基于虛擬儀器的熱膨脹儀測試系統設計

1 引言

　熱膨脹儀測試系統國內目前大多使用VC開發，其編程過程復雜，儀器之間的通訊實現十分繁瑣，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的儀器設計思想。虛擬儀器技術利用LabVIEW進行開發，LabVIEW系統開發能縮短復雜程序的開發時間，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，能夠節約時間和成本。由于虛擬儀器開發簡單、快捷的特點，本文利用LabVIEW軟件開發出一套熱膨脹儀測試系統，系統界面友好、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

　 測試系統通過將

被測材料放在加熱爐體內，隨著溫度升高，材料受熱膨脹后膨脹量通過頂桿將膨脹量傳遞到位移傳感器上，位移傳感器器所測得的位移量就是材料熱膨脹變化的位移量。隨著爐體溫度的升高，系統將溫度信號和變化的位移信號通過數據采集和處理分別實時地傳到PC機中，通過熱膨脹公式計算獲得材料的熱膨脹系數，這就是測量熱膨脹的基本原理。

　 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。磁芯在中央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：測量范圍鹵2．5mm，測量電壓鹵12VDC，輸出信號鹵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，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平臺，具有功能強大的函數模塊和通訊協議，大大減少了軟件開發的周期，特別是在測試和控制系統當中，能方便地進行。