多傳感器空氣流量測試系統(tǒng)方案

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計將LabVIW軟件、多傳感器、計算機結(jié)合，構(gòu)建了一個空氣流量測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對多傳感器信息的融合。系統(tǒng)包括被測對象、傳感系統(tǒng)、信號調(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被測對象

被測對象通過改變變頻器的頻率控制風機發(fā)出不同大小的風量通過流量傳感器，模擬進入發(fā)動機的空氣流量大小。

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對象發(fā)生聯(lián)系，將被測參數(shù)(機械、物理、化學(xué)、壓力、溫度等非電量)轉(zhuǎn)換成可以直接測量的信號，它為系統(tǒng)提供了進行處理和決策所必需的原始信息，是現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2.3玻璃轉(zhuǎn)子流量計

為了驗證空氣流量測試系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)的正確性，需要對測試系統(tǒng)進行試驗標定，設(shè)計選擇標準流量計標定方法。標準流量計選用LAB一10型玻璃轉(zhuǎn)子流量計，它與被檢的空氣流量傳感器測量范圍相當，準確度較高，是在101325Pa，20℃狀態(tài)下用空氣進行標定的。

1.3信號調(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都很微弱，必須通過1個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足采集卡對輸入信號電平的要求，這種情況下，就需要采用信號調(diào)理電路對傳感器輸出的信號量進行放大。信號調(diào)理電路使輸出電壓與輸入電壓成正比，它的核心是1個具有電容負反饋、且輸入阻抗極高的高增運算放大器。差動儀表放大器如圖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)字存儲示波卡，將它插入計算機PCI槽上。再運行控制軟件，便可組成一臺價格便宜、人機界面友好、性能優(yōu)良的數(shù)字存儲示波器。它具有數(shù)據(jù)采集、測量信號、過程監(jiān)測、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)、自動控制系統(tǒng)。主要功能是輸入過壓保護，具有自檢功能，可以光標測量時間和電壓，并支持二次開發(fā)。

2軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是測試系統(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)軟件控制實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件采用模塊化方法進行設(shè)計，劃分為以下幾個模塊：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)庫模塊，如圖3所示。在系統(tǒng)中把各個代碼模塊進行定義并使它們之間的接口標準化，從而在一個模塊內(nèi)進行擴展性改變將不會影響程序中其它模塊，因此增加了系統(tǒng)的靈活性。在測試過程中，可根據(jù)需要隨時改變信號參數(shù)和測試方法。測試系統(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

該模塊的功能是實現(xiàn)檢驗并初始化板卡，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)。在啟動采集之前，首先對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，即手動點擊采集按鈕，則開始運行采集程序。將設(shè)置的采樣參數(shù)放在1個簇里，采用選擇結(jié)構(gòu)進行參數(shù)設(shè)置。反之則顯示“請先初始化”。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊實現(xiàn)多通道實時數(shù)據(jù)采集與顯示，其設(shè)計是動態(tài)測試中的核心部分，直接影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，影響系統(tǒng)其它功能的實現(xiàn)。該模塊能否正常工作直接關(guān)系到整個系統(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)動程序，否則無法調(diào)用AD板的動態(tài)鏈接庫。該驅(qū)動使用了中斷采集方式，并在定時器取值處設(shè)置了延時時間，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個子程序進行數(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

該模塊實現(xiàn)對采集的原始數(shù)據(jù)進行最小二乘法曲線擬合分析。其測試目的在于獲取被測對象的性能、狀態(tài)或特征，所以信號采集只是測試工作的第一步。信號的分析和數(shù)據(jù)處理是構(gòu)成測試系統(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目標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)庫模塊

該模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理功能，數(shù)據(jù)的存儲與回放，添加與刪除等。由于要對被測目標進行全方位檢測，多傳感器協(xié)調(diào)應(yīng)用獲取對目標的全面認識，數(shù)據(jù)量急劇增長，對實時采集的數(shù)據(jù)存儲和查詢也有較高要求，需要采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

首先需要安裝LabSQL，它是一個免費的數(shù)據(jù)庫訪問工具。

LabSQL與數(shù)據(jù)庫之間通過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DSN.LabSQL與數(shù)據(jù)庫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)庫查詢、數(shù)據(jù)庫修改、數(shù)據(jù)庫添加以及數(shù)據(jù)庫刪除。

3試驗結(jié)果

設(shè)計的試驗是在模擬汽車發(fā)動機真實工作環(huán)境下測試的，通過改變變頻器的頻率控制風機發(fā)出不同大小的風量通過流量傳感器來模擬進入發(fā)動機的空氣流量，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)動機工作的溫度環(huán)境。

為使測量準確就要對測試系統(tǒng)進行試驗標定，設(shè)計選用標準流量計式標定方法。標準流量計選用LAB一10型玻璃轉(zhuǎn)子流量計來進行標定試驗。在變頻器從l~23Hz變化中，對應(yīng)的輸出電壓為0-3V，經(jīng)過標定試驗，在溫度為20℃時，可得到測試數(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為對數(shù)據(jù)進行曲線擬合后，空氣流量傳感器輸出擬合特性曲線;曲線③為玻璃轉(zhuǎn)子流量計輸出電壓曲線。

在常溫常壓條件下，測試系統(tǒng)所使用的空氣流量傳感器的輸出相對誤差最大為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。在測量過程中采用變頻器控制風機的供氣方式，氣體仍然存在一些脈動，又由于空氣流量傳感器的高敏感性及氣壓的影響，也會造成部分附加誤差。

4結(jié)語

本系統(tǒng)為進一步研究利用LabVIEw測控系統(tǒng)以及進行多傳感器信息融合奠定了基礎(chǔ)。在一段時間的實踐應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性能良好，免除了對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。