【正文】 （ 9） 獲取實際時間，獲取描點的真實時間間隔（初期人為設定），并將上述數(shù)據(jù)與位移相對值輸入 “創(chuàng)建波形 ”函數(shù)； （ 10） 通過波形圖表形成關于時間的第一路位移整體趨勢圖，提供給試驗者觀察實際位移相對值。因此，只要與參照值進行對 比，若差值超過一定的范圍，則定義為誤差，去除即可，差值算法對于去除干擾的效果 將在第五章說明。 圖 42 采集時各通道電壓信號值顯示（以三通道為例） 圖 43 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖 “PLV AI Sample Channels. vi”為多通道采集模塊最新選擇的接口程序，相比于之前單通道中的程序更為穩(wěn)定，可以滿足多通道的采集要求； “循環(huán)結構 ”為一個結構函數(shù)，實現(xiàn)接口程序循環(huán)采集并將采集的數(shù)值組成數(shù)組向后傳輸，循環(huán)常數(shù)為 100，即每次采集 100 個數(shù)； “采集方式 ”連接接口程序，并對應前面板的選擇框，默認選用差分 different 方式； “通道 ”連接接口程序，并對應前面板的輸入框，若為五路即選擇 0,1,2,3,4,5 即可； “上限 ”、 “下限 ”連接接口程序，并對應前面板的輸入框，確定采集信號的上下限； “驅(qū)動 ”連接接口程序，并對應前面板的輸入框，默認為 1； 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 29 “二維數(shù)組轉置 ”為一數(shù)組函數(shù)，主要用于將二維數(shù)據(jù)的數(shù)組元素重新排列，行變?yōu)榱校凶優(yōu)樾校? “五路數(shù)據(jù)綜合顯示 ” 對應前面板的綜合波形圖表，其功能為在采集過程中實時觀察采集到的多通道數(shù)據(jù)信號； “采集電壓 V”對應前面板的數(shù)組顯示框，將采集到的數(shù)據(jù)信號的數(shù)值顯示在前面板； 數(shù)據(jù)采集模塊的工作流程 上述的采集模塊所實現(xiàn)的功能為在程序開始進行時，將數(shù)據(jù)采集卡所采集到的數(shù)據(jù)輸入進 PC 中的 LabVIEW 程序，每次一個通道采集 100 個數(shù)據(jù)，以進行后續(xù)的操作。所以需對多通道采集系統(tǒng)進行重新的優(yōu)化設計。LabVIEW 軟件啟動 系統(tǒng)啟動開關 T 輸入各系統(tǒng)參數(shù) 數(shù)據(jù)采集 選擇信號； 索引對應數(shù)據(jù)列 低通濾波 數(shù)值計算 獲取絕對位移值 獲取相對位移值 存儲 開關 T 獲取絕對時間 計算獲取相對時間 寫入 txt 文件 F 電壓信號趨勢顯示 顯示已經(jīng)過處理的信號 顯示時間 位移圖 時間延時 F 短延時 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 25 圖 315 600 小時的蠕變位移試驗單通道采集數(shù)據(jù)文件（部分） 下圖 316 為該試驗數(shù)據(jù)的時間 位移圖形。數(shù)據(jù)儲存模塊的功能便是將采集并通過數(shù)據(jù)處理所得出的位移相對值，按照具體的絕對時間與相對時間，存儲至文件中。 “第一路初值 ”為通過上述的計算所得出實際絕對位移值； “第一路位移值零點 ”也人為設定的初始位移值，用于獲得相對位移值。該程序配合數(shù)據(jù)采集卡可正確地在單通道數(shù)據(jù)輸入的情況下工多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 17 作。若針對目前的設計的如 5 路通道采集，選擇 10 個端口即可。單端輸入時，是判斷信號與 GND 的電壓差。 圖 25 線性差動位移傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 14 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 采集卡選用與介紹 數(shù)據(jù)采集卡選取凌華 PCI9221I 多功能數(shù)據(jù)采集卡，該計算機 I/O 卡支持可程序化多功能數(shù)字 I/O 功能，可用在定時器、計數(shù)器、馬達譯碼器（ Encoder）及脈寬調(diào)變（ PWM）輸出等彈性化的設計，因此 PCI9221 是凌華科技首張兼具數(shù)據(jù)采集與基本運動控制功能的工業(yè)用適配卡，能有效提供自動化測試設備廠商或?qū)嶒炇易罴鸦恼辖涌凇? 位移傳感器 根據(jù) 分節(jié)所介紹的位移傳感器概況，由于微試樣蠕變試驗測量的數(shù)據(jù)為連續(xù)變化的試樣加載點變形，因此要求位移傳感器的測量必須能夠長時間精確可靠的工作。二是熱風烘箱，廣泛用于醫(yī)藥、化工、食品、農(nóng)副產(chǎn)品、水產(chǎn)品、輕工等行業(yè)物料的加熱固化、干燥脫水。通過多頭試樣安裝盤、組合夾具、加載系統(tǒng)等機械部件實現(xiàn)了多試樣同時進行試驗。之后介紹了該論文相關的技術背景， 包括微試樣蠕變試驗技術、多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 采集卡、傳感器、工控機等硬件選擇 根據(jù)硬件選擇程序 LabVIEW 軟件編程學習 單通道數(shù)據(jù)采集程序編程 各模塊組合形成單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并進行模擬輸入測試 多通道 位移 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)編寫 多通道 系統(tǒng)測試與優(yōu)化 蠕變參數(shù)反演程序編程 蠕變參數(shù)反演程序的嵌入 反演程序測試與完善 8 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 多通道數(shù)據(jù)采集技術、虛擬儀器以及 LabVIEW 軟件技術等。實驗中， 實時測量數(shù)據(jù)為微試樣加載點的位移變化，故 需 采用位移傳感器。在流程圖中對 VI 編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。 與 C 或 BASIC 語言不同， LabVIEW 是圖形化程序語言，又稱為 G”語言。 虛擬儀器（ Virtual Instrument）是一種基于計算機的儀器，它以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其面板用虛擬的方式在計算機屏幕上出現(xiàn)。一個 DAQ 系統(tǒng)通常具有（除了插入式 DAQ 之外）一套用于獲取、處理原始數(shù)據(jù)，分析傳感器和轉換器，信號調(diào)節(jié)及顯示、儲存數(shù)據(jù)的軟件。 (a)三點彎曲簡支梁試驗方法 (b)懸臂梁試驗方法 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 3 (c)小沖桿試驗方法 圖 13 微試樣的多種蠕變試驗方法 微試樣蠕變試驗法采用微型試樣，如小沖桿 [911]、壓痕試樣 [1213]、三點彎 [1417]和懸臂梁試樣 [1820]，試驗時微試樣在恒溫和恒載荷的條件下進行長時間蠕變試驗。 蠕變試驗法是測定金屬材料在長時間的恒溫和恒載荷作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形現(xiàn)象的一種材料機械性能試驗。 研究目的 本次課題基于 LabVIEW 虛擬儀器軟件，設計一個用于多頭蠕變試驗機的多通道位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在試驗過程中，通過位移傳感器對多組位移數(shù)據(jù)進行實時采集及儲存，并附加一個蠕變參數(shù)的反演程序，將測量數(shù)據(jù)轉換為所需的材料性能參數(shù)。 目前預測在役高溫設備安全性和剩余壽命的常用方法是蠕變試驗法。 I 題 目 多頭微試樣蠕變實驗裝置 位移采集系統(tǒng)的設計 學 院 機械與動力工程學院 系 別 機械工程系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 摘要 火電、核電、石油化工行業(yè)中有大量的壓力容器、管道和構件 ,準確評價在役設備材料的脆化和結構完整性 ,對于保證裝置的安全運行具有重要意義。因此對于高溫服役構件的安全性檢測獲得了廣泛的應用 [14]。保證整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實時、高穩(wěn)定性地進行數(shù)據(jù)采集、處理與存儲，并能通過反演程序得到所需的材料蠕變參數(shù)。目前預測其安全性的常用方法主要為 蠕變試驗法。一方面要盡可能采用無損或半無損檢驗的方法；另一方面又必須最大限度地得到材料的性能，微試樣技 術是解決這種兩難問題的有效方法 [58]。如圖 14 所示的基于 PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各組成部分可分為： ? PC ? 傳感器 ? 信號調(diào)理 ? 數(shù)據(jù)采集硬件 ? 軟件（虛擬儀器） 圖 14 典型的基于 PC 的 DAQ 系統(tǒng) 4 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 從基本的角度出發(fā)， DAQ 系統(tǒng)的任務就是測量或生成物理信號。與傳統(tǒng)的測量儀器的設計方法相比，它具有成本低、功能強大、集成度高、質(zhì)量可靠、維護方便等優(yōu)點。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣 [2227]。 流程圖提供 VI 的圖形化源程序。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 本章小結 作為整篇論文的開頭，該章介紹了整個課題的研究背景，并闡述了課題目標：基于LabVIEW 虛擬儀器軟件，設計一個用于多頭蠕變試驗機的多通道位移 數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)與蠕變參數(shù)的反演程序。 綜上所述，多試樣技術（即一次實驗，多個試樣同時進行）便是一種非常良好的解決方案。 在現(xiàn)階段，各領域中與熱風循環(huán)式恒溫爐相類似的加熱爐有兩種，一是應用于工業(yè)上進行金屬熱處理的空氣循環(huán)電爐，該爐按照工藝用途分為：加熱爐、淬火、退火爐、時效爐等。 （ 3） 恒溫爐最終參數(shù) 與圖像 熱風循環(huán)式恒溫爐的最終各項數(shù)據(jù)如下表 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 11 表 熱風循環(huán)式恒溫爐各項參數(shù) 名稱 熱風循環(huán)式恒溫爐 溫度范圍 室溫 20℃ 至 600℃ （設計溫度 800℃ ） 爐膛尺寸 3 0 0 3 0 0 4 0 0??（ 長 ） （ 寬 ） （ 高 ） 恒溫額定功率（ 800℃ ） 736W 最大額定功率 (快速升熱 ) 4735W 整爐尺寸 1 1 8 3 6 5 8 7 0 8??（ 長 ） （ 寬 ） （ 高 ） 整爐重量 約 360kg 保溫材料 石棉板，規(guī)格 8~10mm 厚 密封材料 石棉繩 耐熱結構材料 2Cr25N 外殼材料 Q235 支座材料 HT100 爐體外觀 粉體烤漆 電源 AC 380V， 加熱方式 電加熱 加熱元件 粗端式硅碳棒（ 8 根），尺寸 300mm（長） 電機參數(shù) “與鑫 ”牌， YS71 長軸心耐溫電機，功率 1/2HP 散熱風扇 “ENERMAX”牌， UCTB12P 型 風扇 熱電偶 K 型裝配式熱電偶 溫度控制儀表 “宇電 ”牌， AI808P 型溫控器，尺寸 96*96 定時器 國內(nèi)優(yōu)質(zhì) 交流接觸器 韓國 LG 固態(tài)繼電器 歐姆龍 其它電控配件 國內(nèi)優(yōu)質(zhì) 安全設置 超溫保護，時到保護 其恒溫爐的裝配圖與 Solidworks 三維透視圖如圖 23 與 24 所示： 12 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 圖 23 熱風循環(huán)式恒溫爐裝配圖 圖 24 恒溫爐三維圖（透視圖） 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 13 PC 機 整個多頭蠕變試驗裝置的位移采集程序?qū)?WindowsXP 系統(tǒng)運行，選用實驗室現(xiàn)有的個人計算機即可，此處不做過多贅述。測量過程中固定磁性表座和傳感器，保持測桿的靈活性，使測頭垂直接觸測量桿，即可測量試樣加載點的變形。 差分輸入，每一個輸入信號都有自有的基準地線；由于共模噪聲可以被導線所消除，從而減小了噪聲誤差。 因此，根據(jù)上述結論，為了更好地抑制共模噪聲，我們對數(shù)據(jù)信號的輸入采取差分輸入方式。 數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn) 圖 32 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖 如圖 32 所表示為單通道的數(shù)據(jù)采集模塊，其中的 “”為其系統(tǒng)中所使用的軟硬件接口程序。其中， “Lowpass”為低通濾波選項， “X 截止頻率 ”與 “X 階數(shù) ”包括 “100”常值都為濾波器所需要設定的參數(shù)，通過前面板對應的輸入框來進行人為設定； “第一路位移表述圖 ”對應前面板的波形圖表，其功能為在采集過程中實時觀察已經(jīng)過 處理的數(shù)據(jù)信號； “乘號 ”、 “加號 ”、 “減號 ”與其所對應的常值與 “位移零點 ”，都為數(shù)值函數(shù)，目的為了 將通過濾波的信號數(shù)據(jù)通過公式計算，從而得到實際的所需相對位移值，該值也為最后我們所需的數(shù)據(jù)。 單通道數(shù)據(jù)儲存模塊設計 至此，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示基本實現(xiàn)完畢，但還需將所采集的數(shù)據(jù)進行儲存，用于后續(xù)對試驗數(shù)據(jù)進行研究與計算。其中， txt 文件中的第一列數(shù)據(jù)為日期，第二列為絕對時間，第三列為相對時間，第四列為所采集的單通道數(shù)據(jù)。 圖 41 1000 小時以上的三通道蠕變試驗的時間 位移圖（有波動） 根據(jù)個人分析和資料檢索，最終確定問題的根源主要可能是由于數(shù)據(jù)采集卡的存在不穩(wěn)定問題或是軟硬件接口的兼容性問題。如圖 42 為三通道采集系統(tǒng)時每次采集的部分電壓信號值顯示，可見每個通道（見每一列）中，所采集的電壓值基本不變，但有微小誤差。理論上進行分析的話，每次采集所得數(shù)據(jù)的時間相差基本在秒級，在蠕變試驗過程中其單位時間（小時）的位移值改變量十分微小。 “動態(tài)數(shù)據(jù)轉換 2”通過該函數(shù)，將動態(tài)函數(shù)類型轉換為數(shù)組類型； “獲取日期 /時間 ”獲取當時的實際時間（日期與時間），作為波形創(chuàng)建的初始時間； “描點的真實時間間隔 ”人為設定的點與點之間的時間間隔，默認為 500ms； “等待 ”迫使 CPU 放棄對當前線程的控制，等待時間 為對應的輸入時間； “除號 ”與常數(shù) 1000 為將時間間隔轉換為秒單位制，之后輸入時間間隔 dt； “創(chuàng)建波形 ”以輸入的數(shù)據(jù)流作為 Y 值，以時間 t 為 X 值，獲取 t0 初值與 dt，從而創(chuàng)建波形； “第一路 ”將所創(chuàng)建的波形輸入進波形圖標，實時顯示位移趨勢，用于人為監(jiān)測