張晶聲　張　旭　金聞名　李　娉

(中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所,北京　100125)

基于LabVlEW的獸醫(yī)無針注射器噴射沖擊力測試系統(tǒng)

張晶聲張旭金聞名李娉

(中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所,北京100125)

對獸醫(yī)無針注射器的噴射沖擊力進行測量,從而得出噴射壓力,是獸醫(yī)無針注射器注射參數(shù)測量的一個重要部分.通過選擇傳感器和數(shù)據(jù)采集卡等硬件,設(shè)計制作夾具工裝,設(shè)計LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序,搭建了獸醫(yī)無針注射器噴射沖擊力測試系統(tǒng).對某獸醫(yī)無針注射器噴射沖擊力進行了實際測試。

噴射沖擊力LabVIEW數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器(Virtual Instrument,VI),是基于計算機的軟硬件測試平臺,在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用計算機的支持下,通過軟件的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力,實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能.LabVIEW是一種圖形化編程軟件,它的程序稱為VI,它的外觀和操作類似于真實的物理儀器,分析采集數(shù)據(jù)具有直觀性、方便性,它提供了眾多能實現(xiàn)相關(guān)功能的專用VI,簡單易學(xué)。

基于LABVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]結(jié)構(gòu)為:傳感器+信號調(diào)理電路+數(shù)據(jù)采集設(shè)備+計算機(LabVIEW軟件).在該結(jié)構(gòu)中,傳感器負責(zé)將被測量的溫度、壓力、位移等物理量轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電參數(shù);信號調(diào)理電路負責(zé)對電信號進行放大、濾波、隔離、匹配、變換等預(yù)處理;數(shù)據(jù)采集設(shè)備的主要功能是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,該過程還可能包括放大、采樣保持、多路復(fù)用等功能;計算機通過專業(yè)軟件(LabVIEW軟件)完成對整個數(shù)據(jù)采集過程的控制和最終結(jié)果的顯示。

構(gòu)建獸醫(yī)無針注射器噴射沖擊力測試系統(tǒng),根據(jù)無針注射噴射性能,完成傳感器的選用、數(shù)據(jù)采集卡的選擇、LABVIEW采集程序和顯示程序的設(shè)計,以及傳感器和獸醫(yī)無針注射器的工裝設(shè)計.由于實際信號符合數(shù)據(jù)采集卡要求,信號調(diào)理電路可以省略[2]。

1　傳感器的選擇

獸醫(yī)無針注射器噴射沖擊力信號[3]具有如下特點:(1)量程范圍比較小;(2)持續(xù)時間短;(3)頻帶范圍寬,高低頻成分混雜。

考慮到噴射沖擊力的上述特點,要準確可靠的完成噴射沖擊力測量就必須選擇量程、靈敏度和響應(yīng)頻帶合適的力傳感器.首先要響應(yīng)靈敏,能測量毫秒級的瞬時動態(tài)力.壓電傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)由力到電量的轉(zhuǎn)化,壓電傳感元件是力敏元件,屬于有源傳感器類,可以測量最終能變換為力的非電物理量,適合測量動態(tài)壓力.故測試系統(tǒng)選用壓電傳感器進行獸醫(yī)無針注射器噴射沖擊力的測量。

本系統(tǒng)選用PPM-LS05型壓電力傳感器,它是利用石英晶體的壓電效應(yīng),將力轉(zhuǎn)換成電荷的換能器,它產(chǎn)生的電荷正比于被測外力,通過電荷放大器將電荷按比例轉(zhuǎn)換成電壓,輸出0～5V電壓信號,和力值呈線性關(guān)系,靈敏度為0.97mV/N.使用時需接24 V直流電源供電.傳感器和電纜已做防水處理,可直接承受噴射水流沖擊。

2　數(shù)據(jù)采集卡的選擇

2.1數(shù)據(jù)采集卡的主要指標

(1)采樣率即進行A/D轉(zhuǎn)換的速率.應(yīng)該根據(jù)測試信號的類型(變化快速還是緩慢)、測試系統(tǒng)的要求(精度要求或速度要求)來選擇適當?shù)牟蓸勇省?2)分辨率是數(shù)據(jù)采集卡的精度指標,一般用A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字位數(shù)來表示,數(shù)字位數(shù)越多,分辨率越高,得到的數(shù)字圖像就越能表達原始的模擬信號.同時通過合理設(shè)置使用量程和信號極限達到提高分辨率的目的。

2.2鑒于噴射沖擊力信號的特殊性,數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)具有較高性能

(1)足夠高的采樣速率.由于噴射沖擊力持續(xù)時間短,若要不失真的復(fù)現(xiàn)被測信號,數(shù)據(jù)采集卡必須具有很高的采樣速率。

(2)足夠高的分辨率.由于噴射沖擊力信號較小,變化很快,所以要求數(shù)據(jù)采集卡有足夠高的分辨率,能夠分辨出被測信號極小的變化量,準確采集數(shù)據(jù)。

本測試系統(tǒng)選用NI的USB-6361數(shù)據(jù)采集卡.其性能指標如下:

①模擬輸入:16路單端通道,8路差分通道,單通道最大采樣頻率為2MS/s,16位分辨率;

②2路模擬輸出,2.86MS/s,16位分辨率;

③最大電壓范圍:-10～10V,最小電壓范圍:-0.1～0.1V.可以實現(xiàn)較高精度的數(shù)據(jù)采樣。

3　數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

3.1數(shù)據(jù)采集程序

3.1.1數(shù)據(jù)采集通道.在虛擬儀器設(shè)計過程中,數(shù)據(jù)的采集和處理都是以通道的形式來進行的.根據(jù)需要采集的通道數(shù)目的不同,可以將一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡單地分為單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).本系統(tǒng)只采集一個沖擊力電壓信號,屬于單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).在基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集通道還有物理通道和虛擬通道之分.物理通道是被測試信號進出計算機的路徑,每個通道有一個編號,對應(yīng)數(shù)據(jù)采集卡上的一個針號.本系統(tǒng)采用物理通道,地址為DEV1/a0。

3.1.2采集程序包括兩部分:前面板程序和程序框圖程序.前面板程序是用戶界面,由輸入控件和顯示控件組成.如圖1,可實現(xiàn)以下功能:選擇輸入通道和電壓測量范圍,設(shè)定信號接入方式、采樣率、采樣數(shù)、設(shè)定存儲路徑和波形顯示等.程序框圖是指在用戶界面后臺的編程,用圖形化的代碼來控制前面板上的對象,實現(xiàn)前面板上的功能.如圖2,采用了順序編程,將每個任務(wù)放置在獨立的子VI中,并按照所需的順序連線這些子VI并連接錯誤簇.在創(chuàng)建通道VI中,對電壓值按照靈敏度進行線性化處理,使得結(jié)果顯示為力值。

圖1　前面板程序

圖2　程序框圖程序

圖1前面板程序

4　夾具工裝設(shè)計

為了測量的穩(wěn)定操作,保證測量條件統(tǒng)一,提高測量效率,應(yīng)該為傳感器和獸醫(yī)無針注射器設(shè)計制作夾具工裝,以滿足如下要求:(1)力傳感器的安裝穩(wěn)定;(2)方便注射器沖擊力測試;(3)保證傳感器受力面中心與注射器噴孔中心對中;(4)保證噴孔與傳感器足夠接近而不接觸;(5)適應(yīng)被裝夾獸醫(yī)無針注射器的形狀變化的要求。

本系統(tǒng)中夾具工裝設(shè)計主要考慮以下幾點:(1)定位設(shè)計,合理定位是保證測量準確性的基礎(chǔ)[4].本夾具限制了傳感器的6個自由度,獸醫(yī)無針注射器的5個自由度,保留無針注射器繞垂直軸的轉(zhuǎn)動,方便在不同角度放入注射器噴頭.確定了獸醫(yī)無針注射器的噴孔端面與傳感器端面的相對位置。(2)定位元件,采用足夠強度的大面積支撐板,保證傳感器安裝平穩(wěn);采用孔定位,適應(yīng)無針注射器噴射頭部尺寸形狀要求。(3)夾緊點,夾具夾緊點和支撐點對應(yīng),并且不致引起過大的夾緊變形。

據(jù)此設(shè)計大底盤固定傳感器和支撐獸醫(yī)無針注射器的專用夾具。

5　試驗測試

5.1測試系統(tǒng)(如圖3)

圖3　測試系統(tǒng)圖

5.2參數(shù)設(shè)置

5.2.1合理設(shè)置電壓范圍.考慮到噴射沖擊力為單極信號,選擇電壓范圍為從0到1V.提高分辨率,更好的復(fù)原原始信號。

5.2.2合理選擇信號接入方式.差分系統(tǒng)指信號的正、負極分別接入兩個不同的輸入通道,所有的輸入信號均有各自的參考點.理想的差分系統(tǒng)只讀取信號兩極之間的勢差,而不會測量共模電壓.一般用于輸入信號是低電平信號(例如小于1V)、信號電纜比較長或沒有屏蔽,環(huán)境噪聲較大的情形.本測試系統(tǒng)中傳感器接入數(shù)據(jù)采集卡a0的正負極.采取差分方式。

5.2.3合理設(shè)置采樣率.根據(jù)香農(nóng)定律,要得到準確的頻率信號(即準確無誤的復(fù)現(xiàn)出原有頻率信息),則要求所用的采樣頻率必須大于信號最高頻率成分的兩倍.工程實際中的采樣率一般是信號最高頻率成分的4-10倍,同時要考慮系統(tǒng)的存儲能力.參考某文獻[5],本測試選擇10 kHz的采樣率.采樣率決定了數(shù)據(jù)被采集并放置到硬件緩沖區(qū)的速度.采樣數(shù)決定了從硬件緩沖區(qū)到軟件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)數(shù)量,一般為采樣率的1/10.本測試選擇1000的采樣數(shù)。

5.3試驗測試

針對某獸醫(yī)無針注射器進行了沖擊力測試.測試系統(tǒng)實物圖如圖4。

圖4　測試系統(tǒng)實物圖

分別用其四色動力棒粉棒、綠棒、藍棒和紅棒注射劑量為0.2ml,測量噴射沖擊力。

隨后進來的是個胖大警官，一進門就盯住吳邦雄，因為只有他一個人站著。吳邦雄愣住，不敢馬上坐下，剛才因激動而潮紅的臉，這會兒一點點灰白下去。

5.4顯示分析數(shù)據(jù)

由于數(shù)據(jù)量大,采用NIdIAdem進行圖像采集、分析和保存.針對未施加作用力于傳感器時,傳感器采到的噪聲信號,采用算術(shù)平均濾波法,進行歸零處理。

5.5測量結(jié)果

結(jié)果如圖5。

圖5　測試結(jié)果圖

測試結(jié)果與產(chǎn)品說明給出的趨勢一致。

6　結(jié)論

建立了一個測試系統(tǒng),能夠?qū)ΛF醫(yī)無針注射器噴射沖擊力隨時間的變化進行快速、實時的測量,并能排除噪聲的干擾,進行數(shù)據(jù)處理、信號分析。

[1]白云,高育鵬,胡小江,等.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009:8.

[2]祝常紅,彭堅,屈圭,等.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:154.

[3]焦坤.無針注射器測試評價系統(tǒng)的研究[D].華中科技大學(xué),2007.

[4]朱耀祥,浦林祥,廖海明,等.現(xiàn)代夾具設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:923.

[5]馬興江,陳凱,呂永桂.規(guī)模養(yǎng)殖場無針疫苗注射的系統(tǒng)設(shè)計與檢測[J].中國畜牧獸醫(yī)文摘,2012,28(1):166-169.

張晶聲,工學(xué)碩士,副研究員,從事獸醫(yī)器械質(zhì)量監(jiān)測工作。