基于虚拟仪器技术的六分力测试系统设计

1、2008年第27卷第12期传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies设计与制造基于虚拟仪器技术的六分力测试系统设计王俊,张伏,毛鹏军,雷龙(河南科技大学车辆与动力工程学院,河南洛阳471003摘要:为解决目前犁体外载的测定装置普遍存在数据采集精度不高和数据记录方法落后等问题,利用虚拟仪器技术开发六分力测试系统,实现了犁体外载的多参数实时数据采集、处理、显示、保存及控制等功能。基于Lab V I E W图形化编程软件,研究并开发了数据采集处理系统,设计测试与控制过程的虚拟前面板并得出数据分析结果。虚拟仪器在犁体外载六分力测试上的开发应用

2、,有效提高了试验过程的自动化和智能化水平及测试数据效率和精度。关键词:六分力;虚拟仪器;数据采集中图分类号:S126文献标识码:A文章编号:1000-9787(200812-0067-03D esi gn of m ea sure m en t syste m for si x2co m ponen t ofplow load ba sed on v i rtua l i n stru m en t technologyWANG Jun,ZHANG Fu,MAO Peng2jun,LE ILong(College of Veh i cle&Power Eng i n eer i n g

3、,Henan Un i versity of Sc i ence&Technology,L uoyang471003,Ch i n aAbstract:The devices of p l ow l oad exist in many p r oblem s including data collecting syste m with l ow p recisi onand data recording outdated methods.The measure ment syste m for the six2component of p l ow l oad is devel ope

4、dbased on virtual instru ment technol ogy,which has the functi on of data gathering,treating,showing,saving andcontr olling.The data collecti on and treat m ent syste m are studied and devel oped using operative p latfor m of Lab V I E W,and the result of data analysis is concluded thr ough fr ont p

5、anel of measurement and contr ol on functi onexperi m ents.The aut omati on and intelligent level and test efficiency and p recisi on of the experi m ent data on thesix2component of p l ow l oad are i m p r oved based on virtual instru ment.Key words:six2component;virtual instru ment;data collecti o

6、n0引言在犁耕过程中,犁体对土壤产生切割、推移和翻抛作用,引起土壤对犁体的反作用力,称为犁体外载。研究犁体外载对犁的合理使用和改进、减轻犁耕阻力、提高犁的使用寿命具有重要的指导意义1。犁体表面具有复杂形状,很难准确地测试作用在犁体各部分的力。如何准确测得犁体外载已成为农业机械研究中重要的课题之一2,3。目前,犁体外载测定装置研究已有70多年的历史,但现有测定装置的数据测量记录方法落后,人工处理和分析试验数据由于人为误差因素诸多,手工计算浪费时间,而且,试验精度不高,在犁体外载测定中,用传统的测定手段已难以满足需要。虚拟仪器技术将传统仪器和计算机软硬件技术充分结合,用以实现并扩展传统仪器的功能,

7、来完成数据采集、分析和显示,将虚拟仪器技术引入犁体外载测定方法具有重要的理论价值和社会价值4。本文研究了一种基于虚拟仪器技术的犁体外载测定系统,论述了犁体外载测定原理、系统的硬件组成、软件设计和测试功能。系统对提高犁体外载测定效率、降低测定成本、适应数据分析和现场实用性等方面具有一定的实践意义。1犁体外载测定原理犁体外载属于空间非交汇力系,在测定时,采用六分力法来测定相对于某一个参考点o的主矢量和主矩各自的3个分量:Rx,Ry,Rz,Mx,My,Mz(图1 。图1犁体外载六分力示意图F i g1Sche ma ti c d i a gram of si x2com ponen t of plo

8、w load收稿日期:2008-07-1076传感器与微系统第27卷通过测出作用在参考点o 的外载引起的在一个弹性体中几个不同点处不同方向上的应力,外载每个分力对某一个输出信号所施加的影响可以叠加,那么,各分力和各信号系数之间的关系可以用一个矩阵表示 A xB xF z=a 11a 16a 21a 26a 61a 66×R xR yM z,(1式中R x M z 为6个被测量的力和力矩;A x F z 为6个拉压 测量信号;A 为系数矩阵。在实际应用中,测量信号已知,只要获得矩阵A 就可以求解外载6个分力数值,见图2。图2六分力测量原理图F i g 2Pr i n c i ple d

9、 i a gram of si x 2com ponen t m ea sure m en t系数矩阵A 的求解方法是:在六分力仪某一参考点上多次施加不同大小的单一载荷R x ,分别记录6只传感器的响应数据,根据这些数据,用取平均值的方法求出每单位单一载荷相对应的平均响应值。这种加载条件用矩阵表示为A xB xF z=a 11a 16a 21a 26a 61a 66×1.(2根据矩阵计算方法,由试验可以得出系数矩阵A 的第一列系数a 11a 21a 31a 41a 51a 61。用同样的方法依次施加其余5个单一载荷,可以确定系数矩阵A 中第二至第六列系数。在六分力仪实际结构中,由于传

10、感器不可能处于绝对准确的位置以及沿各传感器的非测力方向的刚度不为零等原因,不可避免地会在施力方向出现与原施力值不等和其他方向出现不为零的测量值,影响测量结果与实际载荷的一致性。运用传递函数法,即采用单独施加各单向载荷标定的方法求出系数矩阵A 可以有效提高六分力仪的测量精度。用平均值法得出LY 2型架式六分力仪的传递函数矩阵为R x R yR z M x M y M z=0.058260-0.000432-0.000054-0.0036330.004742×A xB xC zD zE yF z.(32六分力测试系统设计犁体外载六分力测试系统总体设计采用PC DAQ 方案。六分力测试系统

11、控制仪器和系统由多传感器采集系统、PC 机平台和虚拟仪器软件构成,从而将犁体外载测试仪器虚拟化为PC 计算机为核心和硬件支持的数字化、智能化的虚拟测试系统。系统硬件主要包括LY 2型架式六分力仪、拉压传感器、车速传感器、耕深传感器及其有关测量部分、数据采集卡及主控计算机等组成,用于获取六分力仪的各种状态信号与参数,并使之变成标准的电压或脉冲信号。系统软件采用美国N I 公司的Lab V I E W 图形化编程软件编制,完成试验测量数据采集、显示、处理及分析过程。2.1系统硬件设计六分力测试系统的硬件包括基础硬件和外围硬件,系统的基础硬件平台选用LY 2型架式六分力仪和工业控制计算机,作为硬件系

12、统的核心,集中控制六分力的采集、分析计算、数据存储;外围硬件主要实现信号的采集与处理功能,包括拉压传感器、车速传感器、耕深传感器、信号调理电路和数据采集卡等。信号调理系统是虚拟仪器系统中最重要的部分,其功能和性能直接影响虚拟仪器测试系统的测试速度和测试精度。六分力测试系统的信号调理电路主要由滤波调整电路和信号放大电路组成。拉压传感器的构件应变通过Y D 15型动态电阻应变仪转换为电压信号,由于六分力仪在田间测试时,工作环境复杂,易受拖拉机工作的振动等外部噪声影响。因此,在将其转换为数字信号之前要通过滤波调整电路进行处理。结果表明:犁体外载是一个低频过程,六分力仪上6只传感器的信号频率集中在48

13、Hz,故采用低通滤波的措施来对此信号进行处理以减小噪声。信号放大电路,它将输入信号放大成为010V 的信号,从而控制调理电路的幅值,使信号能被后续的数据采集卡的处理,提高模数转换的精度。数据采集卡是测试系统的硬件核心部分,它主要完成86第12期王俊,等:基于虚拟仪器技术的六分力测试系统设计数据的采集、A/D转换等功能。本测量仪器采用美国N I公司的PC I6024E型数据采集卡。6024E是基于计算机PC I 总线的高性能数据采集卡,能连续、高速地采集数据。PC I6024E的主要性能为:12位A/D,D/A转换器;采样频率为200kHz;输入信号电压范围为+5V或±10V,16路模

14、拟输入通道,2路模拟输出通道;8个数字I/O,能够满足连续、高速地获取试验数据,并实现无遗失地传输数据的功能。2.2系统软件设计利用虚拟仪器检测犁体性能的关键在于软件系统,它包括系统软件和应用软件。系统软件提供了测试系统的工作环境,系统采用W I N DOW S操作系统;应用软件为六分力测试程序。该测试系统在硬件支持下,获取测量结果并实现采集数据的分析与处理,最后,通过界面输出分析结果或绘制参数曲线。系统软件部分利用Lab V I E W7.0开发平台进行设计,它采用数据流编程方法来描述程序的执行,用图形语言、图标和连线代替文本的形式进行编程,可方便地设计出符合用户需求的应用程序5。应用软件采

15、用了结构化和模块化的编程思想,在编程时将每一个细节任务编制成结构完整、功能相对独立的子程序块6。本系统应用软件包括如下功能模块:1数据采集模块:数据采集模块完成测量信号参量的采集,包括拉力信号、车速信号、耕深信号等。2信号处理模块:主要是对现场所采集的信号进行变换。数据处理模块是本系统软件的核心部分。它主要完成对采集数据的处理,利用Lab V I E W提供的函数与子程序库,对实时采集的动态数据进行矩阵计算和数据分析,并以数字、波形输出被测六分力的实时参数和自相关变化曲线等动态趋势与规律到界面。3数据存储模块:数据存储模块完成将采集的数据以一定的格式保存在文件中(数据保存在Excel中,而显示

16、波形以b mp格式保存,并存放在物理介质上,以便操作人员查阅和进行统计分析。3试验结果与分析六分力测试系统对犁体外载进行测试,试验区地块平整,为当年麦茬地,平均割茬高度为10.04c m。土壤含水率平均为15.78%,土壤坚实度为16.1kgf/cm2,土壤质地为壤质粘土,试验时,犁体选用旱地铧式犁。系统还可输出拉压传感器输出信号的自相关函数图形,实时对换算得到的六分力数值进行分析,见图3。显然本系统与传统的测试方法相比,具有操作简单方便、界面直观、信息丰富的特点,有效消除以往磁带记录的各种弊端, 降低了测试的劳动强度。图3六分力数据分析结果F i g3Results of da t a an

17、a lysis of si x2com ponen t从试验数据分析发现:土壤比阻同耕深、耕速之间,以及6个分力之间等都存在着符合某种规律的关系。例如:土壤比阻同耕深、耕速之间大致成正比的变化关系,Ry/R x和Rz/Rx分别在不大的范围内变化,My都为负值等。从绘制的传感器输出信号自相关函数图形的急剧衰减表明犁体外载是包含频率成分比较丰富的随机量。在测量中,传感器Bx,C z,F z的利用度较高,传感器A x,D z,E y的利用度比较低。上述规律模型有待于进一步研究分析。4结束语六分力测试系统的技术突破点在于,利用虚拟仪器、先进的数据处理方法、合理的控制手段对犁体外载进行了较全面的测试。在硬件选择上采用工业级数据采集卡,抗干扰能力强,工作性能可靠,精度高;编程软件采用可视化Lab V I E W语言,通过在计算机上实现的虚拟仪器显示操作面板为使用者提供了直观、便捷的人机界面。在试验条件下,对于犁体外载的各项测试都得到了满意的结果,为犁体的改进提供了有利参考。参考文献:1李翰如,孙凤楼,柯保慷,等.农业机械学(上册M.北京:农业出版社,1981:91-92.2阮玉斌,张性雄.驱动式圆盘犁扭矩测定系统的设计J.