基于LabVIEW的多物理量测量实验系统

王 娟， 胡文军， 王培良

(浙江湖州师范学院 a.工学院； b.信息工程学院，浙江 湖州 313000)



基于LabVIEW的多物理量测量实验系统

王 娟a， 胡文军b， 王培良a

(浙江湖州师范学院 a.工学院； b.信息工程学院，浙江 湖州 313000)

温度和位移是物理量测量中两个重要的参数。传统的测量装置存在精度不高、体积庞大、操作不方便等缺点。为此，基于虚拟仪器设计开发了一种包括位移、温度在内的多物理量测量系统，系统以LabVIEW为软件开发平台，结合温度传感器、位移传感器、USB6008数据采集卡以及计算机搭建整个系统硬件平台，实现了数据采集、存储、分析处理和人机交互等功能。测量实验系统操作方便，测量过程直观，有助于学生了解实验原理和实现相应物理量的测量。实验结果表明，系统能够达到设计目标，具有较高的实用性。

温度； 位移； 虚拟仪器； 实验系统

0 引 言

温度和位移是物理量中的两个重要参数，对它们的测量方法和测量系统构建的研究已是一个关注热点。文献[1]介绍了一种基于电涡流位移传感器和虚拟仪器技术的微小位移测量方法，该系统需要进行机械结构的设计，精度要求较高，较难实现。文献[2]设计了涡流传感器检测和调理电路，但使用单片机采集信号实现对位移的测量，硬件比较复杂。文献[3]采用LabVIEW程序控制步进电机的位移，文献[4]采用非接触式测试方法对转轴支架的振动位移量进行测试，测量对象有一定的局限性。文献[5]采用信息融合算法对位移传感器进行温度补偿，文献[6]采用单片机和DS18B20实现多点温度采集，算法较复杂。文献[7]利用可编程模拟器实现多路温度控制，硬件较多，体积较大。文献[8]和文献[9]采用LabVIEW设计了温度测量系统，测量精度较高，但实验项目内容单一。上述文献中提到的测量方法不适合机械电子工程、机械制造及其自动化等专业学生的实验要求。

鉴于上述原因，本文基于虚拟仪器开发平台LabVIEW，结合传感器、信号调理电路、数据采集卡等硬件设备构建一个集信号采集、存储、分析和处理于一体的位移和温度测量系统，设有单端和差分两种数据采集方式，系统灵活，能让学生在实验时可以通过改变不同的传感器类型，使用不同的数据采集方式以及改变采样时间间隔等方法构建软硬件平台，了解相关物理量的测量原理和实现物理量测量实验等研究。

1 测量系统的硬件构成

1.1 系统总体结构

本系统针对位移和温度物理量测量，其总体结构如图1所示。其中，位移传感器和温度传感器分别用于感知位移和温度物理量，并转换为电信号。信号调理电路[10]主要负责将传感器输出的电信号进行放大，以便获得与数据采集卡输入范围的匹配。数据采集卡将采集模拟信号并转换为数字信号，以便于后台计算机能够对其分析和处理，本系统将使用美国国家仪器公司National Instruments(NI)公司的USB6008板卡作为数据采集卡。USB6008可以工作在单端和差分两种不同模式，在单端模式下，有8个模拟量输入通道且每个通道的模拟电压输入范围为±10 V。在差分模式下，有4个模拟量输入通道且每个通道的模拟电压输入范围为±20 V[11]。后台计算机依托虚拟仪器软件平台LabVIEW开发的应用测量软件，完成信号的采集、数据存储、分析处理、界面显示和人机交互等功能。

图1 测量系统总体结构框图

1.2 传感器及其测量电路

位移传感器测量电路如图2左侧虚框所示，具体的是利用传感器的抽头构成一个分压电路。这里位移传感器型号为：MIRAN PR-125mm型，总量程为125 mm，其位移变化和阻值变化呈线性对应关系，位移范围：0～125 mm，对应阻值变化范围：0.4～5.8 kΩ[12]。

图2 位移传感器测量和信号调理电路图

温度传感器测量电路如图3左侧虚框所示，具体的是利用热敏电阻传感器和辅助电阻R5构成一个分压电路。这里热敏电阻型号为：万豪科技3950NTC，总量程为355 ℃，其温度变化和阻值变化呈非线性对应，温度范围：-55～300 ℃，对应阻值变化范围：128.8～0.017 kΩ[13]。左侧虚线框为测量电路，图中电容Ce起消除信号干扰、滤波的作用。

图3 热敏电阻测量和信号调理电路图

1.3 信号调理电路

信号调理模块的作用就是将传感器输出的通常不能直接被数据采集装置读取的信号进行放大、滤波和阻抗匹配等操作。

两物理量测量的调理电路分别见图2和图3的右侧虚线框所示。对应的调理电路主要是利用LF356N放大器和电阻R1、R2、R3、R4及开关K1、K2一起构建一个放大电路，其中K1、K2开关为了获得不同的放大倍数，以适应单端或差分采集方式。在单端方式下，闭合开关K1，断开开关K2，由图可知，放大电路的放大倍数为2，故uo=2ui，因此位移在全量程变化后，放大电路输入电压ui变化范围为：0～5 V，则输出电压uo范围为：0～10 V。在差分方式下，闭合开关K2，断开开关K1，由图可知，放大电路的放大倍数为3，故uo=3ui，因此位移在全量程变化后，放大电路的输入电压ui变化范围为：0～5 V，则输出电压uo范围为：0～15 V。

2 测量系统的软件设计

实验系统软件是基于LabVIEW平台开发的，在计算机的控制下，通过传感器和USB6008数据采集卡完成数据采集，并由后台软件实现数据的分析和处理，最终通过前面板界面窗口输出检测结果和相应测量曲线。

测量系统的前面板如图4所示，这里为了提高人机交互界面的可读性，前面板分成3个部分，分别是①参数设置模块，比如位移上下限和温度上下限设置，如果超出范围，则会报警。还有采样时间的设置，可以控制系统采样的时间间隔，从而控制采样的快慢。②按钮控制，包括启动采集、停止采集、退出系统等，按下起动采集按钮，开始采集信号，按下停止采集按钮，停止信号的采集，按下退出系统按钮，则退出整个LabVIEW程序。模式选择按钮可以进行差分模式和单端模式的选择。③输出显示模块，测量数据的显示有图形显示、数值显示2种方式，图形显示可以采集多个点，显示温度、位移变化的趋势，数值显示则给出当前值，数据采集状态信息进度显示条，可以实时显示采集的状态。报警显示模块，如果温度、位移不在设定的范围内，就会报警，可以通过报警指示按钮进行显示，如果按钮为绿色，则不报警，如果为红色，则报警。除此之外，还有显示系统运行的当前时间等。

图4 基于LabVIEW的物理量测量系统前面板

所设计系统的软件流程图如图5所示，由该流程图可知，采集到的数据要先进行相应的处理，比如，每次采集5个数据进行均值滤波[16]，得到一个平均值之后再根据电压和位移、电压和温度的对应关系，转换成位移和温度的输出。除了数值输出之外，还有电压曲线、位移曲线、温度曲线的输出，通过电压曲线和位移曲线，电压曲线和温度曲线之间的对应关系，可以对整个的测量过程进行监控，更加直观地看到电压和位移、电压和温度的变化趋势，以提升学生对测量过程的理解。另外，还可以对采集到的数据进行存储，通过文件对话框以及写入电子表格文件等控件将采集到的数据以Excel表格的形式存储下来，以便进行分析和进一步的处理。

图5 系统测量流程图

3 实验测试及结果分析

本实验系统可分别进行单端和差分两种采集模式。前面板有选择按钮，程序中采用Case结构，如果选择单端，则Case结构按照“假”执行，相应的硬件按照单端的方式接线，如果选择差分，则Case结构按照“真”执行，相应的硬件按照差分的方式接线。

在单端模式下，USB6008数据采集卡的1脚GND和系统共地，2脚AI0+接输出端，此时在DAQ助手下对采集信号进行配置，选采集信号—模拟输入—电压—支持物理通道中选择AI0—完成，则弹出采集配置界面，接线端配置选RSE方式，信号输入范围为最大值10 V，最小值-10 V，采集模式为N采样，即指定任务采集有限个采样，具体个数由待读取采样点数指定，这里待读取采样点数为5个，采样率为1 k。

在差分模式下，USB6008数据采集卡的2脚AI0+接输出端，3脚AI0-和系统共地，DAQ助手下对采集信号进行配置，选采集信号—模拟输入—电压—支持物理通道中选择AI0—完成，则弹出采集配置界面，接线端配置选差分方式，信号输入范围为最大值20 V，最小值-20 V， 其余与单端方式配置相同。

3.1 位移测量实验

位移测量时采用抽拉位移传感器拉杆的方式改变位移量，分别进行单端和差分两类实验，并从0～12 cm进行等间距实验测试，其实验结果如表1、2所示。

表1 单端方式下位移测量结果

从表1、2可以看出，单端方式下测量的最大绝对误差为0.35 cm，差分方式下测量的最大绝对误差为0.45 cm，基本满足实验条件，从而验证了实验原理的正确性。

3.2 温度测量实验

温度测量时，采用改变水温的方式进行实验测量，分别进行单端和差分两类实验，并从28～70 ℃进行实验测试，其实验结果如表3和表4所示。

从表3、表4可以看出，单端方式下测量的最大绝对误差为0.7 ℃，差分方式下测量的最大绝对误差为1 ℃，基本满足实验条件，从而说明了实验方法的可行性。

表2 差分方式下位移测量结果

表3 单端方式下温度测量结果

4 结 语

针对传统测量仪器精度不高，价格昂贵，稳定性较低的缺点，设计开发了基于虚拟仪器的多物理量测量实验系统。本系统通过采集卡将传感器和PC机相连接，所有的测量分析任务都是通过LabVIEW软件来完成的，利用PC机高速、高效的数据处理功能，很好地克服了已有测量系统精度不高、硬件复杂、操作不方便等缺点。

表4 差分方式下温度测量结果

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Experimental System for Physical Multi-quantity Measurement Based on LabVIEW

WANGJuana,HUWen-junb，WANGPei-lianga

(a. School of Engineering； b. School of Information Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China)

In physical measurement, the temperature and the displacement are two important parameters, while the traditional measuring device has the disadvantages of low accuracy, large size, and complex operation, etc. For this reason, a new physical quantity measurement system is designed in this paper. The system is constructed by temperature sensor, displacement sensor, USB6008 data acquisition card and the corresponding application software. The application software is developed by LabVIEW, and includes data acquisition, data storage, data analysis, data processing, and human-machine interface. The proposed system makes the process of measurement intuitive, and its operation is convenient. Experimental results show that the proposed system achieves the design goal, and has high practicability.

temperature； displacement； virtual instruments (VI)； experimental system

2015-10-10

浙江省自然科学基金项目(LY13F020011)；浙江省教育厅科研项目(Y201430746)；湖州师范学院校级科研项目(KX24058)

王 娟(1981-),女,安徽宿州人,硕士,实验师,主要研究方向为智能系统和故障检测等。

Tel.:13362279395;E-mail: wj8193@zjhu.edu.cn

TP 212.9

A

1006-7167(2016)04-0121-04