一种裂纹自动测量与监控的虚拟仪器设计

杨秀芝,行舒乐,华文林,杨春杰,董春法

(1湖北理工学院 机电工程学院,湖北 黄石 435003;2中原油田,河南 濮阳 457000)

一种裂纹自动测量与监控的虚拟仪器设计

杨秀芝1,行舒乐2,华文林1,杨春杰1,董春法1

(1湖北理工学院 机电工程学院,湖北 黄石 435003;2中原油田,河南 濮阳 457000)

疲劳裂纹的萌生和扩展是一个渐进的过程，对疲劳裂纹提前预测以及对已经产生疲劳裂纹的扩展进行实时监测，具有极高的实用价值。设计了一款基于G语言的虚拟仪器。该仪器可以实现对疲劳裂纹的产生、扩展进行实时监测；当裂纹长度超过预警值时报警，并将采集的实时裂纹长度保存至指定文档或实时显示，以便为后续的科学研究提供数据支持。试验结果表明，该仪器可用于实际工程中裂纹的监测、预警和记录。

虚拟仪器;断裂片;监控系统

1 虚拟仪器系统的特点

虚拟仪器的应用领域在不断扩大，其在教学实验、电子测量、分析测试、航空航天测控、工业过程控制等领域逐步代替传统的仪器仪表。

虚拟仪器主要有以下特点：软件是虚拟仪器的大脑中枢；一台虚拟仪器通过接口扩展，能同时对多个参数进行实时监控和在线测量；虚拟仪器比传统仪器更经济、更可靠，具有良好的人机界面。

2 数据采集系统的构成

被测非电信号(如温度、压强、流量、频率等)必须转换成电信号才能实现进一步的处理。通过各种传感器(如测量温度信号的热点偶，检测应力的应变片，测量气流量的气敏传感器等)实现物理量到电信号的采集。通常来自传感器的信号为微弱的模拟电信号，常常夹杂着影响精度的噪声，因此需要利用模/数转换器对这些模拟电信号进行除噪调理、放大[1-6]，实现被测信号的转换，并建立起计算机与被测单元之间的信息传递与变换通道。模/数转换器是转换过程的硬件核心器件，计算机通过这些输入/输出通道实现对数据的采集、储存、分析和显示，并把采集处理的数据结果输出到相应的工作站，虚拟仪器的系统构成如图1所示[1]。

图1 虚拟仪器的系统构成

3 仪器硬件设计

本仪器中用到的硬件设备包括：断裂片(裂纹传感器)、传感器激励电源、信号调理卡、数据采集卡以及单片机。裂纹实时监控系统构成如图2所示。

图2 裂纹实时监控系统构成

3.1裂纹传感器与激励电源

裂纹传感器(断裂片)实时监测裂纹原理如下：把断裂片粘附到被检测件上，在服御超过允许载荷或许用寿命就会有微裂纹的产生和裂纹的扩展。随着裂纹的扩展，裂纹穿过断裂片就引起内部一系列电阻丝的断路，从而导致断裂片总电阻增大。采集断裂片两端电压信号，并计算出数据的变化值。因这个变化值与疲劳裂纹穿过断裂片的长度值相对应，则虚拟仪器的数据采集系统获得的物理信号与疲劳裂纹的长度一一对应，从而实现对疲劳裂纹的实时监控。

本虚拟仪器选用的传感器断裂片为美国产的CPA系列，其典型型号为：TK-09-CPA01-005/DP，TK-09-CPA02-005/DP，TK-09-CPC02-003/DP。裂纹传感器CPA01～CPC03断裂丝与电阻的关系如图3所示。CPA型断裂片含有20个平行的电阻丝，其中CPA01与CPA02的区别仅是CPA01型断裂片的电阻丝间距是CPA02型的电阻丝间距的1/2。

图3 裂纹传感器CPA01～CPC03断裂丝与电阻的关系

断裂片本身没有激励电源，需要一个外加电压对断裂片进行激励，这样在断裂片两端才会产生相应的输出电压，断裂片的连接电路如图4所示，本设计使用的电源为15 V直流稳压电源。

图4中的电阻具有分压和分流作用，能控制断裂片输出信号的精度。由于本测量仪由16个测量单元组成，因此需要保证每一路测量电路都有如图4所示的回路，共16路。采用增加回路的方式可以很方便地扩展到更多路测量单元。

图4 断裂片的连接电路

3.2信号调理卡

断裂片的输出电压在±10 mV以内。针对相对弱的电压信号，虚拟仪器需要过滤干扰信号，同时设计放大器调解电路来调理放大输出信号，确保采集卡能识别采集信号。通常采集卡可识别输出电压信号范围为-10～10 V。本设计使用的调理放大卡为XT-A1-VV16-H型。

3.3数据采集卡及单片机选择

本设计选用的采集卡为16路USB6211型数据采集卡。该采集卡具有模拟输入、模拟输出和I/O数字转换功能。USB6211型16路数据采集卡与计算机终端连接后可以对其进行多种设置，开发者可以设置采集的通道、采集模式、输入配置、最大及最小输入值以及采集频率等参数。显示和处理单元为工控机或PC机，本系统选择普通PC。

4 数据采集系统的软件设计

4.1仪器的程序设计

本仪器的软件程序主要分为3个部分：数据采集程序、数据处理及判断报警程序、裂纹保存和显示程序。整个程序由G语言编写，仪器程序功能框图如图5所示。选用LABVIEW 8.5为开发平台。

根据仪器的功能要求，完成程序流程图。程序流程图形象地展示了数据的流动方向，每个NI节点都有输入或输出端口。仪器的部分程序流程图如图6所示。

图5 仪器程序功能框图

图6 仪器的部分程序流程图

4.2仪器的显示界面

仪器的控制面板要求有很好的人机交互性，本仪器有16组相同的模块，每个模块控制一路采集信息。每个模块包括：裂纹预警值输入框、实时裂纹长度值显示框、报警器、停止报警按钮和实时裂纹长度波形图。本虚拟仪器显示界面如图7所示。

图7 虚拟仪器显示界面

5 裂纹长度与电压关系的标定及仪器调试

虚拟仪器设计出来后还需要对断裂片的裂纹长度及电压的对应关系进行标定。以CPA01型断裂片为例，通过实验对裂纹长度进行标定：首先，应将断裂片贴于打磨干净的被测试样的表面；然后，将其连接线的两端分别焊在断裂片两端的铜片基底上，裂纹标定及断裂测试如图8所示。

图8 裂纹标定及断裂测试

根据CPA01型断裂片的产品说明可知，断裂片的电阻丝之间的间距为0.25 mm，即当第1根电阻丝断裂时，裂纹长度L1的范围应该为0

通道Ch1裂纹测量与记录曲线如图9所示。由图9可见，通道1(即Ch1)裂纹标定值与记录值曲线重合度很高。由于每个测试通道所使用的电阻必然有误差，因此需要对16个通道分别进行测量与标定。图9表明实测裂纹与标定裂纹曲线有很好的重合度，验证了仪器的可信性。

图9 通道Ch1裂纹测量与记录曲线

6 结论

开发出一种基于断裂片调理板芯片的裂纹测量仪器，经标定检验该测量仪具有裂纹图形动态显示、数据存储和实时传输功能、良好的测量精度、扩展端口方便、性能稳定等特点。

[1] 周鹏.基于DSP和 Lab VIEW的虚拟仪器系统研究[D].烟台：烟台大学,2007.

[2] Tang Baoping,Zhong Yuanchang,Qiu Jianwei.Design of onboard instrument based on virtual instrument technology[J].Journal of Wuhan University of Technology,2006,28(s2):412-416.

[3] 苗中华,陆鸣超,胡晓东,等.基于虚拟仪器技术的采棉机智能监控系统开发与应用[J].农业工程学报,2014,30(23):35-42.

[4] 魏相华,张士文,赵继敏.虚拟仪器中数据采集系统中的几个应用问题[J].工业控制计算机,2001,14(6):37-38.

[5] 陈世超.基于虚拟仪器的多路电压测量的设计与实现[J].电子设计工程,2012,20(8):82-84.

[6] 行舒乐,余圣甫,邓宇,等.基于LabVIEW的多通道疲劳裂纹实时监测系统[J].仪表技术与传感器,2011(5):37-39.

Design of a Virtual Instrument for Automatic Crack Measurement and Monitoring

YangXiuzhi1,XingShule2,HuaWenlin1,YangChunjie1,DongChunfa1

(1School of Mechanical and Electronic Enginecring,Hubei Polytechnic University,
Huangshi Hubei 435003;2Zhongyuan Oilfield,Puyang Henan 457000)

The fatigue crack initiation and propagation is a gradual process,so the prediction of fatigue crack in advance and real-time monitoring of generated extension of fatigue crack have been of highly practical value.A kind of virtual instrument based on G language is designed.This instrument can realize the real-time monitoring of the generation and extension of fatigue crack,when the crack length exceeds the warning value,the alarm will go off and real-time crack length is saved to the specified document or display,which will provide the data support for the further scientific research.The test results show that the instrument can be used for crack monitoring,warning and recording in actual engineering project..

virtual instrument;rupture;monitoring system

2017-01-10

湖北理工学院校级科研重点项目(项目编号2015A05)；湖北省教育厅青年项目(项目编号Q20123001)；湖北省自然科学基金项目(项目编号2014CFB177)。

杨秀芝,副教授,博士,研究方向:焊接新材料新工艺、金属丝材3D打印材料和工艺。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.001

TG113

A

2095-4565(2017)05-0001-04

(责任编辑吴鸿霞)