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- 多傳感器空氣流量測(cè)試系統(tǒng)方案
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/11/27
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)將LabVIW軟件、多傳感器、計(jì)算機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)空氣流量測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多傳感器信息的融合。系統(tǒng)包括被測(cè)對(duì)象、傳感系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.1被測(cè)對(duì)象
被測(cè)對(duì)象通過改變變頻器的頻率控制風(fēng)機(jī)發(fā)出不同大小的風(fēng)量通過流量傳感器，模擬進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量大小。
1.2傳感系統(tǒng)
傳感系統(tǒng)主要包括溫度傳感器、空氣流量傳感器、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)及有關(guān)連接部分。
1.2.1溫度傳感器
溫度傳感器選擇集成電路溫度傳感器LM35，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，并且無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4℃的常用室溫精度。
1.2.2空氣流量傳感器
空氣流量傳感器是用來直接或間接與被測(cè)對(duì)象發(fā)生聯(lián)系，將被測(cè)參數(shù)（機(jī)械、物理、化學(xué)、壓力、溫度等非電量）轉(zhuǎn)換成可以直接測(cè)量的信號(hào)，它為系統(tǒng)提供了進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息，是現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
1.2.3玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)
為了驗(yàn)證空氣流量測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，設(shè)計(jì)選擇標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)標(biāo)定方法。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)選用LAB一10型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，它與被檢的空氣流量傳感器測(cè)量范圍相當(dāng)，準(zhǔn)確度較高，是在101325Pa，20℃狀態(tài)下用空氣進(jìn)行標(biāo)定的。
1.3信號(hào)調(diào)理電路
在許多需要數(shù)字采集的系統(tǒng)中，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過1個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足采集卡對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，這種情況下，就需要采用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)量進(jìn)行放大。信號(hào)調(diào)理電路使輸出電壓與輸入電壓成正比，它的核心是1個(gè)具有電容負(fù)反饋、且輸入阻抗極高的高增運(yùn)算放大器。差動(dòng)儀表放大器如圖2所示。
1.4數(shù)據(jù)采集卡的選擇
系統(tǒng)使用PCI總線形式的數(shù)據(jù)采集卡LDl200一PCI。
LDl200是一種雙通道、高帶寬的數(shù)字存儲(chǔ)示波卡，將它插入計(jì)算機(jī)PCI槽上。再運(yùn)行控制軟件，便可組成一臺(tái)價(jià)格便宜、人機(jī)界面友好、性能優(yōu)良的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。它具有數(shù)據(jù)采集、測(cè)量信號(hào)、過程監(jiān)測(cè)、多種觸發(fā)等功能，因此也大量應(yīng)用于高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)。主要功能是輸入過壓保護(hù)，具有自檢功能，可以光標(biāo)測(cè)量時(shí)間和電壓，并支持二次開發(fā)。
2 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，如數(shù)據(jù)的采集與處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示都是由系統(tǒng)軟件控制實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，劃分為以下幾個(gè)模塊：板卡初始化及參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，如圖3所示。在系統(tǒng)中把各個(gè)代碼模塊進(jìn)行定義并使它們之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化，從而在一個(gè)模塊內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展性改變將不會(huì)影響程序中其它模塊，因此增加了系統(tǒng)的靈活性。在測(cè)試過程中，可根據(jù)需要隨時(shí)改變信號(hào)參數(shù)和測(cè)試方法。測(cè)試系統(tǒng)的程序主流程圖如圖4所示。
2.1 板卡初始化及參數(shù)設(shè)置模塊
該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)并初始化板卡，然后設(shè)置系統(tǒng)基本參數(shù)來控制硬件系統(tǒng)，既可以無觸發(fā)采集，又可以單通道觸發(fā)采集數(shù)據(jù)。在啟動(dòng)采集之前，首先對(duì)LDl200初始化，確定自檢成功或提示“無LDl200卡”，程序如圖5所示。
然后設(shè)置采樣參數(shù)，采樣參數(shù)設(shè)置的程序如圖6所示。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的需要，設(shè)置雙通道并行輸入，采樣頻率為100Hz，使用軟件觸發(fā)方式，即手動(dòng)點(diǎn)擊采集按鈕，則開始運(yùn)行采集程序。將設(shè)置的采樣參數(shù)放在1個(gè)簇里，采用選擇結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。反之則顯示“請(qǐng)先初始化”。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
該模塊實(shí)現(xiàn)多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示，其設(shè)計(jì)是動(dòng)態(tài)測(cè)試中的核心部分，直接影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，影響系統(tǒng)其它功能的實(shí)現(xiàn)。該模塊能否正常工作直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作。
編寫數(shù)據(jù)采集程序前，必須先安裝好采集板的驅(qū)動(dòng)程序，否則無法調(diào)用AD板的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。該驅(qū)動(dòng)使用了中斷采集方式，并在定時(shí)器取值處設(shè)置了延時(shí)時(shí)間，保證了采樣的連續(xù)性。
在程序面板上，與傳統(tǒng)開發(fā)一樣，可以使用各種程序控制結(jié)構(gòu)，如順序、條件、循環(huán)等，也可以使用其他Ⅵ。程序套用Case選擇結(jié)構(gòu)如圖7所示，采集的數(shù)據(jù)通過1個(gè)子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分組、處理，然后送人控制界面顯示。
2.3 數(shù)據(jù)分析模塊
該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法曲線擬合分析。其測(cè)試目的在于獲取被測(cè)對(duì)象的性能、狀態(tài)或特征，所以信號(hào)采集只是測(cè)試工作的第一步。信號(hào)的分析和數(shù)據(jù)處理是構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分之一。系統(tǒng)采用線性回歸分析法即曲線擬合法，由多維回歸方程來建立被測(cè)目標(biāo)參量與傳感器輸出量之間的關(guān)系，以消除溫度的影響，如圖8所示。
2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊
該模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理功能，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與回放，添加與刪除等。由于要對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行全方位檢測(cè)，多傳感器協(xié)調(diào)應(yīng)用獲取對(duì)目標(biāo)的全面認(rèn)識(shí)，數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)，對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢也有較高要求，需要采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。
首先需要安裝LabSQL，它是一個(gè)免費(fèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具。
LabSQL與數(shù)據(jù)庫(kù)之間通過ODBC連接，用戶需要在ODBC中指定數(shù)據(jù)源名稱和驅(qū)動(dòng)程序。因此在使用LabSQL之前，需要在Windows操作系統(tǒng)中的ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建一個(gè)DSN.LabSQL與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接是建立在DSN基礎(chǔ)之上的。其連接流程如圖9所示。
LabSQL能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、數(shù)據(jù)庫(kù)修改、數(shù)據(jù)庫(kù)添加以及數(shù)據(jù)庫(kù)刪除。
3 試驗(yàn)結(jié)果
設(shè)計(jì)的試驗(yàn)是在模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作環(huán)境下測(cè)試的，通過改變變頻器的頻率控制風(fēng)機(jī)發(fā)出不同大小的風(fēng)量通過流量傳感器來模擬進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量，通過設(shè)定恒溫濕箱的溫度改變傳感器工作環(huán)境溫度，以此來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作的溫度環(huán)境。
為使測(cè)量準(zhǔn)確就要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)式標(biāo)定方法。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)選用LAB一10型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。在變頻器從l~23Hz變化中，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0-3V，經(jīng)過標(biāo)定試驗(yàn)，在溫度為20℃時(shí)，可得到測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后得到如圖10所示的曲線：曲線①為空氣流量傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的輸出電壓曲線；曲線②為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合后，空氣流量傳感器輸出擬合特性曲線；曲線③為玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)輸出電壓曲線。
在常溫常壓條件下，測(cè)試系統(tǒng)所使用的空氣流量傳感器的輸出相對(duì)誤差最大為1.94%F.S，小于其最大允許誤差3.0%，滿足傳感器使用誤差要求。在測(cè)量過程中采用變頻器控制風(fēng)機(jī)的供氣方式，氣體仍然存在一些脈動(dòng)，又由于空氣流量傳感器的高敏感性及氣壓的影響，也會(huì)造成部分附加誤差。
4 結(jié)語
本系統(tǒng)為進(jìn)一步研究利用LabVIEw測(cè)控系統(tǒng)以及進(jìn)行多傳感器信息融合奠定了基礎(chǔ)。在一段時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性能良好，免除了對(duì)多傳感器信息采集過程中一些繁瑣的工作，采集過程不再需要編寫不同軟件以適應(yīng)不同傳感器的要求。
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