李 淼，陳春俊，繆曉郎

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

基于CompactDAQ的動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 淼，陳春俊，繆曉郎

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對(duì)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)中，長(zhǎng)輸送線方式會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，采集點(diǎn)數(shù)量多且分布廣泛，動(dòng)車密封性受到影響，各采集點(diǎn)之間的同步性難以保證，以及測(cè)試工作量大等問(wèn)題，提出一種基于CompactDAQ的動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)性能分布式測(cè)試系統(tǒng)。采用LabVIEW編寫數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)界面程序。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能保障信號(hào)的準(zhǔn)確性和同步性，改善動(dòng)車組的密封性，同時(shí)也減少了實(shí)車測(cè)試人員數(shù)量。

動(dòng)車組；空氣動(dòng)力學(xué)；分布式采集系統(tǒng)；CompactDAQ；隧道壓力波

0 引 言

隨著列車運(yùn)行速度的提高，高速列車運(yùn)行引起的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[1]，可通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬仿真計(jì)算進(jìn)行研究[2]，還需通過(guò)試驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證[3]。為了確保動(dòng)車組運(yùn)行的節(jié)能、安全與舒適，需要對(duì)動(dòng)車組表面壓力、設(shè)備倉(cāng)及車內(nèi)壓進(jìn)行線路運(yùn)行實(shí)車測(cè)試[4]。目前采用的空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)是將傳感器的信號(hào)輸出線通過(guò)膠帶粘貼在車體表面，走線到車體的進(jìn)線孔，由進(jìn)線孔進(jìn)入動(dòng)車內(nèi)部，在車內(nèi)集中采集。由于采集點(diǎn)數(shù)量大，考慮信號(hào)線過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，通常8編組的動(dòng)車以相鄰兩節(jié)車廂設(shè)置一個(gè)采集點(diǎn)，在試驗(yàn)過(guò)程中造成各采集點(diǎn)的同步性難以保證。傳感器信號(hào)線過(guò)多致使車體氣密性下降，影響測(cè)試精度，并且試驗(yàn)過(guò)程中操作人員增多。本文提出一種基于CompactDAQ的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試方法，利用C系列板卡自身的硬件濾波功能和分布式采集的特點(diǎn)，降低中間過(guò)程對(duì)信號(hào)準(zhǔn)確性和動(dòng)車的影響；采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言編寫數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)處理程序及人機(jī)界面。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

針對(duì)動(dòng)車組的高速移動(dòng)性、強(qiáng)風(fēng)、振動(dòng)、惡劣測(cè)試環(huán)境及高精度測(cè)試要求，采用基于NI-CompactDAQ的分布式采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括傳感器、采集卡、CompactDAQ和電腦4個(gè)部分。測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 CDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

其工作過(guò)程為：傳感器將氣壓變化量值，以電信號(hào)的形式傳入數(shù)據(jù)采集卡；CompactDAQ機(jī)箱借助TCP/IP協(xié)議將采集到的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)線傳入電腦進(jìn)行顯示、記錄和分析[5]。本系統(tǒng)可以安裝8塊數(shù)據(jù)采集卡，每塊卡包含8通道，所以本系統(tǒng)可進(jìn)行64通道的同步數(shù)據(jù)采集。通過(guò)交換機(jī)配置多套這樣的設(shè)備，組成局域網(wǎng)進(jìn)行同步采集。

1.1 傳感器選擇

傳感器選擇的原則一般包括測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)，但在空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試中還需考慮到傳感器尺寸對(duì)流場(chǎng)的影響及傳感器自身的安全；因此，本系統(tǒng)選擇壓阻式薄片傳感器8515C，該傳感器體積小，直徑6.35 mm，厚度只有0.76 mm；靈敏度高，工作穩(wěn)定；氣壓測(cè)量范圍0～100kPa，滿足空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)需求，氣壓的波動(dòng)幅度在傳感器的響應(yīng)范圍內(nèi)。

1.2 CompactDAQ采集器

針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試采集點(diǎn)多、空間分布距離大、振動(dòng)噪聲大等特點(diǎn)，選擇可自由組合的高可靠性CompactDAQ分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是分布式的I/O，可以分離采集通道；同時(shí)采集器可安置在設(shè)備倉(cāng)內(nèi)，減少了通過(guò)進(jìn)線孔的線纜數(shù)量，在一定程度上提高了動(dòng)車的密封性能；同時(shí)CompactDAQ系統(tǒng)采用的定時(shí)引擎具有靈活性和同步率高等特點(diǎn)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，ADC需要時(shí)鐘信號(hào)以確定信號(hào)采集時(shí)間點(diǎn)，且多個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)ADC是通過(guò)共用同一個(gè)時(shí)鐘以同步所有通道的測(cè)量。

針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試中，會(huì)車壓力波及隧道壓力波的快速變化，以及嚴(yán)格的同步性要求，同時(shí)車內(nèi)壓力的最小分辨率要求為50 Pa[6]，因此需要有很高的采集精度和分辨率以及高頻率時(shí)鐘。

NI 9236具有8個(gè)模擬輸入通道，每條通道都帶有獨(dú)立的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和輸入放大器，每通道最高采樣頻率為6.25kHz，可對(duì)8個(gè)通道信號(hào)同步采樣，且每個(gè)通道均可連接一個(gè)1/4橋傳感器，提供恒定的激勵(lì)電源電壓，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1.3 硬件系統(tǒng)配置

CDAQ通過(guò)網(wǎng)線與電腦連接后，利用NI自帶的Measurement&Automation軟件，可檢測(cè)到設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置[7]。如果有多臺(tái)CDAQ設(shè)備，可以通過(guò)交換機(jī)，組成一個(gè)局域網(wǎng)，再由交換機(jī)連接到PC機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的配置。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是為測(cè)量與控制而設(shè)計(jì)的圖形化編程語(yǔ)言[8]。它將軟件和各種不同的測(cè)量?jī)x器及計(jì)算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，以形成用戶自定義的解決方案[9]。本系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與處理軟件的設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)

本系統(tǒng)采用壓阻式傳感器，其內(nèi)部是一個(gè)電橋電路，包含4根線纜。因此配置采集系統(tǒng)的模擬輸入類型為四線制電阻，選擇內(nèi)部電流激勵(lì)源。在空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試中，后期的數(shù)據(jù)分析和處理很重要，所以需要對(duì)氣壓進(jìn)行連續(xù)采集，且采樣頻率要求很高，滿足采樣定理，這里采樣頻率設(shè)置為1000Hz，數(shù)據(jù)采集程序如圖2所示。

為方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察實(shí)際壓力值的變化情況，在采集程序中需要對(duì)每個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)漂移和靈敏度的配置。根據(jù)實(shí)際需求，本文只對(duì)ComapactDAQ進(jìn)行了一個(gè)采集卡的配置，包含8個(gè)通道的數(shù)據(jù)。換算關(guān)系如圖3所示。

為了滿足后期數(shù)據(jù)處理的需要，編寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序。存儲(chǔ)方式包括文本、二進(jìn)制、波形文件等，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行自由編程?？紤]到空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試的特殊性及測(cè)試點(diǎn)的多樣性，本文利用LabVIEW自帶的TDMS存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序

圖3 標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序

圖4 TDMS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)配置程序

同時(shí)TDMS還可以進(jìn)行采集信息的配置，如采集人員的信息、時(shí)間信息，每通道的數(shù)據(jù)名稱也可單獨(dú)命名，方便測(cè)試人員在讀取數(shù)據(jù)文件時(shí)，直觀地了解此通道是哪個(gè)位置的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

測(cè)試結(jié)束后，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，如計(jì)算數(shù)據(jù)的最大值、最小值以及壓力差，計(jì)算1s和3s氣壓變化率的最大值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析列車在明線運(yùn)行、明線會(huì)車、隧道通過(guò)、隧道會(huì)車、過(guò)分相等工況下，車外壓力以及車內(nèi)壓力的流場(chǎng)分布，列車的氣密性能是否滿足出廠設(shè)計(jì)要求，以及車內(nèi)壓力的波動(dòng)是否滿足人體舒適性的要求[10]。數(shù)據(jù)處理程序如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理程序

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)界面中，可以很方便地查看每個(gè)通道的實(shí)時(shí)波形及波形值，也可以自由選擇保存數(shù)據(jù)的時(shí)間段，面板上的按鈕可以很方便地實(shí)現(xiàn)，界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)界面

數(shù)據(jù)處理界面中可以顯示出每個(gè)通道的最大值和最小值以及氣壓差；同時(shí)還可以顯示出1s和3s氣壓變化率及最大值。從界面上可以很清晰地觀察出這個(gè)數(shù)據(jù)段的車內(nèi)壓力指標(biāo)是否滿足人體舒適度的要求，界面如圖7所示。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

選取動(dòng)車通過(guò)某一隧道時(shí)車外壓力的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)原始信號(hào)采取低通濾波處理，從處理結(jié)果知道，最大值-694.5Pa，最小值-1262Pa，壓差567.5Pa。車外壓力時(shí)域波形如圖8所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理界面

圖8 車外壓力時(shí)域波形

判斷車內(nèi)壓力波動(dòng)對(duì)人體舒適度影響的兩個(gè)重要指標(biāo)是1s和3s氣壓變化率。由本系統(tǒng)計(jì)算出的車內(nèi)壓力1s和3s變化率如圖9所示。1s和3s變化率符合列車過(guò)隧道時(shí)的特征[11]，且1s變化率最大67Pa/1s，3s變化率最大159Pa/3s，滿足人體舒適性要求[10]。

計(jì)算車內(nèi)氣壓的最大值、最小值，以及壓力壓差1s和3s變化率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

圖9 車內(nèi)氣壓的1s和3s變化率

表1 某隧道180km/h上行隧道通過(guò)車內(nèi)氣壓變化率

4 結(jié)束語(yǔ)

1）基于CDAQ的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能良好，在應(yīng)用中最大限度減小了測(cè)試員數(shù)量，提高了自動(dòng)測(cè)試水平，節(jié)約了成本。

2）基于CDAQ的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)減少了中間環(huán)節(jié)，保障了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，縮短了信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度，降低了信號(hào)的測(cè)量誤差，保證了各個(gè)采集點(diǎn)之間的同步特性。

3）基于CDAQ的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)減輕了對(duì)整車氣密性的影響程度。

4）圖形化編程提高了程序設(shè)計(jì)效率、人機(jī)接口友好、有利于數(shù)據(jù)的處理與氣壓舒適性評(píng)價(jià)。

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Designing aerodynamic test system for EMU based on CompactDAQ

LI Miao，CHEN Chun-jun，MIAO Xiao-lang
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiao Tong University，Chengdu 610031，China）

At present，long transmission lines mode will bring measurement error in high-speed train aerodynamics test.Because of the large number of measuring points and widely distributed，it has affected the tightness of EMU.It is hard to satisfy with time synchronization between each collection points and so on.For these reasons，this paper presents a distributed aerodynamic test system for EMU based on CompactDAQ.LabVIEW was used to write data acquisition，data processing and human-machine interface program.Test results show that this system can ensure synchronization and accuracy of single，improve the tightness of EMU，and also reducing the number of testers，and reach the desired effect.

EMU；aerodynamic；distributed acquisition system；CompactDAQ；tunnel pressure wave

U292.91+4；V211.24；TP274；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0145-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.037

2014-03-12；

：2014-05-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（SWJTU12CX038）

李 淼（1988-），男，四川成都市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樽詣?dòng)化檢測(cè)與控制。