王立志，山 鵬，張彥軍，3

(1.中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100076； 3.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

溫度和應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、石油、橋梁等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)囟扰c應(yīng)變測試系統(tǒng)的精度、容量、靈敏度、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等方面提出更高的要求[1-2]。由于需要對某一區(qū)域的溫度與應(yīng)變測試，這使得多通道實(shí)時(shí)監(jiān)測成為一種必然趨勢[3]。在以上領(lǐng)域?qū)囟扰c應(yīng)變測試時(shí)，通常使用熱電偶和應(yīng)變片采集溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，其中熱電偶是一種寬溫度范圍精確測溫元件，應(yīng)變片可以測量微小的應(yīng)變[4-5]。將熱電偶與應(yīng)變片分別接入對應(yīng)調(diào)理電路、轉(zhuǎn)化電路將溫度與應(yīng)變轉(zhuǎn)化成被測介質(zhì)的對應(yīng)數(shù)據(jù)。但是這種傳統(tǒng)的溫度測試系統(tǒng)、應(yīng)變測試系統(tǒng)大多是獨(dú)立的。如果需要同時(shí)測量溫度與應(yīng)變，則需要2套設(shè)備。而且測量的溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)不能長時(shí)間保存[6]。這造成溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)不能同時(shí)在一個(gè)上位機(jī)上顯示。同時(shí)監(jiān)測時(shí)間不足。

基于對溫度與應(yīng)變的多通道同時(shí)監(jiān)測和長時(shí)間溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)保存的需求，設(shè)計(jì)了由溫度調(diào)理電路、應(yīng)變調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等組成的溫度與應(yīng)變測試系統(tǒng)。用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度與應(yīng)變的數(shù)據(jù)監(jiān)測。本系統(tǒng)可以同時(shí)對8通道溫度和8通道應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測?？梢詫y試的歷史數(shù)據(jù)長時(shí)間存儲(chǔ)。最后經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)了系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊、溫度與應(yīng)變測試模塊、USB模塊以及上位機(jī)組成。信號(hào)采集模塊的作用是完成8通道的熱電偶溫度和8通道的金屬應(yīng)變片應(yīng)變數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離采集。溫度與應(yīng)變測試模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，主要作用是將信號(hào)集中模塊采集到的原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換以及量化編碼存儲(chǔ)。USB模塊將溫度與應(yīng)變測量模塊處理的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示以及對下位機(jī)FLASH的擦除和讀寫控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用AD8495和OP200AZ設(shè)計(jì)了溫度調(diào)理電路。首先將T型熱電偶與低通濾波器相連，濾掉射頻信號(hào)。然后連接到集成有冷端補(bǔ)償器的精密放大器AD8495。AD8495在5 V電源供電下，可從熱電偶上得到每上升1 ℃輸出5 mV電壓，從而使溫度和電壓成比例關(guān)系。最后選用低功耗、低偏移量OP200AZ對AD8495輸出電壓進(jìn)一步放大，使輸出電壓滿足AD轉(zhuǎn)換要求。圖2為8通道熱電偶溫度中一路溫度調(diào)理電路。

圖2 溫度調(diào)理電路

2.2 應(yīng)變調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用X9C103、AD620和MAX293設(shè)計(jì)了應(yīng)變調(diào)理電路。前端是1個(gè)惠斯登電橋，由3個(gè)額定電阻值為120 Ω的電阻、1個(gè)應(yīng)變片以及2.5 V的激勵(lì)電壓源組成。選用120 Ω電阻可以減少激勵(lì)電壓產(chǎn)生的熱量。應(yīng)變片在沒有應(yīng)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生初始偏置電壓，在電橋A和C中間加入高精度數(shù)字電位器X9C103對應(yīng)變偏置電壓進(jìn)行調(diào)零。應(yīng)變片在受到±3 000 με范圍內(nèi)的應(yīng)變時(shí)通過惠斯登電橋輸出電壓在±5 mV內(nèi)。電壓放大部分使用寬帶可變增益放大器AD602[7]。在增益可調(diào)端G1和G2之間連接100 Ω電阻，使其放大500倍。濾波部分使用具有8階低通濾波器的MAX293芯片，此濾波電路可濾除200 Hz以上的頻率。圖3為8通道應(yīng)變中一路應(yīng)變調(diào)理電路。

圖3 應(yīng)變調(diào)理電路

2.3 FLASH存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

由于溫度與應(yīng)變測量的環(huán)境特殊，選取非易失存儲(chǔ)FLASH作為存儲(chǔ)單元[8]。本設(shè)計(jì)使用2片K9WBG08U1M型號(hào)FLASH進(jìn)行溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提高了系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的速率。通過FPGA控制FLASH的擦除、讀寫。當(dāng)溫度應(yīng)變測試臺(tái)開始工作時(shí)，接收到上位機(jī)擦除命令時(shí)，F(xiàn)LASH開始逐一擦除塊內(nèi)容。擦一塊，塊地址加1。擦除結(jié)束后，自動(dòng)開始FLASH寫操作。首先將16路溫度與應(yīng)變數(shù)字信號(hào)寫入FPGA內(nèi)的FIFO中，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)量夠FLASH一頁時(shí)將FIFO中數(shù)據(jù)寫入FLASH中，寫滿64頁則一塊寫滿。當(dāng)FPGA接收到上位機(jī)的讀命令來確定讀取FLASH1或FLASH2中的溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)。FLASH存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于對地址、數(shù)據(jù)復(fù)用IO端口在不同時(shí)段的精準(zhǔn)操作。圖4為雙FLASH存儲(chǔ)外圍電路。

圖4 雙FLASH存儲(chǔ)外圍電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

以FPGA為主控芯片，使用Verilog HDL語言編寫主控制程序，其主要功能是控制AD轉(zhuǎn)換、FLASH存儲(chǔ)、USB接口與上位機(jī)通信。圖5為系統(tǒng)主程序流程圖。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)內(nèi)AD模塊、FLSAH存儲(chǔ)模塊以及USB控制器進(jìn)行初始化。初始化完成后上位機(jī)給FPGA輸入信號(hào)，F(xiàn)PGA判斷接收到的信號(hào)類型執(zhí)行不同子程序命令。其中AD轉(zhuǎn)換子程序控制AD模塊將溫度與應(yīng)變對應(yīng)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。FLASH存儲(chǔ)子程序控制FLSAH存儲(chǔ)模塊將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)實(shí)施存儲(chǔ)。USB接口與上位機(jī)通信子程序?qū)崿F(xiàn)USB接口與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件是設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心[9]。系統(tǒng)通過USB與上位機(jī)通信。設(shè)計(jì)的LabVIEW平臺(tái)由參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、溫度采集、應(yīng)變采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、擦除FLASH、讀取FLASH等模塊組成，如圖6所示。

圖6 上位機(jī)界面圖

首先啟動(dòng)上位機(jī)軟件進(jìn)入主界面。可以選擇溫度采集模塊和應(yīng)變采集模塊，對模塊中的采樣頻率、偏移量進(jìn)行參數(shù)配置。然后可對溫度與應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。其中應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測前需要對8通道進(jìn)行“歸零”操作。監(jiān)測數(shù)據(jù)以波形的形式顯示。如果需要對溫度與應(yīng)變監(jiān)測很長時(shí)間，則可以將溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FLASH中，最后可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)分析。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析

使用標(biāo)準(zhǔn)智能溫度校驗(yàn)儀給溫度通道輸入-70～100 ℃的溫度信號(hào)，測試溫度與電壓的關(guān)系。將每一通道測試出的溫度與電壓數(shù)據(jù)在軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。溫度與電壓關(guān)系如圖8所示。用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀給應(yīng)變通道輸入-3 000 με～3 000 με的應(yīng)變值，測試應(yīng)變與電壓的關(guān)系。將每一通道測試出的應(yīng)變與電壓數(shù)據(jù)在軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。應(yīng)變與電壓關(guān)系如圖9所示。

圖8 8通道溫度數(shù)據(jù)線性擬合

圖9 8通道應(yīng)變數(shù)據(jù)線性擬合

如圖8所示，經(jīng)過AD8495對T型熱電偶進(jìn)行非線性補(bǔ)償后，溫度與電壓有非常明顯的線性關(guān)系。參考T型熱電偶表，查得在測量結(jié)果為某一溫度時(shí)的熱電偶的熱電電壓。由熱電偶的熱電電壓在本設(shè)計(jì)中進(jìn)行線性外推得到溫度值。最后對線性外推得出的溫度與查表的溫度進(jìn)行比較，誤差在±2 ℃范圍內(nèi)。如圖9所示，8通道的應(yīng)變與電壓關(guān)系呈現(xiàn)出高線性度。對每一通道測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合出公式：

V=k·ΔE+b

(1)

式中：V為應(yīng)變調(diào)理電路輸出電壓；k為斜率；ΔE為應(yīng)變；b為偏移量。

從擬合出的線性關(guān)系(表1)中可以看出，偏移量非常小，說明應(yīng)變與實(shí)際的誤差很小。同時(shí)這部分偏移量可以通過軟件調(diào)節(jié)。最終線性誤差在±0.3%范圍內(nèi)。

表1 線性關(guān)系斜率與偏移量

多通道溫度與應(yīng)變測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性在實(shí)際應(yīng)用中同樣重要。表2是在不同時(shí)刻應(yīng)變值為500 με，溫度值為24 ℃，每隔一段時(shí)間讀取的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中可以看出8 h內(nèi)溫度與應(yīng)變沒有明顯的波動(dòng)。說明該系統(tǒng)在工作中具有穩(wěn)定性。

表2 溫度、應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了溫度調(diào)理電路、應(yīng)變調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路對溫度與應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，并利用LabVIEW作為上位機(jī)開發(fā)軟件，上位機(jī)將采集到的溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)處理并實(shí)時(shí)顯示。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)對溫度與應(yīng)變測量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合溫度誤差為±2 ℃，應(yīng)變線性誤差為±0.3%。