基于虛擬儀器的熱膨脹儀測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

　熱膨脹儀測(cè)試系統(tǒng)國(guó)內(nèi)目前大多使用VC開(kāi)發(fā)，其編程過(guò)程復(fù)雜，儀器之間的通訊實(shí)現(xiàn)十分繁瑣，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。美國(guó)NI公司提出的虛擬儀器是一種綜合的測(cè)試技術(shù)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)上添加幾種共性的基本儀器硬件模塊，通過(guò)軟件的思想來(lái)組合成各種功能的儀器和系統(tǒng)的儀器設(shè)計(jì)思想。虛擬儀器技術(shù)利用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，LabVIEW系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能縮短復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，更迅捷、更經(jīng)濟(jì)地解決測(cè)試問(wèn)題，而且它的界面友好，這使得它已經(jīng)越來(lái)越多地在應(yīng)用在測(cè)試領(lǐng)域。它內(nèi)置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS一232和RS一485各種通訊總線標(biāo)準(zhǔn)，具有*的外部接口功能，能夠簡(jiǎn)單的完成軟件間的接口通訊，使用IabVIEW軟件進(jìn)行編程，能夠節(jié)約時(shí)間和成本。由于虛擬儀器開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、快捷的特點(diǎn)，本文利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)出一套熱膨脹儀測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)便、易于測(cè)量，并使用其*的接口通訊功能，通過(guò)VISA通訊實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的測(cè)量和數(shù)據(jù)的采集、分析處理、存儲(chǔ)和顯示。

2 熱膨脹的測(cè)試的總體方案設(shè)計(jì)

　 測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)將

被測(cè)材料放在加熱爐體內(nèi)，隨著溫度升高，材料受熱膨脹后膨脹量通過(guò)頂桿將膨脹量傳遞到位移傳感器上，位移傳感器器所測(cè)得的位移量就是材料熱膨脹變化的位移量。隨著爐體溫度的升高，系統(tǒng)將溫度信號(hào)和變化的位移信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集和處理分別實(shí)時(shí)地傳到PC機(jī)中，通過(guò)熱膨脹公式計(jì)算獲得材料的熱膨脹系數(shù)，這就是測(cè)量熱膨脹的基本原理。

　 測(cè)試的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。首先通過(guò)位移和溫度傳感器作為信號(hào)的輸人，信號(hào)通過(guò)調(diào)理模塊進(jìn)行放大、濾波，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集后傳送到PC中，來(lái)獲得當(dāng)前的溫度信號(hào)與位移信號(hào)。利用PID控制算法對(duì)電加熱爐溫度進(jìn)行的控制，使得溫度線性上升，隨著這個(gè)線性的溫度變化，可以同時(shí)通過(guò)測(cè)量材料的膨脹量來(lái)獲得熱膨脹曲線，zui終可以通過(guò)膨脹曲線和測(cè)試的數(shù)據(jù)獲得在任意溫度段內(nèi)的膨脹系數(shù)。
3 熱膨脹儀測(cè)試的基本硬件
3.1溫度傳感器
　　溫度的檢測(cè)采用鎳鉻一鎳硅熱電偶（K型熱電偶），K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性好等特點(diǎn)，能測(cè)zui高溫度為1300℃，且小型牢固，能在惡劣環(huán)境下使用，但它們只能產(chǎn)生毫伏（mV）級(jí)的輸出，所以需要進(jìn)行放大供進(jìn)一步的處理。而熱電偶的電壓溫度曲線通常以0℃作為參考點(diǎn)，而實(shí)際的溫度通常都不是0℃，因此一般都需要采用冷端補(bǔ)償技術(shù)（CJC）。
3.2位移傳感器
　　位移傳感器是位移測(cè)量的關(guān)鍵器件，傳感器精度影響著測(cè)量的精度。本系統(tǒng)中采用的是可變式線性差動(dòng)變壓器（LVDT）是一種將位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器，其輸出與可移動(dòng)磁芯成正比。磁芯在中央初級(jí)線圈和兩外層次級(jí)線圈所構(gòu)成的變壓器內(nèi)線形移動(dòng)，初級(jí)線圈加電壓激勵(lì)，兩次級(jí)線圈的繞向相反，因此當(dāng)磁芯位于中間位置時(shí)，凈輸出電壓應(yīng)改為零。但是由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組和漏感之間的不一致，故輸出不會(huì)出現(xiàn)真正的零值。解決以上問(wèn)題一般都用信號(hào)調(diào)理電路，將兩個(gè)輸出電壓的值相減。利用這種方法，能夠測(cè)量圍繞中心位置的正向變化和負(fù)向變化。位移傳感器性能指標(biāo)為：測(cè)量范圍鹵2．5mm，測(cè)量電壓鹵12VDC，輸出信號(hào)鹵5VDC，非線性度為萬(wàn)分之五，溫度系數(shù)為十萬(wàn)分之五。
3.3信號(hào)調(diào)理模塊
　　使用ADAM一4018作為溫度傳感器信號(hào)的調(diào)理模塊。ADAM一4018是一個(gè)16位8通道模擬量輸入模塊，可以直接采集熱電偶信號(hào)，可以分別對(duì)應(yīng)不同的熱電偶信號(hào)，本文中用到其中3個(gè)模擬輸入通道，分別用于測(cè)試爐體加熱管溫度、被測(cè)材料附近溫度和位移傳感器環(huán)境溫度。ADAM一4018其通訊接口為RS一485，所有通道都提供了可編程地輸入范圍。它可以測(cè)量多種不同的模擬量信號(hào)，例如熱電偶、mV，V，和mA信號(hào)，可以轉(zhuǎn)換不同的信號(hào)范圍。它內(nèi)部含冷端補(bǔ)償電路，可以進(jìn)行補(bǔ)償，且自帶Advan-tech Device Manager軟件，避免了軟件中將模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成K型熱電偶的溫度信號(hào)的設(shè)置，它可以將模擬電壓對(duì)應(yīng)設(shè)定的熱電偶型號(hào)，產(chǎn)生溫度信號(hào)輸出。避免了繁瑣的插值方法或者是高次多項(xiàng)式的模擬。
3.4數(shù)據(jù)采集卡
　　為了采集信號(hào)方便，本系統(tǒng)采用并行32位傳輸總線的PCI一9118HG作為插卡式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這是一款具有16路單端／8路差分輸入的數(shù)據(jù)采集卡，并且含有2路模擬輸出。輸出的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后輸出模擬電壓，通過(guò)模擬電壓信號(hào)控制調(diào)壓模塊從而控制加熱體的輸出功率。
4 熱膨脹測(cè)試的軟件設(shè)計(jì)
　　LabVIEW是一種基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有功能*的函數(shù)模塊和通訊協(xié)議，大大減少了軟件開(kāi)發(fā)的周期，特別是在測(cè)試和控制系統(tǒng)當(dāng)中，能方便地進(jìn)行。