基于LabVIEW的多傳感器測試系統(tǒng)

1、基于 LabVIEW的多傳感器空氣流量測試系 統(tǒng)設(shè)計(jì)1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)將 LabVIW 軟件、多 傳感器 、計(jì)算機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)空氣流量 測試系統(tǒng) ，實(shí)現(xiàn) 對多傳感器信息的融合。 系統(tǒng)包括被測對象、 傳感系統(tǒng)、 信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集與處理系 統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖 1所示。1.1 被測對象被測對象通過改變 變頻 器的頻率控制風(fēng)機(jī)發(fā)出不同大小的風(fēng)量通過 流量傳感器 ，模擬進(jìn) 入 發(fā)動機(jī) 的空氣流量大小。1.2 傳感系統(tǒng)傳感系統(tǒng)主要包括 溫度傳感器 、 空氣流量傳感器 、玻璃轉(zhuǎn)子 流量計(jì) 及有關(guān)連接部分。1.2.1 溫度傳感器溫度傳感器選擇 集成電路 溫度傳感器 LM35，它具有很高的工作精度和

2、較寬的線性工作 范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例， 并且無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)， 可以提供 1/4 的常用室溫精度。1.2.2 空氣流量傳感器 空氣流量傳感器是用來直接或間接與被測對象發(fā)生聯(lián)系， 將被測參數(shù)（機(jī)械、 物理、化 學(xué)、壓力、 溫度等非電量） 轉(zhuǎn)換成可以直接測量的信號，它為系統(tǒng)提供了進(jìn)行處理和決策所 必需的原始信息，是現(xiàn)代 檢測系統(tǒng) 中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。1.2.3 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì) 為了驗(yàn)證空氣流量測試系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性， 需要對測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定， 設(shè)計(jì)選 擇標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)標(biāo)定方法。 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)選用 LAB一 10型玻璃 轉(zhuǎn)子流量計(jì) ，它與被檢的空氣流量傳感器測量范圍相當(dāng)，準(zhǔn)確度較高，

3、是在101325Pa，20狀態(tài)下用空氣進(jìn)行標(biāo)定的。1.3 信號調(diào)理電路在許多需要數(shù)字采集的系統(tǒng)中，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過1個(gè)模擬 放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大， 才能滿足 采集卡對輸入信號電平的要求， 這種情況下， 就需 要采用信號調(diào)理電路對傳感器輸出的信號量進(jìn)行放大。 信號調(diào)理電路使輸出電壓與輸入電壓 成正比，它的核心是 1個(gè)具有電容負(fù)反饋、且輸入阻抗極高的高增運(yùn)算放大器 。差動 儀表放大器 如圖2所示。1.4 數(shù)據(jù)采集卡 的選擇系統(tǒng)使用 PCI 總線形式的數(shù)據(jù)采集卡 LDl200一 PCI.LDl200是一種雙通道、 高帶寬的數(shù)字存儲示波卡， 將它插入計(jì)算機(jī) PCI 槽上。

4、 再運(yùn)行控 制軟件，便可組成一臺價(jià)格便宜、 人機(jī)界面 友好、性能優(yōu)良的數(shù)字存儲 示波器 。它具有數(shù)據(jù) 采集、測量信號、過程監(jiān)測、多種觸發(fā)等功能，因此也大量應(yīng)用于高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自 動控制系統(tǒng) 。主要功能是輸入 過壓保護(hù) ，具有自檢功能， 可以光標(biāo)測量時(shí)間和電壓，并支持 二次開發(fā)。2 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是測試系統(tǒng)的核心部分， 如數(shù)據(jù)的采集與處理、 數(shù)據(jù)分析、 數(shù)據(jù)顯示都是由系 統(tǒng)軟件控制實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)軟件采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)， 劃分為以下幾個(gè)模塊： 板卡初始化及 參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)庫模塊，如圖3所示。在系統(tǒng)中把各個(gè)代碼模塊進(jìn)行定義并使它們之間的 接口 標(biāo)準(zhǔn)化，從而在

5、一個(gè)模塊內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展性改變將不會影響程序中其它模塊， 因此增加了系統(tǒng)的靈活性。 在測試過程中， 可根據(jù)需要隨時(shí)改變信號參 數(shù)和測試方法。測試系統(tǒng)的程序主流程圖如圖4所示。2.1 板卡初始化及參數(shù)設(shè)置模塊該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)并初始化板卡， 然后設(shè)置系統(tǒng)基本參數(shù)來控制硬件系統(tǒng)， 既可 以無觸發(fā)采集，又可以單通道觸發(fā)采集數(shù)據(jù)。在啟動采集之前，首先對 LDl200 初始化，確 定自檢成功或提示“無 LDl200 卡”，程序如圖 5所示。然后設(shè)置采樣參數(shù)，采樣參數(shù)設(shè)置的程序如圖6所示。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的需要，設(shè)置雙通道并行輸入，采樣頻率為 100Hz，使用軟件觸發(fā)方式，即手動點(diǎn)擊采集按鈕，則開始運(yùn)行采 集程

6、序。將設(shè)置的采樣參數(shù)放在 1個(gè)簇里，采用選擇結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。反之則顯示“請先 初始化”。2.2 數(shù)據(jù)采集模塊該模塊實(shí)現(xiàn)多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示， 其設(shè)計(jì)是動態(tài)測試中的核心部分， 直接影響數(shù) 據(jù)分析的結(jié)果， 影響系統(tǒng)其它功能的實(shí)現(xiàn)。 該模塊能否正常工作直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作。編寫數(shù)據(jù)采集程序前，必須先安裝好采集板的驅(qū)動程序，否則無法調(diào)用AD板 的動態(tài)鏈接庫。該驅(qū)動使用了中斷采集方式， 并在 定時(shí)器取值處設(shè)置了延時(shí)時(shí)間， 保證了采樣的連續(xù) 性。在程序面板上， 與傳統(tǒng)開發(fā)一樣， 可以使用各種程序控制結(jié)構(gòu)， 如順序、 條件、循環(huán)等， 也可以使用其他。程序套用 Case 選擇結(jié)構(gòu)如圖 7所示，采集的

7、數(shù)據(jù)通過 1個(gè)子程序進(jìn)行數(shù) 據(jù)分組、處理，然后送人控制界面顯示。2.3 數(shù)據(jù)分析模塊8所示。該模塊實(shí)現(xiàn)對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法曲線擬合分析。 其測試目的在于獲取被測 對象的性能、 狀態(tài)或特征， 所以信號采集只是測試工作的第一步。 信號的分析和數(shù)據(jù)處理是 構(gòu)成測試系統(tǒng)的重要組成部分之一。 系統(tǒng)采用線性回歸分析法即曲線擬合法， 由多維回歸方 程來建立被測目標(biāo)參量與傳感器輸出量之間的關(guān)系，以消除溫度的影響，如圖2.4 數(shù)據(jù)庫模塊該模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理功能， 數(shù)據(jù)的存儲與回放， 添加與刪除等。 由于要對被測目標(biāo) 進(jìn)行全方位檢測， 多傳感器協(xié)調(diào)應(yīng)用獲取對目標(biāo)的全面認(rèn)識， 數(shù)據(jù)量急劇增長， 對實(shí)時(shí)采

8、集 的數(shù)據(jù)存儲和查詢也有較高要求，需要采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)。首先需要安裝 LabSQL，它是一個(gè)免費(fèi)的數(shù)據(jù)庫訪問工具。LabSQL與數(shù)據(jù)庫之間通過 ODBC連接， 用戶需要在 ODBC中指定數(shù)據(jù)源名稱和驅(qū)動程序。 因此在使用 LabSQL之前，需要在 Windows操作系統(tǒng)中的 ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建一個(gè) DSN。LabSQL 與數(shù)據(jù)庫之間的連接是建立在 DSN基礎(chǔ)之上的。其連接流程如圖 9所示。 LabSQL能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù) 據(jù)庫查詢、數(shù)據(jù)庫修改、數(shù)據(jù)庫添加以及數(shù)據(jù)庫刪除。3 試驗(yàn)結(jié)果通過改變 變頻器 的頻率控制風(fēng)通過設(shè)定恒溫濕箱的設(shè)計(jì)的試驗(yàn)是在模擬汽車發(fā)動機(jī)真實(shí)工作環(huán)境下測試的， 機(jī)發(fā)出不同大小的風(fēng)量通

9、過流量傳感器來模擬進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣流量， 溫度改變傳感器工作環(huán)境溫度，以此來模擬發(fā)動機(jī)工作的溫度環(huán)境。為使測量準(zhǔn)確就要對測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定， 設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)式標(biāo)定方法。 標(biāo)準(zhǔn)流 量計(jì)選用 LAB一10型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。 在變頻器從 l 23Hz變化中，對應(yīng)的 輸出電壓為 0 3V，經(jīng)過標(biāo)定試驗(yàn)，在溫度為 20時(shí)，可得到測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后得到如 圖10所示的曲線： 曲線 為空氣流量傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的輸出電壓曲線；曲線 為對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合后， 空氣流量傳感器輸出擬合特性曲線； 曲線 為玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)輸出電壓 曲線。在常溫常壓條件下，測試系統(tǒng)所使用的空氣流量傳感器的輸出相對誤差最大為1.94%F.S ，小于其最大允許誤差 3.0%，滿足傳感器使用誤差要求。 在測量過程中采用變頻器 控制風(fēng)機(jī)的供氣方式， 氣體仍然存在一些脈動， 又由于空氣流量傳感