基于CompactDAQ的动车组空气动力学性能测试系统设计

李 淼，陈春俊，缪晓郎

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

基于CompactDAQ的动车组空气动力学性能测试系统设计

李 淼，陈春俊，缪晓郎

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

针对高速列车空气动力学性能测试试验中，长输送线方式会带来测量误差，采集点数量多且分布广泛，动车密封性受到影响，各采集点之间的同步性难以保证，以及测试工作量大等问题，提出一种基于CompactDAQ的动车组空气动力学性能分布式测试系统。采用LabVIEW编写数据采集、数据处理和人机界面程序。测试结果表明：该系统能保障信号的准确性和同步性，改善动车组的密封性，同时也减少了实车测试人员数量。

动车组；空气动力学；分布式采集系统；CompactDAQ；隧道压力波

0 引 言

随着列车运行速度的提高，高速列车运行引起的空气动力学效应[1]，可通过理论分析及数值模拟仿真计算进行研究[2]，还需通过试验对理论分析进行验证[3]。为了确保动车组运行的节能、安全与舒适，需要对动车组表面压力、设备仓及车内压进行线路运行实车测试[4]。目前采用的空气动力学性能测试系统是将传感器的信号输出线通过胶带粘贴在车体表面，走线到车体的进线孔，由进线孔进入动车内部，在车内集中采集。由于采集点数量大，考虑信号线过长带来的测量误差，通常8编组的动车以相邻两节车厢设置一个采集点，在试验过程中造成各采集点的同步性难以保证。传感器信号线过多致使车体气密性下降，影响测试精度，并且试验过程中操作人员增多。本文提出一种基于CompactDAQ的空气动力学测试方法，利用C系列板卡自身的硬件滤波功能和分布式采集的特点，降低中间过程对信号准确性和动车的影响；采用LabVIEW图形化编程语言编写数据采集模块、数据存储模块、数据处理程序及人机界面。

1 测试系统硬件组成

针对动车组的高速移动性、强风、振动、恶劣测试环境及高精度测试要求，采用基于NI-CompactDAQ的分布式采集系统，此系统包括传感器、采集卡、CompactDAQ和电脑4个部分。测试系统原理框图如图1所示。

图1 CDAQ数据采集系统原理图

其工作过程为：传感器将气压变化量值，以电信号的形式传入数据采集卡；CompactDAQ机箱借助TCP/IP协议将采集到的信号通过网线传入电脑进行显示、记录和分析[5]。本系统可以安装8块数据采集卡，每块卡包含8通道，所以本系统可进行64通道的同步数据采集。通过交换机配置多套这样的设备，组成局域网进行同步采集。

1.1 传感器选择

传感器选择的原则一般包括测量精度高、稳定性好、抗干扰强，但在空气动力学测试中还需考虑到传感器尺寸对流场的影响及传感器自身的安全；因此，本系统选择压阻式薄片传感器8515C，该传感器体积小，直径6.35 mm，厚度只有0.76 mm；灵敏度高，工作稳定；气压测量范围0～100kPa，满足空气动力学测试系统需求，气压的波动幅度在传感器的响应范围内。

1.2 CompactDAQ采集器

针对空气动力学性能测试采集点多、空间分布距离大、振动噪声大等特点，选择可自由组合的高可靠性CompactDAQ分布式数据采集系统，该系统最大的优点是分布式的I/O，可以分离采集通道；同时采集器可安置在设备仓内，减少了通过进线孔的线缆数量，在一定程度上提高了动车的密封性能；同时CompactDAQ系统采用的定时引擎具有灵活性和同步率高等特点。

模数转换器（ADC）是数据采集系统中的一个重要环节，ADC需要时钟信号以确定信号采集时间点，且多个系统的多个ADC是通过共用同一个时钟以同步所有通道的测量。

针对空气动力学性能测试中，会车压力波及隧道压力波的快速变化，以及严格的同步性要求，同时车内压力的最小分辨率要求为50 Pa[6]，因此需要有很高的采集精度和分辨率以及高频率时钟。

NI 9236具有8个模拟输入通道，每条通道都带有独立的24位模数转换器和输入放大器，每通道最高采样频率为6.25kHz，可对8个通道信号同步采样，且每个通道均可连接一个1/4桥传感器，提供恒定的激励电源电压，满足实验要求。

1.3 硬件系统配置

CDAQ通过网线与电脑连接后，利用NI自带的Measurement&Automation软件，可检测到设备并对其进行设置[7]。如果有多台CDAQ设备，可以通过交换机，组成一个局域网，再由交换机连接到PC机，从而实现对所有设备的配置。

2 测试系统软件设计

LabVIEW是为测量与控制而设计的图形化编程语言[8]。它将软件和各种不同的测量仪器及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形成用户自定义的解决方案[9]。本系统采用LabVIEW进行数据采集存储与处理软件的设计。

2.1 数据采集及存储

本系统采用压阻式传感器，其内部是一个电桥电路，包含4根线缆。因此配置采集系统的模拟输入类型为四线制电阻，选择内部电流激励源。在空气动力学测试中，后期的数据分析和处理很重要，所以需要对气压进行连续采集，且采样频率要求很高，满足采样定理，这里采样频率设置为1000Hz，数据采集程序如图2所示。

为方便现场测试人员在实验过程中观察实际压力值的变化情况，在采集程序中需要对每个通道的数据进行零点漂移和灵敏度的配置。根据实际需求，本文只对ComapactDAQ进行了一个采集卡的配置，包含8个通道的数据。换算关系如图3所示。

为了满足后期数据处理的需要，编写数据存储程序。存储方式包括文本、二进制、波形文件等，用户可以根据自己的需求进行自由编程。考虑到空气动力学性能测试的特殊性及测试点的多样性，本文利用LabVIEW自带的TDMS存储方式存储数据，如图4所示。

图2 数据采集程序

图3 标度转换程序

图4 TDMS数据存储配置程序

同时TDMS还可以进行采集信息的配置，如采集人员的信息、时间信息，每通道的数据名称也可单独命名，方便测试人员在读取数据文件时，直观地了解此通道是哪个位置的数据。

2.2 数据处理

测试结束后，需要对原始数据进行相关处理，如计算数据的最大值、最小值以及压力差，计算1s和3s气压变化率的最大值。根据计算结果分析列车在明线运行、明线会车、隧道通过、隧道会车、过分相等工况下，车外压力以及车内压力的流场分布，列车的气密性能是否满足出厂设计要求，以及车内压力的波动是否满足人体舒适性的要求[10]。数据处理程序如图5所示。

图5 数据处理程序

2.3 人机界面设计

在数据采集和存储界面中，可以很方便地查看每个通道的实时波形及波形值，也可以自由选择保存数据的时间段，面板上的按钮可以很方便地实现，界面如图6所示。

图6 数据采集及存储界面

数据处理界面中可以显示出每个通道的最大值和最小值以及气压差；同时还可以显示出1s和3s气压变化率及最大值。从界面上可以很清晰地观察出这个数据段的车内压力指标是否满足人体舒适度的要求，界面如图7所示。

3 测试数据分析

选取动车通过某一隧道时车外压力的数据进行分析，对原始信号采取低通滤波处理，从处理结果知道，最大值-694.5Pa，最小值-1262Pa，压差567.5Pa。车外压力时域波形如图8所示。

图7 数据处理界面

图8 车外压力时域波形

判断车内压力波动对人体舒适度影响的两个重要指标是1s和3s气压变化率。由本系统计算出的车内压力1s和3s变化率如图9所示。1s和3s变化率符合列车过隧道时的特征[11]，且1s变化率最大67Pa/1s，3s变化率最大159Pa/3s，满足人体舒适性要求[10]。

计算车内气压的最大值、最小值，以及压力压差1s和3s变化率，统计结果如表1所示。

图9 车内气压的1s和3s变化率

表1 某隧道180km/h上行隧道通过车内气压变化率

4 结束语

1）基于CDAQ的空气动力学测试系统经济性能良好，在应用中最大限度减小了测试员数量，提高了自动测试水平，节约了成本。

2）基于CDAQ的空气动力学测试系统减少了中间环节，保障了数据的准确性，缩短了信号传输线长度，降低了信号的测量误差，保证了各个采集点之间的同步特性。

3）基于CDAQ的空气动力学测试系统减轻了对整车气密性的影响程度。

4）图形化编程提高了程序设计效率、人机接口友好、有利于数据的处理与气压舒适性评价。

[1]田红旗.中国列车空气动力学研究进展[J].交通运输工程学报，2006，6（1）：1-9.

[2]赵晶.高速列车进入隧道的气动作用数值模拟[J].西南交通大学学报，2009，44（1）：96-99.

[3]陈燕荣，肖友刚.高速列车空气动力学性能计算[J].铁道车辆，2009，47（1）：14-16.

[4]聂锡成，陈春俊.一种高速列车空气动力学测试方案的设计[J].中国测试，2012，38（4）：73-75.

[5]孙朝，云芦娜.基于LabVIEW的应力应变信号数据采集与处理[J].通讯和计算机，2007，4（9）：30-32.

[6]肖京平，陈立.高速列车空气动力学研究技术综述[J].力学与实践，2013，35（2）：1-12.

[7]林涛，谢永兴，刘旭东.基于CompactDAQ的电路板控制与采集系统设计[J].计算机与数字工程，2011，39（3）：175-177，181.

[8]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华人学出版社，2007：37-42.

[9]朱文良，黄秀玲，方宇.基于LabVIEW的转向架应力应变测试系统设计[J].电力机车与城轨车辆，2012（1）：68-70.

[10]田红旗.列车空气动力学[M].1版.北京：中国铁道出版社，2007：152-160.

[11]关永久.高速列车在隧道内会车过程的气动特性研究[M].成都：西南交通大学，2010：130-137.

Designing aerodynamic test system for EMU based on CompactDAQ

LI Miao，CHEN Chun-jun，MIAO Xiao-lang
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiao Tong University，Chengdu 610031，China）

At present，long transmission lines mode will bring measurement error in high-speed train aerodynamics test.Because of the large number of measuring points and widely distributed，it has affected the tightness of EMU.It is hard to satisfy with time synchronization between each collection points and so on.For these reasons，this paper presents a distributed aerodynamic test system for EMU based on CompactDAQ.LabVIEW was used to write data acquisition，data processing and human-machine interface program.Test results show that this system can ensure synchronization and accuracy of single，improve the tightness of EMU，and also reducing the number of testers，and reach the desired effect.

EMU；aerodynamic；distributed acquisition system；CompactDAQ；tunnel pressure wave

U292.91+4；V211.24；TP274；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0145-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.037

2014-03-12；

：2014-05-15

中央高校基本科研业务费科技创新项目（SWJTU12CX038）

李 淼（1988-），男，四川成都市人，硕士研究生，专业方向为自动化检测与控制。