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基于虚拟仪器的机械工程测试系统开发

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。

关键词：机械参数；测试系统；虚拟仪器；

一、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。
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。传感器就是用来完成这种转换的装置。
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。

二、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，软件是虚拟仗器系统的关键，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、LabWindows/CVI、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。
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。
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。
三、.机械工程测试系统开发环境
（一）应变测试系统
虚拟应变测试硬件系统组成如下:

图1虚拟应变测试硬件系统
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，这种方案的性价比最佳。
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，经过刀D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。

图2 数据采集过程中—模拟信号
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。
（二）位移测试系统
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传感器CWY-DO-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。

图3电涡流位移传感器CWY-DO-504
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。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NI公司生产的PXL-6251多功能数据采集卡。
（三）压力测试系统
本测试系统是以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。

图4压力测试硬件组成图
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。
压力信号经过调理后，传输到数据采集卡中，数据采集卡选用NI公司生产的PXI-6251多功能数据采集卡，其主要功能参数如下:
1)16路模拟输入通道，16位精度，1.25MS/S采样率;
2)2路模拟输出，16位精度，2.8Ms/s输出速度;
3)24路数字I/O，2路定时计数器
（四）流量测试系统
本测试系统是以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。并采取措施改善流量调节的精确性和稳定性。以提高流量控制精度。
根据本液压系统实验台，流量传感器要求流量变化范围:0.6-6m3/h，精度要求:1级。

图5涡轮流量传感器的结构
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、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火线等各种总线。本文选用PXI总线的PXL-6251多功能数据采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx软件，选择物理通道和任务输入通道进行流量信号采集。
3.5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。

图6 Ptl00电阻温度传感器
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M公司的DAQ(Data AcQulsition)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。
4.机械测试系统总体设计思路
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，可以在一个测试系统中同时组建应变、位移、压力、流量和温度测试系统。并且每个测试系统用模块化进行设计前后面板，方便程序设计和用户操作与控制。
(2)采用数据库对数据进行存储、管理和查询。基于需要对测试数据进行存储、调用、管理和查询，并且处理的数据量大，本文设计通过数据库来存储、管理和查询数据。建立一个Access数据源，通过ADO数据库访问技术，充分利用ADO的灵活性，通过编程模型实现对数据库的操作，执行用户命令，实现对数据的管理。利用ADO技术的LabVIEW数据库访问包-LabSQL，用户可以直接在LabVIEW中以调用子VI的方式实现对数据库的访问。
(3)每个测试仪在进行设计时，选用的模型是“菜单选择结构”。在后面板中利用“case”结构完成在前面板中不同的按钮选择，选择好一个测试以后，这个测试仪就可独立的工作。在完成相关的需要的工作后可以选择退出，也可以选择进入到另一个测试仪。利用菜单编辑器对程序进行编辑，要改变程序的操作项直接从菜单编辑器中修改，为程序作总体设计。
(4)前后面板的人性化设计。程序设计包括前面板和程序框图两部分，系统前面板由参数设置和五个测试系统构成。当用户在前面板操作相应的功能时，后面板的程序框图有与之协调的字VI运行，这样可以保证运行操作的同步性和准确性。同时在前台对话框有供测试人员填写参数或者选择功能界面。为了便于后续人员按自己的要求进行小范围修改，后面板程序框图也以直观简洁的方式进行设计。

图8系统总体结构
5.结论
本文以虚拟仪器LabVIEW为开发平台，按照机械工程测试系统的要求，充分利用已有的标准化系统资源，开发了便于更新、机动灵活、成本低廉、中文界面的机械工程测试系统，提高了测试的综合应用效率。

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