基于LabVIEW的虚拟风洞天平设计

摘 要:为提高风洞测力实验的精度与准度,开发了基于labview和NI-DAQmx的虚拟风洞天平系统。本系统能够采集受力的数据,对数据进行分析并显示在计算机屏幕上,并能够完成天平标定和天平配置。本系统利用了计算机强大的软硬件资源,与传统风洞天平相比,具有成本低廉、可扩展性强、配置与校准方便、能够保存数据等优点。实际应用表明,该系统能精确测量物体在风洞中受到的力与力矩。

关键词:风洞天平 LabVIEW 虚拟仪器 数据采集 DAQmx

中图分类号: TP39文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-072-02

风洞是进行空气动力学研究的最基本实验设备,测力实验是风洞实验中最基本的实验项目。风洞天平是测力实验中最重要的测量装置,用于测量作用在模型上的力与力矩的大小、方向与作用点。测力实验对风洞天平的技术要求很多,其中最重要的是要求天平具有高的精度与准度。风洞天平按工作原理可分为机械天平、应变天平、压电天平与磁悬挂天平。最早出现的风洞天平为机械天平,虽然机械天平能较好的将作用在模型上的空气动力载荷进行分解,而且测量准度高,但由于天平结构复杂,制造费用大,从20世纪70年代开始,在低速风洞中逐渐被应变天平取代。应变天平是通过天平上的弹性元件表面的应变,用应变计组成的惠斯通电桥来测量作用在模型上的空气动力载荷的装置。风洞天平按测量空气动力载荷分量的数目可分为单分量天平与多分量天平,一般使用六分量天平,即测量模型受到的升力、阻力、测力与俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩。本课题设计的是虚拟六分量应变天平。

然而,传统的风洞天平越来越不能满足测控的要求,主要原因有:

(1)传统风洞天平的功能由厂家定义,用户不能对其进行修改;

(2)传统的风洞天平缺乏计算机接口,不能保存测量结果,不能与其它仪器通信;

(3)开发维护费用高。

鉴于以上原因,美国国家仪器公司(National Instruments)提出了“软件即仪器”的概念,将仪器装入计算机中,即由软件实现仪器的测量和数据分析功能,并由软件界面模拟仪器界面,而硬件只负责数据的输入和输出。从而引起仪器技术的重大变革。

作者使用NI 公司的LabVIEW 8.5和采集卡驱动程序NI-DAQmx开发了一套虚拟风洞天平系统。该系统的功能主要由软件实现。由硬件将采集到的数据传输到计算机,由软件对数据进行分析处理,并显示在监视器中,并可以将测量结果保存在计算机存储器中。

1LabVIEW与DAQmx概述

LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是美国国家仪器公司开发的虚拟仪器编程工具。与传统编程语言不同的是,LabVIEW是图形化编程语言,它由前面板和程序框图组成。前面板用于显示软件的用户界面,前面板的控件与传统仪器的部件极为相似,能提供友好的用户界面。后面板则是软件功能的实现部分,它提供了功能强大的库函数,程序设计时就像绘制电路图一样,把控件与函数节点用连线连接起来。LabVIEW在1983年4月研制成功,至今已推出多个不同版本,本系统采用8.5版本。

在使用LabVIEW进行数据采集之前,需要安装数据采集卡的驱动程序。驱动程序分为传统的NI-DAQ和新推出的NI-DAQmx。DAQmx是一种全新的体系结构,它具有多线程驱动、高可靠性、智能同步和多态性等优点,大大降低了虚拟仪器的开发难度。

2系统整体结构

虚拟风洞天平系统由硬件和软件组成,其中软件是关键部分。应变元件放置在风洞中,承受风洞的空气动力载荷。应变计将天平元件受到的力转化为电信号,并传送到数据采集卡。数据采集卡将模拟电信号转化为数字信号,传输给软件进行处理。系统整体结构如图1所示。

图1

3系统硬件组成

在风洞测力实验中,应变天平承受作用在模型上的空气动力载荷,天平元件在空气动力作用载荷作用下产生变形,其应变与外力大小成正比。粘贴在天平元件表面的应变计也同时产生变形,使其电阻值发生变化,产生增量。这个电阻增量由应变计组成的惠斯通全桥测量电路把它转换成电压增量,该电压增量值与应变天平所承受的空气动力载荷值成正比。应变天平通过不同结构形式的测量元件,力求使它们在空气动力载荷的作用下,对各自欲测分量的载荷敏感,产生相对明显的变形,而对其它分量的载荷不敏感,不产生或产生尽量小的变形,实现结构上对力与力矩的机械分解。再通过应变计的粘贴位置与全桥测量电路的设置,使其它分量的载荷所产生的应变不改变电桥的平衡状态,实现力与力矩的分解。

应变计将产生的模拟电压信号传输到数据采集卡。一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/定时器操作等。虚拟仪器的数据采集卡分为GPIB, VXI, PXI与PCI4种,GPIB卡是早期应用的数据采集卡,传输速率较低;VXI卡的价格昂贵;PCI卡不能满足复杂而精密的测量任务;而PXI卡的可扩展性好,性价比高,逐渐成为中高档虚拟仪器数据采集卡的主流。因此本系统采用美国国家仪器公司生产的属于PXI系列的NI-PXI-6071E卡,其主要性能参数为:

(1)模拟输入:64路单端/32路双端,输入范围为+10V;

(2)分辨率:12位;

(3)最大采样频率:1.25MS/s;

(4)数字I/O:8路。

模拟力信号由应变计输出后,接至数据采集卡的I/O连接器,数据采集卡内部的功能模块对其进行相应的处理之后,最终传送至计算机的PXI总线。同时,计算机通过PXI总线向数据采集卡内部传送数据信号和各种控制信号。

4系统软件组成

本系统软件部分由天平配置、仪器配置、数据采集、数据显示和天平标定5个模块组成,软件结构见图2。

图2

软件的主界面见图3

图3

仪器配置、天平配置、天平标定按钮分别对应仪器配置、天平配置和天平标定模块。

仪器配置模块用于将最大电压输入值、最小电压输入值、采样率、采样数、滤波频率和激励电压输入写入配置文件。

天平配置模块用于风洞天平的静态校准。风洞天平的静态校准是在天平校准设备上,模拟天平在风洞实验时的受力状态,对天平精确施加静态载荷,求得天平各分量的输出信号与校准载荷的变化关系,即天平校准公式,以便在风洞实验中,根据天平各分量的输出信号,求得作用在模型上的空气动力载荷。天平配置分为需要迭代和不需要迭代两种状态。在需要迭代状态下,由使用者输入天平各分量的校正系数,系统将这些数据组成六分量天平矩阵,并将六分量天平矩阵、六分量的状态与当前时间写入到配置文件中。这里的六分量指的是天平受到的三个方向的力与三个方向的力矩,六分量的状态有全桥、半桥、1/4桥与无桥四种。在不需要迭代状态下,系统从原始配置文件中读取六分量天平矩阵、六分量状态和时间的默认值。

天平标定模块用于显示天平校准的结果。数据采集卡接收到传感器发送的信号后创建测量任务,从配置文件中读取天平六分量状态、激励值、最大最小电压、采样数等属性,然后启动测量任务,对电桥进行调平。以多通道多采样数的一维数组格式将标定结果输入到波形图控件中,并在前面板中进行显示。力图表和力矩图表各显示出3条不同颜色的曲线,分别表示3个分量的力与力矩。并将施加载荷的每个砝码的质量和每个分量对应的输出电压显示在前面板中。本模块还可以将测量结果保存在文本文件中。

数据采集模块使用了DAQmx的各种API,用于接收数据采集卡传输来的信号,创建测量任务。在DAQmx中,虚拟通道是由名称、物理通道、端口配置、信号类型、信号范围等组成的设置集合,而任务是带有定时、触发或其它属性的一个或多个虚拟通道的集合。数据采集模块是虚拟仪器软件与数据采集卡的接口。本模块中用到的API函数有:

Create Task: 用于创建测量任务。

Start Task: 用于启动测量任务。

Read: 多态vi,用于从任务中读取数据。本系统选用模拟一维数组多通道多采样格式。

Write: 多态vi,用于将数据写入到任务中。本系统选用模拟一维数组多通道多采样格式。

DAQmx Perform Bridge Offset Nulling Calibration: 用于对惠斯通电桥进行调零。

Clear Task: 清除任务。任务执行完后将其从内存中卸载,避免内存泄漏。

数据显示模块位于前面板,由2个波形图控件组成,分别显示力的图像与力矩的图像。波形图接收到二维数组形式的数据,将其转换为曲线,每个分量由不同颜色的曲线表示。并可由用户选择想要观测的分量。

5结束语

本文所设计的虚拟六分量应变天平,与传统风洞天平相比,具有以下优点:

(1)系统功能由用户定义,不像传统风洞天平,功能由厂家定义。当需求发生变化时,用户可以及时修改软件的功能,大大提高了系统的可维护性,降低了成本。

(2)本系统的信号全是数字信号,数据也完全靠软件处理,大大降低了外界干扰和系统误差。

(3)本系统的硬件平台是PC机,由于PC机的处理能力远胜于仪器内部电路的处理能力,因此本系统的可靠性高于传统风洞天平。

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