基于MyDAQ应变实验模板的改造与设计

付晓云

（沈阳理工大学 机械工程学院 沈阳 110159）

应力应变的典型测试装置即高级智能电子秤是全自动化计量的重要手段，我国电子智能测重器的装备研制大多都已达到国际先进水平。电子秤制造技术和其应用方面也得到了快速的发展。但是从电子秤发展的总体方向来说，我国电子衡器差距包括制造技术、机械电子技术还不够发达、开发能力不够和产品种类较少、相关功能也不完备等问题。

本文用应变式传感模块搭建应力应变的测试系统，将传统的电子称所测各变量的数值之间的关系，用 LabVIEW 软件进行数据的分析和处理。用LabVIEW软件搭建电子称计算系统。首先变式传感器实验模块上做相关的应变全桥实验测量数据，把得到的数据用放大电路同比例放大，通过数据采集卡测出不同砝码重量对应的电压值制作成表格，再通过读取表格就可以把应变式传感器实验模块上输出的电压信号传给计算机，通过对 LabVIEW 软件编写 VI程序就可以实现对采集到的电压值进行具体的处理与分析。

1 传统的应力应变式传感器模板

1.1 数据测量的传统装置

应变片是比较常用的测力传感元件[1]。传统的应力应变式模板（应变模块）的示意图如图1所示。

图1 应变式传感器示意图

在传感器托盘上放置一个20 g的砝码，读取电压值。在砝码盘上每次增加20 g的砝码并读取相应的数显表的数值（每增加一次砝码重量记录一次数据）。反复操作并取20组实验数据的平均值填入表1中。

表1 实验数据平均值

选出应变式传感器实验模块中精度最高模块数据[2]。用该组实验数据进行后续的信号处理工作。通过数据的采集和数据的拟合程序的搭建，分析和计算出质量值与电压值之间的关系和具体换算公式，那么可以用电压值算出质量值，这样就完成了一套简易的测重装置。主要实现过程为利用应变片的应力应变实验测得多组质量值与电压值之间的关系，用软件设计分析与计算出质量值与电压值，推导出电压值与质量值之间的关系式，再运用设计的前面板的显示出质量值。

2 测量仪软件设计

2.1 数据的采集

本次采用数据采集卡采集数据，然后通过表格的形式被 LabVIEW 软件读取到程序当中去，程序实现的具体过程为：先在表格中输入两列数组，转换格式后，由程序中文件路径空间在计算机相应存储位置中找到先前输入的文件，通过读取电子表格VI读取文件路径找到的文件，并形成二维数组，然后再把二维数组输入到索引数组（函数）当中去，分别读取第一列和第二列的数值，形成两组数组元素，再利用捆绑（函数）成为簇，最后在XY图中显现出“电压值-质量值”的点。MyDAQ -数据采集设备，结合LabVIEW和Multisim软件，可以实现专业原理仿真和综合设计项目开发，用于测试测量、虚拟仪器、传感器等课程教学创新实践中[3]。打开一个空白VI，将VI保存。在编好的LabVIEW程序前面板上选择AI Channel为Dev1/ai1，将采集到的电压值（仪表数据）和质量值编成二维数组（表格转成TXT文件），被编辑好的读取程序如图2所示，将读取到的二维数组通过索引函数，变成X、Y轴坐标，并在XY图中显现出来。

图2 数据读取

2.2 数据的拟合

本程序将采用最小二乘的方法算出重量值与电压值之间最佳的拟合直线。最小二乘法通过将最小化误差的平方和来寻找数据的最佳函数匹配。熟练的运用最小二乘法就可以简单快捷地求得数据。在软件的程序搭建中，主要实现过程为通过对应变片的应力应变实验测得多组重量值与电压值之间的关系，然后通过软件设计分析与计算出质量值与电压值之间的关系，最后通过软件来推导出电压值与质量值之间的关系式，就可以通过硬件采集到的电压值传给计算机中的软件算出想要测量的质量值，再通过前面板的显示就可以直观的表达出质量值了。拟合程序框图如图3所示，不同算法的前面板如图4所示。

图3 拟合程序框图

图4 拟合程序前面板

2.3 电子称小键盘的设计

在电子秤的实际应用中经常要用到小键盘，小键盘的程序是基于LabVIEW软件设计的，主要应用的模块有：选择（函数）、条件结构、复合运算（函数）等。小键盘程序如图5所示，小键盘程序的前面板如图6所示。

图5 小键盘程序框图

图6 数字键盘程序前面板

2.4 数码管显示

为了满足程序中显示的所有数字，制作五组数码管，分别用来显示分位、角位、个位、十位和百位的数字。每组数码管放置在一个簇控件中，作为一个整体编写程序。这里面主要用到条件结构。图中的条件结构共有0～9十个分支，在每个分支里有一个布尔常量组成的数组[4]。在数组输出端与簇之间放一个“数组至簇转换”函数，这个函数可以把数组转换成簇，这样就可以用条件结构控制数码管的显示了。当数值输入控件输入“0”时，就会自动选择0分支，数码管就会显示“0”，1～9这几个数字以此类推。数码管显示VI的前面板如图7所示。

图7 数码管显示VI的前面板

2.4 电子秤功能实现

在编写智能电子称功能 VI之前，要编写把采集的电压信号转换成质量的程序。这部分程序需要用到前面提到的线性化的一些参数与采集的电压值进行简单的计算就可以得到。具体程序框图如图8所示。

图8 具体程序框图

智能电子秤程序的前面板是用选项卡来制作的，选项卡制作的方法优点有很多[5]。选项卡的控件的被应用的时候，会把程序前面板中数量繁多，功能不同的各种控件重叠的（分页）放在一个较小的前面板选项中，选项卡的应用利于显示庞大系统的前面板。本次程序要同时实现数据采集、数据分析以及后续对信号进行处理，即实现虚拟电子称的部分功能。要实现的功能比较多，为了简化前面板，使用户能够更加清晰地了解程序每部分的功能。本次设计前面板共分为采集面板、拟合面板、销售面板、购买面板。本电子秤能够实现的功能主要有：单价输入、金额结算、清零。在整体程序中，将小键盘的开关键作为整体程序的开关键。按下开关键小键盘输入的单价就会清零，应付金额也会随之清零。

3 结语

本文主要目的是在应变实验模板上搭建采集系统，将模拟信号采集并传到电脑上进行分析。同时可以运用 LabVIEW 软件对所测得的信号进行一系列的处理工作，对实验教学具有指导借鉴意义。