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1 系統(tǒng)硬件設(shè)計本設(shè)計將 LabVIW 軟件、多 傳感器 、計算機結(jié)合，構(gòu)建了一個空氣流量 測試系統(tǒng) ，實現(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)機發(fā)出不同大小的風(fēng)量通過 流量傳感器 ，模擬進 入 發(fā)動機 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 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 為了驗證空氣流量測試系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)的正確性， 需要對測試系統(tǒng)進行試驗標定， 設(shè)計選 擇標準流量計標定方法。 標準流量計選用 LAB一 10型玻璃 轉(zhuǎn)子流量計 ，它與被檢的空氣流量傳感器測量范圍相當，準確度較高，

3、是在101325Pa，20狀態(tài)下用空氣進行標定的。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個模擬 放大器對其進行一定倍數(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個具有電容負反饋、且輸入阻抗極高的高增運算放大器 。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， 將它插入計算機 PCI 槽上。

4、 再運行控 制軟件，便可組成一臺價格便宜、 人機界面 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 ，具有自檢功能， 可以光標測量時間和電壓，并支持 二次開發(fā)。2 軟件設(shè)計軟件設(shè)計是測試系統(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)軟件控制實現(xiàn)。 系統(tǒng)軟件采用模塊化方法進行設(shè)計， 劃分為以下幾個模塊： 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)中把各個代碼模塊進行定義并使它們之間的 接口 標準化，從而在

5、一個模塊內(nèi)進行擴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現(xiàn)檢驗并初始化板卡， 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，即手動點擊采集按鈕，則開始運行采 集程

6、序。將設(shè)置的采樣參數(shù)放在 1個簇里，采用選擇結(jié)構(gòu)進行參數(shù)設(shè)置。反之則顯示“請先 初始化”。2.2 數(shù)據(jù)采集模塊該模塊實現(xiàn)多通道實時數(shù)據(jù)采集與顯示， 其設(shè)計是動態(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)其它功能的實現(xiàn)。 該模塊能否正常工作直接關(guān)系到整個系統(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 定時器取值處設(shè)置了延時時間， 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個子程序進行數(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。該模塊實現(xiàn)對采集的原始數(shù)據(jù)進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 進行全方位檢測， 多傳感器協(xié)調(diào)應(yīng)用獲取對目標的全面認識， 數(shù)據(jù)量急劇增長， 對實時采

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，它是一個免費的數(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 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)計的試驗是在模擬汽車發(fā)動機真實工作環(huán)境下測試的， 機發(fā)出不同大小的風(fēng)量通

9、過流量傳感器來模擬進入發(fā)動機的空氣流量， 溫度改變傳感器工作環(huán)境溫度，以此來模擬發(fā)動機工作的溫度環(huán)境。為使測量準確就要對測試系統(tǒng)進行試驗標定， 設(shè)計選用標準流量計式標定方法。 標準流 量計選用 LAB一10型玻璃轉(zhuǎn)子流量計來進行標定試驗。 在變頻器從 l 23Hz變化中，對應(yīng)的 輸出電壓為 0 3V，經(jīng)過標定試驗，在溫度為 20時，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)機的供氣方式， 氣體仍然存在一些脈動， 又由于空氣流量傳感