基于LabVIEW 薄膜卷绕包装机束紧力检测方法设计

张 跃，孔 明

（中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在当今的国际包装行业中，不断提高包装机械和系统的智能化和人性化变得尤为重要。薄膜包装的缺点是其抗穿刺性和抗压性较弱，在使用中会受到一定程度的限制，并且还会受到商品形状、材料和弹性的影响[1]。不同的货物具有不同的包装方法和包装要求，无法通过恒定的包装过程参数来确定，使用相同包装机和相同大小的紧固力的包装效果也会不同，例如金属物品包装、弹性材料物品和易碎产品包装，包装的密封性和紧固力要求也不同。因此，对于大多数企业和工厂而言，他们无法确定包装机所需的特定参数，大多都是根据工人主观经验来判断是否符合要求，从而浪费大量的人力和物力，或者缠绕匝数不足，无法满足所需的束紧力要求，因此货物不能很好的固定，造成倒垛现象，从而造成货物损坏，给企业和工厂造成更大损失[2-3]，故在包装过程中要进行实时监测。

1 系统设计方案

本文设计主要是基于LabVIEW 和NIELVIS 数据采集板卡进行的。主要硬件包括压力传感器和数据采集板卡，主要工作是对采集的数据进行相应的滤波、数值转换等处理之后，将其传输到编写的功能函数里进行算法处理。整个系统主要包括：传感器型号的选定、滤波器类型的选定、电压值/压力值转换、缠绕圈数的实时显示等功能模块，图1 为系统整体组成。

图1 系统整体组成

2 系统硬件设计

2.1 压力传感器

压力传感器主要将物体上所受到的压力转换成可以直接测量的电压信号[4-5]，有的传感器还可以获得被测物体的形状和硬度。根据测量压力的原理和类型的不同，压力传感器可以分为差压类型、表压类型和绝对压力类型[6-7]。压力传感器的电阻值随作用在其上的压力大小而变化。柔性薄膜传感器的传感区域等效于两端口的可变电阻，其电阻值由压力控制，因此，开关的阈值取决于传感器的压力值和性能参数，薄膜传感器各项参数如表1 所示。传感器电路具有一个灵敏度调节电阻RS和一个定值电阻R0，RS与R0串联放置，并且在R0两端测量输出电压。为了确保输出电压的准确性，可变电阻器RS的值通常取为R0电阻值[8]的。同时，压力传感器还会产生相应的误差，例如灵敏度误差、线性误差和磁滞误差，但是在大多数情况下，由于硅晶片具有很高的机械刚度，磁滞误差可以完全忽略不计，仅当压力变化很大时才考虑滞后误差，图2 为传感器的安装固定方式。

表1 薄膜传感器各项参数

图2 传感器的安装固定方式

2.2 数据采集板卡NI ELVISⅡ

NI ELVIS Ⅱ数据采集板卡主要是和LabVIEW 相结合使用的，LabVIEW 提供了丰富的与数据采集板卡相配合使用的软件资源，能够方便地将现实世界中各种物理量通过传感器检测后，再由USB 连接线采集到计算机中，从而为计算机在测量领域发挥出其强大功能提供了更加坚实的基础[9-10]。

2.3 多通道的采样方式

通用数据采集卡通常具有多个模拟输入通道，但是大多数采集卡没有为每个通道都配置一个D/A 转换器，而是几个输入通道共享一个转换器[11]。通过采样与保持之间的切换可以实现多通道数据采集。从多个通道采样数据时，采集卡将在扫描时采样并扫描所有可用通道一次。采样速率是板卡每秒可进行扫描的频率。同时，采样方法分为三种：循环采样、同步采样和间隔采样，应根据实际需要确定使用哪种多通道采样方法。在大多数情况下，通常使用间隔采样，但是如果要求信号精确同步，则必须考虑使用具有同步采样功能的采样卡。当对同步的程度没有特殊要求的话，可选用循环采样。

3 软件设计方案

3.1 虚拟仪器简介

虚拟仪器[12-13]的硬件部分主要用来解决信号的分析处理以及输入输出等方面的问题，软件主要用于实现对输入信号的读取并控制相关的硬件部分等功能，组建方案如图3 所示。与传统意义上的测量仪器相比较，虚拟仪器具有以下特点：

图3 虚拟仪器的组建方案

1）虚拟仪器的软件和硬件系统具有更加开放性、互换性和可重复使用等特点；

2）在用户搭建起通用的硬件平台之后，仪器的功能主要是由用户编写的软件进行实现；

3）具体功能是用户依照他们在实际应用过程中的需要进行定义和搭建的，而不是由生产商在进行生产时就已经确定好的。

3.2 滤波器的选择

结合本数据采集系统主要是对低频信号进行采集滤波，因此选择巴特沃斯型传感器，它的频率响应更加近似于理想的低通滤波器，在它的通带频域响应内最大限度的平滑，并且使用LabVIEW 进行设计的巴特沃斯滤波器更加方便和快捷[14]。巴特沃斯型滤波器的传递函数表达式如下：

式中：n为阶数，并且默认是1；ω是角频率；ωc是截止频率。

通过把某一个单元的压力信息数据采集之后经快速傅里叶变换得到它的频谱，并且提取出有效压力信号，从而来确定截止频率，通过滤波器滤除掉高频信号。图4 为滤波器程序框图，滤波前后效果对比如图5所示。

图4 滤波器程序框图

图5 滤波前后效果对比

3.3 三维图像显示

三维模型的可视化监测系统的主要功能以及要求如下：

1）可以实现更加灵活的通道参数配置，即能够十分灵活地设定采集信息的物理通道、接线方式、添加或减少测量通道等。同时硬件采集板卡可以按照新的配置文件进行配置。

2）可以实现更加多样化的三维模型实时操作功能。用户可以随意地对三维图形进行缩放、移动以及旋转等。

3）可以实现传感器的拾取功能。操作方式是在三维图形地显示界面下面，将鼠标移动到传感器电上，可以实时显示传感器的相关参数和采集到的电压值。

具体操作为：将STL 类型的文件导入到LabVIEW中，在三维模型里放置传感器，并且保证传感器的位置和数量同实际中放置的相一致，且在这个过程中可以根据实际的情况进行添加或减少传感器的数量和放置的位置，同时系统会自动将传感器的压力值与不同的颜色值相绑定，根据传感器输出压力值的不同，物体会在相应位置突显出不同的颜色，从而用户可以十分直观地进行了解和观测包装的进度以及不同位置受力的情况。图6 为三维模型上的传感器配置。

图6 三维模型上的传感器配置

4 人机交互界面设计

基于LabVIEW 的包装机束紧力检测系统的人机交互界面的设计，主要是针对数据采集过程中的压力信息、缠绕圈数、波形图的实时显示以及各项参数同标准参数相对比等问题，并且针对不同的包装物体可以方便快捷地进行包装参数以及包装类型的切换等。可以十分直观清晰地帮助用户实时了解包装过程中的各项参数，以方便用户做出进一步的处理[15]。

显示界面的视觉效果是人机交互界面最终视觉效果的具体体现，普通的单调文本和黑白色调很容易使用户产生疲劳，带有鲜艳色彩、动画的界面可以在很大程度上改善这些，同时还可以使图像具有更加方便、直观等优点。在本次设计使用了如波形保存、数据下载等模块，开/关按钮表示程序的运行和停止，挡位切换按钮用来切换不同采集程序，因为针对不同类型的货物需要采取不同的包装形式，那么包装参数也就不一样，因此可以用这个按钮进行模式的切换和选择，还拥有一些数值实时显示模块，用于实时显示传感器的压力值和转换后的电压值，方便用户实时了解机械包装过程是否正常运行。同时，还放置了两个固定的数值显示模块，用来帮助工人了解包装机械实时的包装进度，方便他们采取下一步相应的操作，同时在界面中放置了指示灯以及蜂鸣器部件，当包装机械对物体产生的束紧力达到标准参数要求时，就会使指示灯变亮并且蜂鸣器发出警报声，图7 为人机交互界面。

图7 人机交互界面

5 结 论

本文主要实现了包装机束紧力的实时监测功能，通过相应的硬件以及软件设计，系统所设计的功能都能实现。基于LabVIEW 的包装机束紧力检测系统的人机交互界面的设计，主要是针对数据采集过程中的压力信息、缠绕圈数、波形图的实时显示以及各项参数同标准参数相对比等问题进行分析，同时系统中添加了指示灯和蜂鸣器报警系统，当束紧力达到所设定的参数时，会触发指示灯变化以及蜂鸣器发出报警声，达到实时监测的效果，可以很大程度减少工人的工作量。本系统的设计还能减少塑料袋的使用，具有较大的社会效益。