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1 引言

　熱膨脹儀測試系統(tǒng)國內(nèi)目前大多使用VC開發(fā)，其編程過程復(fù)雜，儀器之間的通訊實現(xiàn)十分繁瑣，需要花費大量的時間。美國NI公司提出的虛擬儀器是一種綜合的測試技術(shù)，它通過計算機上添加幾種共性的基本儀器硬件模塊，通過軟件的思想來組合成各種功能的儀器和系統(tǒng)的儀器設(shè)計思想。虛擬儀器技術(shù)利用LabVIEW進行開發(fā)，LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)能縮短復(fù)雜程序的開發(fā)時間，更迅捷、更經(jīng)濟地解決測試問題，而且它的界面友好，這使得它已經(jīng)越來越多地在應(yīng)用在測試領(lǐng)域。它內(nèi)置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS一232和RS一485各種通訊總線標準，具有強大的外部接口功能，能夠簡單的完成軟件間的接口通訊，使用IabVIEW軟件進行編程，能夠節(jié)約時間和成本。由于虛擬儀器開發(fā)簡單、快捷的特點，本文利用LabVIEW軟件開發(fā)出一套熱膨脹儀測試系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好、操作簡便、易于測量，并使用其強大的接口通訊功能，通過VISA通訊實現(xiàn)了信號的測量和數(shù)據(jù)的采集、分析處理、存儲和顯示。

2 熱膨脹的測試的總體方案設(shè)計

　 測試系統(tǒng)通過將

被測材料放在加熱爐體內(nèi)，隨著溫度升高，材料受熱膨脹后膨脹量通過頂桿將膨脹量傳遞到位移傳感器上，位移傳感器器所測得的位移量就是材料熱膨脹變化的位移量。隨著爐體溫度的升高，系統(tǒng)將溫度信號和變化的位移信號通過數(shù)據(jù)采集和處理分別實時地傳到PC機中，通過熱膨脹公式計算獲得材料的熱膨脹系數(shù)，這就是測量熱膨脹的基本原理。

　 測試的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。首先通過位移和溫度傳感器作為信號的輸人，信號通過調(diào)理模塊進行放大、濾波，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后傳送到PC中，來獲得當前的溫度信號與位移信號。利用PID控制算法對電加熱爐溫度進行的控制，使得溫度線性上升，隨著這個線性的溫度變化，可以同時通過測量材料的膨脹量來獲得熱膨脹曲線，zui終可以通過膨脹曲線和測試的數(shù)據(jù)獲得在任意溫度段內(nèi)的膨脹系數(shù)。
3 熱膨脹儀測試的基本硬件
3.1溫度傳感器
　　溫度的檢測采用鎳鉻一鎳硅熱電偶（K型熱電偶），K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性好等特點，能測zui高溫度為1300℃，且小型牢固，能在惡劣環(huán)境下使用，但它們只能產(chǎn)生毫伏（mV）級的輸出，所以需要進行放大供進一步的處理。而熱電偶的電壓溫度曲線通常以0℃作為參考點，而實際的溫度通常都不是0℃，因此一般都需要采用冷端補償技術(shù)（CJC）。
3.2位移傳感器
　　位移傳感器是位移測量的關(guān)鍵器件，傳感器精度影響著測量的精度。本系統(tǒng)中采用的是可變式線性差動變壓器（LVDT）是一種將位置信號轉(zhuǎn)化成電信號的傳感器，其輸出與可移動磁芯成正比。磁芯在中央初級線圈和兩外層次級線圈所構(gòu)成的變壓器內(nèi)線形移動，初級線圈加電壓激勵，兩次級線圈的繞向相反，因此當磁芯位于中間位置時，凈輸出電壓應(yīng)改為零。但是由于兩個次級線圈繞組和漏感之間的不一致，故輸出不會出現(xiàn)真正的零值。解決以上問題一般都用信號調(diào)理電路，將兩個輸出電壓的值相減。利用這種方法，能夠測量圍繞中心位置的正向變化和負向變化。位移傳感器性能指標為：測量范圍鹵2．5mm，測量電壓鹵12VDC，輸出信號鹵5VDC，非線性度為萬分之五，溫度系數(shù)為十萬分之五。
3.3信號調(diào)理模塊
　　使用ADAM一4018作為溫度傳感器信號的調(diào)理模塊。ADAM一4018是一個16位8通道模擬量輸入模塊，可以直接采集熱電偶信號，可以分別對應(yīng)不同的熱電偶信號，本文中用到其中3個模擬輸入通道，分別用于測試爐體加熱管溫度、被測材料附近溫度和位移傳感器環(huán)境溫度。ADAM一4018其通訊接口為RS一485，所有通道都提供了可編程地輸入范圍。它可以測量多種不同的模擬量信號，例如熱電偶、mV，V，和mA信號，可以轉(zhuǎn)換不同的信號范圍。它內(nèi)部含冷端補償電路，可以進行補償，且自帶Advan-tech Device Manager軟件，避免了軟件中將模擬信號對應(yīng)轉(zhuǎn)換成K型熱電偶的溫度信號的設(shè)置，它可以將模擬電壓對應(yīng)設(shè)定的熱電偶型號，產(chǎn)生溫度信號輸出。避免了繁瑣的插值方法或者是高次多項式的模擬。
3.4數(shù)據(jù)采集卡
　　為了采集信號方便，本系統(tǒng)采用并行32位傳輸總線的PCI一9118HG作為插卡式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這是一款具有16路單端／8路差分輸入的數(shù)據(jù)采集卡，并且含有2路模擬輸出。輸出的信號經(jīng)信號調(diào)理后輸出模擬電壓，通過模擬電壓信號控制調(diào)壓模塊從而控制加熱體的輸出功率。
4 熱膨脹測試的軟件設(shè)計
　　LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，具有功能強大的函數(shù)模塊和通訊協(xié)議，大大減少了軟件開發(fā)的周期，特別是在測試和控制系統(tǒng)當中，能方便地進行。