閻樹(shù)田，何晨，梁軍戰(zhàn)，王季

(1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省機(jī)械產(chǎn)品檢測(cè)與技術(shù)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

汽車制動(dòng)器摩擦試驗(yàn)臺(tái)(簡(jiǎn)稱摩擦試驗(yàn)機(jī))是一種完成汽車制動(dòng)器摩擦襯片試驗(yàn)的室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)。摩擦襯片是汽車制動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，影響其性能的因素有很多。在眾多因素當(dāng)中，溫度對(duì)于摩擦襯片的影響最大。目前，常用的溫度試驗(yàn)方法有小樣試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)等汽車制動(dòng)器摩擦試驗(yàn)臺(tái)(摩擦試驗(yàn)機(jī))，所使用的設(shè)備中有從日本，美國(guó)、德國(guó)進(jìn)口的各種類型的試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，也有國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的檢測(cè)設(shè)備。其試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法和設(shè)備技術(shù)水平有較大的差異。測(cè)試方法依舊是小樣試驗(yàn)，破壞原有的結(jié)構(gòu)，采集的數(shù)據(jù)不能完整反映整個(gè)摩擦襯片的性能。其中臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)模體積較大，數(shù)據(jù)的采集和處理也不夠精確，特別沒(méi)有對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，很大程度上影響了對(duì)摩擦襯片性能的評(píng)估［1-2］。

虛擬儀器作為一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，也是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。是利用加在計(jì)算機(jī)上的一組軟件與儀器模塊相連接，以計(jì)算機(jī)為核心、充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示［3］。

針對(duì)一新型便攜式制動(dòng)器摩擦試驗(yàn)機(jī)溫度測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)，為保證系統(tǒng)要求和控制精度，采用了基于Labview語(yǔ)言的圖形化編程軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡USB－9211 來(lái)構(gòu)建溫度測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)傳感器接收溫度信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)處理并通過(guò)Labview 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行分析［4］。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作量小，測(cè)試采集量和數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的顯示通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器完成，是一個(gè)理想的汽車制動(dòng)器摩擦襯片溫度采集平臺(tái)。

1 溫度測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

該溫度測(cè)試系統(tǒng)以熱電偶為測(cè)量基礎(chǔ)，如圖1。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端(通過(guò)引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端，測(cè)量端為熱端)的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的(環(huán)境)溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償。由冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償［5］。其補(bǔ)償式(1)如下:

式中:E(T0，0)是實(shí)際測(cè)量的電動(dòng)勢(shì)，T 代表熱端溫度，T0代表冷端溫度，0 代表0 ℃。在制動(dòng)器摩擦試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，熱電偶溫度一般不為0 ℃，而是在一定范圍變化著，因此測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)為E(T0，0)。如果要測(cè)量的真實(shí)被測(cè)溫度所對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)為E(T，0)，就必須補(bǔ)償冷端不是0 ℃所需要的補(bǔ)償電動(dòng)勢(shì)E(T0，0)，而且補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)勢(shì)隨溫度的變化特性必須與熱電偶的熱電特性相一致，才能獲得最佳補(bǔ)償效果。

圖1 熱電偶工作原理

設(shè)熱電偶熱端溫度為T(mén)，冷端實(shí)際溫度為T(mén)n，補(bǔ)償導(dǎo)線冷端溫度為T(mén)0，則回路總接觸電動(dòng)勢(shì)表示為:

若各節(jié)點(diǎn)溫度均為T(mén)n，在其接觸面上沒(méi)有電動(dòng)勢(shì)，故

將式(2)減去式(3):

因熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與回路中間溫度無(wú)關(guān)，所以回路總熱電勢(shì)等于熱電偶熱端溫度為T(mén)，冷端溫度為T(mén)0時(shí)的熱電勢(shì)。用補(bǔ)償導(dǎo)線很好地消除了指示誤差，完成了冷端溫度補(bǔ)償。

2 溫度測(cè)試系統(tǒng)的研究方法

2.1 熱點(diǎn)偶和數(shù)據(jù)采集卡

試驗(yàn)中要盡可能的接近實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中各種場(chǎng)合下的溫度。故要求:溫度在－200 ℃～500 ℃輸出，并將其信號(hào)進(jìn)行放大。而鎳鎘－ 鎳硅熱電偶(K)型，具有線性度好、熱電動(dòng)勢(shì)較大、靈敏度高、穩(wěn)定性和均勻性較好、1 000℃下的抗氧化能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，可在檢測(cè)剎車片各種模擬路況環(huán)境中長(zhǎng)期使用。而且對(duì)熱電偶信號(hào)的冷端補(bǔ)償，也可以很好地消除環(huán)境對(duì)測(cè)溫的影響。

經(jīng)過(guò)綜合分析溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)、分辨率、精度要求，決定采用NI 公司生產(chǎn)的USB－9211 數(shù)據(jù)采集卡。這是一種性價(jià)比高，可直接與計(jì)算機(jī)連接的采集卡，可以采集模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)，擁有定時(shí)器的功能，同時(shí)還具有模擬輸出的功能。USB－9211 專為熱電偶測(cè)量設(shè)計(jì)，具有超高的24 位模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率精度，還包含即用型數(shù)據(jù)記錄器，能采集和記錄高達(dá)四路通道的熱電偶數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集和控制能力［6］。

2.2 LabSQL 與Access 的數(shù)據(jù)庫(kù)搭建

LabSQL 是一個(gè)完全免費(fèi)并開(kāi)源的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具，是一個(gè)由許多個(gè)VI 組成的數(shù)據(jù)包，因此可以像調(diào)用普通的VI 一樣來(lái)調(diào)用。Labview 本身不能直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，但是由于Labview 提供了豐富的外部程序接口，例如ActiveX和.NET，所以可以通過(guò)ADO(ActiveXDataObject)、DAO(DataAccessObject)、ADO.NET 等方法與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接。LabSQL 是一個(gè)基于ADO 技術(shù)的Labview 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)包，通過(guò)LabSQL，用戶可以直接在Labview 中以調(diào)用子VI的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。LabSQL 按照ADO 對(duì)象分了3 類，并分別位于Command，Connection，Recourdset 這3個(gè)不同的文件夾內(nèi)。CommandVIs 的功能是完成一系列基本的ADO 操作。ConnectionVIs 用于管理Labview 與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接。RecordsetVIs 用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行各種操作，例如創(chuàng)建或刪除一條記錄，對(duì)記錄中某一條目進(jìn)行讀寫(xiě)。SQL 是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，因此用它可以訪問(wèn)各種支持SQL 語(yǔ)言的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)［7-8］。圖2 為L(zhǎng)abSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)連接前面板。

圖2 LabSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)連接前面板

3 溫度測(cè)試系統(tǒng)的組成

該溫度系統(tǒng)如圖3 所示。溫度傳感器(熱電偶)直接測(cè)量溫度，把產(chǎn)生的溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào);信號(hào)調(diào)理電路對(duì)溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理;數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)采集信號(hào)調(diào)理電路的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào);通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)字信號(hào)讀入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以達(dá)到預(yù)期的目的。其中，DAQ 助手模塊是連接硬件電路與計(jì)算機(jī)的核心模塊，可以將硬件電路的信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中。

圖3 溫度測(cè)控系統(tǒng)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量電路主要由溫度傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，熱電偶傳感器負(fù)責(zé)采集剎車片各點(diǎn)處的溫度值，處理放大后送入數(shù)據(jù)采集卡。經(jīng)過(guò)儀器放大器增益為100，放大器輸入信號(hào)輸入一個(gè)二階2 Hz 的濾波器。該信號(hào)通過(guò)不同的方式與各種數(shù)據(jù)采集卡連接，實(shí)現(xiàn)熱電偶信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。冷端補(bǔ)償輸出信號(hào)也可以與各種數(shù)據(jù)采集卡連接，實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。

其溫度信號(hào)調(diào)理電路如圖4 所示。

圖4 溫度信號(hào)調(diào)理電路

在信號(hào)調(diào)理模塊中熱電偶的信號(hào)調(diào)理包括三部分:熱電偶信號(hào)放大、信號(hào)濾波和系統(tǒng)偏移量校準(zhǔn)。熱電偶信號(hào)放大是將熱電偶傳感器信號(hào)以差分輸入到儀器放大器，儀器放大器將熱電偶傳感器100 mV 的信號(hào)進(jìn)行放大，其增益為100。信號(hào)濾波是用一個(gè)二階2 Hz 的有源濾波器對(duì)儀器放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波。系統(tǒng)偏移量校準(zhǔn)實(shí)際上就是通過(guò)調(diào)整電位器進(jìn)行調(diào)整減少放大器的漂移，保證信號(hào)調(diào)理模塊在0 ℃時(shí)誤差最小。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以Labview 為軟件平臺(tái)的虛擬儀器測(cè)量技術(shù)，采用可以組合搭配的數(shù)據(jù)采集卡和PC 電腦構(gòu)建主要硬件系統(tǒng)。其核心是通過(guò)快捷的Labview 語(yǔ)言進(jìn)行個(gè)性化的軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的采集、分析、計(jì)算、顯示及存儲(chǔ)功能，從而能夠適應(yīng)不同用戶的特定要求，并根據(jù)環(huán)境或硬件的變化不斷地調(diào)整程序，改進(jìn)優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)，以達(dá)到用戶的最終要求。

數(shù)據(jù)采集用Labview 提供的DAQ 以及各子VI 并調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接DLL 完成信號(hào)采集參數(shù)配置和采集;數(shù)據(jù)管理模塊利用LabSQL ADO Functions 中的VI 與Office 自帶的Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，可以完成數(shù)據(jù)寫(xiě)入、查詢、調(diào)用。

圖5 溫度測(cè)試系統(tǒng)主界面

圖5 所示前面板豐富的控件可以完成不同功能的切換。圖6 為溫度信號(hào)采集界面。圖7 為溫度信號(hào)查詢界面。

圖6 溫度信號(hào)采集界面

圖7 溫度信號(hào)查詢界面

采用24 位8 通道的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了四通道溫度信號(hào)采集，編制數(shù)據(jù)采集的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件(adcard.dll)。在各個(gè)通道會(huì)顯示該摩擦襯片該部分的溫度值。如果數(shù)據(jù)顯示異常，說(shuō)明該部分摩擦襯片性能存在一定問(wèn)題，還需要進(jìn)一步檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)用USB－9211 數(shù)據(jù)采集卡、熱電偶等連接硬件電路，利用Labview 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)預(yù)計(jì)的功能，數(shù)據(jù)的多通道實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)記錄等，并通過(guò)LabSQL 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫(kù)，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)的所有功能。

［1］湯占軍，馮麗輝.基于LabVIEW 多通道實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，30(5A):186-188.

［2］鐘凡亮，嚴(yán)國(guó)萍.LabVIEW 平臺(tái)下測(cè)試儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2007，35(1):138-139.

［3］魏義.汽車制動(dòng)器總成制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008，2-3.

［4］張麗娜，姜新華，李紅巖.基于LabVIEW 的多點(diǎn)溫度檢測(cè)及系統(tǒng)控制［J］.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(7):385-387.

［5］林爽，楊風(fēng).基于LabVIEW 的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究［J］.山西電子技術(shù)，2009(3):18-20.

［6］黃漫國(guó)，陶元芳.傳感器在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)信號(hào)采集系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.微納電子技術(shù)，2007，7(8):183-184.

［7］National Instruments Corporation.DAQ PCI-1200 User Manual.July 1998 Edition.Part Unmber 1995 Edition.Part Number 320942C-01.

［8］張冰，戴曉強(qiáng)，朱志宇.ADO 和LabSQL 在數(shù)據(jù)庫(kù)方面上的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005(21):88-89.