基于虚拟仪器的热膨胀仪测试系统设计

1 引言

   　 热膨胀仪测试系统国内目前大多使用VC开发，其编程过程复杂，仪器之间的通讯实现十分繁琐，需要花费大量的时间。美国NI公司提出的虚拟仪器是一种综合的测试技术，它通过计算机上添加几种共性的基本仪器硬件模块，通过软件的思想来组合成各种功能的仪器和系统的仪器设计思想。虚拟仪器技术利用LabVIEW进行开发，LabVIEW系统开发能缩短复杂程序的开发时间，更迅捷、更经济地解决测试问题，而且它的界面友好，这使得它已经越来越多地在应用在测试领域。它内置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS一232和RS一485各种通讯总线标准，具有强大的外部接口功能，能够简单的完成软件间的接口通讯，使用IabVIEW软件进行编程，能够节约时间和成本。由于虚拟仪器开发简单、快捷的特点，本文利用LabVIEW软件开发出一套热膨胀仪测试系统，系统界面友好、操作简便、易于测量，并使用其强大的接口通讯功能，通过VISA通讯实现了信号的测量和数据的采集、分析处理、存储和显示。

2 热膨胀的测试的总体方案设计

   　 测试系统通过将被测材料放在加热炉体内，随着温度升高，材料受热膨胀后膨胀量通过顶杆将膨胀量传递到位移传感器上，位移传感器器所测得的位移量就是材料热膨胀变化的位移量。随着炉体温度的升高，系统将温度信号和变化的位移信号通过数据采集和处理分别实时地传到PC机中，通过热膨胀公式计算获得材料的热膨胀系数，这就是测量热膨胀的基本原理。

   　 测试的总体结构框图如图l所示。首先通过位移和温度传感器作为信号的输人，信号通过调理模块进行放大、滤波，经过数据采集后传送到PC中，来获得当前的温度信号与位移信号。利用PID控制算法对电加热炉温度进行的控制，使得温度线性上升，随着这个线性的温度变化，可以同时通过测量材料的膨胀量来获得热膨胀曲线，最终可以通过膨胀曲线和测试的数据获得在任意温度段内的膨胀系数。

3  热膨胀仪测试的基本硬件

3.1温度传感器

　　温度的检测采用镍铬一镍硅热电偶(K型热电偶)，K型热电偶具有线性度好，热电动势大，灵敏度高，稳定性和均匀性好等特点，能测最高温度为1300℃，且小型牢固，能在恶劣环境下使用，但它们只能产生毫伏(mV)级的输出，所以需要进行精确放大供进一步的处理。而热电偶的电压温度曲线通常以0℃作为参考点，而实际的温度通常都不是0℃，因此一般都需要采用冷端补偿技术(CJC)。

3.2位移传感器

　　位移传感器是位移测量的关键器件，传感器精度影响着测量的精度。本系统中采用的是可变式线性差动变压器(LVDT)是一种将位置信号转化成电信号的传感器，其输出与可移动磁芯成正比。磁芯在中央初级线圈和两外层次级线圈所构成的变压器内线形移动，初级线圈加电压激励，两次级线圈的绕向相反，因此当磁芯位于中间位置时，净输出电压应改为零。但是由于两个次级线圈绕组和漏感之间的不一致，故输出不会出现真正的零值。解决以上问题一般都用信号调理电路，将两个输出电压的绝对值相减。利用这种方法，能够测量围绕中心位置的正向变化和负向变化。位移传感器性能指标为：测量范围±2．5mm，测量电压±12VDC，输出信号±5VDC，非线性度为万分之五，温度系数为十万分之五。
3.3信号调理模块

　　使用ADAM一4018作为温度传感器信号的调理模块。ADAM一4018是一个16位8通道模拟量输入模块，可以直接采集热电偶信号，可以分别对应不同的热电偶信号，本文中用到其中3个模拟输入通道，分别用于测试炉体加热管温度、被测材料附近温度和位移传感器环境温度。ADAM一4018其通讯接口为RS一485，所有通道都提供了可编程地输入范围。它可以测量多种不同的模拟量信号，例如热电偶、mV，V，和mA信号，可以转换不同的信号范围。它内部含冷端补偿电路，可以进行补偿，且自带Advan-tech Device Manager软件，避免了软件中将模拟信号对应转换成K型热电偶的温度信号的设置，它可以将模拟电压对应设定的热电偶型号，产生温度信号输出。避免了繁琐的插值方法或者是高次多项式的模拟。

3.4数据采集卡

　　为了采集信号方便，本系统采用并行32位传输总线的PCI一9118HG作为插卡式的数据采集系统，这是一款具有16路单端／8路差分输入的数据采集卡，并且含有2路模拟输出。输出的信号经信号调理后输出模拟电压，通过模拟电压信号控制调压模块从而控制加热体的输出功率。

4 热膨胀测试的软件设计

　　LabVIEW是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发平台，具有功能强大的函数模块和通讯协议，大大减少了软件开发的周期，特别是在测试和控制系统当中，能方便地进行数据采集和数据分析。本系统将热膨胀测试分为测量模块和分析模块两部分，热膨胀仪测试系统的软件功能结构如图2所示。

4.1差动变压器的信号采集

　　利用PCI一9118HG进行信号的采集，由于其传输速度快，能够快速将热膨胀所产生的位移变化传递出来，有较好的响应，如图3所示。由于系统采用的不是NI的数据采集卡，PCI．一9118HG对NI的某些DAQmx控件不支持，数据信号的采集采用的是DAQ采集。采集卡将输入的模拟信号转换对应输出为+2．5mm信号，在图3中加入一个公式节点进行标度变换将信号变换成所需的信号范围中。

4.2热电偶信号的采集与VISA串口通讯

　　采用ADAM一4018进行热电偶信号采集。ADAM一4018M所有通道都提供了可编程地输入范围，其自带软件Advantech Device Manager可以将输入信号进行调理，也可以自己设定CJC补偿校正，ADAM一4018是RS一485串口通讯模块．通过RS485／RS232转接口将信号传递到PC机中，软件中允许发送命令对模块进行输出控制。接下来要发送命令将ADAM一4018中采集的数据通过VISA通讯发送到LabVIEW软件界面当中。

　　首先要对输入信号进行设置，如波特率、数据位、停止位、是否有奇偶校验等等。必须跟PC机上面的设置相同。接着是打开VISA，通过VISA往仪器里面写代码和关闭VISA。向ADAM一4018模块发送命令将采集处理后的信号通过串口发送到Lab-view中，在L,abVIEW中输出热电偶的温度信号，而不需要另外运行Advantech I)eviee Manager软件。如图4就是VISA通讯的串口程序。Write buffer中的#01则是将0l地址输出的数据传到LabVIEW当中。在写write buffer的时候，要注意将其属性改为可以写代码，否则不能输出结果。数据传输后，从ADAM一4018中返回的是字符串，并且带有">"、"+"等符号，要将其类型进行转换成数据输出。采集的温度信号分别是炉体的温度、棒材的温度和差动变压器附近的环境温度。其中只有炉体的温度是可控的。

4.3 PID控制

　　PID控制前面板如图5所示。控制效果通过调节PID参数来整定。作为一个比较经典的控制算法，PID控制常再温度控制中使用，并且有较好的控制效果。本系统是通过采集读人温度信号到PID模块，通过PID模块来控制加热的输出功率，从而使温度以较好的响应逼近目标温度。P、I、D参数的具体数值根据实际的情况进行调节。PID模块中带有参数的自整定，可以根据当前的环境情况对噪声的状况进行分析。自动对PID参数进行设置。

4.4数据的存储与数据分析

　　数据的存储部分如图6所示，在开始运行程序后，程序会给一个提示存储文件，默认名字为filel，txt，用户可以对其进行修改，系统将根据采样速率记录下时间、温度以及对应的位移量的值。数据分析的前面板如图7所示。通过设置温度段，用户可以调用存储的文件。系统将自动从存储的数据文件中调出用户输入的温度值对应的位移量，根据材料的长度和温度变化的值，由热膨胀系数公式αm=(L2一L1)／[L0(t2一t1)]=(△L／Lo)／△t(t1

5 结论与展望

　　本系统构建了热膨胀测试系统，采用了NI的LabVIEW软件进行程序设计，利用虚拟仪器强大的通讯功能，实现了数据采集和VISA的串口数据通讯。热膨胀测试界面友好，易于操作，能够方便灵活地测量出被测物体的膨胀系数，并且具有数据的分析功能，通过调用存储的数据文件为测试者自动计算出分析所需温度段的热膨胀系数。本系统的构建对于热膨胀的测试和材料性能的研究都有着积极的意义。