设计程序框图 nts重庆大学硕士学位论文 48 a) 图形化编程方式。不需要设计者输入任何文本格式的 代码。 b) 人机界面非常友好。它提供了丰富的仪器面板控显图形，从而形成了直观形象，图文并茂的仪器面板或测控对象流程。 c) 提供了传统的程序调试手段。如设置断点、单步运行，同时提供有独特的高亮执行工具，便于观察程序运行的细节。 d) 超强的分析运算功能。 LabVIEW 功能库中的众多功能框，可代替各类通用仪器内部的绝大多数元器件，更涵盖了经典数字信号处理及数学分析中的各种算法，同时还提供了上百个测量、分析、监控的虚拟仪器示例，供用户修改后使用。 e) 开放的开发平台。囊括了 DAQ、 GPIB、 PXI、 VXI、 RS-232/485 在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备与仪器。 f) 强大的 Internet 功能。支持常用的网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。 g) 继承了传统的编程语言中的结构化和模块化编程优点，支持多种系统平台，在任何一个平台上开发的 LabVIEW 应用程序均可直接移植到其它的平台上。 （ 2）文本式编程语言 文本式编程语言是一种是通用编程工具，如 Delphi、 Visual C+、 Visual Basic、Labwindows/CVI 等， 用这些工具开发具有成本低 ,不需再进行专业软件培训等特点。其中 Visual C+使用得比较普遍， Visual C+是美国 Microsoft 公司推出的第四代软件开发工具，是 面向对象的、功能强大的、可视化软件开发工具 ，其基本类库 MFC（ Microsoft Foundation Class library）使得开发 Windows 应用程序比以往任何时候都要容易，也使得 Visual C+成为开发工程测控领域软件的流行软件之一。与其它软件开发工具相比， Visual C+具有以下这些特点： a) 由于和 Windows操作系统皆为微软公司产品，因此开发出的软件具有最大的安全性和可兼容性，不会和后续的 Windows操作系统发生版本不兼容情况 。 b) 以 C、 C+为基础，便于开发低层硬件的驱动程序和与其他通信程序 c) 有功能强大的 MFC（微软基本类库）供用户调用，大大简化了程序员的编程工作，提高了模块的可重用性，有详细的 MSDN在线帮助，极大地提高了开发应用程序的效率。 d) 采用面向对象的编程方式，降低了程序设计的难度，使复杂的应用程序简单化。 e) 众多的开发商支持以及业已成为工业标准的 MFC类库，使得用 Visual C+开发的程序与别的应用软件有许多相似之处，易于学习和使用。 nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 49 因此，用 Visual C+开发虚拟仪器， 不仅简单易用，而且提供了良好的人机界面 ,利用其丰富的资源 ,使环境下的程序设计简单直观 ,其结构上的模块化设计有利于扩展功能， 在资金方面比较经济。 基于以上原因，虚拟式应变测试仪的软件功能采用了目前最为流行的 Visual C+开发工具来开发。 5.3 系统的硬件设计 5.3.1 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 力状态和构件的材质、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0K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，0K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0K=2，阻值 R 120欧的应变计。动态应变测量时还应该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，而且应变计应具有温度自补偿，如中航电测仪器股份有限公司生产的 BB250C 系列应变计。 5.3.2 应变放大器的选用 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。信号调理器的性能如直线性、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对测试精度有着重要的影响。 （ 1）直流放大器 由于应变信号非常微弱，故一般采用多级放大电路，按耦合方式可分为：阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。阻容耦合式放大器只能放大交流电压信号，故又称交流放大器；直接耦合式放大器又称直流放大器，能放大变化缓慢的信号，但容易出现零点漂移。如果采用差动式放大电路，即利用两个相同特性的三极 管组成对称电路，并采用共模负反馈电路的方法，就能很好地解决零点漂移问题。 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量精度的要求。例如，在恒压源供桥时，设电桥的输出电压为0U， 桥压 U =2.0V，应变计灵敏系数 K =2.1，系统所测最大应变为：max=4000=4103， 采用三种不同的组桥nts重庆大学硕士学位论文 50 方式， 则 单臂桥：0U= 4/KU (5.1) 半桥：0U= 2/KU (5.2) 全桥：0U= KU (5.3) 则放大器的最小输入电压为： 4/minmin KUU =2.12.01.010-6/4=1.0510-6V 最大输入电压为：maxmax KUU =2.12.0410310-6=0.0168V 由于 minU 为微伏（ V）级，要求放大器能够对 1V级的微弱信号进行放大，零点漂移要小于 V级或最多等于 V级。按现在通用的 A/D转换芯片的水平，一般要求输入信号在 100V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。 （ 2） 低通滤波器 滤波器是一种选频装置，能够使信号中特定的频率成分通过，而抑制或衰减其它频率成分。滤波器在信号传输与处理中占有重要地位，是频率分析和抑制噪声的有力工具。根据滤波器的选频特性，滤波器可以分为四类：低通、高通、带通、带阻滤波器；还可以分为有源与无源滤波器；模拟滤波器与数字滤波器。 由于所测量的应变信号的频率范围是 0Hz 400Hz， 不是太高，所以选择 低通滤波器，并且截止频率应根据所测应变信号频率而进行调整。低通滤波器在数字信号处理系统中用 作抗混滤波器。 理想的低通滤波器具有矩形幅度特性和线性相移特性，如图 5.3 所示。该滤波器低于截止频率 c 的频率成分予以传输，而无任何失真；将高于 c 的频率成分 图 5.3 理想低通滤波器 Fig.5.3 Ideal low pass filter 完全衰减掉。在实际应用中，滤波器都有一部分频率区间的过渡带，所以理想的滤波器是不存在的。实际滤波器的设计过程就是寻找逼近理想滤波器的过程，即|H( )| - c 1 0 c ( ) - c 0 c nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 51 寻求一个可以实现的衰减或上升特性来逼近理想滤波器特性，使衰减或上升变化处在所规定的限度内。在很多逼近准则中， 常用的是巴特沃斯（ Butterworth）和切比雪夫（ Chebyshev）型，其中巴特沃斯滤波器有所谓最平的通带，而切比雪夫滤波器的通带有 “纹波 ”。 巴特沃斯低通滤波器 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： ncKH2)(1|)(| (5.4) 式中， n=1,2,3, 为滤波器的阶次，即含有电容的个数， c 为 截止频率， K 为直流放大系数。 当 n=1，为一阶巴特沃斯低通滤波器，此时滤波器的低通特性很差。巴特沃斯低通滤波器的阶数 n 越高，滤波器的过 度带衰减得越快，即倍频程的衰减量增加，滤波效果越好，也就越接近理想特性。 理论上采用级联多个 RC 网络可提高滤波器的阶数，从而达到提高衰减速度的目的，但是阶数越大，其成本越高，还会带来其它的缺点。由于无源滤波器仅由电阻、电容、电感等无源器件构成，电阻具有衰减作用，因此很难获得矩形系数好的通带特性；而有源滤波器（含有运放）的有源元件能不断补充电阻造成的损耗，提高了滤波器的品质因数。鉴于大多数应变放大器采用巴特沃斯滤波器，所以本系统采用三阶巴特沃斯低通有源滤波器较为适宜。 巴切比雪夫低通滤波器 巴切比雪夫低通 滤波器的幅频特性有下式定义： )(1|)(|22cnCKH (5.5) 其中， K：直流放大系数； ：与纹波大小有关的常数； Cn： 巴切比雪夫多项式， n=1,2,3, 为滤波器的阶次； c：纹波终止点对应的角频率。 巴切比雪夫低通滤波器在带通内具有相等幅度的纹波，而且随着 n 的增加，纹波数目相应增加，同时衰减也增加，与理想特性的近似越好。 （ 3） 应变放大器的选用 选用 江苏靖江东华测试技术开发有限公司生产的 DH3841 型应变放大器，其技术性能如下： nts重庆大学硕士学位论文 52 仪器中包括激励电压、差动放大器、自动平衡电路、低通滤波器； 低漂移直流放大器 , 线性度好 , 测量精度高； 截止频率可选择的三阶巴特沃斯有源低通滤波器，滤波器截止频率 10Hz、100Hz、 1000Hz 分档切换； 抗干扰能力强； 测量通道数：一通道和四通道应变放大器组合； 增益换档： 100、 300、 1000、 3000 四档分档切换 ,各档间连续可调。 5.3.3 数据采集卡的选用 数据采集卡必须满足测量范围及采样速度，采样速度要高于通道数与通道采样率的乘积。对于慢变信号进行数字化，可以选择频率为 50Hz的整数倍的 A/D转换器，它会自动滤掉 50Hz的工频噪声。本次测量频率为 0 400Hz，通道数为 4个， 采样速度必须大于 4004=1600Hz=1.6KHz。为了保证数据采样精度，必须满足采样定理，工程中一般采样频率为： sf=(7-10) maxf N (N为通道数 ) (5.6) 则 sf=（ 7 10） 4004=11.2 KHz 16.0 KHz 根据前面分析，测量范围是 1 4000，为满足分辨率， 应选择 4通道模拟量电压输入， 12（ 212=4096）位 A/D转换的数据采集卡即可。在低速数据采集系统中多用双积分型（ DI:即 Double Integration），它的转换时间为 ms级，对于较高的速度，一般采用逐次比较型，其的转换时间为 s级。转换时间最短的是双极型，为毫微秒（ ns）级 ,这里选用逐次比较型转换器。 随着计算机技术与电子技术的发展， PCI 总线被广泛地应用于计算机，而 ISA总线将逐渐被淘汰， USB 数据采集卡由于携带方便，与笔记本 电脑配合使用简单的特点，会越来越得到广泛的应用，但价格相对较高。结合实际情况， 采用基于PCI 总线技术的数据采集卡，选用中泰公司生产的 PCI-8341 数据采集卡。 PCI-8341数据采集卡具有以下特点： 单端 (信号的其中一个端子接地 )16 路；双端 (信号两端都浮地 )8 路； 输入信号范围： 0 V 10V， 5V（ -5 V +5 V） ， 0 V 5V； 输入通道选择方式：单通道程序指定 /多通道自动扫描； A/D 转换分辩率： 12 位； 采样程控频率： 1KHz/5KHz/10KHz/50KHz/100KHz/200KHz； A/D 启动方式：程控频率触发 /程控单步触发 /外部 TTL 信号触发 /外部时钟同步触发； nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 53 A D 转换非线性误差： 1LSB（ 1 个数码位） 2.44mV。 5.4 系统的软件设计原则 软件是虚拟仪器的核心，利用软件可以定义和开发各种测试仪器，应变测试仪的运行界面如图 5.4所示。虚拟式 应变测试仪 所用的软件，除了计算机所必须的操作系统等基本软件外，还需要 I/O接口 设备驱动程序和用户应用程序。 虚拟式 应变测试仪 在软件设计中主要考虑以下几点： （ 1）交互界面友好。仪器面板友好美观，操作方便 灵活，功能一目了然，用户不需专门的培训就能很快地掌握仪器的使用方法。 （ 2）功能扩展性强。仪器的功能要便于扩充和完善，能根据用户的要求增加新功能，或者改变一些功能的处理方法，增强系统的灵活性，使用户能快速、方便地构建出所需仪器。 （ 3）低成本。在满足性能指标的前提下，尽可能采用简单实用的方案。最大限度地缩短软件开发周期，降低开发成本。 图 5.4 程序运行界面图 Fig.5.4 Interface of run program 本系统的软件开发以 Visuanl C+6.0 为开发平台，充分利用 Visuanl C+的开发向导 (AppWizard)和微软基本类库 (MFC)，开发了应变测试仪工程 (Strain)，该工程的视图类 CstrainView 由 CformView 类派生而来。为了使界面美观逼真，采用了动态贴图技术、右键弹出菜单技术以及鼠标跟踪读数技术等。 nts重庆大学硕士学位论文 54 5.5 软件开发流程 在软件开发时，先要进行同类测试仪器的调研、比较和可行性分析，充分考虑系统的测试要求。虚拟式应变测试仪在软件开发的过程中，遵循以下三个步骤进行，即仪器功能定制、功能模块开发和仪器集成测试 ，如图 5.5 所示。 图 5.5 系统软件开发流程图 Fig.5.5 flow chart of development system software （ 1） 仪器功能定制 充分考虑测试对象 零件或结构所受应变的测试需求，制定出虚拟仪器的分析功能；根据仪器的操作要求，确定仪器的控制功能；根据分析结果显示，制定仪器软面板的显示功能。 控制功能 控制功能就是用一些形象的面板来供用户使用，以方便 对测试系统进行控制和操作，这些形象的仪器面板正是虚拟仪器所具有的特点。控制功能包括按钮、光标和菜单，仪器的所有功能都可以通过按钮、光标和菜单共同来完成。用户通过点击各种按钮来设置各种参数，控制仪器得测试过程；通过移动鼠标来测量不同时刻的应变值及其它参数值；通过选择菜单来显示不同的参量。 显示功能 为方便使用者观测所测量的参数值，系统设计了虚拟显示器，实时图形化显示信号波形，同时还设计了形象逼真的数字式显示和数码显示，并通过鼠标拖动实时显示任意时刻测量值。 分析功能 分析功能是虚拟仪器系统的核心部分， 这部分要完成对所测信号进行分析和处理，包括时域分析和频域分析，必要时进行数字降噪和数字滤波等处理。 （ 2） 功能模块开发 这部分工作就是具体实现测试系统所定制的各种功能模块，这些功能模块包仪器功能定制 仪器集成测试 功能模块开发 分析功能 控制功能 显示功能 图形显示模块 数据采集模块 初始化模块 数据处理模块 储存打印模块 辅助功能模块 按钮光标 时域分析 频域分析 菜单 单通道 多通道 nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 55 括 初始化模块、 数据采集模块、数据处理模块、图形显示模块、储存打印模块和一些必要的辅助功能模块。将所开发的功能模块添加到功能库中，以供选用。每个模块的详细功能将在后面加以介绍。 （ 3）仪器集成测试 将购买的硬件与编制的软件组成有机体，进行实际的整机测试，通过对测量结果进行误差分析，并对测试系统作相应的修改，直到测量精度达到设计的要求 。 5.6 软件功能总体设计 虚拟式应变测试仪的软件功能不但具有良好的可移植性、可扩充性和可升级性，而且具有丰富的分析处理功能，能进行时域及频域的分析处理，所有的处理功能都可供在线和离线事后分析，可以使用对信号波形进行实时显示，统计出信号的特征值。另外系统还设计了一些辅助功能，如超极限报警、光标跟踪读数等。时域分析包括计算最大值、最小值、平均值、均方差、曲线拟合和相关计算等，频域分析包括幅值谱计算、功率谱计算等。应变测量时，测试件材料的弹性模量和泊松比、电桥方式、应变计电阻、应变计灵敏度系数、放大器增益系 数等由软件完成并对测量结果进行自动修正。为提高测量精度，减少噪声干扰，系统还增加了数字滤波程序。详细的软件功能总体设计框图如下图 5.6所示。 图 5.6 虚拟式应变测试仪系统功能及测试软件 Fig.5.6 flow chart of development system software 信号分析 开始 误差修正 数字滤波 中值滤波 算术平均滤波复合滤波 测试数据管理 计算机显示 时域波形频谱图 统计表格数字显示极限报警 应变计灵敏系数修正 温度影响系数修正 长导线电阻 修正 横 向系数修正 电桥非线性误差修正 校正实验 数据采集 时域分析 频域分析 幅值谱 功率谱 极值 均值 方差 概率密度 相关分析 FFT 放大器非线性误差修正 参数初始化 打 印 数 据库 存储 标度变换 nts重庆大学硕士学位论文 56 5.7 主控制模块 为了使各模块之间按照系统的框架协议协调动作和相互通信，从而共同完成仪器的操作，应用程序中设计了主控制模块。 虚拟仪器的软件部分是通过 Visual C+的 MFC 应用程序向导来实现的。 MFC是一个 Windows 应用程序框架，它定义了应用程序的结构，并实现了标准的用户接口；它以文档 /视图为结构，文档用来保存数据，文档通过视图与用户进行交互，文档的内容通过视图窗口显示给用户。主控制模块在视图类中实现，主要提供用户接口，在用户通过鼠标或键盘发出指令后，主控模块通过统一调度各功能模块，实现用户操作意图。用户的操作主要由以下函数来实现： void CStrainView:DisplayTimeWave() /时域波形显示 void CStrainView:DisplayFrequencyWave()/频域显示 void CStrainView:DisplayBackWave() /波形回放 BOOL CStrainView:OnSave() /调用保存文件对话框进行数据存储 BOOL CStrainView:OnPlayback()/调用打开文件对话框进行调用数据 void CStrainView:OnReset() /复位操作 void CStrainView:OnInitialize() /参数初始化 void CStrainView:OnAlarmSet() /报警设置 void CStrainView:OnContextMenu(CWnd* pWnd, CPoint point) /显示切换 void CStrainView:OnSamplingSet() /采样设置 void CStrainView:OnStarSampling() /采样开始 void CStrainView:OnStatistic() /统计特征值 void CStrainView:OnTurnPage() /翻页操作 void CStrainView:OnLabel() /标定 void CStrainView:OnFiltering() /数字滤波 void CStrainView:OnEnlarge() /波形缩放 void CStrainView:OnMove() /波形移动 void CStrainView:OnMouseMove(UINT nFlags, CPoint point) /鼠标跟踪（移动） void CStrainView:OnPrintDlg() /数据和波形打印 void CStrainView:OnMinimize() /界面最小化 void CStrainView:OnExit() /关闭程序 用户通过软面板上的各个按钮、菜单和光标操作，就可以实现主控制模块的这些函数，然后由这些函数来控制相应的软件功能模块，从而实现测试任务。从使用的方便上来讲，这与硬件化仪器的操作没有什么区别，这使得任何一个会操作硬件仪器的人也可毫不费力地操作虚拟仪器，实现两者之间的平滑过渡。 nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 57 5.8 初始化模块 初始化模块主要用来设置各种参数，为计算机后续的数据处理提供参数依据，图 5.7 展示了参数初始化设置界面图 。初始化模块的参数设置包括：测试对象参数设置和传感器、放大器的参数设置。初始化模块由 CInitializeDlg 类和CTestConditionDlg 类来具体实现。它们都是由 CDialog 类派生而来。用户使用初始化模块，通过 CStrainView:OnInitialize()函数的调用来实现。 图 5.7 参数初始化设置界面图 5.8 测试条件与组桥方式设置界面图 Fig.5.7 Interface of initializing parameter Fig.5.8 Interface of test condition and bridge mode setting （ 1） 测试对象参数设置 这些参数设置包括试件材料的弹性模量 E 设置、泊松比 设置、基本尺寸（如直径 d、高度 h 等）设置以及测试条件的选择。当单击软面板上 “初始 ”按钮时，便弹出参数初始化设置界面，该功能的实现是通过 CStrainView:OnInitialize()函数来完成的。测试条件的选择包括电桥连接方式（如单臂、半桥和全桥）、贴片方式和不同的受力状态等，点击参数初始化设置界面上的 “测 试条件 ”按钮，即弹出测试条件与组桥方式设置界面，如图 5.8 所示。这些参数在设置时，必须查阅相关的技术资料。 （ 2） 传感器、放大器的参数设置 参数设置包括： 应变计灵敏系数 K 设置、 应变计电阻 R 设置、供桥电压 U 的设置以及放大器增益系数 G 设置等。其中 应变计灵敏度系和 应变计电阻由应变计生产厂家提供，如果对测试精度的要求较高，则还应对其进行校对。 本测试系统向用户可提供了常用参数的默认设置，用户在使用过程中也可以根据实际情况来更改参数值。 nts重庆大学硕士学位论文 58 5.9 数据采集模块 （ 1） 采 样 界面操作 数据采集模块的作用是 对模拟输入信号进行采集、量化 和编码， 将连续的模拟信号转换成离散的数字信号 。数据采集是用户通过操作虚拟仪器 “采样设置 ”按扭控件和 “开始采样 ”按扭控件，由 A/D卡和数据采集程序协同完成的。 在正式测量之前，应先采集应变电桥的初始不平衡点的相应通道的零点值，并存放在计算机内存中，正式测量时，采集数据减去相应零点值，从而消除电桥的初始不平衡所带来的误差，既提高测量精度，又提高了效率。系统未接通测试对象时，分别对每个通道采集 128个零点值，然后求出平均值，作为该通道的初始零点值。 正式采样之前，首先要设置 A/D 卡的采样频率和采样长度，这通过 “采样 设置 ”按钮，由 CStrainView:OnSamplingSet()函数来实现。由于 Visual C+是基于消息处理机制的，用户先在采样设置对话框中设置好各种采样参数，如采样频率、采样点数以及采样通道等，然后通过鼠标来点击 “确定 ”按钮，这时系统便产生与之相应的消息，通知执行消息处理函数，在消息处理函数中完成用户设置的各种参数。通道号设置为 1 通道 4 通道的任意组合，采样频率由用户根据实际情况设定： fs =(7-10) fmax N，其中 N 为 4， fmax为滤波器（应变放大器）输出信号的最高频率，采样点数一 般为 2n，其中 n 为自然数，常用的采样点数为 512、 1024 以及 2048 等。采样参数设置界面如图 5.9 所示，其默认设置为：采样频率为 400Hz，采样点数为1024，测试通道为 1。 图 5.9 采样参数设置界面 Fig.5.9 Interface of initializing sampling parameter 当完成 A/D 卡的初始化后，通过点击 “开始采样 ”按扭控件，完成对所测信号的数据采集任务。开始采样功能由函数 CStrainView:OnStarSampling()来实现。 （ 2）采样方式的类型 nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 59 对信号的采样有一定控制方式， 采样控制方式一般可分为三种：程序查询方式、中断控制方式和直接存储器存取 DMA 方式。 程序查询方式 所谓程序查询就是通过软件的底层操作指令，来让 CPU 不断地询问 A/D 转换器的状态，了解 A/D 转换器是否转换结束，若转换结束，则将转换结果送入内存做进一步处理，如此周而复始。查询方式编程简单，对硬件要求较少，无须保护现场，软件开发和调试比较容易，但它占用大量 CPU 的时间，使其利用率不高，当实时系统给定时间限制时，软件编制相对较难。所以，当查询 方式能满足系统等待的时间要求时，或一个系统专门采集几个模拟信号源的特殊情况下，查询方式比较满意。当采集系统实时性要求不高时，就可以采用程序查询方式进行采样，一般在机械工程应用中，多采用程序查询方式。 中断控制方式 采用中断方式时， CPU 首先启动 A/D 转换命令，然后继续执行主程序，当A/D 转换结束时，则通过接口向 CPU 发出中断请求，请求 CPU 暂停工作，不取转换结果，当 CPU 响应 A/D 转换器的请求时，便停止正在执行的主程序，自动转移到读取转换结果的服务子程序中，在执行完读取转换结果的服务子程序后， CPU又 回到原来被中断的主程序继续执行下去。中断方式有很强的实时处理能力，可以充分发挥 CPU 的效率，但是，这种方式的软件开发和调试比查询方式要困难些。通常中断方式应用于主程序要同时处理其它任务，不宜接受查询的情况下，以及一个或多个模拟信号源要实时采集而不允许错过的场合。 直接存储器存取 DMA 方式 DMA 方式是一种由硬件来完成数据传送操作的方式，数据直接在外部设备和存储器之间进行传送，而不必通过 CPU 和 I/O 通道，因而可以最大限度的把 CPU用于主程序，同时也大大提高了数据的采集速率。 DMA 方式传送数据的速度最快 ，但其硬件花费较高，常用于高速数据采集系统。 （ 3） 本系统的采样程序 由于虚拟式应变测试仪的采集信号的频率范围是 0 400Hz，对采样频率要求不是很高，故采用程序查询方式采样较为适宜。采样的流程图见图 5.10 所示 。 系统采用的程序查询方式的采样流程为：当需要采样时，首先要创建一个设备对象句柄，以取得对该设备（采集卡）的控制权，然后将此句柄作为参数传递给其他函数来初始化设备的 A/D 部件，如设置采样频率、采样长度、采样通道、放大增益等，并启动 A/D 设备进行采样，将转换结果存入所开辟的内存中供用户数据处理时调用，采集 结束，释放设备。 nts重庆大学硕士学位论文 60 图 5.10 采 样 流程图 Fig.5.10 Flow chart of sampling 一般每个采样周期都需要对每个模拟信号进行多次采样，以保证能获得可靠的采样值。 5.10 数据处理模块 虚拟式应变仪的核心部分是数据处理模块，该模块的主要功能是将数据采集模块采集得到的应变信号进行分析与处理。虚拟式应变测试仪的数据处理模块主要包括标度变换、数字滤波、数据的二次处理等几个方面。 5.10.1 数据处理概述 测试信号分析与处理的基本问题，是为了获得测 试结果而对信号进行检测、判别、参数分析、特征识别以及解决传输与储存问题而进行必要的数据压缩等。具体来说，包括信号的参数分析、频谱分析、滤波以及统计特征分析等。在信号的参数分析中，通常需要对信号的幅度、频率、周期、相位、时延、频偏等参量作出分析。在信号成分单一的情况下，参数分析的任务是设法提取参数，而在信号成分比较复杂的情况下，例如多种频率分量共存时，参数提取问题就不再是一个单一的问题，往往要结合频谱分析、统计处理以及建模分析等方法对信号进行综合处理。 开始 创建设备对象 初始化和启动 A/D 读取 A/D 数据 结束 改变通道或频率 ? 释放设备对象 Y N nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 61 频谱分析的主要目的是将信号分解成一系列单一的成分，以便弄 清信号的组成，从中判别出有用的信号，并进一步分析出有用信号的特征，区分有用信号与无用信号之间、有用信号不同分量之间的相互关系。例如信号的带宽、有用信号的频率范围、干扰信号的范围与统计特性等。滤波则是在信号特征明显的基础上，借助滤波程序去掉信号中的无用量而保留有用信号，使后续信号的处理和存储更为有效和精确。综上所述，数据处理的任务一般包括以下三个方面： （ 1） 对采集到的电信号作物理解释 仪器检测的物理量，一般均通过传感器转换为电量，再经过数据采集系统的转换后，得到与被测量相对应的数字量。该数字量虽然含有被采集物理量 变化规律的信息，但是没有明确的物理意义，不便于进一步的处理和使用，因此必须把它还原成原来对应的物理量。通常采用一定的处理技术将这些数字量转换成相应的物理量，这一技术称为标度变换。 （ 2） 消除数据中的干扰信号 在数据的采集、传送和转换的过程中，由于系统内部和外部干扰，或多或少会在采集的数据中混入干扰信号。即使在硬件上采取了抗干扰技术，如使用抗混滤波器、合理布线、对导线进行屏蔽及接地处理等，但往往还会使系统采样得到的数据偏离真实值，因而必须采用各种方法（如滤波、剔除奇异项等）最大限度地消除混入数据中的干扰信号 ，以保证数据的正确性。 （ 3） 分析计算数据的内在特征 通过对采集到的数据进行变换加工（如求平均值或作傅立叶变换等），或在有关联的数据之间进行某些相互的运算（如计算相关函数），从而得到能表达该数据内在的二次数据。 5.10.2数字滤波 测量系统中，存在各种干扰信号或噪声，为提高数据的真实性，必须从软件上对数据进行预处理，使结果更为准确，这种预处理主要就是采用数字滤波。采用数字滤波技术的优点是：数字滤波只是一个计算过程，不需要增加硬件设备，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配问题；模拟滤波器在频率很低时较难实现的 问题，不会出现在数字滤波器的实现过程中；只要改变数字滤波程序或有关的滤波参数，就能很方便地改变滤波特性。因此数字滤波使用时方便灵活，可以多个通道共用一个滤波程序，故在实际工作中广泛采用。虚拟式应变测试仪采用三种数字滤波方法，即中值滤波、算术平均滤波和复合滤波。 中值滤波法 中值滤波就是对被测参量连续采样 n（ n 取奇数）次，然后将 n 次采样值按大小排序，取中间值为本次采样值。中值滤波能有效消地克服因偶然因素引起的波nts重庆大学硕士学位论文 62 动或采样器不稳定引起的误码等造成的脉冲干扰。中值滤波适合于静态或缓变信号，如温度、液位等，但是对 于快速变化过程中的参数不宜采用。中值滤波程序流程图如下图 5.11 所示。 图 5.11 中值滤波程序流程图 Fig.5.11 Flow chart of median filter 算术平均滤波法 对被测参量连续采样 N 次，然后将 N 次采样值（分别为 X1 至 XN）相加，取其算术平均值 X 为本次采样值，即 Ni iXNX 11 (5.7) 设 iii nSX (5.8) DA中间值 In-1 ？ Y 中值滤波程序 I循环初值 1 S(I)n ？ N N J I+1 S(I)与 S(J)互换 J J+1 I I+1 返回 Y N Y nts5 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发 63 复合滤波程序 调排队子程序 计算 12Ni ix 求平均值 ixN 21返回 其中， iS：为采样值中的有用部分信号； in：为混入的随机信号。 则 iNiNi iiNi inNSNnSNX 11111)(1 (5.9) 按统计规律知，随机信号的统计平均值为零，故有 Ni iSNX 11 (5.10) 显然，采用算术平均滤波法可以有效地消除随机干扰，滤波效果主要取决于采样次数 N，采样次数越大，滤波效果越好，但是系统的灵敏度要下降，因此这种滤波方法只适合于慢变信号，不适合脉冲干扰。 复合滤波法 算术平均滤波与中值滤波都有一定的缺陷，算术平均滤波法不易消除由于脉冲干扰而引起的采样偏差，中值滤波法由于采样点数的限制，使其应用范围缩小，如果将这两种方法的优点合二为一，就是复合滤波法。 复合滤波法就是先选用中值滤波法滤掉由于脉 冲干扰而有偏差的采样值，然后把剩下的采样值作算术平均。该方法既可以去掉脉冲干扰，又可对采样值进行平滑处理，其采样原理可用下式表示： 若 Nxxx 21)43( N 则 )2/()( 132 NxxxY N (5.11) 图 5.12 复合滤波程序流程图 5.13 数字滤波选择界面 Fig 5.12 Flow chart of compound filter Fig 5.13 Interfacet of choosing digital filter nts重庆大学硕士学位论文 64 虚拟式应变测试仪的数字滤波选择界面如图 5.13 所示，当用户用鼠标单击主程序运行界面上的 “滤波 ”按钮时，便打开了数字滤波选择对话框，用户只需选中相应的滤波方法后，再单击 “确定 ”按钮，就可以产生相对应的消息，程序就会自动加载该数字滤波程序。 5.10.3 标度变换 测试系统在使用之前要进行标定，以减小测量误差。通过标定，可以使测 试系统的固有系统误差和某些干扰因素所引起的系统误差得以排除，提高系统的精度和稳定性，同时还可以进行工程标度变换。 在正式测量之前，由标准仪器产生一系列的标准应变i，通过对这些标准信号进行采样，就得到不同的数据，将这些数据转换成电压信号，得到一系列电压值iU，通过曲线拟合，得到如下关系式： baU (5.12) 因此，只要我们知道所测信号经采集后的电压值，就可以根据上面的关系式计算出对应的应变值。由于本测试系统为多通道信号输入，因此，在进行标定时必须对每一通道分别标定。 5.10.4 数据二次处理 由于信号一般是随机过程，因此常用四种类型的统计函数来描述它的基本特征，即均方值，概率密度函数、自相关函数和自功率谱密度函数。这里，均方值提供数据强度方面的描述；概率密度函数提供幅值域内的有关特性；自相关函数和功率谱密度函数分别在时域和频域上提供有关的信息。 此外，再不少场
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
|
2:不支持迅雷下载,请使用浏览器下载
3:不支持QQ浏览器下载,请用其他浏览器
4:下载后的文档和图纸-无水印
5:文档经过压缩，下载后原文更清晰
|
川公网安备: 51019002004831号