两船干扰力测试系统开发

叶 明姚朝帮

（1.海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011；2.海军工程大学 船舶与海洋工程系 武汉430033）

0 引 言

当今海运中，舰船编队海上补给与大型商船海上拖带等现象越来越普遍。为指导编队海上补给以及商船海上拖带时两船的具体操纵规律，需探究两船或多船并列航行时相互之间的水动力干扰规律。国内外关于该课题都开展了广泛的理论研究［1-4］，相比之下，试验研究较少，主要原因是：两船水动力干扰试验装置较为复杂，研制过程较为繁琐；试验成本较高且各种试验仪器接口、通信方式不统一，数据采集复杂，试验难度较大。

为验证理论计算方法和实现工程应用，开展两船水动力干扰试验必不可少。试验过程中会涉及多个力传感器的数据采集，故开展基于Labview软件的干扰力数据采集分析系统的开发，并在此基础上实现力传感器的标定。

Labview是基于图形编译（Graphics，G）语言的虚拟仪器软件开发平台，它具有数据采集、数据分析、信号生成、信号处理、输入输出控制等功能。与传统编程采取的文本语言相比，Labview使用G语言编程，界面更加友好直观，是一种直觉式图形程序语言［5］。

基于Labview平台的多通道数据采集系统开发较多，如金仁江等开展了基于Labview软件的多通道温度测控系统设计［6］，吴俊勇等开展了基于Labview平台的多通道低温测试试验系统的研发［7］。他们开展的研究为本文提供了思路，但是由于他们的研究都针对具体的应用对象，因此开发的系统或程序只适用于他们所使用的传感器，很难直接应用到其他类型传感器的数据采集系统中。

为进一步增强开发系统应用的广泛性和通用性，本文开发了基于串口通信方式的数据采集软件，并进一步开发了多通道数据分析软件，在此基础上探讨了力传感器的标定方法。

1 系统设计

1.1 力传感器

两船水动力干扰试验要测量两船各自的阻力与横向力，横向力采用前后两个横向力传感器测量，阻力采用拉力传感器测量。因此，两船作用力测量时共有6个力传感器。阻力传感器型号为CHLBS，采用电流输出方式，输出电流为4～20 mA，对应于量程0～50 N。横向力传感器型号为HGH，采用电压输出方法，量程为0～30 N。传感器实物如图1所示。

图1 力传感器

1.2 系统设计原理

整个系统设计主要包括船体、传感器、A/D转换器、通讯接口、工控机及软件，两船干扰试验中选择的两种传感器在信号传输过程中使用的均是RS-485接口，这主要是因为该接口传输过程中抗噪声干扰性好，最大传输距离可达3 000 m。但通常工控机上自带串口为RS-232接口，因此还需要通过转换器将RS-485接口所传输的数据转换后经过RS-232接口传入工控机。整个系统设计如图2所示。

图2 整体系统设计原理

图2中ADAM4117实现拉力传感器模拟信号到数字信号的转换，控制盒实现电压的放大和横向力传感器模拟信号至数字信号的转换。ADAM4117是16位A/D、8通道的模拟量输入模块，用来采集拉力传感器输出的电流信号，需要发送相关指令才能采集数据。横向力传感器只要接线正确、标定完成，即可实现数据采集，不需要发送指令。

2 多通道数据采集系统及分析系统开发

2.1 多通道数据采集系统

如上文所述，数据采集系统需要实现2个阻力通道及4个横向力通道共6个通道数据的采集。其中阻力采用拉力传感器，需要通过发送相关指令才能采集到数据，该指令在采集系统开发时已内化到程序内部；横向力采用横向力传感器，使用时不需要发送指令。本文在数据采集系统开发时，按照顺序结构，依次采集6个通道数据，最后将数据实时显示并保存到指定文件中。

开发的多通道数据采集系统主要包括以下几个模块：①串口参数设置模块；②发送指令显示模块；③接收数据显示模块；④标定系数设置模块；⑤采集数据实时曲线显示模块；⑥采集数据统计分析模块，主要包括最大值、最小值、平均值、总数据点数；⑦数据保存模块。系统运行过程界面截图如图3所示。串口参数设置模块及横向力数据采集程序代码、拉力传感器数据采集程序代码分别如图4、图5所示。

图3 多通道数据采集系统

2.2 多通道数据分析系统

为了实现采集数据的快速分析，开发了多通道数据分析系统，该系统主要包括以下几个模块：①打开文件模块；②数据分段处理模块；③数据信息统计模块，包括最大值、最小值、平均值。系统运行界面如图6所示。

图4 串口参数设置及横向力数据采集程序后面板

图5 拉力数据采集程序后面板

图6 多通道数据分析系统

3 力传感器系数的“迭代标定法”

采用上述开发的数据采集系统实现拉力传感器的标定。对拉力传感器的标定通常采用的方法有最小二乘法［8］、神经网络方法［9-10］，无论采用哪种方法，归根结底是要建立传感器输出值与实际值的线性拟合关系，这是力传感器的工作原理。

以上介绍的传感器标定方法都是采用一次标定获得标定系数，在实际标定过程中，一次标定时数据的选取非常关键。如果选取的数据与真实值之间误差较大，则会得到一个不合理的标定系数，进而影响传感器的测量精度。为了消除这种人为因素造成的误差，这里给出“参数标定的迭代法”。该方法的基本思想是：①采集第一次数据，每个标定点采集多个样本，取均值；②对采集到的数据点进行线性拟合，得到回归系数，作为第一次标定系数；③采用第一次得到的标定系数采集样本点，并对这些样本点拟合，对第一次得到的回归系数进行修正，得到第二次标定系数。如此往复，直到所获得的样本点均值与真实值基本相同为止。采用该方法一般循环3～4次即可得到较满意的标定系数。

为了验证本文提出的“参数标定的迭代方法”，选取拉力传感器开展的试验验证。表1中给出了第一次采集到的8组样本数据。

表1 第一次标定用数据

对表1中样本数据取均值，然后采用最小二乘法拟合得到第一次标定系数。

标定系数Rt=a1×Current+b1，a1=3.093，b1=-0.001。通过第一次迭代得到的回归系数对a1进行修正，得到系数a2=3.109 1；通过第二次迭代，又得到系数a3=3.110 3。通过表2中的数据可以看出，此时的回归系数已较令人满意。

表2 迭代法数据

4 结 论

本文基于Labview软件，根据两种传感器不同的工作方式，开发了基于串口通信的多通道数据采集系统、多通道数据分析系统，为多通道数据采集、分析提供了快捷方便的工具；同时提出力传感器的“迭代标定法”，并用力传感器标定的试验验证了该方法的有效性。

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［2］XIANG X，FALTISEN O M.Maneuvering of Two Interacting ShipsinCalmWater［C］//Proceedingsofthe11thInternational Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures.Rio de Janeiro，Brazil：［s.n.］，2010.

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［4］谢楠，江滨，李平，等.舰船在波浪中补给的运动性能研究［J］. 水动力 研 究与 进 展 （A 辑），1999，14（4）：510-520.

［5］张丙才，刘琳，高广峰，等.基于Labview的数据采集与信号处理［J］.仪表技术与传感器，2007，12：74-75.

［6］金仁江，肖志华.基于Labview的多通道温度测控系统设计［J］.常州信息职业技术学院学报，2011，10（1）：20-22.

［7］吴俊勇，闫振靖，魏跃平.基于LabView的多通道低温试验测试系统［J］.自动化技术与应用，2011，30（2）：73-77.

［8］石炳存，王源水.标定方法对称重传感器标定的影响［J］.宁夏工程技术，2005，4（3）：251-252.

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［10］张丹，于朝民，李东.基于BP神经网路的压力传感器静态特性数据融合［J］.计算机测量与控制，2004，12（6）：598-600.