付曉云

（沈陽理工大學 機械工程學院 沈陽 110159）

應(yīng)力應(yīng)變的典型測試裝置即高級智能電子秤是全自動化計量的重要手段，我國電子智能測重器的裝備研制大多都已達到國際先進水平。電子秤制造技術(shù)和其應(yīng)用方面也得到了快速的發(fā)展。但是從電子秤發(fā)展的總體方向來說，我國電子衡器差距包括制造技術(shù)、機械電子技術(shù)還不夠發(fā)達、開發(fā)能力不夠和產(chǎn)品種類較少、相關(guān)功能也不完備等問題。

本文用應(yīng)變式傳感模塊搭建應(yīng)力應(yīng)變的測試系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的電子稱所測各變量的數(shù)值之間的關(guān)系，用 LabVIEW 軟件進行數(shù)據(jù)的分析和處理。用LabVIEW軟件搭建電子稱計算系統(tǒng)。首先變式傳感器實驗?zāi)K上做相關(guān)的應(yīng)變?nèi)珮驅(qū)嶒灉y量數(shù)據(jù)，把得到的數(shù)據(jù)用放大電路同比例放大，通過數(shù)據(jù)采集卡測出不同砝碼重量對應(yīng)的電壓值制作成表格，再通過讀取表格就可以把應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)K上輸出的電壓信號傳給計算機，通過對 LabVIEW 軟件編寫 VI程序就可以實現(xiàn)對采集到的電壓值進行具體的處理與分析。

1 傳統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變式傳感器模板

1.1 數(shù)據(jù)測量的傳統(tǒng)裝置

應(yīng)變片是比較常用的測力傳感元件[1]。傳統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變式模板（應(yīng)變模塊）的示意圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)變式傳感器示意圖

在傳感器托盤上放置一個20 g的砝碼，讀取電壓值。在砝碼盤上每次增加20 g的砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表的數(shù)值（每增加一次砝碼重量記錄一次數(shù)據(jù)）。反復操作并取20組實驗數(shù)據(jù)的平均值填入表1中。

表1 實驗數(shù)據(jù)平均值

選出應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)K中精度最高模塊數(shù)據(jù)[2]。用該組實驗數(shù)據(jù)進行后續(xù)的信號處理工作。通過數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的擬合程序的搭建，分析和計算出質(zhì)量值與電壓值之間的關(guān)系和具體換算公式，那么可以用電壓值算出質(zhì)量值，這樣就完成了一套簡易的測重裝置。主要實現(xiàn)過程為利用應(yīng)變片的應(yīng)力應(yīng)變實驗測得多組質(zhì)量值與電壓值之間的關(guān)系，用軟件設(shè)計分析與計算出質(zhì)量值與電壓值，推導出電壓值與質(zhì)量值之間的關(guān)系式，再運用設(shè)計的前面板的顯示出質(zhì)量值。

2 測量儀軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)的采集

本次采用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，然后通過表格的形式被 LabVIEW 軟件讀取到程序當中去，程序?qū)崿F(xiàn)的具體過程為：先在表格中輸入兩列數(shù)組，轉(zhuǎn)換格式后，由程序中文件路徑空間在計算機相應(yīng)存儲位置中找到先前輸入的文件，通過讀取電子表格VI讀取文件路徑找到的文件，并形成二維數(shù)組，然后再把二維數(shù)組輸入到索引數(shù)組（函數(shù)）當中去，分別讀取第一列和第二列的數(shù)值，形成兩組數(shù)組元素，再利用捆綁（函數(shù)）成為簇，最后在XY圖中顯現(xiàn)出“電壓值-質(zhì)量值”的點。MyDAQ -數(shù)據(jù)采集設(shè)備，結(jié)合LabVIEW和Multisim軟件，可以實現(xiàn)專業(yè)原理仿真和綜合設(shè)計項目開發(fā)，用于測試測量、虛擬儀器、傳感器等課程教學創(chuàng)新實踐中[3]。打開一個空白VI，將VI保存。在編好的LabVIEW程序前面板上選擇AI Channel為Dev1/ai1，將采集到的電壓值（儀表數(shù)據(jù)）和質(zhì)量值編成二維數(shù)組（表格轉(zhuǎn)成TXT文件），被編輯好的讀取程序如圖2所示，將讀取到的二維數(shù)組通過索引函數(shù)，變成X、Y軸坐標，并在XY圖中顯現(xiàn)出來。

圖2 數(shù)據(jù)讀取

2.2 數(shù)據(jù)的擬合

本程序?qū)⒉捎米钚《说姆椒ㄋ愠鲋亓恐蹬c電壓值之間最佳的擬合直線。最小二乘法通過將最小化誤差的平方和來尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。熟練的運用最小二乘法就可以簡單快捷地求得數(shù)據(jù)。在軟件的程序搭建中，主要實現(xiàn)過程為通過對應(yīng)變片的應(yīng)力應(yīng)變實驗測得多組重量值與電壓值之間的關(guān)系，然后通過軟件設(shè)計分析與計算出質(zhì)量值與電壓值之間的關(guān)系，最后通過軟件來推導出電壓值與質(zhì)量值之間的關(guān)系式，就可以通過硬件采集到的電壓值傳給計算機中的軟件算出想要測量的質(zhì)量值，再通過前面板的顯示就可以直觀的表達出質(zhì)量值了。擬合程序框圖如圖3所示，不同算法的前面板如圖4所示。

圖3 擬合程序框圖

圖4 擬合程序前面板

2.3 電子稱小鍵盤的設(shè)計

在電子秤的實際應(yīng)用中經(jīng)常要用到小鍵盤，小鍵盤的程序是基于LabVIEW軟件設(shè)計的，主要應(yīng)用的模塊有：選擇（函數(shù)）、條件結(jié)構(gòu)、復合運算（函數(shù)）等。小鍵盤程序如圖5所示，小鍵盤程序的前面板如圖6所示。

圖5 小鍵盤程序框圖

圖6 數(shù)字鍵盤程序前面板

2.4 數(shù)碼管顯示

為了滿足程序中顯示的所有數(shù)字，制作五組數(shù)碼管，分別用來顯示分位、角位、個位、十位和百位的數(shù)字。每組數(shù)碼管放置在一個簇控件中，作為一個整體編寫程序。這里面主要用到條件結(jié)構(gòu)。圖中的條件結(jié)構(gòu)共有0～9十個分支，在每個分支里有一個布爾常量組成的數(shù)組[4]。在數(shù)組輸出端與簇之間放一個“數(shù)組至簇轉(zhuǎn)換”函數(shù)，這個函數(shù)可以把數(shù)組轉(zhuǎn)換成簇，這樣就可以用條件結(jié)構(gòu)控制數(shù)碼管的顯示了。當數(shù)值輸入控件輸入“0”時，就會自動選擇0分支，數(shù)碼管就會顯示“0”，1～9這幾個數(shù)字以此類推。數(shù)碼管顯示VI的前面板如圖7所示。

圖7 數(shù)碼管顯示VI的前面板

2.4 電子秤功能實現(xiàn)

在編寫智能電子稱功能 VI之前，要編寫把采集的電壓信號轉(zhuǎn)換成質(zhì)量的程序。這部分程序需要用到前面提到的線性化的一些參數(shù)與采集的電壓值進行簡單的計算就可以得到。具體程序框圖如圖8所示。

圖8 具體程序框圖

智能電子秤程序的前面板是用選項卡來制作的，選項卡制作的方法優(yōu)點有很多[5]。選項卡的控件的被應(yīng)用的時候，會把程序前面板中數(shù)量繁多，功能不同的各種控件重疊的（分頁）放在一個較小的前面板選項中，選項卡的應(yīng)用利于顯示龐大系統(tǒng)的前面板。本次程序要同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及后續(xù)對信號進行處理，即實現(xiàn)虛擬電子稱的部分功能。要實現(xiàn)的功能比較多，為了簡化前面板，使用戶能夠更加清晰地了解程序每部分的功能。本次設(shè)計前面板共分為采集面板、擬合面板、銷售面板、購買面板。本電子秤能夠?qū)崿F(xiàn)的功能主要有：單價輸入、金額結(jié)算、清零。在整體程序中，將小鍵盤的開關(guān)鍵作為整體程序的開關(guān)鍵。按下開關(guān)鍵小鍵盤輸入的單價就會清零，應(yīng)付金額也會隨之清零。

3 結(jié)語

本文主要目的是在應(yīng)變實驗?zāi)０迳洗罱ú杉到y(tǒng)，將模擬信號采集并傳到電腦上進行分析。同時可以運用 LabVIEW 軟件對所測得的信號進行一系列的處理工作，對實驗教學具有指導借鑒意義。