【《电阻层析成像ERT技术系统的硬件和软件设计案例》12000字】

第三章ERT系统的硬件设计电阻层析成像ERT技术系统的硬件和软件设计案例1ERT系统的硬件设计电阻层析成像技术的系统设计是很重要的一部分，也决定着该技术的实际应用和检测效果，系统中的精度、时间、稳定性以及抗干扰等对最终的结果和图像重建有着很大的影响。本章主要从硬件部分对研究中所采用的ERT系统进行分析介绍。1.1压力传感器及变送器1.1.1压力传感器的选择在本论文的研究中，一个比较重要的工作就是研究电极与被测金属构件之间受力大小是否会对最终的检测结果产生影响，因此，选择一款合适的压力传感器就显得尤为重要。市场上的压力传感器种类繁多，但是考虑到实验中电极的尺寸、形状以及电学参数的设定等实验条件，所以在选择压力传感器时，着重考虑的方面就灵敏度、精度、误差范围、尺寸、量程等因素，特别是在规定范围内，压力值与输出电压之间的变化关系。在进行选择时，对某品牌的压力传感器进行了测试，获取了其在量程范围内的压力值与电压值的数据，记录如下。表1.1压力传感器测试数据电压值（V）压力值（电压值（V）压力值（Kg）第一组第二组第三组第四组第五组000.010..10.040.0350.910.960.891.010.88101.511.491.461.481.48152.522.382.362.412.38201.191.171.201.171.18252.031.982.022.002.10305.002.942.982.952.97为便于观察其压力值与电压值之间的变化关系，将五组测试数据会成成折线图，如图1.1所示。图1.1某型传感器输出电压随压力变化图通过图中变化趋势可以看出，在压力超过10Kg以后，该型压力传感器电压输出值随着压力的增加近似为线性变化，在该段的变化较为均匀，可以选择本型号传感器作为实验中压力测试使用。经过以上分析，选定了某品牌的该型JHBM-MD2型压力传感器，该型号传感器尺寸较小、高度较低，适合于ERT系统的小空间中使用，同时传感器采用全密封和中心凸点受力的方式，有效排除了外界结构对传感器的干扰。其外观尺寸如图1.2所示。图1.2压力传感器尺寸结构图其主要技术参数如表1.2所示。表1.2压力传感器技术参数表名称技术参数名称技术参数量程0-30Kg零点温度系数±0.2%F·S/10℃灵敏度1.5±0.2mv/V输出温度系数±0.2%F·S/10℃综合精度0.5%F·S输入阻抗350±5Ω蠕变值±0.3%F·S/30min输出阻抗350±3Ω非线性±0.3%F·S绝缘阻抗≥2000mΩ滞后误差±0.3%F·S工作温度范围-20~+70℃重复性误差±0.3%F·S允许过负荷120%F·S1.1.2模拟量变送器在压力传感器受到外界压力之后，无法直接将压力信号上传至数据采集设备，需要将压力信号经过变送器处理，转换当成电压信号输出，因此选择了与该型压力传感器配套的BSQ-3型单通道模拟量变送器，该变送器能够将非标传感器输出的信号经过调理电路调理成为标准电压信号并直接输出到数据采集设备，在其内部具有精密放大电路和稳压电路，同时具有线性补偿和温度补偿等功能，输出信号抗干扰能力较强。在使用中，该变送器只需要外接24V直流电源即可使用，其主要参数如表1.3。表1.3变送器参数表名称技术指标输入mV级电压信号输出0-5V激励电压12V或24VDC工作温度-10~+70℃线制四线制（电源正负极、信号正负极）根据选定的压力传感器和模拟量变送器的检测报告，压力传感器输出的力学信号与变送器输出的电压信号的关系在二者最小-最大值之间的变化规律近似符合线性关系，这对于后期的数据处理和研究就较为方便。1.2电流源由于模拟量变送器需要外接24V直流电源供电，所以在ERT系统中还需要选择一款能够稳定供电的电源，该实验中所选用的电源为某品牌的RXN-305D型数字直流稳压电源。该型电源具有较低的纹波电压，精度较高，同时具有较强的过载保护和较宽的使用范围，完全可以满足实验需要。其主要参数如表1.4所示。表1.4电源规格参数表项目名称规格参数输入电压220V±10%频率50/60Hz输出电压DC：0~30V连续可调输出电流DC：0~5A连续可调保护模式电流限流保护短路保护电源效应≤0.01%+2mV负载效应≤0.01%+2mV纹波和噪声CV≤1MVRMS（有效值）使用温度-10~+40℃相对温度<90%1.3信号输出和数据采集设备在ERT系统中，最为核心的部分就是控制部分和数据采集处理部分，这两个部分涉及到整个系统工作所需要的控制信号（或激励信号）、测试数据的采集输出等相关信息，并且需要将各类数据转化成上位机或者计算机能够识别记录的形式。在实际应用中，激励信号的产生一般采用信号输出板卡、信号发生器等，而在采集数据时，一般使用数据采集卡等设备。随着技术的发展，也为了提升数据传输效率、简化实验平台，目前各类设备一般都可以通过USB、PXI或者PCI等总线接口与工控机或者计算机直接进行通信。1.1.1信号输出设备在本文实验中，信号的输出关系到后续实验研究能否顺利进行，是整个实验平台能够顺利运行并实现实验目的的基础，本文中的输出信号主要是施加在被测航空器金属构件及电极上的激励信号。本文所设计的ERT系统中，拟采用的激励模式为电流激励-电压测量模式，同时考虑硬件设备和软件设计方面，选择模拟电流输出作为系统的激流信号，并为此选择了相应的信号输出设备。经过综合对比灵敏度、精确度等技术性能指标，最终选用NI公司的CompactDAQ9178机箱和相应的C系列板卡。CompactDAQ9178（c-DAQ9178）机箱是NI公司与2016年推出的混合测量测试平台，设置有8个模块化I/O板卡的插槽，是一种小巧、便携且较为稳定耐用的数据采集平台。之所以称之为混合测量测试平台，是因为在涉及到温度、压力、电压、电流、振动、声音以及流体等常见的工程测试应用中，该机箱配备了多达50多个C系列板卡来实现交互式的应用，几乎满足了各类工程研究中的数据链接、信号输入输出以及数据的采集或调理等功能。该机箱除了能够以不同速率进行采样处理外，还可以同时处理多个操作，例如波形测试、信号I/O或者计数器等；其配备的USB接口和可编程功能接口（PFI）能够直接在计算机或其它设备上即插即用，可以极为方便的定义测量测试系统。另外，该机箱配备了外部BNC触发器以及4个高速计数器，使其能够降低系统的复杂性、提高运行效率。基于以上原因，本实验中也选用了该型机箱作为数据采集平台和板卡载体。C系列I/O模块可支持几乎任何类型的传感器，能够帮助研究人员对测试系统进行快速定制以贴合研究内容，实现系统中尺寸、性能和经济性等达到最优。C系列模块同时允许热插拔，能够根据实验需求快速调整系统，显著节省配置时间、提高检测效率。而且，该系列模块种类丰富，常用的一般有电流输入/输出模块、电压输入/输出模块、数字模块、应变/桥输入模块、声音和振动模块等，其主要类别和功能如下表所示。表1.5C系列I/O模块分类表种类功能特点模块型号举例电压输出模块生成电压信号NI-9260、9269等电压输入模块测量输入电压信号，部分还可为高压应用提供隔离和过流保护功能NI-9221、9229等电流输出模块以高速率控制电流驱动执行器NI-9265、9266等电流输入模块提供系统电流测量NI-9227、9246等数字模块提供数字输入和输出功能NI-9421、9437等应变/桥输入模块提供测量应变的模拟输入通道NI-9235、9237等声音和振动模块为声音与振动应用提供动态信号采集NI-9230、9232等继电器输出模块提供机电和固态/FET继电器的输出信号NI-9482、9485等在本文中，信号输出的激励电流信号，需要选用电流输出模块，从表1.5中可以看到，电流输出模块常用的为NI9265、NI-9266系列，两种型号的板卡主要参数如下表所示。表1.6NI-9265、NI-9266参数对比参数名称型号NI-9265NI-9266模拟输出通道数量4通道8通道最大更新速率100KS/s/通道24KS/s/通道连接形式螺栓端子/弹簧端子螺栓端子/D-Sub输出范围0-20mA0-20mA适用温度-40℃~+70℃-40℃~+70℃通过对比发现，两者之间的差别主要体现在通道数量和更新速率上，考虑到实验设备尽可能结构简单和经济性，选择了NI-9266型板卡，在满足更新速率和输出范围的基础上，其通道数目是NI-9265的两倍，节约了设备空间，降低了平台的复杂程度。1.1.2数据采集设备本次系统设计到的信号采集主要电压信号的采集，一个是测量边界电压的信号，一个是经过模拟量变送器转换之后输出的压力传感器输出的信号，为了与实验设备更好的兼容和配套，在保证稳定的性能和可靠性、满足使用条件的前提下，同样选择了NI公司的数据采集办卡。对测量边界电压值的信号采集使用NI-9221型数据采集板卡，而在压力传感器的信号采集中，由于所需通道较少因此考虑使用NI-9229型板卡。根据前期研究，当激励电流范围为0-20mA之间时，所采集到的边界电压值通常较小，一般为1V之内，所以NI-9221型板卡的电压输入范围完全能够满足实际使用需求。而在采集经过变送器处理之后的压力信号时，变送器输的电压输出范围为0到5V，NI-9229采集板卡也能够满足这一范围，且系统中使用了两个压力变送器，采集信号时只需要两个通道，不必要选择通道数量较多的其他型号模块，这也是选择NI-9229板卡的原因之一。除此之外，这两类采集模块在采样率和分辨率上也具有较为优秀的性能参数，也能满足数据采集和处理的要求。这两种型号板卡的参数如下表所示。表1.7NI-9221、NI-9229采集卡主要参数名称型号NI-9221NI-9229模拟输出通道数量8通道4通道最大采样率800KS/s/通道50KS/s/通道同步采样否是模拟输入分辨率12bits24bits电压输入范围±60V±60V适用温度-40℃~+70℃-40℃~+70℃1.1.3设备的连接确定了所选用的信号输出设备和数据采集设备之后，需要将各设备进行连接，在本系统中一共使用了两块NI-9266型电流输出模块、两块NI-9221型电压采集模块和一块NI-9229型电压采集模块，其安装和连接如图1.3所示。图1.3NIcDAQ9178机箱和部分板卡1.4激励电极及激励模式1.2.1电极的选择在采用ERT技术对航空器金属构件进行检测时，由于电极和被测金属构件均具有导电性，同时还需要电极能够与被测金属构件之间保持良好的接触，此时就需要考虑电极材料和形状对检测结果的影响。根据大部分的实验研究和电学分析，在ERT系统中，选择的电极应该具有以下几点性质：（1）首先就是良好的导电性，作为电极，除了要提供激励电流外，边界电压值也需要在电极处测量，所以其导电性越好，对于整个被测场域内的电势分布影响就越小，也就可以进一步的减少系统误差；（2）良好的接触和较小的接触电阻，电极与材料之间的良好接触才会使系统获得连续稳定的激励电流，同时由于激励电流值往往比较小，因此较小的接触电阻才能对电势的分布产生较小的影响。（3）电极头部形状，由于实验中被测构件是航空器金属构件，该构建主要是铝合金材料，电极头部与材料接触时，在同样大小的压力下不同电极头部形状将会使金属构件产生不同程度的形变，另一方面越尖的形状越容易产生尖端放电现象，会对实验结果产生较大影响。除此之外，根据被测构件的材质不同，还需要考虑电极的耐腐蚀性、电化学特性等，但在本论文中，这些方面影响微小，故不着重考虑。根据以上几点，本文中选择了铜材质的电极，同时选择电极头部形状为圆形平头，如图1.4所示。图1.4电极探针1.2.2激励模式的选择现在已经知道，在激励模式上，不同的侧重点有不同的分类方法。从激励源的角度来说，目前常用的是电流激励-电压测量模式，除此之外还有电压激励方式，但该方式受到电极与被测对象之间的接触阻抗影响较大，故而应用并不广泛。而从激励电极位置的方面来说，主要分为相邻激励-测量方式、对角激励-测量方式、相对激励-测量方式三种，这几种方式的主要区别在于激励电极对和测量电极对的选取上存在差别。以使用较为简单的相邻激励和相对激励方式来说，采用16电极检测时，相邻激励方式下，除去提供激励电流的电极和作为接地点的电极之外，可以得到16-3=13个边界电压值，由此一共可得13×16=208个边界电压值的数据。而采用相对激励方式时可得到的边界电压值只有（16-4）×16/2=96个，远少于相邻模式的208个测量值，因此，本文在综合考虑图像重建的精度和分辨率以及硬件系统的实际情况之后，选择相邻激励-测量模式。1.2.3激励电极的布置方式在ERT系统的硬件结构中，除了激励模式之外主要就是电极与被测对象之间的接触形式，及激励电极的布置方式。就目前的研究来看，在涉及到工业多相流检测时，电极的布置方式基本都是采用贴片式，直接在管道外壁或者内壁粘贴电极片，如在张明超关于ERT系统的研究中所搭建的固液两相流测量装置以及袁全、杨道业等人以自来水为单一连续相进行研究的实验装置中，均是采用内壁粘贴嵌套电极片的方式。而在关于材料损伤检测方面则多采用嵌入的方式布置电极，例如范文茹、王勃等人在2019年用于碳纤维复合材料的研究中就是采用嵌入式铜钉作为电极，将电极直接嵌入碳纤维复材板之中，该种方式克服了复合材料的各向异性，使采集到的电信号较强，也能够保持接触稳定，但是嵌入的电极处由于材料结构发生变化也对材料内部的电导率分布产生了一定影响，从其初始的图像重建结果上也能看到这一点。除此之外，在孙世栋、秦磊等人将ERT技术用于混凝土钢筋锈蚀无损检测的研究中，由于实验用试块的特殊性，电极则采用了预先埋入式，即在制备混凝土钢筋试块时将电极一同埋入，该种方式在形式上可归于嵌入式一类，在最终图像重建时，也同样会在图像边缘形成明显的变化。而在本文中采用的电极布置方式为接触时式，此种方式是将电极固定在电极固定板上，然后通过调节装置将电极与被测金属构件接触，再接通激励电流。采用此种方式，一方面可以通过调节来保证电极与被测构件之间始终保持良好接触状态，另一方面也不会对被测构件产生损伤，能够有效减小电极等结构对实验结果的影响，从而减少误差，提高图像重建的精度。电极固定板模型如图1.5所示。图1.5电极探针固定板可以看到，该电极固定板分内外两层，其半径分别为55mm和90mm，以便于对不同尺寸的被测构件进行测量。电极探针安装在小孔内并固定，此种方式能够较好的固定电极并保持其相对位置。将两层电极探针进行安装并连线之后如图1.6所示。图1.6电极探针及固定板连线在此基础上，还进一步优化了电极固定板，将固定的孔位改为槽形，使电极探针在U型槽内可以移动，不仅能够根据不同尺寸的被测构件改变电极位置半径，同时对于不同形状甚至是不规则形状的被测构件也能调整电极的位置，大大拓宽了检测装置的适用场景。其模型图如图1.7所示。图1.7U型槽式电极固定板1.5ERT系统硬件平台的改进设计通过前面两章内容中提到的ERT系统的研究可以发现，目前多数研究人员的研究重点多在于图像重建算法、电路设计、激励模式等方面，在关于系统的硬件结构和夹持装置的研究方面，则涉及较少；另一方面，可以看到在电极的布置方式上主要是贴片式和嵌入式，而且贴片式布置方式主要应用于多相流检测方面，在硬质材料和结构损伤检测上都是采用嵌入式或者相似的方式布置电极，虽然因电极布置方式而引起测量结果的误差以及对图像重建精度的影响在一些情况并不明显，可以忽略处理或者通过采用适当的算法来减少这种影响，但也可以采用一种新思路来研究看待这一问题，在本文中，为了避免对被测对象产生附加损伤、尽可能减少对检测结果的影响，在文中设计了一种简易的硬件装置，该装置的设计初衷主要用于航空器金属构件损伤的检测，例如航空器上常用的铝合金板材以及复合材料板材。该硬件装置主要分为底座、升降杆、电极固定板和盖板，其经过简化处理的三维模型如图1.8所示。=4\*GB3④=1\*GB3=4\*GB3④=1\*GB3①=5\*GB3⑤=1\*GB3①=3\*GB3③=1\*GB3①=2\*GB3②=1\*GB3①=1\*GB3①=1\*GB3①：电极探针挡板；②：电极固定板；③：装置底座；④：升降杆；⑤：支架图1.8ERT系统检测装置模型图在该装置中，升降杆可以采用人工手动调节（如图1.8），此种方式通过升降杆和支架之间的紧固装置来调节升降杆的上升下降，用来改变电极探针与底座之间的距离。被测样品放置于底座之上，电极位于电极固定板上，在测试开始前通过调节升降杆使电极固定板下降至电极与被测样品良好接触并保持一定的压力，再紧固升降杆即可。采用此种方式可以减小嵌入式电极对测试结果的影响；同时还可根据实际需要对电极探针进行径向调节或者高度调节，从而能够良好适应不同尺寸的样品。对装置进行安装和连接，实际安装效果如图1.9所示。图1.9ERT系统检测装置安装图除了手动方式调节升降杆外，也可以采用导轨或丝杠等装置自动调节，该种方式在结构上与上图略有不同，结构较为简单，操作时也不需要频繁调节紧固装置，简化了工作程序。而且在此基础上提供了进一步进行优化改进的可能，例如可以加入位置反馈、受力指示等部分，方便更好的控制调节量的大小。该装置模型图如图1.10所示。=5\*GB3⑤=1\*GB3=5\*GB3⑤=1\*GB3①=3\*GB3③=1\*GB3①=3\*GB3③=1\*GB3①=4\*GB3④=1\*GB3①=2\*GB3②=1\*GB3①=1\*GB3①=1\*GB3①：电极固定板；②：装置底座；③：支架；④：丝杠；⑤：驱动电机图1.10ERT系统改进检测装置模型图除此之外，该装置的另一用途就是可以研究电极受力的不同对测试结果的影响，只需要根据不同的受力条件对应调节电极固定板的下降程度，便可设定不同的力值。对于图1.8装置而言，电极盖板的作用除了与电极固定板配合，更好的固定电极之外，还可以在该部分安装压力传感器等实验设备，以便更好地调节受力或进行其他实验。在图1.9中可以看到，该板左右位置个安装了一个压力传感器，以对电极所受压力进行采集并分析。在本系统所使用的检测装置中，当需要更换被测构件时，只需要升起电极固定板更换被测样品、再重新调节电极高度即可，而在嵌入式或贴片式的电极布置方式中，往往需要制备多块实验材料，耗费了电极探针等部分实验材料，在本装置中则省去了重复制备被测样品的过程，减少了对电极的消耗，也减轻了实验的工作量，加快研究过程。1.6本章总结在本章节基于ERT系统的实际检测要求和性能需求，对系统的硬件部分进行了需求分析并确定了各部分硬件的选型和设计，重点介绍了该系统在电极和激励模式、系统硬件平台方面的设计和改进，采用了一种新型的电极固定方式并据此改进设计了一种新的系统硬件平台。2ERT系统软件设计在ERT系统中，通过机械连接和电气连接能够将所有的硬件部分连接在一起，但是整个系统的运行还需要有合适的软件程序实现在数据流层面的可靠连接与通信，完成系统中激励信号、数据采集信号、数据发送管理等实验任务，因此需要一套软件程序的开发设计。2.1编程软件介绍在选择软件程序开发的编程软件时，一方面考虑到需要与硬件系统有较好的适配性，另一方面需要考虑软件开发界面的简洁明了、易于理解，而且ERT系统中所使用的信号输出和数据采集设备均是由美国NI公司推出，所以本文中所用的编程软件选择了既能满足实际需求，且也同样是由NI公司推出的LabVIEW软件平台。LabVIEW，全称为实验室虚拟仪器工程平台（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench），是一种面向用户的图像化编程语言，放弃了晦涩复杂的文本语言编程方式，采用对高级语言进行抽象概括形成的图形、图标等进行程序设计；其另一特点是采用数据流的方式编程和模块化编程，根据程序中数据流向决定程序执行顺序，使程序设计逻辑更加清晰简洁、开发程序框图直观高效。LabVIEW提供了一整套从设计、开发、调试、运行到最后发布程序等软件开发环境，还集成了数据采集、数据显示和存储、串口控制、板卡模块驱动和数据库等功能以及通用接口总线GPIB、RS-232和RS-485等通讯协议，加上各种嵌入式开发模块，极大方便了程序的设计和调试。虚拟仪器（VirtualInstrument，VI），通常是指以通用的计算机硬件和操作系统为平台，由用户按照仪器需求和自身需要，通过虚拟出来的仪器和面板、并由软件实现其测试功能的一种计算机仪器系统，即利用现有的计算机、加上相应的硬件和软件，形成一种既有普通仪器的基本功能又可以进行功能扩展的新型仪器。目前在这一领域内使用较为广泛的是LabVIEW，而对虚拟仪器的分类则是按照接口总线的不同进行区分，主要有数据采集卡式虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、串行接口虚拟仪器、GPIB虚拟仪器和PXI、VXI虚拟仪器等，目前常用的有串行接口、GPIB和PXI等形式的虚拟仪器ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>丁鹏</Author><Year>2010</Year><RecNum>165</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[23]</style></DisplayText><record><rec-number>165</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59rpv9vvd0ef0ne2ascvrfs1rsewrxes2tws"timestamp="1617634151">165</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>丁鹏</author></authors><tertiary-authors><author>邵晓鹏,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于USB数据采集的虚拟仪器的研究与设计</title></titles><keywords><keyword>虚拟仪器</keyword><keyword>USB2.0</keyword><keyword>数据采集</keyword><keyword>CY7C68013</keyword></keywords><dates><year>2010</year></dates><publisher>西安电子科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[23]。根据概念可知，虚拟仪器系统是由硬件设备、驱动软件和虚拟仪器面板组成，硬件设备是各种仪器接口设备或者其他测试设备；设备驱动软件是硬件设备和虚拟仪器之间进行通信的中间站，将真实硬件设备的可操作按钮通过各类控件在虚拟仪器面板上一一对应的显示出来。由于虚拟仪器的重要功能就是测试，因此在使用时需要根据不同的测试内容和条件在虚拟仪器平台上编写不同的测试软件，这些测试软件才是虚拟仪器在使用过程中的核心部分。将虚拟仪器系统的构成简要归纳，如图2.1所示。图2.1虚拟仪器系统基本组成2.2软件程序总体设计本文所设计的软件程序结构根据实验要求和各部分需要的功能，分为通道选择、激励信号输出、数据采集、数据处理、结果输出等部分，各部分之间的内在逻辑关系和系统结构简图如图2.2所示。图2.2ERT系统程序结构图其中，通道选择是后续程序运行的基础，确定各模块的物理地址之后数据流才能按照预先设定的方向执行；激励信号输出、数据采集和数据处理是程序的核心工作内容；结果输出则是判断程序是否执行完毕以及运行是否成功的显现。在LabVIEW平台上，整个程序的运行流程图如图2.3所示。图2.3ERT系统程序流程图图中，字母i代表一次激励信号输出之后需要采集的边界电压值数量，根据前述分析，每一次激励需要采集的边界电压值因该是13个，13个测量边界电压值采集完后才能改变激励位置进行下一次测量。字母x代表激励电极的位置数，当测量模式采用16电极时，激励电极依次为0、1，1、2，…，14、15，15、0，一共为16种，当16个位置全部测试结束，才可输出数据，结束整个测试流程。整个程序在LabVIEW上的运行过程分为四个阶段，具体如下：通道选择：在程序运行之前，需要先确定激励电极，因为程序中需要设定每一步所对应的物理通道，所以在选择时务必要与程序保持一致，以免程序运行时发生错误；在确定了通道之后，即可开始输出激励电流到选定的电极，例如在相邻激励模式中，第一次测量时可以0和1号电极作为激励电极。确定边界电压采集电极：当激励电极确定并输出激励信号之后，还需要确定测量边界电压的参考电位点，然后才能开始采集边界电压。例如，测量时所选激励电极为0和1，则可以以2号点击作为参考电位点，而当所选激励电极为1和2时，则需要将参考电位点设置在3号电极上。边界电压采集：当边界电压参考电位点均确定之后，就可以开始测量边界电压。如果第一次所确定的激励电极为0和1并且以2号电极作为参考电位点，可分别依次测量3，4，5，…，13，14，15号电极的边界电压值，得到13个电压值之后算是完成了第一次测量，然后依次改变激励电极位置，直至完成16次边界电压采集。数据处理和输出：所有的数据都会经过滤波降噪等处理，以便于后续使用，当一组16次共208个边界电压值采集完成之后，即可将数据进行处理并通过EXCLE等形式将数据输出，以进行图像重建等操作。2.3信号输出程序设计正如前面所说，整个ERT系统的运行需要先确定激励电极并进行激励信号的输出，输出的信号形式位模拟电流信号，激励信号的输出范围为0到20mA之间，由于电流本身较小，所以信号的精确输出就显得较为重要。在本系统中，选择了NI-9266来输出激励信号，具体的信号输出流程如图2.4所示。图2.4激励信号输出流程图从流程图中可以看出，激励信号的输出主要分为几个阶段：创建通道阶段，用来选择物理通道并确定参数；任务开始阶段，用来发出运行任务指令；信号输出阶段，激励信号输出到对应的激励电极对；任务结束阶段，与开始阶段作用相反，用来停止任务。2.1.1创建通道阶段在信号输出之前首先就是创建通道，在LabVIEW中，可以选择DAQmx驱动程序来实现这一过程。DAQmx是用于与数据采集(DataAcquisition，简称DAQ)设备通信并控制设备的驱动程序软件，它提供了一个用途广泛的函数和VI库，可从LabVIEW中调用库函数，对NI设备进行编程。创建通道的程序如图2.5所示，采用两层条件结构，通过调用库函数节点来进行参数的设置，例如物理通道、最大值最小值和任务输入输出等，另外，还可以通过VI服务器引用控件来访问关联的VI、应用程序输入控件和显示控件等相关内容。图2.5DAQmx创建通道程序框图根据给创建通道的程序框图，设计了创建通道前面板，能够更为直观的进行任务输入输出、物理通道选择以及输出值的设定，同时还加入了错误输入输出控制。如图2.6所示。图2.6创建通道程序前面板2.1.2任务开始阶段经过通道选择和参数设置，就可以开始执行任务。相比较创建通道时的多个参数设置，任务开始程序则相对简单，基本上只需要加入一个任务开始按钮即可，虽然同样采用两个条件结构但却允许程序任务不经过条件结构而直接输出。其程序框图如图2.7所示。图2.7任务开始程序框图2.1.3信号输出阶段在这一阶段，激励信号输出，相应的激励电极处产生激励电流，被测金属构件内部产生电势场，这一部分也是整个信号输出程序中的核心部分。在该部分中，加入While循环结构，以方便改变激励电流的位置；为了同步各操作，控制循环的执行速度，加入一个等待时间函数；同时为了方便控制和记录，在程序中采用N通道1采样的方式执行，每次写入一个采样数据。其程序框图如图2.8所示。图2.8信号输出阶段程序框图在整个信号输出程序中，主要包括这几个部分，将几部分程序进行整合并添加子VI等结构，即可得到总体的程序框图如图2.9所示。图2.9信号输出程序框图其主控制面板如图2.10所示。在该控制面板中加入了一个输出波形的显示和手动停止按钮，以便于更好地观察和控制电流输出状态。图2.10信号输出程序控制面板2.4数据采集程序设计激励信号发生以后，被测构件场域内部产生电势场，就可以采集边界电压。数据采集模块是ERT系统中的重要部分，能否准确翔实的记录测量数据影响到后续的结果分析是否准确。在本系统中，数据采集部分采用了与信号输出部分同样的c-DAQ机箱和相配套C系列数据采集板卡。同时，配套的还有数据采集设备的驱动DAQmx，在编写程序时，可以调用该驱动提供的丰富的应用程序接口函数等，极大方便了程序的编写。在创建数据采集任务时，需要对数据采集设备进行测试和设置，一般情况下可以采用NI公司开发的与其硬件设备进行交互操作的硬件配置管理软件NI-MAX。MAX，全称是Measurement&AutomationExplorer，专门用于NI相关硬件设备的管理，除了能够对设备进行设备自检和测试之外，还提供了硬件的设备引脚和可实现的设备连线，同时可以直接在MAX中创建任务，与LabVIEW的兼容使得创建的任务可以直接导入到LabVIEW中，极大方便了对硬件设备的管理、测试、数据采集任务的创建和程序编写。其主页面如图2.11所示。图2.11NI-MAX软件主页面图本次实验中，虽然有边界电压信号和压力传感器信号，但由于最终都是通过模拟电压信号的形式输出，因此数据采集程序类似，可以一起设计和分析。在数据采集开始时，与信号输出程序类似，首先也需要确定采集通道，对通道进行初始化操作；然后运行数据采集程序，执行数据采集任务；之后对采集到的数据进行读取和存储，并进行实时显示数据波形；之后更改采集通道，直至完成一组数据采集任务。数据采集程序主流程图如图2.12所示。图2.12数据采集程序主流程图在数据采集程序中，需要对相关参数进行设置，例如通道名、采样模式、采样率等，其中最为关键的时采样率的设置。根据采样定理（即奈奎斯特采样定理），在进行信号转换的过程中，只有当采样频率大于信号中最高频率的两倍以上时，得到的数字信号才能较为完整的保留原始信号中的信息ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>高志强</Author><Year>2020</Year><RecNum>171</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[24]</style></DisplayText><record><rec-number>171</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59rpv9vvd0ef0ne2ascvrfs1rsewrxes2tws"timestamp="1617634399">171</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>高志强</author></authors><tertiary-authors><author>何建,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>多电机协调控制系统的设计与实现</title></titles><keywords><keyword>多电机协调控制</keyword><keyword>建模仿真</keyword><keyword>LabVIEW</keyword><keyword>测控系统</keyword><keyword>故障模拟</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><publisher>中国民用航空飞行学院</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[24]，但是过高的采样率又会对数据采集设备等硬件和数据处理软件产生较大的运行负担，因此根据实际采样情况，将数据采集程序的采样频率设置为25KHz。完整的数据采集程序如图2.13所示。图2.13数据采集程序框图在该程序中，使用了条件结构，将16种激励情况通过设置多个电压采集的子程序来实现，用以对不同情况进行逐一采集，其子程序框图如图2.14所示。图2.14电压采集子程序框图2.5系统仿真设计在ERT系统中，为了对实验进行理论分析和研究，进行仿真设计。使用的仿真实验平台为COMSOLMultiphysics5.4，进行了网格划分、电势场分布等模型的分析。2.5.1仿真软件介绍COMSOLMultiphysics是由COMSOL公司开发的一套数值模拟软件包，起源于FEMLAB，后者是MATLAB编程语言和集成开发环境的一个强有力的建模软件包ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>百度百科</Author><RecNum>547</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[25]</style></DisplayText><record><rec-number>547</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59rpv9vvd0ef0ne2ascvrfs1rsewrxes2tws"timestamp="1617869382">547</key></foreign-keys><ref-typename="WebPage">12</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">百度百科</style></author></authors></contributors><titles></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]。COMSOLMultiphysics通过有限元方法来模拟在研究和工程中可以采用偏微分方程（Partialdifferentialequation，PDE）解决的各种问题ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>朱小敏</Author><Year>2018</Year><RecNum>527</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[26]</style></DisplayText><record><rec-number>527</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59rpv9vvd0ef0ne2ascvrfs1rsewrxes2tws"timestamp="1617868584">527</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>朱小敏</author></authors><tertiary-authors><author>丁桂甫,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>MEMS集成复合磁芯双层平面电感研究</title></titles><keywords><keyword>集成平面电感</keyword><keyword>软磁体材料</keyword><keyword>图形化坡莫合金</keyword><keyword>粘结铁氧体</keyword><keyword>DCDC转换器</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><publisher>上海交通大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[26]。基于PDE建立模型之后，COMSOL可以非常便利的定义和求解任意多物理场耦合问题，且在对仿真结果有高度精确要求的多物理场情况下，也具有较高的计算和仿真性能。COMSOLMultiphysics具有以下几个特点ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[10,27]：（1）该软件集成了前处理、求解器和后处理等，而且提供了友好的用户图形界面和建模工具，极大简化了建模工作，提高了工作效率；（2）COMSOLMultiphysics拥有积分建模环境，采用半分析的方式，方程被封装在预定义的各种应用模式，研究者可以直接在用户界面输入各种参数；（3）COMSOLMultiphysics提供了丰富的模型库和材料库等，对于大多数的建模分析问题，模型库中都由相对应的实例供参考和选择，方便理解和应用；（4）由于来源于MATLAB，因此COMSOLMultiphysics与MATLAB完全匹配，用户可以自定义建模编程或者后处理等；（5）COMSOLMultiphysics用户界面提供了自有的二维和三维建模工具，并且支持导入各种软件建立和格式的几何模型，例如CAD、CATIA、Pro/E等建模软件STEP、SAT、IGES等文件格式；（6）COMSOLMultiphysics包含了8个专业模块：AC/DC模块、传热模块、声学模块、射频模块、地球科学模块、化学工程模块、结构力学模块和微机电系统模块，几乎覆盖了所有的物理、工程和应用数学领域ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>易仙</Author><Year>2011</Year><RecNum>200</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[28]</style></DisplayText><record><rec-number>200</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="59rpv9vvd0ef0ne2ascvrfs1rsewrxes2tws"timestamp="1617634544">200</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>易仙</author></authors><tertiary-authors><author>赖建军,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于MEMS技术的微加热板的设计与制作</title></titles><keywords><keyword>微机电系统</keyword><keyword>微热板</keyword><keyword>剥离</keyword><keyword>干法刻蚀</keyword><keyword>湿法腐蚀</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><publisher>华中科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[28]，研究者可以任意组合不同模块中的应用模式来实现多物理场耦合分析。图2.15COMSOLMultiphysics5.4主页面正是基于COMSOLMultiphysics强大的多物理场耦合功能和高效的计算性能，该软件近年来应用广泛，甚至被称为是第