基于Lab VIEW的应变信号采集系统设计

吕婷，郑德聪，潘荣超，王嘉伟，刘文智，李建平

（山西农业大学 工学院，山西 太谷030801）

以电阻应变式传感器为输入环节的应变测试系统，由于其灵敏度高、通用性好、成本低等特点，在机械工程测试领域得到了广泛应用［1］。如通用机械的性能参数功率、扭矩、拉压力，运动学参数位移、速度、加速度等参数的测试，普遍采用这种应变测试系统。传统的系统主要包括测量电桥、电阻应变仪、数据采集仪和记录仪器等，结构复杂，使用操作不方便。为此我们以NI公司数据采集设备及Lab VIEW8.2软件为开发平台，按照一般动态应变信号的测试要求，进行系统的二次开发，以拓展虚拟仪器系统的功能。

1 系统功能及要求

应变信号测试过程如图1所示。一般在动态实测前进行正负电标定，并利用电标定结果，求出电标定常数，以此确定实测应变值的大小。传统的电标定信号，是通过附设在应变仪上的标定电桥，产生电阻变化，模拟已知的应变值引起的测量电桥输出，实现电标定。采用虚拟仪器及A／D转换器进行信号采集时，需要利用测量电桥，在其某一桥臂上并接一个大电阻，引起该桥臂电阻的变化，导致电桥输出，通过A／D转换器，采集此直流信号，实现电标定［2～6］。

考虑到A／D转换器电压调零不方便，因此在实际测量过程中同时记录零线，通过该零线值消除由于电桥输出非零值所引起的测量误差。

具体计算时，通过记录曲线得到的数组（0，a1），（ε0＋，a＋），（0，a2），（ε0－ ，a－ ）和 （0，a3）由下式分别确定相对于零输入的标定输出平均值［7～9］：

图1 应变测试过程示意图Fig.1 Schematic diagram of strain test process

式中，

A＋－相对于零输入的正标定采样；A－－相对于零输入的负标定采样输出平均值；a＋－标定ε0＋时的实际采样值；a－－标定ε0－时的实际采样值；ai－电桥平衡，输入为零时的才零时的采样值，（i＝1，2，3）。

则，正负电标定时的标定常数分别为：

式中，ε0＋，ε0－ 标定正负应变值［10］。

实测应变值的大小由下式确定：

式中，ax－实测采样值；＄－修正系数，＄ ＝，其中＄ 为所使用应变片的灵敏度系C数［11～13］。

2 系统的软件实现

根据系统测试的功能和要求，利用Lab－VIE W8.2软件平台，进行二次开发。

程序框图如图2所示。

图2 数据采集系统框图Fig.2 Flowchart of Data acquisition system

2.1 前面板的设计

数据采集系统前面板如图3所示。前面板中包括动态信号波形显示窗口、数字显示窗口、通道显示、电标定输入、输出显示及各功能控制按钮，并且同时可将电标定输入输出结果及动态采集结果分别存入数据文件中，以便进一步进行信号的分析和处理。

图3 数据采集的前面板Fig.3 Data acquisition of the front panel

使用操作时，确定系统各环节连接无误后，按下生成文件按钮后，可在D盘中自动生成一个名为dianbiaodingjieguo.xsl的电子表格文件。在标定区域输入窗口中分别输入已知的标定应变值，依次按下各个标定控制按钮，可分别得到对应于各输入值的标定输出结果，并由此自动计算出标定常数。

按下动态采样按钮，可自动将动态采集数据保存在D盘的caiyangjieguo.xsl文件中，同时可通过动态波形显示窗口和动态数据显示窗口对测试过程进行监视。

2.2 后台设计

后台设计是实现虚拟仪器前面板功能的核心，后台程序设计结果如图4所示。该程序主要包括电标定、动态数据采集、数据文件的存储等模块。其中，数据文件的存储利用布尔控件、条件结构和I／O函数实现［13］。电标定操作，通过使用数组函数、布尔函数控制，可利用一个条件结构实现五次标定输入和输出。

图4 数据采集程序框图Fig.4 Flow diagram of Data acquisition system

动态数据采集模块分别采用了DAQmx Create Virtual Channel创建任务、DAQmx Start Task运行任务、DAQmx Read读任务、DAQmx Write写任务、DAQmx Wait等待任务、DAQmx Ti ming定时任务、DAQmx Trigger触发任务、DAQmx Stop Task控制任务、DAQmx Clear Task消除任务等控件，利用循环结构，实现连续采样［14］。

3 结论

（1）根据动态应变信号测试的要求，提出了由于非零输出导致测量误差的软件修正方法，方便数据采集过程的操作。

（2）利用Lab VIEW8.2软件开发平台，完成应变测试系统的二次开发，包括后台设计的前面板设计、系统已在教学和科研工作中应用，效果良好。

［1］杨忠仁，饶程，绉建，等.基于Lab VIEW 数据采集系统［J］.重庆大学学报，2004，27（2）：15.

［2］戴新，孙骅，欧嘉洁.机械振动测量虚拟仪器的设计［J］.中国测试技术，2008，34（4）：8.

［3］黄志亮，雷勇.基于Lab VIEW 的航空发动机全流程参数测量数据采集系统［J］.测控技术，2010，29（1）：32－36.

［4］陈真，王延江，王钊.基于Lab VIEW 的远程数据采集系统开发［J］.仪表技术与传感器，2006（6）：27－29.

［5］雷振山.Lab VIEW 7 Express实用技术教程［M］.北京：中国铁道出版社，2001：36－38.

［6］基于计算机的测量和自动化应用方案文集2006版，美国国国家仪器公司，2006：66－67.

［7］郑德聪.工程测试技术实验指导书［M］.太谷：山西农业大学印刷厂，2008：15－18.

［8］National Instru ments.NI PXI－1050 User Manual［Z］.Texas National Instru ments，2005：120－122.

［9］蒋景英，徐可欣，李浩，等.基于L ABVIEW 数据采集分析实验系统的设计［J］.实验室科学，2009（12）：50－52.

［10］National Instruments.Lab VIEW User Manual［Z］.Texas National Instru ments，2003：156－158.

［11］杨然，殷祥超.基于LABVIE W 的测试分析系统［J］.煤炭科技，2009（2）：84－85.

［12］孟武胜，朱剑波.基于Lab VIEW 数据采集系统的设计［J］.电子测量技术.2008，31（11）：26－27.

［13］Chung－Jen Lu，YU－Tsun Hsu.Vibration analysis of an inhomogeneous string for damage detection by warelet transfor m［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2002，44：745－754.

［14］白云，高育鹏，胡小江.基于Lab VIEW的数据采集与处理技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2009：146－149.