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1、基于虚拟仪器的热膨胀仪测试系统设计lvjing导语：热膨胀仪测试系统国内目前大多使用VC开发，其编程经过复杂，仪器之间的通讯实现特别繁琐，需要花费大量的时间。1引言热膨胀仪测试系统国内目前大多使用VC开发，其编程经过复杂，仪器之间的通讯实现特别繁琐，需要花费大量的时间。美国NI公司提出的虚拟仪器是一种综合的测试技术，它通过计算机上添加几种共性的根本仪器硬件模块，通过软件的思想来组合成各种功能的仪器和系统的仪器设计思想。虚拟仪器技术利用LabVIEW进展开发，LabVIEW系统开发能缩短复杂程序的开发时间，更迅捷、更经济地解决测试问题，而且它的界面友好，这使得它已经越来越多地在应用在测试领域。它
2、内置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS一232和RS一485各种通讯总线标准，具有强大的外部接口功能，可以简单的完成软件间的接口通讯，使用IabVIEW软件进展编程，可以节约时间和本钱。由于虚拟仪器开发简单、快捷的特点，本文利用LabVIEW软件开发出一套热膨胀仪测试系统，系统界面友好、操纵简便、易于测量，并使用其强大的接口通讯功能，通过VISA通讯实现了信号的测量和数据的收集、分析处理、存储和显示。2热膨胀的测试的总体方案设计测试系统通过将被测材料放在加热炉体内，随着温度升高，材料受热膨胀后膨胀量通过顶杆将膨胀量传递到位移传感器上，位移传感器器所测得的位移量就是材料热膨胀变化的
3、位移量。随着炉体温度的升高，系统将温度信号和变化的位移信号通过数据收集和处理分别实时地传到PC机中，通过热膨胀公式计算获得材料的热膨胀系数，这就是测量热膨胀的根本原理。测试的总体构造框图如图l所示。首先通过位移和温度传感器作为信号的输人，信号通过调理模块进展放大、滤波，经过数据收集后传送到PC中，来获得当前的温度信号与位移信号。利用PID控制算法对电加热炉温度进展的控制，使得温度线性上升，随着这个线性的温度变化，可以同时通过测量材料的膨胀量来获得热膨胀曲线，最终可以通过膨胀曲线和测试的数据获得在任意温度段内的膨胀系数。align=center系统总体构造框图/align3热膨胀仪测试的根本硬件
4、3.1温度传感器温度的检测采用镍铬一镍硅热电偶K型热电偶，K型热电偶具有线性度好，热电动势大，灵敏度高，稳定性和均匀性好等特点，能测最高温度为1300，且小型结实，能在恶劣环境下使用，但它们只能产生毫伏mV级的输出，所以需要进展准确放大供进一步的处理。而热电偶的电压温度曲线通常以0作为参考点，而实际的温度通常都不是0，因此一般都需要采用冷端补偿技术CJC。3.2位移传感器位移传感器是位移测量的关键器件，传感器精度影响着测量的精度。本系统中采用的是可变式线性差动变压器LVDT是一种将位置信号转化成电信号的传感器，其输出与可挪动磁芯成正比。磁芯在中央初级线圈和两外层次级线圈所构成的变压器内线形挪动
5、，初级线圈加电压鼓励，两次级线圈的绕向相反，因此当磁芯位于中间位置时，净输出电压应改为零。但是由于两个次级线圈绕组和漏感之间的不一致，故输出不会出现真正的零值。解决以上问题一般都用信号调理电路，将两个输出电压的绝对值相减。利用这种方法，可以测量围绕中心位置的正向变化和负向变化。位移传感器性能指标为：测量范围25mm，测量电压12VDC，输出信号5VDC，非线性度为万分之五，温度系数为十万分之五。3.3信号调理模块使用ADAM一4018作为温度传感器信号的调理模块。ADAM一4018是一个16位8通道模拟量输入模块，可以直接收集热电偶信号，可以分别对应不同的热电偶信号，本文中用到其中3个模拟输入
6、通道，分别用于测试炉体加热管温度、被测材料附近温度和位移传感器环境温度。ADAM一4018其通讯接口为RS一485，所有通道都提供了可编程地输入范围。它可以测量多种不同的模拟量信号，例如热电偶、mV，V，和mA信号，可以转换不同的信号范围。它内部含冷端补偿电路，可以进展补偿，且自带Advan-techDeviceManager软件，防止了软件中将模拟信号对应转换成K型热电偶的温度信号的设置，它可以将模拟电压对应设定的热电偶型号，产生温度信号输出。防止了繁琐的插值方法或是高次多项式的模拟。3.4数据收集卡为了收集信号方便，本系统采用并行32位传输总线的PCI一9118HG作为插卡式的数据收集系统
7、，这是一款具有16路单端8路差分输入的数据收集卡，并且含有2路模拟输出。输出的信号经信号调理后输出模拟电压，通过模拟电压信号控制调压模块进而控制加热体的输出功率。4热膨胀测试的软件设计LabVIEW是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发平台，具有功能强大的函数模块和通讯协议，大大减少了软件开发的周期，十分是在测试和控制系统当中，能方便地进展数据收集和数据分析。本系统将热膨胀测试分为测量模块和分析模块两局部，热膨胀仪测试系统的软件功能构造如图2所示。align=center热膨胀仪测试系统的软件功能构造图/align4.1差动变压器的信号收集利用PCI一9118HG进展信号的收集，由于其传输
8、速度快，可以快速将热膨胀所产生的位移变化传递出来，有较好的响应，如图3所示。由于系统采用的不是NI的数据收集卡，PCI一9118HG对NI的某些DAQmx控件不支持，数据信号的收集采用的是DAQ收集。收集卡将输入的模拟信号转换对应输出为+25mm信号，在图3中参加一个公式节点进展标度变换将信号变换成所需的信号范围中。4.2热电偶信号的收集与VISA串口通讯采用ADAM一4018进展热电偶信号收集。ADAM一4018M所有通道都提供了可编程地输入范围，其自带软件AdvantechDeviceManager可以将输入信号进展调理，也可以自己设定CJC补偿校正，ADAM一4018是RS一485串口通
9、讯模块通过RS485RS232转接口将信号传递到PC机中，软件中允许发送命令对模块进展输出控制。接下来要发送命令将ADAM一4018中收集的数据通过VISA通讯发送到LabVIEW软件界面当中。首先要对输入信号进展设置，如波特率、数据位、停顿位、是否有奇偶校验等等。必须跟PC机上面的设置一样。接着是翻开VISA，通过VISA往仪器里面写代码和关闭VISA。向ADAM一4018模块发送命令将收集处理后的信号通过串口发送到Lab-view中，在L,abVIEW中输出热电偶的温度信号，而不需要另外运行AdvantechIevieeManager软件。如图4就是VISA通讯的串口程序。Writebuf
10、fer中的#01那么是将0l地址输出的数据传到LabVIEW当中。在写writebuffer的时候，要留意将其属性改为可以写代码，否那么不能输出结果。数据传输后，从ADAM一4018中返回的是字符串，并且带有、+等符号，要将其类型进展转换成数据输出。收集的温度信号分别是炉体的温度、棒材的温度和差动变压器附近的环境温度。其中只有炉体的温度是可控的。4.3PID控制PID控制前面板如图5所示。控制效果通过调节PID参数来整定。作为一个比拟经典的控制算法，PID控制常再温度控制中使用，并且有较好的控制效果。本系统是通过收集读人温度信号到PID模块，通过PID模块来控制加热的输出功率，进而使温度以较好
11、的响应逼近目的温度。P、I、D参数的详细数值根据实际的情况进展调节。PID模块中带有参数的自整定，可以根据当前的环境情况对噪声的状况进展分析。自动对PID参数进展设置。4.4数据的存储与数据分析数据的存储局部如图6所示，在开场运行程序后，程序会给一个提示存储文件，默认名字为filel，txt，用户可以对其进展修改，系统将根据采样速率记录下时间、温度以及对应的位移量的值。数据分析的前面板如图7所示。通过设置温度段，用户可以调用存储的文件。系统将自动从存储的数据文件中调出用户输入的温度值对应的位移量，根据材料的长度和温度变化的值，由热膨胀系数公式m=L2一L1L0t2一t1=LLott15结论与展望本系统构建了热膨胀测试系统，采用了NI的LabVIEW软件进展程序设计，利用虚拟仪器强大的通讯功能，实现了数据收集和VISA的串口数据通讯。热膨胀测试界面友好，易于操纵，可以方便灵敏地测量出被测物体的膨胀系数，并且具有数据的分析功能，通过调用存储的数据文件为测试者自动计算出分析所需温度段的热膨胀系数。本系统的构建对于热膨胀的测试和材料性能的研究都有着积极的意义。