閻樹田，何晨，梁軍戰(zhàn)，王季

(1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省機(jī)械產(chǎn)品檢測與技術(shù)評價重點實驗室，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

汽車制動器摩擦試驗臺(簡稱摩擦試驗機(jī))是一種完成汽車制動器摩擦襯片試驗的室內(nèi)臺架試驗系統(tǒng)。摩擦襯片是汽車制動系統(tǒng)的重要部件，影響其性能的因素有很多。在眾多因素當(dāng)中，溫度對于摩擦襯片的影響最大。目前，常用的溫度試驗方法有小樣試驗和臺架試驗等汽車制動器摩擦試驗臺(摩擦試驗機(jī))，所使用的設(shè)備中有從日本，美國、德國進(jìn)口的各種類型的試驗檢測設(shè)備，也有國內(nèi)廠家生產(chǎn)的檢測設(shè)備。其試驗原理、試驗方法和設(shè)備技術(shù)水平有較大的差異。測試方法依舊是小樣試驗，破壞原有的結(jié)構(gòu)，采集的數(shù)據(jù)不能完整反映整個摩擦襯片的性能。其中臺架試驗規(guī)模體積較大，數(shù)據(jù)的采集和處理也不夠精確，特別沒有對采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，很大程度上影響了對摩擦襯片性能的評估［1-2］。

虛擬儀器作為一種基于計算機(jī)的自動化檢測系統(tǒng)，是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，也是當(dāng)今計算機(jī)輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。是利用加在計算機(jī)上的一組軟件與儀器模塊相連接，以計算機(jī)為核心、充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示［3］。

針對一新型便攜式制動器摩擦試驗機(jī)溫度測試系統(tǒng)的研發(fā)，為保證系統(tǒng)要求和控制精度，采用了基于Labview語言的圖形化編程軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡USB－9211 來構(gòu)建溫度測試系統(tǒng)。通過傳感器接收溫度信號，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬信號，再通過信號處理并通過Labview 對測試系統(tǒng)進(jìn)行分析［4］。整個測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，程序的設(shè)計和調(diào)試工作量小，測試采集量和數(shù)據(jù)計算結(jié)果的顯示通過計算機(jī)顯示器完成，是一個理想的汽車制動器摩擦襯片溫度采集平臺。

1 溫度測試系統(tǒng)的工作原理

該溫度測試系統(tǒng)以熱電偶為測量基礎(chǔ)，如圖1。熱電偶測量溫度時要求其冷端(通過引線與測量電路連接的端稱為冷端，測量端為熱端)的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的(環(huán)境)溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償。由冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償［5］。其補(bǔ)償式(1)如下:

式中:E(T0，0)是實際測量的電動勢，T 代表熱端溫度，T0代表冷端溫度，0 代表0 ℃。在制動器摩擦試驗機(jī)現(xiàn)場測量中，熱電偶溫度一般不為0 ℃，而是在一定范圍變化著，因此測得熱電動勢為E(T0，0)。如果要測量的真實被測溫度所對應(yīng)的熱電動勢為E(T，0)，就必須補(bǔ)償冷端不是0 ℃所需要的補(bǔ)償電動勢E(T0，0)，而且補(bǔ)償?shù)碾妱觿蓦S溫度的變化特性必須與熱電偶的熱電特性相一致，才能獲得最佳補(bǔ)償效果。

圖1 熱電偶工作原理

設(shè)熱電偶熱端溫度為T，冷端實際溫度為Tn，補(bǔ)償導(dǎo)線冷端溫度為T0，則回路總接觸電動勢表示為:

若各節(jié)點溫度均為Tn，在其接觸面上沒有電動勢，故

將式(2)減去式(3):

因熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與回路中間溫度無關(guān)，所以回路總熱電勢等于熱電偶熱端溫度為T，冷端溫度為T0時的熱電勢。用補(bǔ)償導(dǎo)線很好地消除了指示誤差，完成了冷端溫度補(bǔ)償。

2 溫度測試系統(tǒng)的研究方法

2.1 熱點偶和數(shù)據(jù)采集卡

試驗中要盡可能的接近實際檢測過程中各種場合下的溫度。故要求:溫度在－200 ℃～500 ℃輸出，并將其信號進(jìn)行放大。而鎳鎘－ 鎳硅熱電偶(K)型，具有線性度好、熱電動勢較大、靈敏度高、穩(wěn)定性和均勻性較好、1 000℃下的抗氧化能力強(qiáng)、性價比高等特點，可在檢測剎車片各種模擬路況環(huán)境中長期使用。而且對熱電偶信號的冷端補(bǔ)償，也可以很好地消除環(huán)境對測溫的影響。

經(jīng)過綜合分析溫度測量點數(shù)、分辨率、精度要求，決定采用NI 公司生產(chǎn)的USB－9211 數(shù)據(jù)采集卡。這是一種性價比高，可直接與計算機(jī)連接的采集卡，可以采集模擬信號、數(shù)字信號，擁有定時器的功能，同時還具有模擬輸出的功能。USB－9211 專為熱電偶測量設(shè)計，具有超高的24 位模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率精度，還包含即用型數(shù)據(jù)記錄器，能采集和記錄高達(dá)四路通道的熱電偶數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集和控制能力［6］。

2.2 LabSQL 與Access 的數(shù)據(jù)庫搭建

LabSQL 是一個完全免費并開源的數(shù)據(jù)庫訪問工具，是一個由許多個VI 組成的數(shù)據(jù)包，因此可以像調(diào)用普通的VI 一樣來調(diào)用。Labview 本身不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，但是由于Labview 提供了豐富的外部程序接口，例如ActiveX和.NET，所以可以通過ADO(ActiveXDataObject)、DAO(DataAccessObject)、ADO.NET 等方法與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。LabSQL 是一個基于ADO 技術(shù)的Labview 數(shù)據(jù)庫訪問包，通過LabSQL，用戶可以直接在Labview 中以調(diào)用子VI的方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。LabSQL 按照ADO 對象分了3 類，并分別位于Command，Connection，Recourdset 這3個不同的文件夾內(nèi)。CommandVIs 的功能是完成一系列基本的ADO 操作。ConnectionVIs 用于管理Labview 與數(shù)據(jù)庫之間的連接。RecordsetVIs 用于對數(shù)據(jù)庫中的記錄進(jìn)行各種操作，例如創(chuàng)建或刪除一條記錄，對記錄中某一條目進(jìn)行讀寫。SQL 是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語言，因此用它可以訪問各種支持SQL 語言的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫［7-8］。圖2 為LabSQL 數(shù)據(jù)庫連接前面板。

圖2 LabSQL 數(shù)據(jù)庫連接前面板

3 溫度測試系統(tǒng)的組成

該溫度系統(tǒng)如圖3 所示。溫度傳感器(熱電偶)直接測量溫度，把產(chǎn)生的溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢信號;信號調(diào)理電路對溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電信號進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理;數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)采集信號調(diào)理電路的電壓信號，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能處理的數(shù)字信號;通過數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序，將數(shù)字信號讀入計算機(jī)，計算機(jī)對信號進(jìn)行處理，以達(dá)到預(yù)期的目的。其中，DAQ 助手模塊是連接硬件電路與計算機(jī)的核心模塊，可以將硬件電路的信號采集到計算機(jī)中。

圖3 溫度測控系統(tǒng)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

溫度測量電路主要由溫度傳感器和信號調(diào)理電路組成，熱電偶傳感器負(fù)責(zé)采集剎車片各點處的溫度值，處理放大后送入數(shù)據(jù)采集卡。經(jīng)過儀器放大器增益為100，放大器輸入信號輸入一個二階2 Hz 的濾波器。該信號通過不同的方式與各種數(shù)據(jù)采集卡連接，實現(xiàn)熱電偶信號的數(shù)據(jù)采集。冷端補(bǔ)償輸出信號也可以與各種數(shù)據(jù)采集卡連接，實現(xiàn)冷端補(bǔ)償信號的數(shù)據(jù)采集。

其溫度信號調(diào)理電路如圖4 所示。

圖4 溫度信號調(diào)理電路

在信號調(diào)理模塊中熱電偶的信號調(diào)理包括三部分:熱電偶信號放大、信號濾波和系統(tǒng)偏移量校準(zhǔn)。熱電偶信號放大是將熱電偶傳感器信號以差分輸入到儀器放大器，儀器放大器將熱電偶傳感器100 mV 的信號進(jìn)行放大，其增益為100。信號濾波是用一個二階2 Hz 的有源濾波器對儀器放大器的輸出信號進(jìn)行濾波。系統(tǒng)偏移量校準(zhǔn)實際上就是通過調(diào)整電位器進(jìn)行調(diào)整減少放大器的漂移，保證信號調(diào)理模塊在0 ℃時誤差最小。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

以Labview 為軟件平臺的虛擬儀器測量技術(shù)，采用可以組合搭配的數(shù)據(jù)采集卡和PC 電腦構(gòu)建主要硬件系統(tǒng)。其核心是通過快捷的Labview 語言進(jìn)行個性化的軟件設(shè)計來實現(xiàn)強(qiáng)大的采集、分析、計算、顯示及存儲功能，從而能夠適應(yīng)不同用戶的特定要求，并根據(jù)環(huán)境或硬件的變化不斷地調(diào)整程序，改進(jìn)優(yōu)化測試系統(tǒng)，以達(dá)到用戶的最終要求。

數(shù)據(jù)采集用Labview 提供的DAQ 以及各子VI 并調(diào)用動態(tài)鏈接DLL 完成信號采集參數(shù)配置和采集;數(shù)據(jù)管理模塊利用LabSQL ADO Functions 中的VI 與Office 自帶的Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，可以完成數(shù)據(jù)寫入、查詢、調(diào)用。

圖5 溫度測試系統(tǒng)主界面

圖5 所示前面板豐富的控件可以完成不同功能的切換。圖6 為溫度信號采集界面。圖7 為溫度信號查詢界面。

圖6 溫度信號采集界面

圖7 溫度信號查詢界面

采用24 位8 通道的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計了四通道溫度信號采集，編制數(shù)據(jù)采集的動態(tài)鏈接庫文件(adcard.dll)。在各個通道會顯示該摩擦襯片該部分的溫度值。如果數(shù)據(jù)顯示異常，說明該部分摩擦襯片性能存在一定問題，還需要進(jìn)一步檢測。

4 結(jié)語

設(shè)計用USB－9211 數(shù)據(jù)采集卡、熱電偶等連接硬件電路，利用Labview 軟件實現(xiàn)對溫度的監(jiān)控，實現(xiàn)了該系統(tǒng)預(yù)計的功能，數(shù)據(jù)的多通道實時采集、顯示、存儲記錄等，并通過LabSQL 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫，基本實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計的所有功能。

［1］湯占軍，馮麗輝.基于LabVIEW 多通道實時溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報，2005，30(5A):186-188.

［2］鐘凡亮，嚴(yán)國萍.LabVIEW 平臺下測試儀軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2007，35(1):138-139.

［3］魏義.汽車制動器總成制動性能試驗臺測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008，2-3.

［4］張麗娜，姜新華，李紅巖.基于LabVIEW 的多點溫度檢測及系統(tǒng)控制［J］.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報，2010，39(7):385-387.

［5］林爽，楊風(fēng).基于LabVIEW 的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究［J］.山西電子技術(shù)，2009(3):18-20.

［6］黃漫國，陶元芳.傳感器在制動試驗臺信號采集系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.微納電子技術(shù)，2007，7(8):183-184.

［7］National Instruments Corporation.DAQ PCI-1200 User Manual.July 1998 Edition.Part Unmber 1995 Edition.Part Number 320942C-01.

［8］張冰，戴曉強(qiáng)，朱志宇.ADO 和LabSQL 在數(shù)據(jù)庫方面上的應(yīng)用［J］.微計算機(jī)信息，2005(21):88-89.