王 娟， 胡文軍， 王培良

(浙江湖州師范學(xué)院 a.工學(xué)院； b.信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

?

基于LabVIEW的多物理量測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

王 娟a， 胡文軍b， 王培良a

(浙江湖州師范學(xué)院 a.工學(xué)院； b.信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

溫度和位移是物理量測量中兩個(gè)重要的參數(shù)。傳統(tǒng)的測量裝置存在精度不高、體積龐大、操作不方便等缺點(diǎn)。為此，基于虛擬儀器設(shè)計(jì)開發(fā)了一種包括位移、溫度在內(nèi)的多物理量測量系統(tǒng)，系統(tǒng)以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合溫度傳感器、位移傳感器、USB6008數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)搭建整個(gè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析處理和人機(jī)交互等功能。測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作方便，測量過程直觀，有助于學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)物理量的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有較高的實(shí)用性。

溫度； 位移； 虛擬儀器； 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

0 引 言

溫度和位移是物理量中的兩個(gè)重要參數(shù)，對(duì)它們的測量方法和測量系統(tǒng)構(gòu)建的研究已是一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]介紹了一種基于電渦流位移傳感器和虛擬儀器技術(shù)的微小位移測量方法，該系統(tǒng)需要進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，精度要求較高，較難實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了渦流傳感器檢測和調(diào)理電路，但使用單片機(jī)采集信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測量，硬件比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]采用LabVIEW程序控制步進(jìn)電機(jī)的位移，文獻(xiàn)[4]采用非接觸式測試方法對(duì)轉(zhuǎn)軸支架的振動(dòng)位移量進(jìn)行測試，測量對(duì)象有一定的局限性。文獻(xiàn)[5]采用信息融合算法對(duì)位移傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，文獻(xiàn)[6]采用單片機(jī)和DS18B20實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采集，算法較復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]利用可編程模擬器實(shí)現(xiàn)多路溫度控制，硬件較多，體積較大。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]采用LabVIEW設(shè)計(jì)了溫度測量系統(tǒng)，測量精度較高，但實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容單一。上述文獻(xiàn)中提到的測量方法不適合機(jī)械電子工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求。

鑒于上述原因，本文基于虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW，結(jié)合傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備構(gòu)建一個(gè)集信號(hào)采集、存儲(chǔ)、分析和處理于一體的位移和溫度測量系統(tǒng)，設(shè)有單端和差分兩種數(shù)據(jù)采集方式，系統(tǒng)靈活，能讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以通過改變不同的傳感器類型，使用不同的數(shù)據(jù)采集方式以及改變采樣時(shí)間間隔等方法構(gòu)建軟硬件平臺(tái)，了解相關(guān)物理量的測量原理和實(shí)現(xiàn)物理量測量實(shí)驗(yàn)等研究。

1 測量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)針對(duì)位移和溫度物理量測量，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，位移傳感器和溫度傳感器分別用于感知位移和溫度物理量，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路[10]主要負(fù)責(zé)將傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大，以便獲得與數(shù)據(jù)采集卡輸入范圍的匹配。數(shù)據(jù)采集卡將采集模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于后臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠?qū)ζ浞治龊吞幚恚鞠到y(tǒng)將使用美國國家儀器公司National Instruments(NI)公司的USB6008板卡作為數(shù)據(jù)采集卡。USB6008可以工作在單端和差分兩種不同模式，在單端模式下，有8個(gè)模擬量輸入通道且每個(gè)通道的模擬電壓輸入范圍為±10 V。在差分模式下，有4個(gè)模擬量輸入通道且每個(gè)通道的模擬電壓輸入范圍為±20 V[11]。后臺(tái)計(jì)算機(jī)依托虛擬儀器軟件平臺(tái)LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用測量軟件，完成信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理、界面顯示和人機(jī)交互等功能。

圖1 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 傳感器及其測量電路

位移傳感器測量電路如圖2左側(cè)虛框所示，具體的是利用傳感器的抽頭構(gòu)成一個(gè)分壓電路。這里位移傳感器型號(hào)為：MIRAN PR-125mm型，總量程為125 mm，其位移變化和阻值變化呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，位移范圍：0～125 mm，對(duì)應(yīng)阻值變化范圍：0.4～5.8 kΩ[12]。

圖2 位移傳感器測量和信號(hào)調(diào)理電路圖

溫度傳感器測量電路如圖3左側(cè)虛框所示，具體的是利用熱敏電阻傳感器和輔助電阻R5構(gòu)成一個(gè)分壓電路。這里熱敏電阻型號(hào)為：萬豪科技3950NTC，總量程為355 ℃，其溫度變化和阻值變化呈非線性對(duì)應(yīng)，溫度范圍：-55～300 ℃，對(duì)應(yīng)阻值變化范圍：128.8～0.017 kΩ[13]。左側(cè)虛線框?yàn)闇y量電路，圖中電容Ce起消除信號(hào)干擾、濾波的作用。

圖3 熱敏電阻測量和信號(hào)調(diào)理電路圖

1.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理模塊的作用就是將傳感器輸出的通常不能直接被數(shù)據(jù)采集裝置讀取的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和阻抗匹配等操作。

兩物理量測量的調(diào)理電路分別見圖2和圖3的右側(cè)虛線框所示。對(duì)應(yīng)的調(diào)理電路主要是利用LF356N放大器和電阻R1、R2、R3、R4及開關(guān)K1、K2一起構(gòu)建一個(gè)放大電路，其中K1、K2開關(guān)為了獲得不同的放大倍數(shù)，以適應(yīng)單端或差分采集方式。在單端方式下，閉合開關(guān)K1，斷開開關(guān)K2，由圖可知，放大電路的放大倍數(shù)為2，故uo=2ui，因此位移在全量程變化后，放大電路輸入電壓ui變化范圍為：0～5 V，則輸出電壓uo范圍為：0～10 V。在差分方式下，閉合開關(guān)K2，斷開開關(guān)K1，由圖可知，放大電路的放大倍數(shù)為3，故uo=3ui，因此位移在全量程變化后，放大電路的輸入電壓ui變化范圍為：0～5 V，則輸出電壓uo范圍為：0～15 V。

2 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的，在計(jì)算機(jī)的控制下，通過傳感器和USB6008數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集，并由后臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，最終通過前面板界面窗口輸出檢測結(jié)果和相應(yīng)測量曲線。

測量系統(tǒng)的前面板如圖4所示，這里為了提高人機(jī)交互界面的可讀性，前面板分成3個(gè)部分，分別是①參數(shù)設(shè)置模塊，比如位移上下限和溫度上下限設(shè)置，如果超出范圍，則會(huì)報(bào)警。還有采樣時(shí)間的設(shè)置，可以控制系統(tǒng)采樣的時(shí)間間隔，從而控制采樣的快慢。②按鈕控制，包括啟動(dòng)采集、停止采集、退出系統(tǒng)等，按下起動(dòng)采集按鈕，開始采集信號(hào)，按下停止采集按鈕，停止信號(hào)的采集，按下退出系統(tǒng)按鈕，則退出整個(gè)LabVIEW程序。模式選擇按鈕可以進(jìn)行差分模式和單端模式的選擇。③輸出顯示模塊，測量數(shù)據(jù)的顯示有圖形顯示、數(shù)值顯示2種方式，圖形顯示可以采集多個(gè)點(diǎn)，顯示溫度、位移變化的趨勢，數(shù)值顯示則給出當(dāng)前值，數(shù)據(jù)采集狀態(tài)信息進(jìn)度顯示條，可以實(shí)時(shí)顯示采集的狀態(tài)。報(bào)警顯示模塊，如果溫度、位移不在設(shè)定的范圍內(nèi)，就會(huì)報(bào)警，可以通過報(bào)警指示按鈕進(jìn)行顯示，如果按鈕為綠色，則不報(bào)警，如果為紅色，則報(bào)警。除此之外，還有顯示系統(tǒng)運(yùn)行的當(dāng)前時(shí)間等。

圖4 基于LabVIEW的物理量測量系統(tǒng)前面板

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示，由該流程圖可知，采集到的數(shù)據(jù)要先進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如，每次采集5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波[16]，得到一個(gè)平均值之后再根據(jù)電壓和位移、電壓和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)換成位移和溫度的輸出。除了數(shù)值輸出之外，還有電壓曲線、位移曲線、溫度曲線的輸出，通過電壓曲線和位移曲線，電壓曲線和溫度曲線之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以對(duì)整個(gè)的測量過程進(jìn)行監(jiān)控，更加直觀地看到電壓和位移、電壓和溫度的變化趨勢，以提升學(xué)生對(duì)測量過程的理解。另外，還可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過文件對(duì)話框以及寫入電子表格文件等控件將采集到的數(shù)據(jù)以Excel表格的形式存儲(chǔ)下來，以便進(jìn)行分析和進(jìn)一步的處理。

圖5 系統(tǒng)測量流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分別進(jìn)行單端和差分兩種采集模式。前面板有選擇按鈕，程序中采用Case結(jié)構(gòu)，如果選擇單端，則Case結(jié)構(gòu)按照“假”執(zhí)行，相應(yīng)的硬件按照單端的方式接線，如果選擇差分，則Case結(jié)構(gòu)按照“真”執(zhí)行，相應(yīng)的硬件按照差分的方式接線。

在單端模式下，USB6008數(shù)據(jù)采集卡的1腳GND和系統(tǒng)共地，2腳AI0+接輸出端，此時(shí)在DAQ助手下對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行配置，選采集信號(hào)—模擬輸入—電壓—支持物理通道中選擇AI0—完成，則彈出采集配置界面，接線端配置選RSE方式，信號(hào)輸入范圍為最大值10 V，最小值-10 V，采集模式為N采樣，即指定任務(wù)采集有限個(gè)采樣，具體個(gè)數(shù)由待讀取采樣點(diǎn)數(shù)指定，這里待讀取采樣點(diǎn)數(shù)為5個(gè)，采樣率為1 k。

在差分模式下，USB6008數(shù)據(jù)采集卡的2腳AI0+接輸出端，3腳AI0-和系統(tǒng)共地，DAQ助手下對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行配置，選采集信號(hào)—模擬輸入—電壓—支持物理通道中選擇AI0—完成，則彈出采集配置界面，接線端配置選差分方式，信號(hào)輸入范圍為最大值20 V，最小值-20 V， 其余與單端方式配置相同。

3.1 位移測量實(shí)驗(yàn)

位移測量時(shí)采用抽拉位移傳感器拉桿的方式改變位移量，分別進(jìn)行單端和差分兩類實(shí)驗(yàn)，并從0～12 cm進(jìn)行等間距實(shí)驗(yàn)測試，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。

表1 單端方式下位移測量結(jié)果

從表1、2可以看出，單端方式下測量的最大絕對(duì)誤差為0.35 cm，差分方式下測量的最大絕對(duì)誤差為0.45 cm，基本滿足實(shí)驗(yàn)條件，從而驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)原理的正確性。

3.2 溫度測量實(shí)驗(yàn)

溫度測量時(shí)，采用改變水溫的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，分別進(jìn)行單端和差分兩類實(shí)驗(yàn)，并從28～70 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

從表3、表4可以看出，單端方式下測量的最大絕對(duì)誤差為0.7 ℃，差分方式下測量的最大絕對(duì)誤差為1 ℃，基本滿足實(shí)驗(yàn)條件，從而說明了實(shí)驗(yàn)方法的可行性。

表2 差分方式下位移測量結(jié)果

表3 單端方式下溫度測量結(jié)果

4 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)測量儀器精度不高，價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性較低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于虛擬儀器的多物理量測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過采集卡將傳感器和PC機(jī)相連接，所有的測量分析任務(wù)都是通過LabVIEW軟件來完成的，利用PC機(jī)高速、高效的數(shù)據(jù)處理功能，很好地克服了已有測量系統(tǒng)精度不高、硬件復(fù)雜、操作不方便等缺點(diǎn)。

表4 差分方式下溫度測量結(jié)果

[1] 要利鑫，鮑其蓮.基于電渦流位移傳感器和虛擬儀器技術(shù)的微小位移測量[J].測控技術(shù), 2006, 25(6): 13-15.

[2] 于明軍,孫福玉,韓 錚,等.基于電渦流傳感器的小位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2015, 32(5): 111-114.

[3] 肖珍芳,李浩峰,康 東.LabVIEW構(gòu)建位移測試系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2009, 22(4): 17-18.

[4] 王榮林,倪文彬,曲 波.基于LabVIEW的激光振動(dòng)位移測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智能控制技術(shù), 2012, 41(13): 55-57.

[5] 景 婧.基于虛擬儀器技術(shù)的位移檢測系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件, 2013, 30(6): 318-321.

[6] 劉德全.智能溫室多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014, 33(11): 77-82.

[7] 于 衛(wèi),江麗莉,李志軍.新型多路溫度測量控制和報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2012, 31(2): 36-40.

[8] 李 菲,江世明.基于LabVIEW的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2014, 37(6): 114-116.

[9] 彭 登,羅賢虎,徐 行.基于LabVIEW的多通道溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程, 2014, 22(7): 47-49.

[10] 熊詩波,黃長藝. 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011：127-129.

[11] National Instruments Corporation. NI USB-6008/6009用戶指南[EB/OL]. [2015-07].http://www.ni.com/pdf/manuals/371303n_0118.pdf.

[12] 深圳米朗科技有限公司. 通用拉桿系列詳細(xì)參數(shù)[EB/OL]. http://www.miran588.cn/.

[13] 南京華巨電子有限公司.熱敏電阻詳細(xì)參數(shù)表R-T103f3950[EB/OL]. [2011-08-14]. http://www.sinochip.net/.

[14] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第五版)[M]. 北京:高等教育出版社，2005：7-12.

[15] Matthew M. Radmanesh. 射頻與微波電子學(xué)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2012：219-220.

[16] 張 濤,齊永奇. MATLAB圖像處理編程與應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014：165-167.

Experimental System for Physical Multi-quantity Measurement Based on LabVIEW

WANGJuana,HUWen-junb，WANGPei-lianga

(a. School of Engineering； b. School of Information Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China)

In physical measurement, the temperature and the displacement are two important parameters, while the traditional measuring device has the disadvantages of low accuracy, large size, and complex operation, etc. For this reason, a new physical quantity measurement system is designed in this paper. The system is constructed by temperature sensor, displacement sensor, USB6008 data acquisition card and the corresponding application software. The application software is developed by LabVIEW, and includes data acquisition, data storage, data analysis, data processing, and human-machine interface. The proposed system makes the process of measurement intuitive, and its operation is convenient. Experimental results show that the proposed system achieves the design goal, and has high practicability.

temperature； displacement； virtual instruments (VI)； experimental system

2015-10-10

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY13F020011)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201430746)；湖州師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(KX24058)

王 娟(1981-),女,安徽宿州人,碩士,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng)和故障檢測等。

Tel.:13362279395;E-mail: wj8193@zjhu.edu.cn

TP 212.9

A

1006-7167(2016)04-0121-04