基于LabVlEW的兽医无针注射器喷射冲击力测试系统

2016-11-16张晶声金闻名

中国畜牧兽医文摘 2016年1期

关键词：无针采集卡冲击力

张晶声　张　旭　金闻名　李　娉

(中国兽医药品监察所,北京　100125)

基于LabVlEW的兽医无针注射器喷射冲击力测试系统

张晶声张旭金闻名李娉

(中国兽医药品监察所,北京100125)

对兽医无针注射器的喷射冲击力进行测量,从而得出喷射压力,是兽医无针注射器注射参数测量的一个重要部分.通过选择传感器和数据采集卡等硬件,设计制作夹具工装,设计LabVIEW数据采集程序,搭建了兽医无针注射器喷射冲击力测试系统.对某兽医无针注射器喷射冲击力进行了实际测试。

喷射冲击力LabVIEW数据采集

虚拟仪器(Virtual Instrument,VI),是基于计算机的软硬件测试平台,在必要的数据采集硬件和通用计算机的支持下,通过软件的图形界面和数据处理能力,实现测量数据的分析和显示功能.LabVIEW是一种图形化编程软件,它的程序称为VI,它的外观和操作类似于真实的物理仪器,分析采集数据具有直观性、方便性,它提供了众多能实现相关功能的专用VI,简单易学。

基于LABVIEW的数据采集系统[1]结构为:传感器+信号调理电路+数据采集设备+计算机(LabVIEW软件).在该结构中,传感器负责将被测量的温度、压力、位移等物理量转换为电压、电流等电参数;信号调理电路负责对电信号进行放大、滤波、隔离、匹配、变换等预处理;数据采集设备的主要功能是将模拟信号转换成数字信号,该过程还可能包括放大、采样保持、多路复用等功能;计算机通过专业软件(LabVIEW软件)完成对整个数据采集过程的控制和最终结果的显示。

构建兽医无针注射器喷射冲击力测试系统,根据无针注射喷射性能,完成传感器的选用、数据采集卡的选择、LABVIEW采集程序和显示程序的设计,以及传感器和兽医无针注射器的工装设计.由于实际信号符合数据采集卡要求,信号调理电路可以省略[2]。

1　传感器的选择

兽医无针注射器喷射冲击力信号[3]具有如下特点:(1)量程范围比较小;(2)持续时间短;(3)频带范围宽,高低频成分混杂。

考虑到喷射冲击力的上述特点,要准确可靠的完成喷射冲击力测量就必须选择量程、灵敏度和响应频带合适的力传感器.首先要响应灵敏,能测量毫秒级的瞬时动态力.压电传感器是利用某些半导体材料的压电效应来实现由力到电量的转化,压电传感元件是力敏元件,属于有源传感器类,可以测量最终能变换为力的非电物理量,适合测量动态压力.故测试系统选用压电传感器进行兽医无针注射器喷射冲击力的测量。

本系统选用PPM-LS05型压电力传感器,它是利用石英晶体的压电效应,将力转换成电荷的换能器,它产生的电荷正比于被测外力,通过电荷放大器将电荷按比例转换成电压,输出0～5V电压信号,和力值呈线性关系,灵敏度为0.97mV/N.使用时需接24 V直流电源供电.传感器和电缆已做防水处理,可直接承受喷射水流冲击。

2　数据采集卡的选择

2.1数据采集卡的主要指标

(1)采样率即进行A/D转换的速率.应该根据测试信号的类型(变化快速还是缓慢)、测试系统的要求(精度要求或速度要求)来选择适当的采样率。(2)分辨率是数据采集卡的精度指标,一般用A/D转换的数字位数来表示,数字位数越多,分辨率越高,得到的数字图像就越能表达原始的模拟信号.同时通过合理设置使用量程和信号极限达到提高分辨率的目的。

2.2鉴于喷射冲击力信号的特殊性,数据采集卡应具有较高性能

(1)足够高的采样速率.由于喷射冲击力持续时间短,若要不失真的复现被测信号,数据采集卡必须具有很高的采样速率。

(2)足够高的分辨率.由于喷射冲击力信号较小,变化很快,所以要求数据采集卡有足够高的分辨率,能够分辨出被测信号极小的变化量,准确采集数据。

本测试系统选用NI的USB-6361数据采集卡.其性能指标如下:

①模拟输入:16路单端通道,8路差分通道,单通道最大采样频率为2MS/s,16位分辨率;

②2路模拟输出,2.86MS/s,16位分辨率;

③最大电压范围:-10～10V,最小电压范围:-0.1～0.1V.可以实现较高精度的数据采样。

3　数据采集程序设计

3.1数据采集程序

3.1.1数据采集通道.在虚拟仪器设计过程中,数据的采集和处理都是以通道的形式来进行的.根据需要采集的通道数目的不同,可以将一个数据采集系统简单地分为单通道数据采集系统和多通道数据采集系统.本系统只采集一个冲击力电压信号,属于单通道数据采集系统.在基于LabVIEW的数据采集系统中,数据采集通道还有物理通道和虚拟通道之分.物理通道是被测试信号进出计算机的路径,每个通道有一个编号,对应数据采集卡上的一个针号.本系统采用物理通道,地址为DEV1/a0。

3.1.2采集程序包括两部分:前面板程序和程序框图程序.前面板程序是用户界面,由输入控件和显示控件组成.如图1,可实现以下功能:选择输入通道和电压测量范围,设定信号接入方式、采样率、采样数、设定存储路径和波形显示等.程序框图是指在用户界面后台的编程,用图形化的代码来控制前面板上的对象,实现前面板上的功能.如图2,采用了顺序编程,将每个任务放置在独立的子VI中,并按照所需的顺序连线这些子VI并连接错误簇.在创建通道VI中,对电压值按照灵敏度进行线性化处理,使得结果显示为力值。

图1　前面板程序

图2　程序框图程序

图1前面板程序

4　夹具工装设计

为了测量的稳定操作,保证测量条件统一,提高测量效率,应该为传感器和兽医无针注射器设计制作夹具工装,以满足如下要求:(1)力传感器的安装稳定;(2)方便注射器冲击力测试;(3)保证传感器受力面中心与注射器喷孔中心对中;(4)保证喷孔与传感器足够接近而不接触;(5)适应被装夹兽医无针注射器的形状变化的要求。

本系统中夹具工装设计主要考虑以下几点:(1)定位设计,合理定位是保证测量准确性的基础[4].本夹具限制了传感器的6个自由度,兽医无针注射器的5个自由度,保留无针注射器绕垂直轴的转动,方便在不同角度放入注射器喷头.确定了兽医无针注射器的喷孔端面与传感器端面的相对位置。(2)定位元件,采用足够强度的大面积支撑板,保证传感器安装平稳;采用孔定位,适应无针注射器喷射头部尺寸形状要求。(3)夹紧点,夹具夹紧点和支撑点对应,并且不致引起过大的夹紧变形。

据此设计大底盘固定传感器和支撑兽医无针注射器的专用夹具。

5　试验测试

5.1测试系统(如图3)

图3　测试系统图

5.2参数设置

5.2.1合理设置电压范围.考虑到喷射冲击力为单极信号,选择电压范围为从0到1V.提高分辨率,更好的复原原始信号。

5.2.2合理选择信号接入方式.差分系统指信号的正、负极分别接入两个不同的输入通道,所有的输入信号均有各自的参考点.理想的差分系统只读取信号两极之间的势差,而不会测量共模电压.一般用于输入信号是低电平信号(例如小于1V)、信号电缆比较长或没有屏蔽,环境噪声较大的情形.本测试系统中传感器接入数据采集卡a0的正负极.采取差分方式。

5.2.3合理设置采样率.根据香农定律,要得到准确的频率信号(即准确无误的复现出原有频率信息),则要求所用的采样频率必须大于信号最高频率成分的两倍.工程实际中的采样率一般是信号最高频率成分的4-10倍,同时要考虑系统的存储能力.参考某文献[5],本测试选择10 kHz的采样率.采样率决定了数据被采集并放置到硬件缓冲区的速度.采样数决定了从硬件缓冲区到软件缓冲区的数据数量,一般为采样率的1/10.本测试选择1000的采样数。

5.3试验测试

针对某兽医无针注射器进行了冲击力测试.测试系统实物图如图4。