桥梁结构试验测试系统设计说明

1、桥梁结构试验测试系统设计课程设计指导老师：张训文宇航学院学院:专业:班级:学号: 姓名:目录系统设计技术指标1.1 系统设计技术指标1.2 系统设计要求二 数据采集系统设计分析2.1 数据采集系统概述2.2 数据采集系统方案分析2.3 数据采集系统方案选择三 计算机数据采集系统设计3.1 传感器的选择3.2 放大器的选择3.3 A/D 转换器的选择3.4 记录仪器的选择3.5 测试系统框图3.6 测试系统误差计算四 计算机数据采集系统程序设计4.1 程序所用语言的选择4.2 程序流程图4.3 程序分析（程序说明）4.4 程序清单五 课程设计总结 参考文献B.计算机记录方System ）是一、测

2、试系统设计技术指标1.1 、测试系统设计技术指标1 测量参数A.测试主推力F：0150KNB.加速度a1：0200g ；a2：0400g ；a3:01000g;C.测试位移W1：010mm;W2:010mm;2测试系统精度要求：< 1.0%3 采集通道 ; 6 路 （分别测量 6 个参数）4 采用两种记录方式： A. 磁带记录方式式1.2 系统设计要求1 、测试系统设计分析，确定最佳方案。2 、计算机数据采集系统设计。3 、六路信号采集程序设计及分析。二、数据采集系统设计分析2.1 数据采集系统概述计算机数据采集系统（ DAS ，Data Acquisition计算机技术与传统的测试技术

3、相互结合而产生的自动测试技术。它可以满足现代科学实验和生产过程中，测量精度高、路数多、速度快、 结果显示和打印形式多样化的要求。数据采集系统包括模拟系统和数 字系统两部分，能完成对信号的采集、转换、处理等功能。一个完善 的数据采集系统包括前置放大器、采样保持器、A/D转换器、计算机和各种记录仪器。2.2数据采集系统方案分析数据采集系统的设计方案主要有以下三种:1、单片机数据采集系统图2.1单片机数据采集系统框图优点：结构简单，价格低廉，使用灵活，应用广泛缺点：扩展性能差，存储、显示、数据处理功能差2、“计算机+A/D转换器”组合型数据采集系统图22“计算机+A/D转换器”组合型数据采集系统框图

4、优点：扩展性好，价格适中，测试通道多缺点：采集程序需自行开发3、整机行数据采集系统图2.3整机行数据采集系统框图其中动态测试分析仪是A/D (或A/D D/A )采集卡，计 算机和软件的组合体。优点：操作方便缺点：价格高，扩展性差2.3数据采集系统方案选择分析系统设计技术指标可知，此测试系统简单，测试通道是6路, 采集频率适中(10KHZ)，故采用方案1或方案2能达到较高的效费经过分析， 采用单片机数据采集系统能够达到设计要求， 同时单 片机测试系统还具有结构简单、使用灵活、价格低廉的优点，而且这些优点对于室外环境下的测试是十分明显的。但是考虑到综合效应， 比如测试系统对数据实时显示、 数据实

5、时处理分析、 数据处理等方面 的要求，故不采用单片机数据采集系统。综上分析，此数据采集系统采用方案 2 “计算机 +A/D 转换 器”组合型数据采集系统。三、计算机数据采集系统设计3.1 传感器的选择3.1.1 传感器的选择原则(1) 完成一个具体的测试任务或控制任务， 首先要考虑用什么类 型的传感器，这需要分析许多因素才能决定。因为，要检测某 种物理量，有多种传感器可供选择。在机电一体化检测控制系 统设计中，我们考虑了以下几个具体问题：A. 传感器量程的大小B. 传感器的体积，允许安装位置C. 安装方式，接触式还是非接触式D. 信号的引出方式，有线或非接触测量E. 传感器的来源，国内、国外或

6、自制考虑以上问题后，就能确定采用什么类型(电阻型、电压 型、电感性、电容型、热电偶、光电式传感器)的传感器，然 后我们进行了具体的选择。还应注意在多参数数据采集系统中，应尽量选用同一类型 的传感器，这样就能大大简化放大电路的设计。2 量程的选择主要依据是被检测信号的大小，考虑到传感器的线性适用 范围和被检测信号具有偶然性的因素，传感器量程的选择应该 有余量。选择的原则是：A: 一般性检测：Pmax >( 1.21.5 ) PxB:实验研究性测量：Pmax > (23)PxC:控制信号检测：Pmax >(1.22 ) Px3 频率响应特性传感器的频率响应范围必须覆盖被检测信号的

7、带宽，确保 被测信号的频率范围内所得的测试结果不失真。实际上传感器 的响应总会有一定的延迟时间，延迟时间越短越好。在工程检测和控制系统中，常用的传感器如利用光电效应， 压电效应等类型的传感器，其响应的速度快，能检测的信号频 率范围较宽，而结构型传感器如电感式，电容式，电磁式，电 阻应变式等，由于受到结构特性的影响，固有频率较低，可测 信号的频率通常小于 5KHz 。选择传感器时，应根据被检测的信号的特点(稳态，瞬态， 随机等)进行选择，选择的原则是fn >( 510 ) fxfg >( 1.21.5 ) fx其中fn :传感器的固有频率。Fg :传感器的工作频率4 稳定性与可靠性传

8、感器在使用一段时间后，其性能不发生变化的特性被称 为稳定性；在不同的环境和使用条件下，其性能不发生变化的 特性称为可靠性。为了保证传感器在使用过程中性能稳定可靠， 在使用之前应对其工作的环境进行调查，从而选择合适的传感 器。例如，测量喷气式发动机的内压力，就应该选择耐高温， 耐冲击，耐振动的压力传感器，在温度变化较大的场合使用应 变式传感器，就应该考虑温度的补偿保护问题，在环境较差时， 应选择抗干扰能力较强的应变式传感器，同时应考虑屏蔽保护 的问题，在振动测试中，应选择压电式传感器，它的体积小， 重量轻，不易对被测对象产生影响。5 精度传感器的精度是保证整个系统的测试精度达到设计要求的 重要环

9、节。传感器的精度越高，价格越贵，选择时应在满足同 一测量精度要求的情况下选择比较便宜简单的。3.1.2 传感器的选择1 ）测试主推力测量方案测量范围：0150KN ;采用电阻应变式力传感器，型号为 BK 系列，参数为:A 量程: 200KN (工程上单位换算 : 1KN = 100Kg ， 100KN = 1t )B 频率： 10KHZ C ： 精度： 0.5%D .外形尺寸：© 65*88 (L) *75 (B) mm.2) 加速度 a1 测量方案：测量范围：0200g采用YA11系列加速传感器A.量程：500g B:频率：50KHz C:精度：0.5%3) 加速度 a2 测量方案

10、：测量范围： 0400g采用 YA11 系列加速传感器A.量程：500g B:频率:50KHz C:精度：0.5%4) 加速度 a3 测量方案：测量范围： 01000g采用 YA11 系列加速传感器A.量程：2000g B:频率：50KHz C:精度：0.5%5) 位移 W1 测量方案：测量范围： 010mm采用传感器 WD50AA.量程：20mm B :频率：2KHZ C:精度：0.5%6) 位移 W2 测量方案：测量范围： 020mm采用传感器 WD50AA.量程：50mmB :频率：3KHZ C:精度：0.5%3.2 放大器的选择放大器的选择原则选择放大器时，应根据传感器的类型来选择放大

11、器的类型， 应该与传感器的类型相匹配。具体选择原则是：（1）应变式或电阻型传感器 应选择动态电阻应变仪，信号调节器，应变放大器，自动 校准放大器等。根据具体测量信号频率和精度选择不同型号的 放大器。主要有BZ2202系列（手动、自动：1路、2路）、丫E38（KD600 ）系列、 YB 系列，一般放大倍数为 01000 ，频率 为 10K 150KHz ，精度为 0.1%-0.2% 。（ 2 ）压电传感器应选用电荷放大器，主要有 YE5850、5007、9013 , 这些都是超低频的（ 0-100K ）。具体型号可参考电荷放大器 使用手册。（ 3 ）电感、电容式传感器应选用载波交流放大器配套。根

12、据具体的检测与控制精 度要求，选择相应型号的交流放大器。可参考放大器使用手 册。（ 4）热电偶式器应选用直流电压放大器（ 5 ）光电式式传感器应选择相应的光电转换器，根据具体的检测与控制精度要 求，选择相应的配套光电放大器；也可用三极管（ 9013 等）组 成开关电路。3.2.2 放大器的选择方法在本次桥梁结构实验相关参数的测试，查阅放大器手册后， 此系统可先择 BZ2202 型动态电阻应变仪，参数为：放大倍数：K = 01000 ,根据测试信号要求分档选择放大倍数频率： 1KHZ ， 3KHZ ， 5KHZ ， 10KHZ ， 30KHZ ， 150KHZ ，精度： 0.5% ， 0.1%

13、， 0.02%3.3 A/D 转换器的选择1 A/D 转换器的主要性能指标；(1) A/D 转换器采集频率： 10KHz 100MHz10KHz 1 00KHz 低速采集板100KHz 330KHz 中速采集板500KHz - 1 00MHz 高速采集板(2) A/D 转换器的位数8 位板， 10 位板， 12 位板， 14 位板。 16 位板(3) A/D 转换器的通道数2 路， 4 路， 6 路， 8 路 16 路。(4) A/D 转换器的精度1%0.5% ， 0.5%0.1% ， 0.1 % 0.05% ， 0.005%(5) A/D 转换器的型号SC 系列 PLC 系列 CS 系列 D

14、AS 系列2 A/D 转换器的选择方法设计数据采集系统的选择原则A 采集频率的确定 : FsB. 并行采集工作方式的： Fs > 20FcC 串行采集方式的 Fs > n*20 Fc其中Fc :信号频率 n：工作通道数 Fs : A/D 采集频 率。D 采集精度 根据测试系统的精度要求选择转换板。常用 12位的 A/D 转换器的精度小于 0.05% 。计量部门常用的是 14 位的转 换精度为 0.01%,0.005%,0.002%,0.0002%E:输入方式：常用差分输入方式，程控方式F :启动工作方式:程序控制方式，外输入电压控制方式，自动启动方式3 常用转换板型号A/DSC 系

15、列PCL 系列CS000 系列转换器的选择，采集频率：30KHZ10 MHZ采集频率 ： 100 KHZ MHZ采集频率：1.25 MHZ 00 MHZ此系统选择 SC105 型的 A/D 转换板，参数为:A .分辨率：12位；B.最高采样频率：330KHZ ; C.精度:0.05%3.4 记录仪器的选择341记录仪选择方案（1）磁带记录方式由于磁带具有容量大，存储时间长的特点，因此选择磁带机作为 一种记录仪器。磁带上记录的是模拟电压量。（2 ）计算机记录方式计算机记录数字量的实验数据，便于数据处理分析和长久保存。342记录仪器的选择（1）磁带机记录：型号：TEAK DX2000精度：0.2%

16、（2）计算机记录：机器配置：P4采用程序存盘记录方式记录数据。3.5测试系统框图3.6测试系统误差计算根据系统总精度计算公式：（一2 （一2）（一3）其中1传感器精度2中间变换器精度3 记录仪精度（1）磁带记录仪F(1)2(2) 2(3)-(0.5%)2(0.5%)2(0.2%)20.73%<1.0%a,(1)(2) 2(3) 2(0.5%)2(0.5%)2(0.2%)20.73%<1.0%a2(2) 2(3) 2(0.5%)2(0.5%)2(0.2%)20.73%<1.0%a3/1)2(2)2(3)2. (0.5%)2(0.5%)2(0.2%)20.73%<1.0%W

17、.(2) 2(3)2(0.5%)2(0.5%)2(0.2%)20.73%<1.0%W.( 1)(2)2(3)2(0.5%)2(0.5%)2(0.2%)20.73%<1.0%(2)计算机记录F.( 1)2(2)2(3)2(0.5%)2(0.5%)2(0.05%)20.71%<1.0%a1.(1)2(2)2(3)2(0.5%)2(0.5%)2(0.05%)20.71%V1.0%a2l)2(2)2(3)2.(0.5%)2(0.5%)2(0.05%)20.71%V1.0%a31)2(2)2(3)2(0.5%)2(0.5%)2(0.05%)20.71%V1.0%Wi1)2(2)2(3)

18、2(0.5%)22(0.5%)2(0.05%)0.71%V1.0%W1)(2)2(3)2(0.5%)2(0.5%)2(0.05%)20.71%V1.0%符合系统设计要求四、计算机采集系统程序设计4.1程序所用语言选择目前前大部分单片机的发开语言都为C语言，它比汇编语言要简洁，且易于修改、移植等等优点。所以在此系统设计中采用C语言。4.2程序流程图文件头1r函数定义1r界面设定1A/D工作条件的设定FA/D初始化4.3程序分析在本次实验中具体程序设计如下：a. 源程序名：UA105N.C，调试环境：TC2.0b. 由于试验条件限制，实际编写的程序是针对 UA105型 A/D多功能版的。c. UA

19、105型A/D多功能版有多种采集方式（触发方式和 通道选择方式的组合）。d. 通过本程序可以实现以下功能：A.UA105型A/D多功能板采样方式的试验；B . 选用16通道A/D转换器，任意点数的试验数据 采集；C .采集频率为200KHZ，采集通道数为6，采集通道 0-5，触发方式软件触发等可以设定；D .任意通道的数据显示、绘图、储存；E.采集循环4.4程序清单文件头： include 是每一个 C 语言函数所必须调用的语句/* 计算机数据采集程序 */* 文件头 */*UA105n TC2.0*/#include "stdio.h"#include "dos

20、.h"#include <graphics.h>FILE*in1;2.函数定义：是C语言程序设计必不可少的一部分，定义了整个 程序所要使用的整体变量，如采集通道数、采集点数、采集频 率等。main()int i,d,j,k,fr,fcode,baddr,baddr8,n,innm;unsigned char ch,fch,chn,fh,fl;int dd1024*16;/* 给每个通道预留 1K 数据存储空间 ,在此是 可以扩展的，比如有 m 个变量每个变量分配 2K 的空间,为 int dd2048*m*/unsigned char g=0;floatdata2000,

21、pd2000,pd12000,pd22000,pd32000,pd 42000;float max,pmax;char *argv;char inchar1,inchar2; int driver=DETECT;int mode=0;baddr=0x240;/* 初始化板基址： A/D16 位数据输入口 */3.界面设定：为程序的界面设计部分，这个程序的作用与功能printf(“ *n”);printf(“The program of data collectionn”);printf(“guider:zhangxunwenn”);printf(“designer:chenhuilingn”)

22、;printf(“2011.09.07n”);printf(“ *n”);4.A/D工作条件的设定：这三个参数对采集系统本身的要求，系统本身要求的高低对采集频率、采集数据点有直接的影响，如果使用都输入硬件无法达到的要求的性能指标就容易造成采集的数据混乱。printf("fch(0-15)= ");/*初始通道数，“0 通道”scanf("%d",&fch);通道个数，“2-3-4 ” */printf("chn(1-16)= ");/* scanf("%d",&chn);*/printf("

23、;Fr.(KHZ)二");/*采样，“ 10kHz-300kHzscanf("%d",&fr);printf("N=");/* 采样数据点数，“ 1000-2000-3000 scanf("%d",&n);fcode=4000/fr;/* 分频系数，定时触发方式时通过该口输出分 频系数可以控制采样频率， 4000KHz 和 4MHz 晶体振荡器分 频发出等间隔定时脉冲连续触发 A/D 转换，可以获得准确的采 样频率*/fh=fcode/256;/* 高位设定 */fl=fcode%256;/* 低位设定 */

24、5. A/D 初始化程序：采集析各端口的初始化 outportb(baddr+0x10,0);/* 初始化 A/D 通道口预置寄存口， 清零，因为下面程序再次初始化首通道，所以此句也可以不用*/ outportb(baddr+0x11,0);/*A/D FIFO 清零禁止采集 */ outportb(baddr+7,0x54);/* 式 2*/ outportb(baddr+7,0x34);/* outportb(baddr+0x10,fch);/* outportb(baddr+5,chn);/*板控制寄存器初始化，此时通道工作方式的设定， 通道 1 ：方通道 0：方式 2 ，先低后高 */

25、设定自动扫描的首通道 */自动扫描的通道数 */if(chn=1)outportb(baddr+7,0x70);/* 如果只有一个通道 则以为端口地与方式：选通道 1，方式 0 ，先低后高 */elsefor(i=0;i<chn+1;i+)outportb(baddr+7,0x10);outportb(baddr+7,0x34);/* 否则自动扫描几个通道，并按以下方式： “自动扫描方式，只 需设置首通道和通道 数，板上硬件即可， 每次 A/Dl 转换后自 动转换通道在设定范 围内循环采集” */ /* 空循环等待初始 化完成 */for(i=0;i<1000;i+);6. 采集同

26、步控制： 0X41 外控制法 outportb(baddr+4,(unsigned char)fl);outportb(baddr+0x11,0x40);/* 允许开始采集 */ outportb(baddr+4,(unsigned char)fh);baddr8=baddr+8;/*FIFO 状态寄存器，可以大大提高数据传 输效率和编程的灵活性， A/D 数据先行输入存储器，用户在读 取数据时不必查询 */for(i=0;i<n*chn;i+)/* 状态同步读取而可以在存储器未溢出 的条件下间隔一次读取成批数据 */while(!(inportb(baddr8)&1);ddi=

27、i nport(baddr)八0x8000;7. 采集数据显示printf("data output,yes or no? ");scanf("%s",&inchar1);if(inchar1= 'y')printf("n");for(i=0;i<320;i+)/* 显示数据 */if(chn<16)if(!(i%chn) printf("n");printf("%4X",ddi);电压输出 */printf("%+2.4f",ddi/16*.002442);/*8. 数字量计算为电压表量for(i=0;i<1500;i+)datai=ddi/16*.002442;9. 采集数据存入方法printf("ntplease input file' s name: ");scanf("%s",argv);in1=fopen(argv, "w+");for(i=0;i<1500;i+)/* 采用文件输出 */fprintf(in1, &quo