多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

道位移 数据采 集系统与蠕变参数的反演程序。 之后介绍了该论文相关的技术背景， 包括微试样蠕变试验技术、多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 采集卡、传感器、工控机等硬件选择 根据硬件选择程序 LabVIEW 软件编程学习 单通道数据采集程序编程 各模块组合形成单通道数据采集系统并进行模拟输入测试 多通道 位移 数据采集 系统编写 多通道 系统测试与优化 蠕变参数反演程序编程 蠕变参数反演程序的嵌入 反演程序测试与完善 8 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 多通道数据采集技术、虚拟仪器以及 LabVIEW 软件技术等。 并于后部分简单介绍了论文的主要研究内容、技术路线与结构安排。 该章为之后整个课题的展开铺下了基础。 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 9 2 系统硬件搭建 多头微试样蠕变试验机 简介 目前普通的蠕变试验机单次实验只针对一种材料、一种试验方法，这导致了实验效率较为低下。 对于测试者与实验人员来说，除非购置多台设备，否则便阻碍了其测试与研究进度。 况且，长时间的实验过程难免会存在诸多 如振动、温度波动等的干扰，因而对实验结果的精度会造成一定的影响。 即使只针对一种材料，倘若进行多次试验，其结果也会存在些许差异 [29]。 综上所述，多试样技术（即一次实验，多个试样同时进行）便是一种非常良好的解决方案。 通过多头试样安装盘、组合夹具、加载系统等机械部件实现了多试样同时进行试验。 有效地提升了试验效率，减少了人力、物力资源浪费，也方便了实验数据的后续处理 [30]。 实验室目前的微试样实验装置已实现了多试样、不同受力状态（如三点弯曲简支梁、小冲杆、悬臂梁等）下的微试样蠕变试验，可在各种要求温度下进行试 验。 图 21 与 22表示了实验室目前现有的多头微试样试验机，目前最多可 6 个试样同时进行试验。 图 21 多头微试样蠕变试验机 10 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 图 22 试验机上部的加载系统与位移测量辅助装置 热风循环式恒温炉 本 研究 设计了多头蠕变试验机中的关键硬件 ——热风循环式恒温炉，功能为试验机在进行蠕变试验时，提供长时间恒温的试验环境。 下为恒温炉的基本介绍。 （ 1） 应用背景 热风循环式恒温炉广泛 适用于工农业，医疗卫生，塑料机械，各院校和科研部门的生产车间或实验室，其可创造并长时间保持高温、干燥的工作条件，以满足生产、实验等各种环境要求。 在现阶段，各领域中与热风循环式恒温炉相类似的加热炉有两种，一是应用于工业上进行金属热处理的空气循环电炉，该炉按照工艺用途分为：加热炉、淬火、退火炉、时效炉等。 二是热风烘箱，广泛用于医药、化工、食品、农副产品、水产品、轻工等行业物料的加热固化、干燥脱水。 如原料、中药饮水、浸膏、粉剂、颗粒、脱水蔬菜等。 目前实验室中的金属高温蠕变实验，需要恒温炉来创造长时间高温的炉内条 件，来满足实验环境需求。 （ 2） 工作原理 热风循环式恒温炉采用风机循环送风方式，风循环均匀高效。 风源由耐热长轴电机带动多叶涡轮式风扇产生，通过加热元件升温，而将热风送出，再经由气流通道至炉膛内部，均匀加热工件，再将使用后的空气通过炉膛内的出风口吸入风扇成为风源再度循环，加热使用。 为确保炉膛内保持恒温，以热力学为基础，通过热平衡计算来校核各结构尺寸设计的合理性与确定加热元件。 而当因开关门动作或其他干扰现象引起温度值发生摆动时，则通过温度控制系统来调整加热元件的功率，从而调整炉内温度，保证恒温。 （ 3） 恒温炉最终参数 与图像 热风循环式恒温炉的最终各项数据如下表 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 11 表 热风循环式恒温炉各项参数 名称 热风循环式恒温炉 温度范围 室温 20℃ 至 600℃ （设计温度 800℃ ） 炉膛尺寸 3 0 0 3 0 0 4 0 0（ 长 ） （ 宽 ） （ 高 ） 恒温额定功率（ 800℃ ） 736W 最大额定功率 (快速升热 ) 4735W 整炉尺寸 1 1 8 3 6 5 8 7 0 8（ 长 ） （ 宽 ） （ 高 ） 整炉重量 约 360kg 保温材料 石棉板，规格 8~10mm 厚 密封材料 石棉绳 耐热结构材料 2Cr25N 外壳材料 Q235 支座材料 HT100 炉体外观 粉体烤漆 电源 AC 380V， 加热方式 电加热 加热元件 粗端式硅碳棒（ 8 根），尺寸 300mm（长） 电机参数 “与鑫 ”牌， YS71 长轴心耐温电机，功率 1/2HP 散热风扇 “ENERMAX”牌， UCTB12P 型 风扇 热电偶 K 型装配式热电偶 温度控制仪表 “宇电 ”牌， AI808P 型温控器，尺寸 96*96 定时器 国内优质 交流接触器 韩国 LG 固态继电器 欧姆龙 其它电控配件 国内优质 安全设置 超温保护，时到保护 其恒温炉的装配图与 Solidworks 三维透视图如图 23 与 24 所示： 12 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 图 23 热风循环式恒温炉装配图 图 24 恒温炉三维图（透视图） 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 13 PC 机 整个多头蠕变试验装置的位移采集程序将会基于 WindowsXP 系统运行，选用实验室现有的个人计算机即可，此处不做过多赘述。 位移传感器 根据 分节所介绍的位移传感器概况，由于微试样蠕变试验测量的数据为连续变化的试样加载点变形，因此要求位移传感器的测量必须能够长时间精确可靠的工作。 良好的抗干扰性与抗振性变成了必要条件。 根据常用位移传感器主要性能对比表 以及微试样蠕变试验的要求，本系统中选用了实验室中已有的线性差动式位移传感器。 该传感器由中国科学院成都科学仪器研制中心生产，其次级线圈采用差动接法，使外界各种电磁干扰相互抵消，因而抗干扰性能强。 具体技术指标如下： （ 1） 测量范围： 177。 5mm （ 2） 综合精度： ≤％（ F、 S） （ 3） 灵敏度： 150μv／ μm （ 4） 分辨率 ： （选用 4 位半数显仪） （ 5） 重复偏差： ≤％（ F、 S） （ 6） 温度系数： ≤％（ F、 S） /℃ （ 7） 工作环境：温度 0～ 45℃ ，相对湿度 30～ 85％ （ 8） 电源：～ 220V177。 10％， 50Hz （ 9） 功耗： ≤15W （ 10） 外形尺寸：直径 φ14mmx112mm （ 11） 质量：约 传感器如图 25，传感器牢固安装在磁性表座上，磁性表座安装在台架的上支撑板上并可方便的调整位置。 测量过程中固定磁性表座和传感器，保持测杆的灵活性，使测头垂直接触测量杆，即可测量试样加载点的变形。 图 25 线性差动位移传感器 数据采集卡 14 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 采集卡选用与介绍 数据采集卡选取凌华 PCI9221I 多功能数据采集卡，该计算机 I/O 卡支持可程序化多功能数字 I/O 功能，可用在定时器、计数器、马达译码器（ Encoder）及脉宽调变（ PWM）输出等弹性化的设计，因此 PCI9221 是凌华科技首张兼具数据采集与基本运动控制功能的工业用适配卡，能有效提供自动化测试设备厂商或实验室最佳化的整合接口。 凌华 PCI9221 提供 2 个 16 位的静态模拟输出，可用于一般直流电压信号控制的应用。 该产品支持自动校正功能，通过板卡内建精准的参考信号源，提高自我校正的准确度，避免在不同操作环境温度下的量测误差。 图 26 为凌华 PCI 9221I 采集卡与其引脚分配图。 图 26 凌华 PCI9221I多功能数据采集卡 连接方式选用 采集卡信号输入有单端输入和差分输入两种模式： 单端输入，输入信号均以共同的地线为基准。 这种输入方法主要应用于输入信号电压较高，信号源到模拟输入硬件的导线较短，且所有的输入信号共用一个基准地线。 而单端输入的一线变化时， GND 不变，所以电压差变化较大，抗干扰性较差。 差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。 单端输入时，是判断信号与 GND 的电压差。 由于差分输入时，是判断两个信号线的电压差。 信号受干扰时，差分的两线会同时受影响，但电压差变化不大，抗干扰性较佳 [3132]。 差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面： （ 1） 抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。 （ 2） 能有效抑制 EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 15 的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。 （ 3） 时序定 位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。 目前流行的 LVDS（ low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。 因此，根据上述结论，为了更好地抑制共模噪声，我们对数据信号的输入采取差分输入方式。 若针对目前的设计的如 5 路通道采集，选择 10 个端口即可。 本章小结 该章内容 介绍整个系统的硬件搭建， 包括整个系统的基本采集初端 平台 ——多头微试样蠕变试验机，以及其中的关键部分热风循环式恒温炉； PC 机、位移传感器、数据采集卡以及其连接方式的介绍。 确定 各个硬件的选择与其使用方式，搭建完成 程序设计的硬件平台。 16 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 3 单通道位移采集系统 单通道数据采集系统 [33]由采集模块、数据处理模块、数据储存模块等构成，具有所述对单条数据的采集信号、干扰处理、转换计算、大容量存储等功能，单通道系统主要模块的程序框图如图 31 所示。 下面对与单通道数据采集系统中的各个模块进行介绍。 图 31 基于 LabVIEW的单通道位移采集系统 程序框图 单通道数据采集模块设计 采集模块需要基于选择完毕的位移传感器与凌华 PCI9221I 多功能数据采集卡，设计并选择合理的采集程序与软硬件 I/O 端口，使数据可以大量、多通道且完整无误地传输进 PC 进行处理。 同时数据采集时需通过程序实现人为设定所需要的采集频率、间隔时间，保证所采集数据的有效性。 数据采集模块实现 图 32 系统中的数据采集模块程序框图 如图 32 所表示为单通道的数据采集模块，其中的 “”为其系统中所使用的软硬件接口程序。 该程序配合数据采集卡可正确地在单通道数据输入的情况下工多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 17 作。 其所采集的信号为初始数据，即位移传感器在测量时所产生的电压信号； “Rate(Hz)”与 “Timeout(s)”为接口程序的频率与工作间隔，通过前面板的人为设定输入，默认频率为 100000Hz，工作间隔为 10s； “Stop”与 “Stopped”为接口程序停止工作的信号输入与工作状态显示，通过按下前面板的所对应的 “Stop”按钮可以停止接口程序的数据通信，此时 “Stopped”所对应的状态显示灯亮； “error out”为错误输出，对应前面板的数据框，将错误信号输出； “单路数据综合显示 ”对应前面板的波形图表，其功能为在采集过程中实时观察采集的数据信号； “选择信号 ”能实现接口程序传输信号时的选择功能，选择对应信号输入的端口。 数据采集模块工作流程 上述的采集模块所实现的功能为在程序开始进行时，将数据采集卡所采集到的数据输入进 PC 中的 LabVIEW 程序，以进行后续的操作。 具体的工作流程如下： （ 1） 先设定接口程序的频率与工作间隔； （ 2） 每个端口开始采集信号，单个信号采集的间隔取决于处理器执行时所需要的工作时间； （ 3） 将 所采集的数据信号显示于波形图中； （ 4） 选择信号端口，将所选定端口的数据取出，送至后续模块； （ 5） 继续信号采集。 单通道数据处理模块设计 在先前的数据采集模块中，将采集的信号数据，输入进数据处理模块。 故数据处理模块的功能主要为去除干扰，得出合理的电压信号，并通过计算公式最终获得出所需要并可以进行储存的实际位移量。 数据处理模块的实现 所设计的单通道数据处理模块如下图 33 所示，下面对该程序框图进行介绍： 图 33 系统中的数据处理模块程序框图 18 多头微试样蠕变试验装置位移采集系统的设计 “转换 ”为一数据类型转换函数，前部分采集的数据类型为动态数据，通过这一函数，将动态函数类型转换为数组类型； 两个 “索引数组 ”为基本的数组函数之一，为了在选择。