基于虚拟仪器的热膨胀仪测试系统设计

　　热膨胀仪测试系统国内目前大多使用VC开发,其编程过程复杂,仪器之间的通信实现十分繁琐,需要花费大量的时间。美国NI公司提出的虚拟仪器是一种综合的测试技术[1],它通过在计算机上添加几种共性的基本仪器硬件模块,通过软件的思想来组合成各种功能的仪器和系统的仪器设计思想。虚拟仪器技术利用LabVIEW进行开发, Lab-VIEW系统开发能缩短复杂程序的开发时间,更迅捷、更经济地解决测试问题,而且它的界面友好,这使得它已经越来越多地在应用在测试领域[2]。它内置了PCI,DAQ,GPIB,PXI,VXI,RS-232和RS-485各种通信总线标准,具有强大的外部接口功能,能够简单的完成软件间的接口通信,使用LabVIEW软件进行编程,能够节约时间和成本。由于虚拟仪器开发简单、快捷的特点,本文利用LabVIEW软件开发出一套热膨胀仪测试系统,系统界面友好、操作简便、易于测量,并使用其强大的接口通信功能,通过VISA通信实现了信号的测量和数据的采集、分析处理、存储和显示。

　　1热膨胀测试的总体方案设计

　　测试系统通过将被测材料放在加热炉体内,随着温度升高,材料受热膨胀后膨胀量通过顶杆将膨胀量传递到位移传感器上,位移传感器器所测得的位移量就是材料热膨胀变化的位移量。随着炉体温度的升高,系统将温度信号和变化的位移信号通过数据采集和处理分别实时地传到计算机中,通过热膨胀公式计算获得材料的热膨胀系数,这就是测量热膨胀的基本原理。测试的总体结构如图1所示。

　　首先通过位移和温度传感器作为信号的输入,信号通过调理模块进行放大、滤波,经过数据采集后传送到PC中,来获得当前的温度信号与位移信号。利用PID控制算法对电加热炉温度进行的控制,使得温度线性上升,随着这个线性的温度变化,可以同时通过测量材料的膨胀量来获得热膨胀曲线,最终可以通过膨胀曲线和测试的数据获得在任意温度段内的膨胀系数。

　　2热膨胀仪测试的基本硬件

　　2.1温度传感器

　　温度的检测采用镍铬-镍硅热电偶(K型热电偶),K型热电偶具有线性度好,热电动势大,灵敏度高,稳定性和均匀性好等特点,能测最高温度为1 300℃,[3]且小型牢固,能在恶劣环境下使用,但它们只能产生毫伏级的输出,所以需要进行精确放大供进一步的处理。而热电偶的电压温度曲线通常以0℃作为参考点,而实际的温度通常都不是0℃,因此一般都需要采用冷端补偿技术。

　　2.2位移传感器

　　位移传感器是位移测量的关键器件,传感器精度影响着测量的精度。本系统中采用的是可变式线性差动变压器是一种将位置信号转化成电信号的传感器[4],其输出与可移动磁芯成正比。磁芯在中央初级线圈和两外层次级线圈所构成的变压器内线形移动,初级线圈加电压激励,两次级线圈的绕向相反,因此当磁芯位于中间位置时,净输出电压应改为零。但是由于两个次级线圈绕组和漏感之间的不一致,故输出不会出现真正的零值。解决以上问题一般都用信号调理电路,将两个输出电压的绝对值相减,利用这种方法,能够测量围绕中心位置的正向变化和负向变化。位移传感器性能指标为:测量范围±2. 5 mm,测量电压±12 V,输出信号±5 V,非线性度为。