基于虛擬儀器的熱膨脹儀測試系統(tǒng)設計

1 引言

   　 熱膨脹儀測試系統(tǒng)國內目前大多使用VC開發(fā)，其編程過程復雜，儀器之間的通訊實現(xiàn)十分繁瑣，需要花費大量的時間。美國NI公司提出的虛擬儀器是一種綜合的測試技術，它通過計算機上添加幾種共性的基本儀器硬件模塊，通過軟件的思想來組合成各種功能的儀器和系統(tǒng)的儀器設計思想。虛擬儀器技術利用LabVIEW進行開發(fā)，LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)能縮短復雜程序的開發(fā)時間，更迅捷、更經濟地解決測試問題，而且它的界面友好，這使得它已經越來越多地在應用在測試領域。它內置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS一232和RS一485各種通訊總線標準，具有強大的外部接口功能，能夠簡單的完成軟件間的接口通訊，使用IabVIEW軟件進行編程，能夠節(jié)約時間和成本。由于虛擬儀器開發(fā)簡單、快捷的特點，本文利用LabVIEW軟件開發(fā)出一套熱膨脹儀測試系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好、操作簡便、易于測量，并使用其強大的接口通訊功能，通過VISA通訊實現(xiàn)了信號的測量和數據的采集、分析處理、存儲和顯示。

2 熱膨脹的測試的總體方案設計

   　 測試系統(tǒng)通過將

    　測試的總體結構框圖如圖l所示。首先通過位移和溫度傳感器作為信號的輸人，信號通過調理模塊進行放大、濾波，經過數據采集后傳送到PC中，來獲得當前的溫度信號與位移信號。利用PID控制算法對電加熱爐溫度進行的控制，使得溫度線性上升，隨著這個線性的溫度變化，可以同時通過測量材料的膨脹量來獲得熱膨脹曲線，zui終可以通過膨脹曲線和測試的數據獲得在任意溫度段內的膨脹系數。

3  熱膨脹儀測試的基本硬件

3.1溫度傳感器

　　溫度的檢測采用鎳鉻一鎳硅熱電偶（K型熱電偶），K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性好等特點，能測zui高溫度為1300℃，且小型牢固，能在惡劣環(huán)境下使用，但它們只能產生毫伏（mV）級的輸出，所以需要進行放大供進一步的處理。而熱電偶的電壓溫度曲線通常以0℃作為參考點，而實際的溫度通常都不是0℃，因此一般都需要采用冷端補償技術（CJC）。

3.2位移傳感器

　　位移傳感器是位移測量的關鍵器件，傳感器精度影響著測量的精度。本系統(tǒng)中采用的是可變式線性差動變壓器（LVDT）是一種將位置信號轉化成電信號的傳感器，其輸出與可移動磁芯成正比。磁芯在*初級線圈和兩外層次級線圈所構成的變壓器內線形移動，初級線圈加電壓激勵，兩次級線圈的繞向相反，因此當磁芯位于中間位置時，凈輸出電壓應改為零。但是由于兩個次級線圈繞組和漏感之間的不一致，故輸出不會出現(xiàn)真正的零值。解決以上問題一般都用信號調理電路，將兩個輸出電壓的值相減。利用這種方法，能夠測量圍繞中心位置的正向變化和負向變化。位移傳感器性能指標為：測量范圍±2．5mm，測量電壓±12VDC，輸出信號±5VDC，非線性度為萬分之五，溫度系數為十萬分之五。

3.3信號調理模塊

　　使用ADAM一4018作為溫度傳感器信號的調理模塊。ADAM一4018是一個16位8通道模擬量輸入模塊，可以直接采集熱電偶信號，可以分別對應不同的熱電偶信號，本文中用到其中3個模擬輸入通道，分別用于測試爐體加熱管溫度、被測材料附近溫度和位移傳感器環(huán)境溫度。ADAM一4018其通訊接口為RS一485，所有通道都提供了可編程地輸入范圍。它可以測量多種不同的模擬量信號，例如熱電偶、mV，V，和mA信號，可以轉換不同的信號范圍。它內部含冷端補償電路，可以進行補償，且自帶Advan-tech Device Manager軟件，避免了軟件中將模擬信號對應轉換成K型熱電偶的溫度信號的設置，它可以將模擬電壓對應設定的熱電偶型號，產生溫度信號輸出。避免了繁瑣的插值方法或者是高次多項式的模擬。

3.4數據采集卡

　　為了采集信號方便，本系統(tǒng)采用并行32位傳輸總線的PCI一9118HG作為插卡式的數據采集系統(tǒng)，這是一款具有16路單端／8路差分輸入的數據采集卡，并且含有2路模擬輸出。輸出的信號經信號調理后輸出模擬電壓，通過模擬電壓信號控制調壓模塊從而控制加熱體的輸出功率。

4 熱膨脹測試的軟件設計

　　LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，具有功能強大的函數模塊和通訊協(xié)議，大大減少了軟件開發(fā)的周期，特別是在測試和控制系統(tǒng)當中，能方便地進行數據采集和數據分析。本系統(tǒng)將熱膨脹測試分為測量模塊和分析模塊兩部分，熱膨脹儀測試系統(tǒng)的軟件功能結構如圖2所示。

4.1差動變壓器的信號采集

　　利用PCI一9118HG進行信號的采集，由于其傳輸速度快，能夠快速將熱膨脹所產生的位移變化傳遞出來，有較好的響應，如圖3所示。由于系統(tǒng)采用的不是NI的數據采集卡，PCI．一9118HG對NI的某些DAQmx控件不支持，數據信號的采集采用的是DAQ采集。采集卡將輸入的模擬信號轉換對應輸出為+2．5mm信號，在圖3中加入一個公式節(jié)點進行標度變換將信號變換成所需的信號范圍中。

4.2熱電偶信號的采集與VISA串口通訊

　　采用ADAM一4018進行熱電偶信號采集。ADAM一4018M所有通道都提供了可編程地輸入范圍，其自帶軟件Advantech Device Manager可以將輸入信號進行調理，也可以自己設定CJC補償校正，ADAM一4018是RS一485串口通訊模塊．通過RS485／RS232轉接口將信號傳遞到PC機中，軟件中允許發(fā)送命令對模塊進行輸出控制。接下來要發(fā)送命令將ADAM一4018中采集的數據通過VISA通訊發(fā)送到Lab

　　首先要對輸入信號進行設置，如波特率、數據位、停止位、是否有奇偶校驗等等。必須跟PC機上面的設置相同。接著是打開VISA，通過VISA往儀器里面寫代碼和關閉VISA。向ADAM一4018模塊發(fā)送命令將采集處理后的信號通過串口發(fā)送到Lab-view中，在L,abVIEW中輸出熱電偶的溫度信號，而不需要另外運行Advantech I）eviee Manager軟件。如圖4就是VISA通訊的串口程序。Write buffer中的#01則是將0l地址輸出的數據傳到LabVIEW當中。在寫write buffer的時候，要注意將其屬性改為可以寫代碼，否則不能輸出結果。數據傳輸后，從ADAM一4018中返回的是字符串，并且?guī)в?>"、"+"等符號，要將其類型進行轉換成數據輸出。采集的溫度信號分別是爐體的溫度、棒材的溫度和差動變壓器附近的環(huán)境溫度。其中只有爐體的溫度是可控的。

4.3 PID控制

　　PID控制前面板如圖5所示。控制效果通過調節(jié)PID參數來整定。作為一個比較經典的控制算法，PID控制常再溫度控制中使用，并且有較好的控制效果。本系統(tǒng)是通過采集讀人溫度信號到PID模塊，通過PID模塊來控制加熱的輸出功率，從而使溫度以較好的響應逼近目標溫度。P、I、D參數的具體數值根據實際的情況進行調節(jié)。PID模塊中帶有參數的自整定，可以根據當前的環(huán)境情況對噪聲的狀況進行分析。自動對PID參數進行設置。

4.4數據的存儲與數據分析

　　數據的存儲部分如圖6所示，在開始運行程序后，程序會給一個提示存儲文件，默認名字為filel，txt，用戶可以對其進行修改，系統(tǒng)將根據采樣速率記錄下時間、溫度以及對應的位移量的值。數據分析的前面板如圖7所示。通過設置溫度段，用戶可以調用存儲的文件。系統(tǒng)將自動從存儲的數據文件中調出用戶輸入的溫度值對應的位移量，根據材料的長度和溫度變化的值，由熱膨脹系數公式αm=（L2一L1）／[L0（t2一t1）]=（△L／Lo）／△t（t1<t2），計算就能夠得出溫度段的平均線膨脹系數。其中，L2是溫度t2下的試樣長度，L1是溫度t1下的試樣長度，△t是t2和t1間的溫度差。

5 結論與展望

　　本系統(tǒng)構建了熱膨脹測試系統(tǒng)，采用了NI的LabVIEW軟件進行程序設計，利用虛擬儀器強大的通訊功能，實現(xiàn)了數據采集和VISA的串口數據通訊。熱膨脹測試界面友好，易于操作，能夠方便靈活地測量出被測物體的膨脹系數，并且具有數據的分析功能，通過調用存儲的數據文件為測試者自動計算出分析所需溫度段的熱膨脹系數。本系統(tǒng)的構建對于熱膨脹的測試和材料性能的研究都有著積極的意義。