【文章內(nèi)容簡介】 道位移 數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)與蠕變參數(shù)的反演程序。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。并于后部分簡單介紹了論文的主要研究內(nèi)容、技術路線與結構安排。該章為之后整個課題的展開鋪下了基礎。 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 9 2 系統(tǒng)硬件搭建 多頭微試樣蠕變試驗機 簡介 目前普通的蠕變試驗機單次實驗只針對一種材料、一種試驗方法，這導致了實驗效率較為低下。對于測試者與實驗人員來說，除非購置多臺設備，否則便阻礙了其測試與研究進度。況且，長時間的實驗過程難免會存在諸多 如振動、溫度波動等的干擾，因而對實驗結果的精度會造成一定的影響。即使只針對一種材料，倘若進行多次試驗，其結果也會存在些許差異 [29]。 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。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。有效地提升了試驗效率，減少了人力、物力資源浪費，也方便了實驗數(shù)據(jù)的后續(xù)處理 [30]。 實驗室目前的微試樣實驗裝置已實現(xiàn)了多試樣、不同受力狀態(tài)（如三點彎曲簡支梁、小沖桿、懸臂梁等）下的微試樣蠕變試驗，可在各種要求溫度下進行試 驗。圖 21 與 22表示了實驗室目前現(xiàn)有的多頭微試樣試驗機，目前最多可 6 個試樣同時進行試驗。 圖 21 多頭微試樣蠕變試驗機 10 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 圖 22 試驗機上部的加載系統(tǒng)與位移測量輔助裝置 熱風循環(huán)式恒溫爐 本 研究 設計了多頭蠕變試驗機中的關鍵硬件 ——熱風循環(huán)式恒溫爐，功能為試驗機在進行蠕變試驗時，提供長時間恒溫的試驗環(huán)境。下為恒溫爐的基本介紹。 （ 1） 應用背景 熱風循環(huán)式恒溫爐廣泛 適用于工農(nóng)業(yè)，醫(yī)療衛(wèi)生，塑料機械，各院校和科研部門的生產(chǎn)車間或實驗室，其可創(chuàng)造并長時間保持高溫、干燥的工作條件，以滿足生產(chǎn)、實驗等各種環(huán)境要求。 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。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。如原料、中藥飲水、浸膏、粉劑、顆粒、脫水蔬菜等。目前實驗室中的金屬高溫蠕變實驗，需要恒溫爐來創(chuàng)造長時間高溫的爐內(nèi)條 件，來滿足實驗環(huán)境需求。 （ 2） 工作原理 熱風循環(huán)式恒溫爐采用風機循環(huán)送風方式，風循環(huán)均勻高效。風源由耐熱長軸電機帶動多葉渦輪式風扇產(chǎn)生，通過加熱元件升溫，而將熱風送出，再經(jīng)由氣流通道至爐膛內(nèi)部，均勻加熱工件，再將使用后的空氣通過爐膛內(nèi)的出風口吸入風扇成為風源再度循環(huán)，加熱使用。 為確保爐膛內(nèi)保持恒溫，以熱力學為基礎，通過熱平衡計算來校核各結構尺寸設計的合理性與確定加熱元件。而當因開關門動作或其他干擾現(xiàn)象引起溫度值發(fā)生擺動時，則通過溫度控制系統(tǒng)來調整加熱元件的功率，從而調整爐內(nèi)溫度，保證恒溫。 （ 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 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 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將會基于 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。 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。良好的抗干擾性與抗振性變成了必要條件。 根據(jù)常用位移傳感器主要性能對比表 以及微試樣蠕變試驗的要求，本系統(tǒng)中選用了實驗室中已有的線性差動式位移傳感器。該傳感器由中國科學院成都科學儀器研制中心生產(chǎn)，其次級線圈采用差動接法，使外界各種電磁干擾相互抵消，因而抗干擾性能強。具體技術指標如下： （ 1） 測量范圍： 177。5mm （ 2） 綜合精度： ≤％（ F、 S） （ 3） 靈敏度： 150μv／ μm （ 4） 分辨率 ： （選用 4 位半數(shù)顯儀） （ 5） 重復偏差： ≤％（ F、 S） （ 6） 溫度系數(shù)： ≤％（ F、 S） /℃ （ 7） 工作環(huán)境：溫度 0～ 45℃ ，相對濕度 30～ 85％ （ 8） 電源：～ 220V177。10％， 50Hz （ 9） 功耗： ≤15W （ 10） 外形尺寸：直徑 φ14mmx112mm （ 11） 質量：約 傳感器如圖 25，傳感器牢固安裝在磁性表座上，磁性表座安裝在臺架的上支撐板上并可方便的調整位置。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。 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實驗室最佳化的整合接口。 凌華 PCI9221 提供 2 個 16 位的靜態(tài)模擬輸出，可用于一般直流電壓信號控制的應用。該產(chǎn)品支持自動校正功能，通過板卡內(nèi)建精準的參考信號源，提高自我校正的準確度，避免在不同操作環(huán)境溫度下的量測誤差。 圖 26 為凌華 PCI 9221I 采集卡與其引腳分配圖。 圖 26 凌華 PCI9221I多功能數(shù)據(jù)采集卡 連接方式選用 采集卡信號輸入有單端輸入和差分輸入兩種模式： 單端輸入，輸入信號均以共同的地線為基準。這種輸入方法主要應用于輸入信號電壓較高，信號源到模擬輸入硬件的導線較短，且所有的輸入信號共用一個基準地線。而單端輸入的一線變化時， GND 不變，所以電壓差變化較大，抗干擾性較差。 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。單端輸入時，是判斷信號與 GND 的電壓差。由于差分輸入時，是判斷兩個信號線的電壓差。信號受干擾時，差分的兩線會同時受影響，但電壓差變化不大，抗干擾性較佳 [3132]。 差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面： （ 1） 抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。 （ 2） 能有效抑制 EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 15 的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。 （ 3） 時序定 位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的 LVDS（ low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號技術。 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。若針對目前的設計的如 5 路通道采集，選擇 10 個端口即可。 本章小結 該章內(nèi)容 介紹整個系統(tǒng)的硬件搭建， 包括整個系統(tǒng)的基本采集初端 平臺 ——多頭微試樣蠕變試驗機，以及其中的關鍵部分熱風循環(huán)式恒溫爐； PC 機、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及其連接方式的介紹。確定 各個硬件的選擇與其使用方式，搭建完成 程序設計的硬件平臺。 16 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 3 單通道位移采集系統(tǒng) 單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [33]由采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊等構成，具有所述對單條數(shù)據(jù)的采集信號、干擾處理、轉換計算、大容量存儲等功能，單通道系統(tǒng)主要模塊的程序框圖如圖 31 所示。下面對與單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的各個模塊進行介紹。 圖 31 基于 LabVIEW的單通道位移采集系統(tǒng) 程序框圖 單通道數(shù)據(jù)采集模塊設計 采集模塊需要基于選擇完畢的位移傳感器與凌華 PCI9221I 多功能數(shù)據(jù)采集卡，設計并選擇合理的采集程序與軟硬件 I/O 端口，使數(shù)據(jù)可以大量、多通道且完整無誤地傳輸進 PC 進行處理。同時數(shù)據(jù)采集時需通過程序實現(xiàn)人為設定所需要的采集頻率、間隔時間，保證所采集數(shù)據(jù)的有效性。 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。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。其所采集的信號為初始數(shù)據(jù)，即位移傳感器在測量時所產(chǎn)生的電壓信號； “Rate(Hz)”與 “Timeout(s)”為接口程序的頻率與工作間隔，通過前面板的人為設定輸入，默認頻率為 100000Hz，工作間隔為 10s； “Stop”與 “Stopped”為接口程序停止工作的信號輸入與工作狀態(tài)顯示，通過按下前面板的所對應的 “Stop”按鈕可以停止接口程序的數(shù)據(jù)通信，此時 “Stopped”所對應的狀態(tài)顯示燈亮； “error out”為錯誤輸出，對應前面板的數(shù)據(jù)框，將錯誤信號輸出； “單路數(shù)據(jù)綜合顯示 ”對應前面板的波形圖表，其功能為在采集過程中實時觀察采集的數(shù)據(jù)信號； “選擇信號 ”能實現(xiàn)接口程序傳輸信號時的選擇功能，選擇對應信號輸入的端口。 數(shù)據(jù)采集模塊工作流程 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，以進行后續(xù)的操作。具體的工作流程如下： （ 1） 先設定接口程序的頻率與工作間隔； （ 2） 每個端口開始采集信號，單個信號采集的間隔取決于處理器執(zhí)行時所需要的工作時間； （ 3） 將 所采集的數(shù)據(jù)信號顯示于波形圖中； （ 4） 選擇信號端口，將所選定端口的數(shù)據(jù)取出，送至后續(xù)模塊； （ 5） 繼續(xù)信號采集。 單通道數(shù)據(jù)處理模塊設計 在先前的數(shù)據(jù)采集模塊中，將采集的信號數(shù)據(jù)，輸入進數(shù)據(jù)處理模塊。故數(shù)據(jù)處理模塊的功能主要為去除干擾，得出合理的電壓信號，并通過計算公式最終獲得出所需要并可以進行儲存的實際位移量。 數(shù)據(jù)處理模塊的實現(xiàn) 所設計的單通道數(shù)據(jù)處理模塊如下圖 33 所示，下面對該程序框圖進行介紹： 圖 33 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊程序框圖 18 多頭微試樣蠕變試驗裝置位移采集系統(tǒng)的設計 “轉換 ”為一數(shù)據(jù)類型轉換函數(shù)，前部分采集的數(shù)據(jù)類型為動態(tài)數(shù)據(jù)，通過這一函數(shù)，將動態(tài)函數(shù)類型轉換為數(shù)組類型； 兩個 “索引數(shù)組 ”為基本的數(shù)組函數(shù)之一，為了在選擇