基于LabVIEW的多物理量測量實驗系統

王 娟， 胡文軍， 王培良

(浙江湖州師范學院 a.工學院； b.信息工程學院，浙江 湖州 313000)

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基于LabVIEW的多物理量測量實驗系統

王 娟a， 胡文軍b， 王培良a

(浙江湖州師范學院 a.工學院； b.信息工程學院，浙江 湖州 313000)

溫度和位移是物理量測量中兩個重要的參數。傳統的測量裝置存在精度不高、體積龐大、操作不方便等缺點。為此，基于虛擬儀器設計開發了一種包括位移、溫度在內的多物理量測量系統，系統以LabVIEW為軟件開發平臺，結合溫度傳感器、位移傳感器、USB6008數據采集卡以及計算機搭建整個系統硬件平臺，實現了數據采集、存儲、分析處理和人機交互等功能。測量實驗系統操作方便，測量過程直觀，有助于學生了解實驗原理和實現相應物理量的測量。實驗結果表明，系統能夠達到設計目標，具有較高的實用性。

溫度； 位移； 虛擬儀器； 實驗系統

0 引 言

溫度和位移是物理量中的兩個重要參數，對它們的測量方法和測量系統構建的研究已是一個關注熱點。文獻[1]介紹了一種基于電渦流位移傳感器和虛擬儀器技術的微小位移測量方法，該系統需要進行機械結構的設計，精度要求較高，較難實現。文獻[2]設計了渦流傳感器檢測和調理電路，但使用單片機采集信號實現對位移的測量，硬件比較復雜。文獻[3]采用LabVIEW程序控制步進電機的位移，文獻[4]采用非接觸式測試方法對轉軸支架的振動位移量進行測試，測量對象有一定的局限性。文獻[5]采用信息融合算法對位移傳感器進行溫度補償，文獻[6]采用單片機和DS18B20實現多點溫度采集，算法較復雜。文獻[7]利用可編程模擬器實現多路溫度控制，硬件較多，體積較大。文獻[8]和文獻[9]采用LabVIEW設計了溫度測量系統，測量精度較高，但實驗項目內容單一。上述文獻中提到的測量方法不適合機械電子工程、機械制造及其自動化等專業學生的實驗要求。

鑒于上述原因，本文基于虛擬儀器開發平臺LabVIEW，結合傳感器、信號調理電路、數據采集卡等硬件設備構建一個集信號采集、存儲、分析和處理于一體的位移和溫度測量系統，設有單端和差分兩種數據采集方式，系統靈活，能讓學生在實驗時可以通過改變不同的傳感器類型，使用不同的數據采集方式以及改變采樣時間間隔等方法構建軟硬件平臺，了解相關物理量的測量原理和實現物理量測量實驗等研究。

1 測量系統的硬件構成

1.1 系統總體結構

本系統針對位移和溫度物理量測量，其總體結構如圖1所示。其中，位移傳感器和溫度傳感器分別用于感知位移和溫度物理量，并轉換為電信號。信號調理電路[10]主要負責將傳感器輸出的電信號進行放大，以便獲得與數據采集卡輸入范圍的匹配。數據采集卡將采集模擬信號并轉換為數字信號，以便于后臺計算機能夠對其分析和處理，本系統將使用美國國家儀器公司National Instruments(NI)公司的USB6008板卡作為數據采集卡。USB6008可以工作在單端和差分兩種不同模式，在單端模式下，有8個模擬量輸入通道且每個通道的模擬電壓輸入范圍為±10 V。在差分模式下，有4個模擬量輸入通道且每個通道的模擬電壓輸入范圍為±20 V[11]。后臺計算機依托虛擬儀器軟件平臺LabVIEW開發的應用測量軟件，完成信號的采集、數據存儲、分析處理、界面顯示和人機交互等功能。

圖1 測量系統總體結構框圖

1.2 傳感器及其測量電路

位移傳感器測量電路如圖2左側虛框所示，具體的是利用傳感器的抽頭構成一個分壓電路。這里位移傳感器型號為：MIRAN PR-125mm型，總量程為125 mm，其位移變化和阻值變化呈線性對應關系，位移范圍：0～125 mm，對應阻值變化范圍：0.4～5.8 kΩ[12]。

圖2 位移傳感器測量和信號調理電路圖

溫度傳感器測量電路如圖3左側虛框所示，具體的是利用熱敏電阻傳感器和輔助電阻R5構成一個分壓電路。這里熱敏電阻型號為：萬豪科技3950NTC，總量程為355 ℃，其溫度變化和阻值變化呈非線性對應，溫度范圍：-55～300 ℃，對應阻值變化范圍：128.8～0.017 kΩ[13]。左側虛線框為測量電路，圖中電容Ce起消除信號干擾、濾波的作用。

圖3 熱敏電阻測量和信號調理電路圖

1.3 信號調理電路

信號調理模塊的作用就是將傳感器輸出的通常不能直接被數據采集裝置讀取的信號進行放大、濾波和阻抗匹配等操作。

兩物理量測量的調理電路分別見圖2和圖3的右側虛線框所示。對應的調理電路主要是利用LF356N放大器和電阻R1、R2、R3、R4及開關K1、K2一起構建一個放大電路，其中K1、K2開關為了獲得不同的放大倍數，以適應單端或差分采集方式。在單端方式下，閉合開關K1，斷開開關K2，由圖可知，放大電路的放大倍數為2，故uo=2ui，因此位移在全量程變化后，放大電路輸入電壓ui變化范圍為：0～5 V，則輸出電壓uo范圍為：0～10 V。在差分方式下，閉合開關K2，斷開開關K1，由圖可知，放大電路的放大倍數為3，故uo=3ui，因此位移在全量程變化后，放大電路的輸入電壓ui變化范圍為：0～5 V，則輸出電壓uo范圍為：0～15 V。

2 測量系統的軟件設計

實驗系統軟件是基于LabVIEW平臺開發的，在計算機的控制下，通過傳感器和USB6008數據采集卡完成數據采集，并由后臺軟件實現數據的分析和處理，最終通過前面板界面窗口輸出檢測結果和相應測量曲線。

測量系統的前面板如圖4所示，這里為了提高人機交互界面的可讀性，前面板分成3個部分，分別是①參數設置模塊，比如位移上下限和溫度上下限設置，如果超出范圍，則會報警。還有采樣時間的設置，可以控制系統采樣的時間間隔，從而控制采樣的快慢。②按鈕控制，包括啟動采集、停止采集、退出系統等，按下起動采集按鈕，開始采集信號，按下停止采集按鈕，停止信號的采集，按下退出系統按鈕，則退出整個LabVIEW程序。模式選擇按鈕可以進行差分模式和單端模式的選擇。③輸出顯示模塊，測量數據的顯示有圖形顯示、數值顯示2種方式，圖形顯示可以采集多個點，顯示溫度、位移變化的趨勢，數值顯示則給出當前值，數據采集狀態信息進度顯示條，可以實時顯示采集的狀態。報警顯示模塊，如果溫度、位移不在設定的范圍內，就會報警，可以通過報警指示按鈕進行顯示，如果按鈕為綠色，則不報警，如果為紅色，則報警。除此之外，還有顯示系統運行的當前時間等。

圖4 基于LabVIEW的物理量測量系統前面板

所設計系統的軟件流程圖如圖5所示，由該流程圖可知，采集到的數據要先進行相應的處理，比如，每次采集5個數據進行均值濾波[16]，得到一個平均值之后再根據電壓和位移、電壓和溫度的對應關系，轉換成位移和溫度的輸出。除了數值輸出之外，還有電壓曲線、位移曲線、溫度曲線的輸出，通過電壓曲線和位移曲線，電壓曲線和溫度曲線之間的對應關系，可以對整個的測量過程進行監控，更加直觀地看到電壓和位移、電壓和溫度的變化趨勢，以提升學生對測量過程的理解。另外，還可以對采集到的數據進行存儲，通過文件對話框以及寫入電子表格文件等控件將采集到的數據以Excel表格的形式存儲下來，以便進行分析和進一步的處理。

圖5 系統測量流程圖

3 實驗測試及結果分析

本實驗系統可分別進行單端和差分兩種采集模式。前面板有選擇按鈕，程序中采用Case結構，如果選擇單端，則Case結構按照“假”執行，相應的硬件按照單端的方式接線，如果選擇差分，則Case結構按照“真”執行，相應的硬件按照差分的方式接線。

在單端模式下，USB6008數據采集卡的1腳GND和系統共地，2腳AI0+接輸出端，此時在DAQ助手下對采集信號進行配置，選采集信號—模擬輸入—電壓—支持物理通道中選擇AI0—完成，則彈出采集配置界面，接線端配置選RSE方式，信號輸入范圍為最大值10 V，最小值-10 V，采集模式為N采樣，即指定任務采集有限個采樣，具體個數由待讀取采樣點數指定，這里待讀取采樣點數為5個，采樣率為1 k。

在差分模式下，USB6008數據采集卡的2腳AI0+接輸出端，3腳AI0-和系統共地，DAQ助手下對采集信號進行配置，選采集信號—模擬輸入—電壓—支持物理通道中選擇AI0—完成，則彈出采集配置界面，接線端配置選差分方式，信號輸入范圍為最大值20 V，最小值-20 V， 其余與單端方式配置相同。

3.1 位移測量實驗

位移測量時采用抽拉位移傳感器拉桿的方式改變位移量，分別進行單端和差分兩類實驗，并從0～12 cm進行等間距實驗測試，其實驗結果如表1、2所示。

表1 單端方式下位移測量結果

從表1、2可以看出，單端方式下測量的最大絕對誤差為0.35 cm，差分方式下測量的最大絕對誤差為0.45 cm，基本滿足實驗條件，從而驗證了實驗原理的正確性。

3.2 溫度測量實驗

溫度測量時，采用改變水溫的方式進行實驗測量，分別進行單端和差分兩類實驗，并從28～70 ℃進行實驗測試，其實驗結果如表3和表4所示。

從表3、表4可以看出，單端方式下測量的最大絕對誤差為0.7 ℃，差分方式下測量的最大絕對誤差為1 ℃，基本滿足實驗條件，從而說明了實驗方法的可行性。

表2 差分方式下位移測量結果

表3 單端方式下溫度測量結果

4 結 語

針對傳統測量儀器精度不高，價格昂貴，穩定性較低的缺點，設計開發了基于虛擬儀器的多物理量測量實驗系統。本系統通過采集卡將傳感器和PC機相連接，所有的測量分析任務都是通過LabVIEW軟件來完成的，利用PC機高速、高效的數據處理功能，很好地克服了已有測量系統精度不高、硬件復雜、操作不方便等缺點。

表4 差分方式下溫度測量結果

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Experimental System for Physical Multi-quantity Measurement Based on LabVIEW

WANGJuana,HUWen-junb，WANGPei-lianga

(a. School of Engineering； b. School of Information Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China)

In physical measurement, the temperature and the displacement are two important parameters, while the traditional measuring device has the disadvantages of low accuracy, large size, and complex operation, etc. For this reason, a new physical quantity measurement system is designed in this paper. The system is constructed by temperature sensor, displacement sensor, USB6008 data acquisition card and the corresponding application software. The application software is developed by LabVIEW, and includes data acquisition, data storage, data analysis, data processing, and human-machine interface. The proposed system makes the process of measurement intuitive, and its operation is convenient. Experimental results show that the proposed system achieves the design goal, and has high practicability.

temperature； displacement； virtual instruments (VI)； experimental system

2015-10-10

浙江省自然科學基金項目(LY13F020011)；浙江省教育廳科研項目(Y201430746)；湖州師范學院校級科研項目(KX24058)

王 娟(1981-),女,安徽宿州人,碩士,實驗師,主要研究方向為智能系統和故障檢測等。

Tel.:13362279395;E-mail: wj8193@zjhu.edu.cn

TP 212.9

A

1006-7167(2016)04-0121-04