基于虛擬儀器技術(shù)的六分力測試系統(tǒng)設(shè)計

1、2008年第27卷第12期傳感器與微系統(tǒng)(Transducer and M icr osyste m Technol ogies設(shè)計與制造基于虛擬儀器技術(shù)的六分力測試系統(tǒng)設(shè)計王俊,張伏,毛鵬軍,雷龍(河南科技大學(xué)車輛與動力工程學(xué)院,河南洛陽471003摘要:為解決目前犁體外載的測定裝置普遍存在數(shù)據(jù)采集精度不高和數(shù)據(jù)記錄方法落后等問題,利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)六分力測試系統(tǒng),實現(xiàn)了犁體外載的多參數(shù)實時數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、保存及控制等功能。基于Lab V I E W圖形化編程軟件,研究并開發(fā)了數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),設(shè)計測試與控制過程的虛擬前面板并得出數(shù)據(jù)分析結(jié)果。虛擬儀器在犁體外載六分力測試上的開發(fā)應(yīng)用

2、,有效提高了試驗過程的自動化和智能化水平及測試數(shù)據(jù)效率和精度。關(guān)鍵詞:六分力;虛擬儀器;數(shù)據(jù)采集中圖分類號:S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-9787(200812-0067-03D esi gn of m ea sure m en t syste m for si x2co m ponen t ofplow load ba sed on v i rtua l i n stru m en t technologyWANG Jun,ZHANG Fu,MAO Peng2jun,LE ILong(College of Veh i cle&Power Eng i n eer i n g

3、,Henan Un i versity of Sc i ence&Technology,L uoyang471003,Ch i n aAbstract:The devices of p l ow l oad exist in many p r oblem s including data collecting syste m with l ow p recisi onand data recording outdated methods.The measure ment syste m for the six2component of p l ow l oad is devel ope

4、dbased on virtual instru ment technol ogy,which has the functi on of data gathering,treating,showing,saving andcontr olling.The data collecti on and treat m ent syste m are studied and devel oped using operative p latfor m of Lab V I E W,and the result of data analysis is concluded thr ough fr ont p

5、anel of measurement and contr ol on functi onexperi m ents.The aut omati on and intelligent level and test efficiency and p recisi on of the experi m ent data on thesix2component of p l ow l oad are i m p r oved based on virtual instru ment.Key words:six2component;virtual instru ment;data collecti o

6、n0引言在犁耕過程中,犁體對土壤產(chǎn)生切割、推移和翻拋作用,引起土壤對犁體的反作用力,稱為犁體外載。研究犁體外載對犁的合理使用和改進(jìn)、減輕犁耕阻力、提高犁的使用壽命具有重要的指導(dǎo)意義1。犁體表面具有復(fù)雜形狀,很難準(zhǔn)確地測試作用在犁體各部分的力。如何準(zhǔn)確測得犁體外載已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械研究中重要的課題之一2,3。目前,犁體外載測定裝置研究已有70多年的歷史,但現(xiàn)有測定裝置的數(shù)據(jù)測量記錄方法落后,人工處理和分析試驗數(shù)據(jù)由于人為誤差因素諸多,手工計算浪費(fèi)時間,而且,試驗精度不高,在犁體外載測定中,用傳統(tǒng)的測定手段已難以滿足需要。虛擬儀器技術(shù)將傳統(tǒng)儀器和計算機(jī)軟硬件技術(shù)充分結(jié)合,用以實現(xiàn)并擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能,

7、來完成數(shù)據(jù)采集、分析和顯示,將虛擬儀器技術(shù)引入犁體外載測定方法具有重要的理論價值和社會價值4。本文研究了一種基于虛擬儀器技術(shù)的犁體外載測定系統(tǒng),論述了犁體外載測定原理、系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計和測試功能。系統(tǒng)對提高犁體外載測定效率、降低測定成本、適應(yīng)數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場實用性等方面具有一定的實踐意義。1犁體外載測定原理犁體外載屬于空間非交匯力系,在測定時,采用六分力法來測定相對于某一個參考點o的主矢量和主矩各自的3個分量:Rx,Ry,Rz,Mx,My,Mz(圖1 。圖1犁體外載六分力示意圖F i g1Sche ma ti c d i a gram of si x2com ponen t of plo

8、w load收稿日期:2008-07-1076傳感器與微系統(tǒng)第27卷通過測出作用在參考點o 的外載引起的在一個彈性體中幾個不同點處不同方向上的應(yīng)力,外載每個分力對某一個輸出信號所施加的影響可以疊加,那么,各分力和各信號系數(shù)之間的關(guān)系可以用一個矩陣表示 A xB xF z=a 11a 16a 21a 26a 61a 66×R xR yM z,(1式中R x M z 為6個被測量的力和力矩;A x F z 為6個拉壓 測量信號;A 為系數(shù)矩陣。在實際應(yīng)用中,測量信號已知,只要獲得矩陣A 就可以求解外載6個分力數(shù)值,見圖2。圖2六分力測量原理圖F i g 2Pr i n c i ple d

9、 i a gram of si x 2com ponen t m ea sure m en t系數(shù)矩陣A 的求解方法是:在六分力儀某一參考點上多次施加不同大小的單一載荷R x ,分別記錄6只傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù),用取平均值的方法求出每單位單一載荷相對應(yīng)的平均響應(yīng)值。這種加載條件用矩陣表示為A xB xF z=a 11a 16a 21a 26a 61a 66×1.(2根據(jù)矩陣計算方法,由試驗可以得出系數(shù)矩陣A 的第一列系數(shù)a 11a 21a 31a 41a 51a 61。用同樣的方法依次施加其余5個單一載荷,可以確定系數(shù)矩陣A 中第二至第六列系數(shù)。在六分力儀實際結(jié)構(gòu)中,由于傳

10、感器不可能處于絕對準(zhǔn)確的位置以及沿各傳感器的非測力方向的剛度不為零等原因,不可避免地會在施力方向出現(xiàn)與原施力值不等和其他方向出現(xiàn)不為零的測量值,影響測量結(jié)果與實際載荷的一致性。運(yùn)用傳遞函數(shù)法,即采用單獨(dú)施加各單向載荷標(biāo)定的方法求出系數(shù)矩陣A 可以有效提高六分力儀的測量精度。用平均值法得出LY 2型架式六分力儀的傳遞函數(shù)矩陣為R x R yR z M x M y M z=0.058260-0.000432-0.000054-0.0036330.004742×A xB xC zD zE yF z.(32六分力測試系統(tǒng)設(shè)計犁體外載六分力測試系統(tǒng)總體設(shè)計采用PC DAQ 方案。六分力測試系統(tǒng)

11、控制儀器和系統(tǒng)由多傳感器采集系統(tǒng)、PC 機(jī)平臺和虛擬儀器軟件構(gòu)成,從而將犁體外載測試儀器虛擬化為PC 計算機(jī)為核心和硬件支持的數(shù)字化、智能化的虛擬測試系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要包括LY 2型架式六分力儀、拉壓傳感器、車速傳感器、耕深傳感器及其有關(guān)測量部分、數(shù)據(jù)采集卡及主控計算機(jī)等組成,用于獲取六分力儀的各種狀態(tài)信號與參數(shù),并使之變成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或脈沖信號。系統(tǒng)軟件采用美國N I 公司的Lab V I E W 圖形化編程軟件編制,完成試驗測量數(shù)據(jù)采集、顯示、處理及分析過程。2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計六分力測試系統(tǒng)的硬件包括基礎(chǔ)硬件和外圍硬件,系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件平臺選用LY 2型架式六分力儀和工業(yè)控制計算機(jī),作為硬件系

12、統(tǒng)的核心,集中控制六分力的采集、分析計算、數(shù)據(jù)存儲;外圍硬件主要實現(xiàn)信號的采集與處理功能,包括拉壓傳感器、車速傳感器、耕深傳感器、信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡等。信號調(diào)理系統(tǒng)是虛擬儀器系統(tǒng)中最重要的部分,其功能和性能直接影響虛擬儀器測試系統(tǒng)的測試速度和測試精度。六分力測試系統(tǒng)的信號調(diào)理電路主要由濾波調(diào)整電路和信號放大電路組成。拉壓傳感器的構(gòu)件應(yīng)變通過Y D 15型動態(tài)電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換為電壓信號,由于六分力儀在田間測試時,工作環(huán)境復(fù)雜,易受拖拉機(jī)工作的振動等外部噪聲影響。因此,在將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之前要通過濾波調(diào)整電路進(jìn)行處理。結(jié)果表明:犁體外載是一個低頻過程,六分力儀上6只傳感器的信號頻率集中在48

13、Hz,故采用低通濾波的措施來對此信號進(jìn)行處理以減小噪聲。信號放大電路,它將輸入信號放大成為010V 的信號,從而控制調(diào)理電路的幅值,使信號能被后續(xù)的數(shù)據(jù)采集卡的處理,提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。數(shù)據(jù)采集卡是測試系統(tǒng)的硬件核心部分,它主要完成86第12期王俊,等:基于虛擬儀器技術(shù)的六分力測試系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換等功能。本測量儀器采用美國N I公司的PC I6024E型數(shù)據(jù)采集卡。6024E是基于計算機(jī)PC I 總線的高性能數(shù)據(jù)采集卡,能連續(xù)、高速地采集數(shù)據(jù)。PC I6024E的主要性能為:12位A/D,D/A轉(zhuǎn)換器;采樣頻率為200kHz;輸入信號電壓范圍為+5V或±10V,16路模

14、擬輸入通道,2路模擬輸出通道;8個數(shù)字I/O,能夠滿足連續(xù)、高速地獲取試驗數(shù)據(jù),并實現(xiàn)無遺失地傳輸數(shù)據(jù)的功能。2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計利用虛擬儀器檢測犁體性能的關(guān)鍵在于軟件系統(tǒng),它包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件提供了測試系統(tǒng)的工作環(huán)境,系統(tǒng)采用W I N DOW S操作系統(tǒng);應(yīng)用軟件為六分力測試程序。該測試系統(tǒng)在硬件支持下,獲取測量結(jié)果并實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分析與處理,最后,通過界面輸出分析結(jié)果或繪制參數(shù)曲線。系統(tǒng)軟件部分利用Lab V I E W7.0開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計,它采用數(shù)據(jù)流編程方法來描述程序的執(zhí)行,用圖形語言、圖標(biāo)和連線代替文本的形式進(jìn)行編程,可方便地設(shè)計出符合用戶需求的應(yīng)用程序5。應(yīng)用軟件采

15、用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程思想,在編程時將每一個細(xì)節(jié)任務(wù)編制成結(jié)構(gòu)完整、功能相對獨(dú)立的子程序塊6。本系統(tǒng)應(yīng)用軟件包括如下功能模塊:1數(shù)據(jù)采集模塊:數(shù)據(jù)采集模塊完成測量信號參量的采集,包括拉力信號、車速信號、耕深信號等。2信號處理模塊:主要是對現(xiàn)場所采集的信號進(jìn)行變換。數(shù)據(jù)處理模塊是本系統(tǒng)軟件的核心部分。它主要完成對采集數(shù)據(jù)的處理,利用Lab V I E W提供的函數(shù)與子程序庫,對實時采集的動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣計算和數(shù)據(jù)分析,并以數(shù)字、波形輸出被測六分力的實時參數(shù)和自相關(guān)變化曲線等動態(tài)趨勢與規(guī)律到界面。3數(shù)據(jù)存儲模塊:數(shù)據(jù)存儲模塊完成將采集的數(shù)據(jù)以一定的格式保存在文件中(數(shù)據(jù)保存在Excel中,而顯示

16、波形以b mp格式保存,并存放在物理介質(zhì)上,以便操作人員查閱和進(jìn)行統(tǒng)計分析。3試驗結(jié)果與分析六分力測試系統(tǒng)對犁體外載進(jìn)行測試,試驗區(qū)地塊平整,為當(dāng)年麥茬地,平均割茬高度為10.04c m。土壤含水率平均為15.78%,土壤堅實度為16.1kgf/cm2,土壤質(zhì)地為壤質(zhì)粘土,試驗時,犁體選用旱地鏵式犁。系統(tǒng)還可輸出拉壓傳感器輸出信號的自相關(guān)函數(shù)圖形,實時對換算得到的六分力數(shù)值進(jìn)行分析,見圖3。顯然本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測試方法相比,具有操作簡單方便、界面直觀、信息豐富的特點,有效消除以往磁帶記錄的各種弊端, 降低了測試的勞動強(qiáng)度。圖3六分力數(shù)據(jù)分析結(jié)果F i g3Results of da t a an

17、a lysis of si x2com ponen t從試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):土壤比阻同耕深、耕速之間,以及6個分力之間等都存在著符合某種規(guī)律的關(guān)系。例如:土壤比阻同耕深、耕速之間大致成正比的變化關(guān)系,Ry/R x和Rz/Rx分別在不大的范圍內(nèi)變化,My都為負(fù)值等。從繪制的傳感器輸出信號自相關(guān)函數(shù)圖形的急劇衰減表明犁體外載是包含頻率成分比較豐富的隨機(jī)量。在測量中,傳感器Bx,C z,F z的利用度較高,傳感器A x,D z,E y的利用度比較低。上述規(guī)律模型有待于進(jìn)一步研究分析。4結(jié)束語六分力測試系統(tǒng)的技術(shù)突破點在于,利用虛擬儀器、先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法、合理的控制手段對犁體外載進(jìn)行了較全面的測試。在硬件選擇上采用工業(yè)級數(shù)據(jù)采集卡,抗干擾能力強(qiáng),工作性能可靠,精度高;編程軟件采用可視化Lab V I E W語言,通過在計算機(jī)上實現(xiàn)的虛擬儀器顯示操作面板為使用者提供了直觀、便捷的人機(jī)界面。在試驗條件下,對于犁體外載的各項測試都得到了滿意的結(jié)果,為犁體的改進(jìn)提供了有利參考。參考文獻(xiàn):1李翰如,孫鳳樓,柯保慷,等.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)(上冊M.北京:農(nóng)業(yè)出版社,1981:91-92.2阮玉斌,張性雄.驅(qū)動式圓盤犁扭矩測定系統(tǒng)的設(shè)計J.