基于Labview 的汽车制动器摩擦试验温度检测系统开发

2014-04-01阎树田何晨梁军战王季

机械制造与自动化 2014年5期

阎树田，何晨，梁军战，王季

(1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050;2.甘肃省机械产品检测与技术评价重点实验室，甘肃兰州 730030)

0 引言

汽车制动器摩擦试验台(简称摩擦试验机)是一种完成汽车制动器摩擦衬片试验的室内台架试验系统。摩擦衬片是汽车制动系统的重要部件，影响其性能的因素有很多。在众多因素当中，温度对于摩擦衬片的影响最大。目前，常用的温度试验方法有小样试验和台架试验等汽车制动器摩擦试验台(摩擦试验机)，所使用的设备中有从日本，美国、德国进口的各种类型的试验检测设备，也有国内厂家生产的检测设备。其试验原理、试验方法和设备技术水平有较大的差异。测试方法依旧是小样试验，破坏原有的结构，采集的数据不能完整反映整个摩擦衬片的性能。其中台架试验规模体积较大，数据的采集和处理也不够精确，特别没有对采集的温度数据进行处理分析，很大程度上影响了对摩擦衬片性能的评估［1-2］。

虚拟仪器作为一种基于计算机的自动化检测系统，是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物，也是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。是利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核心、充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示［3］。

针对一新型便携式制动器摩擦试验机温度测试系统的研发，为保证系统要求和控制精度，采用了基于Labview语言的图形化编程软件系统和数据采集卡USB－9211 来构建温度测试系统。通过传感器接收温度信号，通过数据采集卡输出模拟信号，再通过信号处理并通过Labview 对测试系统进行分析［4］。整个测控系统结构简单，程序的设计和调试工作量小，测试采集量和数据计算结果的显示通过计算机显示器完成，是一个理想的汽车制动器摩擦衬片温度采集平台。

1 温度测试系统的工作原理

该温度测试系统以热电偶为测量基础，如图1。热电偶测量温度时要求其冷端(通过引线与测量电路连接的端称为冷端，测量端为热端)的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的(环境)温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿。由冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿［5］。其补偿式(1)如下:

式中:E(T0，0)是实际测量的电动势，T 代表热端温度，T0代表冷端温度，0 代表0 ℃。在制动器摩擦试验机现场测量中，热电偶温度一般不为0 ℃，而是在一定范围变化着，因此测得热电动势为E(T0，0)。如果要测量的真实被测温度所对应的热电动势为E(T，0)，就必须补偿冷端不是0 ℃所需要的补偿电动势E(T0，0)，而且补偿的电动势随温度的变化特性必须与热电偶的热电特性相一致，才能获得最佳补偿效果。

图1 热电偶工作原理

设热电偶热端温度为T，冷端实际温度为Tn，补偿导线冷端温度为T0，则回路总接触电动势表示为:

若各节点温度均为Tn，在其接触面上没有电动势，故

将式(2)减去式(3):

因热电偶产生的热电势与回路中间温度无关，所以回路总热电势等于热电偶热端温度为T，冷端温度为T0时的热电势。用补偿导线很好地消除了指示误差，完成了冷端温度补偿。

2 温度测试系统的研究方法

2.1 热点偶和数据采集卡

试验中要尽可能的接近实际检测过程中各种场合下的温度。故要求:温度在－200 ℃～500 ℃输出，并将其信号进行放大。而镍镉－镍硅热电偶(K)型，具有线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、1 000℃下的抗氧化能力强、性价比高等特点，可在检测刹车片各种模拟路况环境中长期使用。而且对热电偶信号的冷端补偿，也可以很好地消除环境对测温的影响。

经过综合分析温度测量点数、分辨率、精度要求，决定采用NI 公司生产的USB－9211 数据采集卡。这是一种性价比高，可直接与计算机连接的采集卡，可以采集模拟信号、数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟输出的功能。USB－9211 专为热电偶测量设计，具有超高的24 位模拟－数字转换器的分辨率精度，还包含即用型数据记录器，能采集和记录高达四路通道的热电偶数据。该数据采集卡具有高性能的数据采集和控制能力［6］。

2.2 LabSQL 与Access 的数据库搭建

LabSQL 是一个完全免费并开源的数据库访问工具，是一个由许多个VI 组成的数据包，因此可以像调用普通的VI 一样来调用。Labview 本身不能直接访问数据库，但是由于Labview 提供了丰富的外部程序接口，例如ActiveX和.NET，所以可以通过ADO(ActiveXDataObject)、DAO(DataAccessObject)、ADO.NET 等方法与数据库进行连接。LabSQL 是一个基于ADO 技术的Labview 数据库访问包，通过LabSQL，用户可以直接在Labview 中以调用子VI的方式实现对数据库的访问。LabSQL 按照ADO 对象分了3 类，并分别位于Command，Connection，Recourdset 这3个不同的文件夹内。CommandVIs 的功能是完成一系列基本的ADO 操作。ConnectionVIs 用于管理Labview 与数据库之间的连接。RecordsetVIs 用于对数据库中的记录进行各种操作，例如创建或删除一条记录，对记录中某一条目进行读写。SQL 是关系型数据库管理系统的标准语言，因此用它可以访问各种支持SQL 语言的关系型数据库［7-8］。图2 为LabSQL 数据库连接前面板。

图2 LabSQL 数据库连接前面板

3 温度测试系统的组成

该温度系统如图3 所示。温度传感器(热电偶)直接测量温度，把产生的温度转换成热电势信号;信号调理电路对温度传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离等预处理;数据采集卡(DAQ)采集信号调理电路的电压信号，转换成计算机能处理的数字信号;通过数据采集卡驱动程序，将数字信号读入计算机，计算机对信号进行处理，以达到预期的目的。其中，DAQ 助手模块是连接硬件电路与计算机的核心模块，可以将硬件电路的信号采集到计算机中。

图3 温度测控系统

3.1 硬件系统设计

温度测量电路主要由温度传感器和信号调理电路组成，热电偶传感器负责采集刹车片各点处的温度值，处理放大后送入数据采集卡。经过仪器放大器增益为100，放大器输入信号输入一个二阶2 Hz 的滤波器。该信号通过不同的方式与各种数据采集卡连接，实现热电偶信号的数据采集。冷端补偿输出信号也可以与各种数据采集卡连接，实现冷端补偿信号的数据采集。

其温度信号调理电路如图4 所示。

图4 温度信号调理电路

在信号调理模块中热电偶的信号调理包括三部分:热电偶信号放大、信号滤波和系统偏移量校准。热电偶信号放大是将热电偶传感器信号以差分输入到仪器放大器，仪器放大器将热电偶传感器100 mV 的信号进行放大，其增益为100。信号滤波是用一个二阶2 Hz 的有源滤波器对仪器放大器的输出信号进行滤波。系统偏移量校准实际上就是通过调整电位器进行调整减少放大器的漂移，保证信号调理模块在0 ℃时误差最小。

3.2 软件系统设计

以Labview 为软件平台的虚拟仪器测量技术，采用可以组合搭配的数据采集卡和PC 电脑构建主要硬件系统。其核心是通过快捷的Labview 语言进行个性化的软件设计来实现强大的采集、分析、计算、显示及存储功能，从而能够适应不同用户的特定要求，并根据环境或硬件的变化不断地调整程序，改进优化测试系统，以达到用户的最终要求。

数据采集用Labview 提供的DAQ 以及各子VI 并调用动态链接DLL 完成信号采集参数配置和采集;数据管理模块利用LabSQL ADO Functions 中的VI 与Office 自带的Microsoft Access 数据库进行连接，可以完成数据写入、查询、调用。