专利名称：疲劳试验机计量标定虚拟仪器及疲劳试验计量标定方法
技术领域：
本发明涉及一种疲劳试验机的计量标定虚拟仪器及相应的疲劳试验计量标定方法。
背景技术：
疲劳试验机的计量标定的主要参数以力值为主，参照其它试验机(如材料试验机)力值的标定方法，即在试验机上外加一个高精度力传感器，将该高精度传感器采样的值作为标准值与试验机显示的值进行比对。与疲劳试验机不同的是，材料试验机标定的力是固定的力，而疲劳试验机标定的是变化的力。疲劳试验机标定的力，一方面需要能够直观地显示整个周期内力值的变化过程，另一方面由于所连接的高精度传感器跟随疲劳试验机运动部件一起运动，高精度传感器的质量在运动过程中会产生惯性力，该惯性力与传感器质量与加速度有关，因此必须在力值显示时消除传感器惯性力的影响，也就是说需要对检测到的数据进行特定的计算。鉴于上述原因，采用传统的标定方法很难得到准确的标定结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能获得准确标定结果的疲劳试验机计量标定虚拟仪器。为了解决上述技术问题，本发明提供一种疲劳试验机计量标定虚拟仪器，包括控制器组件、PXI-4220采集卡、PXI-4462采集卡、激光位移传感器控制器、激光位移传感器感测头、力传感器A、力传感器B、加速度传感器和显示及打印装置，力传感器A和力传感器B 分别与PXI-4220采集卡相连，加速度传感器与PXI-4462采集卡相连，激光位移传感器感测头与激光位移传感器控制器相连，控制器组件分别与PXI-4220采集卡、PXI-4462采集卡、 激光位移传感器控制器和显示及打印装置相连。作为本发明的疲劳试验机计量标定虚拟仪器的改进疲劳试验机计量标定虚拟仪器还包括远程监控装置，控制器组件与远程监控装置相连。作为本发明的疲劳试验机计量标定虚拟仪器的改进控制器组件包括分别与中央处理器相连的存储器、显示及打印模块、TCP/IP通讯模块、传感器标定模块、传感器信号采集模块、采样信号同步控制模块、采样参数设置模块、数字滤波器模块和力值信号合成模块；PXI-4220采集卡、PXI-4462采集卡和激光位移传感器控制器均分别与传感器信号采集模块和采样信号同步控制模块相连；显示及打印装置与显示及打印模块相连，远程监控装置与TCP/IP通讯模块相连；传感器标定模块分别与力传感器A和力传感器B相连。本发明还同时提供了利用上述疲劳试验机计量标定虚拟仪器所进行的疲劳试验计量标定方法，包括以下步骤1)、利用采样参数设置模块来进行采样参数的设置；2)、采样信号同步控制模块负责实现各信号间的同步采样
采样信号同步控制模块将同步采样的指令通过中央处理器传递给传感器信号采集模块，从而使传感器信号采集模块分别通过PXI-4220采集卡、PXI-4462采集卡、激光位移传感器控制器对应的对力传感器A、力传感器B、加速度传感器以及激光位移传感器感测头所得的数据进行同步采样；具体为传感器信号采集模块同时进行以下几项工作传感器信号采集模块通过PXI-4220采集卡分别采集力传感器A、力传感器B所得的力值；传感器信号采集模块通过PXI-4462采集卡采集加速度传感器所得的加速度值；传感器信号采集模块通过激光位移传感器控制器采集激光位移传感器感测头所得的位移值；3)、中央处理器负责调取上述传感器信号采集模块于同一时间采集到的2个力值、1个加速度值和1个位移值的数据，并将该数据传递至数字滤波器模块进行滤波处理；中央处理器将上述滤波处理后的4个数据放入存储器内进行保存，同一时间内采集到的数据被保存在该时间点的名下；4)、中央处理器负责调取存储器内保存的同一个时间点名下的滤波处理后的2个力值数据至力值信号合成模块，力值信号合成模块根据F = 2*Fa-Fb的计算公式进行数值合成；其中1 为力传感器A所对应的数值，Fb为力传感器B所对应的数值；中央处理器将上述计算所得的F值放入存储器内的相应时间点的名下进行保存；5)、在中央处理器的控制下，传感器标定模块按照设定的间隔时间对力传感器A 和力传感器B的精确度进行检测，并将所得的检测数据传递给中央处理器；在存储器内事先保存有对力传感器A和力传感器B的最低检测精度设定值；中央处理器将上述2个检测数据与保存在存储器内的最低检测精度设定值进行对比，中央处理器将所得的对比结果通过TCP/IP通讯模块传递至远程监控装置，管理人员通过供远程监控装置实时得知检测结果，从而判断是否需要对力传感器A和力传感器B进行标定处理；具体说明如下力传感器A和力传感器B由于选定的是同一型号，因此这2个力传感器的最低检测精度设定值是一致的；当某个力传感器的检测数据劣于最低检测精度设定值时，就说明该力传感器的精度不符合要求，管理人员根据上述判定结果判定是否需要对该力传感器进行标定调整。6)、中央处理器实时的将存储器内保存的同个采集时间点名下的2个力值、1个加速度值、1个位移值和F值的数据通过显示及打印模块的处理后，在显示及打印装置上进行显示或打印；7)、中央处理器实时的将存储器内保存的同个采集时间点名下的2个力值、1个加速度值、1个位移值和F值的数据通过TCP/IP通讯模块传递至远程监控装置，管理人员通过供远程监控装置实时得知结果。作为本发明的疲劳试验计量标定方法的改进步骤1)中的采样参数设置模块对采样参数的设置包括频率设置、滤波方式的设置、滤波参数的设置。本发明属于将虚拟仪器技术在疲劳试验机的计量标定系统中的一个应用。虚拟仪器技术是通过软件将计算机的硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，它把计算机强大的计算处理能力和仪器的测量及控制能力结合起来成为一个系统，通过控制系统实现对数据的实时显示、存储及分析处理。在本发明中力值信号采集采用两通道信号进行合成，力传感器A和力传感器B为两个完全相同的力传感器，并选用NI公司两通道数据采集卡一-PXI-4220采集卡。PXI-4220采集卡能同时对两个通道的桥式传感器信号提供激励电压，从而实现2个传感器信号的直接输入。采用两通道力传感器的目的就是通过对两个完全相同的传感器信号采样，将两个完全一样的传感器刚性连接，将两个通道同步实时采样的信号进行合成，以消除由于外加传感器从而引入附加惯性力对疲劳试验机精度的影响。对于普通测量仪器来说，实现信号的动态合成处理是非常困难的，而这正是虚拟仪器的显著优点之一。位移信号采集由于疲劳试验机位移测量的要求是既要安装使用方便，又不能引入附加力，因此选用Keyence的激光位移传感器，采用非接触测量的方法直接获取位移量。 Keyence激光位移传感器由激光位移传感器感测头(以下简称感测头)和激光位移传感器控制器(以下简称控制器)两部分组成，感测头将位移量传递给控制器，控制器可通过USB 接口连接进入控制器组件。 加速度信号采集加速度值不是疲劳试验机标定的指标，但引入加速度信号可以更加直观地获取加载过程中的机构工况。本发明采用PXI-4462采集卡连接加速度传感器实现加速度信号采集。本发明还包含能通过以太网实现远程监控功能，即用户可通过计算机网络同时监控多台疲劳试验机计量标定虚拟仪器。本发明通过控制器组件实现对PXI-4220采集卡和PXI-4462采集卡的数据动态采集与控制，Keyence激光位移传感器的检测数据也被传递至控制器组件。控制器组件在实现传感器信号直接采样基础上还包含双通道力值信号合成，力值、位移、加速度曲线的动态曲线显示。综上所述，本发明的疲劳试验机计量标定虚拟仪器具有以下优点1、测试精度高，测试过程中无附加力影响；2、系统扩展性强，测试过程实时动态显示，测试结果直观明了 ；3、测试结果及测试报告自动生成，使用简便。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。图1为常规的疲劳试验机基本结构图；图2为本发明的疲劳试验机计量标定虚拟仪器所连接的传感器的连接关系示意图。图3是本发明的疲劳试验机计量标定虚拟仪器的连接关系示意图。
具体实施例方式图1为常规的疲劳试验机基本结构图，图中100为加载装置(如气缸)，200为力传感器，300为被测试件。通过加载装置100对被测试件300进行疲劳试验，由力传感器200测试加载的力值，将该值作为反馈量并通过控制系统对疲劳试验机加载进行控制。本发明所涉及的疲劳试验机计量标定虚拟仪器用于计量部门或疲劳试验机生产厂家对上述疲劳机的力值、位移量(被测试件300的变形量)及加速度(被测试件300的加速度)参数进行计量标定时所使用的专用仪器设备。为了能对力、位移及加速度进行标定，需要在疲劳试验机上安装高精度传感器，由该传感器显示值与疲劳试验机本身显示的数值进行比对。如图2所示，除加载装置100、力传感器200及被测试件300外，还增加了力传感器A5和力传感器B6，力传感器A5和力传感器B6均为高精度力传感器(例如可选用蛘埠宇航传感测控工程有限公司生产的高精度测力传感器S型)，力传感器A5和力传感器B6是两个完全相同的力传感器，安装在加载装置 100与力传感器200之间。通过这两个高精度力传感器(即力传感器A5和力传感器B6)测试加载的力值，能够有效消除由于传感器运动所产生的惯性力对力值测量精度的影响。在被测试件300的受力侧粘接加速度传感器7，通过该加速度传感器7直接测量被测试件300受力端的加速度值，在被测试件300下方直接放置非接触式的激光位移传感器感测头42，激光位移传感器感测头42用于采集被测试件300的位移值。具体如图3所示，图3给出了一种疲劳试验机计量标定虚拟仪器，由控制器组件1、 PXI-4220采集卡2、PXI-4462采集卡3、激光位移传感器控制器41、激光位移传感器感测头 42、力传感器A5、力传感器B6、加速度传感器7、显示及打印装置8和远程监控装置9组成。控制器组件1包括分别与中央处理器10相连的存储器11、显示及打印模块12、 TCP/IP通讯模块13、传感器标定模块14、传感器信号采集模块15、采样信号同步控制模块 16、采样参数设置模块17、数字滤波器模块18和力值信号合成模块19。PXI-4220采集卡 2、PXI-4462采集卡3和激光位移传感器控制器41分别与传感器信号采集模块15相连， PXI-4220采集卡2、PXI-4462采集卡3和激光位移传感器控制器41还分别与采样信号同步控制模块16相连；力传感器A5和力传感器B6分别与PXI-4220采集卡2相连，加速度传感器7与PXI-4462采集卡3相连，激光位移传感器感测头42与激光位移传感器控制器41 相连；显示及打印装置8与显示及打印模块12相连，远程监控装置9与TCP/IP通讯模块13 相连；传感器标定模块14分别与力传感器A5和力传感器B6相连。利用上述疲劳试验机计量标定虚拟仪器所进行的疲劳试验计量标定方法，依次进行以下步骤1、利用采样参数设置模块17来进行采样参数的设置；通过采样参数设置模块17对采样的具体参数进行设置，主要设置内容包括采样频率设置、采用何种滤波方式(低通滤波、高通滤波、带通滤波或中值滤波等)以及每种滤波器的滤波参数设置(如采用低通滤波，则需设置低通滤波器阶数、截止频率等参数)。2、采样信号同步控制模块16负责实现各信号间的同步采样，具体如下采样信号同步控制模块16将同步采样的指令通过中央处理器10传递给传感器信号采集模块15，从而使传感器信号采集模块15对激光位移传感器感测头42、力传感器A5、 力传感器B6和加速度传感器7所得的数据进行同步采样。具体如下在同一时间内，传感器信号采集模块15同时进行以下几项工作传感器信号采集模块15通过PXI-4220采集卡2分别采集力传感器A5、力传感器B6所得的力值；传感器信号采集模块15通过PXI-4462采集卡3采集加速度传感器7所得的加速度值；传感器信号采集模块15通过激光位移传感器控制器41采集激光位移传感器感测头42所得的位移值。3、中央处理器10负责调取上述传感器信号采集模块15于同一时间采集到的2个力值、1个加速度值和1个位移值的数据，并将该数据传递至数字滤波器模块18进行滤波处理。中央处理器10将上述滤波处理后的4个数据放入存储器11内进行保存，同一时间内采集到的数据被保存在该时间点的名下。4、中央处理器10负责调取存储器11内保存的同一个时间点名下的滤波处理后的 2个力值数据至力值信号合成模块19，力值信号合成模块19根据F = 2*Fa-Fb的计算公式进行数值合成。其中1 为力传感器A5所对应的数值，Fb为力传感器B6所对应的数值。通过该方法使得力值标定与力传感器的质量和运动加速度均无关，因此无论加速度值的如何变化，均不会对力传感器的标定值产生影响。中央处理器10将上述计算所得的F值放入存储器11内的相应时间点的名下进行保存。5、在中央处理器10的控制下，传感器标定模块14按照设定的间隔时间对力传感器A5和力传感器B6的精确度进行检测，并将该检测数据传递给中央处理器10。在存储器 11内事先保存有力传感器A5和力传感器B6的最低检测精度设定值(为同一值，原因是由于力传感器A5和力传感器B6是两个完全相同的力传感器)；中央处理器10将上述2个检测数据与保存在存储器11内的最低检测精度设定值进行对比，中央处理器10将所得的对比结果通过TCP/IP通讯模块13传递至远程监控装置9，管理人员通过供远程监控装置9实时得知检测结果，从而判断是否需要对力传感器A5和力传感器B6进行标定处理；当力传感器A5或者力传感器B6的检测数据劣于最低检测精度设定值时，就说明向对应的该力传感器的精度不符合要求，管理人员根据上述判定结果需要人为对该力传感器进行标定调整(此标定调整属于本行业的常规技术)。标定包含两方面的意思一是使用标准的计量仪器对所使用仪器的准确度(精度)进行检测是否符合标准。二是有校准的意思。本系统是作为标准的计量仪器对疲劳试验机进行计量标定。由于本仪器采用迭加式标定方式，所采用的力传感器A5和力传感器B6 也必须经过更高一级的标准计量仪器进行校准。通过高一级标准计量仪器标定结果校准本仪器所使用的力传感器A5和力传感器B6，从而保证力传感器A5和力传感器B6的测试精度。6、中央处理器10实时的将存储器11内保存的同个采集时间点名下的2个力值、 1个加速度值、1个位移值和F值的数据通过显示及打印模块12的处理后，在显示及打印装置8上进行显示或打印。7、中央处理器10还实时的将存储器11内保存的同个采集时间点名下的2个力值、1个加速度值、1个位移值和F值的数据通过TCP/IP通讯模块13传递至远程监控装置9，从而使管理人员通过远程监控装置9实时得知结果。 最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.疲劳试验机计量标定虚拟仪器，其特征是包括控制器组件(1)、PXI-4220采集卡 (2)、PXI-4462采集卡C3)、激光位移传感器控制器、激光位移传感器感测头02)、力传感器A(5)、力传感器B(6)、加速度传感器(7)和显示及打印装置(8)，所述力传感器A(5) 和力传感器B(6)分别与PXI-4220采集卡( 相连，加速度传感器(7)与PXI-4462采集卡(3)相连，激光位移传感器感测头0 与激光位移传感器控制器Gl)相连，控制器组件 (1)分别与PXI-4220采集卡(2)、PXI-4462采集卡(3)、激光位移传感器控制器(41)和显示及打印装置⑶相连。
2.根据权利要求1所述的疲劳试验机计量标定虚拟仪器，其特征是所述疲劳试验机计量标定虚拟仪器还包括远程监控装置(9)，所述控制器组件(1)与远程监控装置(9)相连。
3.根据权利要求2所述的疲劳试验机计量标定虚拟仪器，其特征是所述控制器组件 (1)包括分别与中央处理器(10)相连的存储器(11)、显示及打印模块(12)、TCP/IP通讯模块(1 、传感器标定模块(14)、传感器信号采集模块(1 、采样信号同步控制模块(16)、 采样参数设置模块(17)、数字滤波器模块(18)和力值信号合成模块(19) ；PXI-4220采集卡Q)、PXI-4462采集卡C3)和激光位移传感器控制器Gl)均分别与传感器信号采集模块 (15)和采样信号同步控制模块(16)相连；显示及打印装置(8)与显示及打印模块(12)相连，远程监控装置(9)与TCP/IP通讯模块(1 相连；传感器标定模块(14)分别与力传感器A (5)和力传感器B (6)相连。
4.利用如权利要求1 3任一疲劳试验机计量标定虚拟仪器所进行的疲劳试验计量标定方法，其特征是包括以下步骤1)、利用采样参数设置模块(17)来进行采样参数的设置；2)、采样信号同步控制模块(16)负责实现各信号间的同步采样采样信号同步控制模块(16)将同步采样的指令通过中央处理器(10)传递给传感器信号采集模块(15)，从而使传感器信号采集模块(1 分别通过PXI-4220采集卡O)、 PXI-4462采集卡(3)、激光位移传感器控制器对应的对力传感器A (5)、力传感器 B(6)、加速度传感器(7)以及激光位移传感器感测头0 所得的数据进行同步采样；3)、中央处理器(10)负责调取上述传感器信号采集模块(1 于同一时间采集到的2 个力值、1个加速度值和1个位移值的数据，并将该数据传递至数字滤波器模块(18)进行滤波处理；中央处理器(10)将上述滤波处理后的4个数据放入存储器(11)内进行保存，同一时间内采集到的数据被保存在该时间点的名下；4)、中央处理器(10)负责调取存储器(11)内保存的同一个时间点名下的滤波处理后的2个力值数据至力值信号合成模块(19)，力值信号合成模块(19)根据F = 2*Fa-Fb的计算公式进行数值合成；其中1 为力传感器A ( 所对应的数值，冊为力传感器B (6)所对应的数值；中央处理器(10)将上述计算所得的F值放入存储器(11)内的相应时间点的名下进行保存；5)、在中央处理器(10)的控制下，传感器标定模块(14)按照设定的间隔时间对力传感器A(5)和力传感器B(6)的精确度进行检测，并将所得的检测数据传递给中央处理器(10)；在所述存储器(11)内事先保存有力传感器A 和力传感器B(6)的最低检测精度设定值；中央处理器(10)将上述2个检测数据与保存在存储器(11)内的最低检测精度设定值进行对比，中央处理器(10)将所得的对比结果通过TCP/IP通讯模块(1 传递至远程监控装置(9)，管理人员通过供远程监控装置(9)实时得知检测结果，从而判断是否需要对力传感器A 和力传感器B (6)进行标定处理；6)、中央处理器(10)实时的将存储器(11)内保存的同个采集时间点名下的2个力值、 1个加速度值、1个位移值和F值的数据通过显示及打印模块(1 的处理后，在显示及打印装置(8)上进行显示或打印；7)、中央处理器(10)实时的将存储器(11)内保存的同个采集时间点名下的2个力值、 1个加速度值、1个位移值和F值的数据通过TCP/IP通讯模块(1 传递至远程监控装置 (9)，管理人员通过远程监控装置(9)实时得知结果。
5.根据权利要求4所述的疲劳试验计量标定方法，其特征是所述步骤1)中采样参数设置模块(17)对采样参数的设置包括频率设置、滤波方式的设置、滤波参数的设置。
全文摘要
本发明公开了一种疲劳试验机计量标定虚拟仪器，包括控制器组件(1)、激光位移传感器感测头(42)、力传感器A(5)、力传感器B(6)、加速度传感器(7)等，力传感器A(5)和力传感器B(6)分别与PXI-4220采集卡(2)相连，加速度传感器(7)与PXI-4462采集卡(3)相连，激光位移传感器感测头(42)与激光位移传感器控制器(41)相连，控制器组件(1)分别与PXI-4220采集卡(2)、PXI-4462采集卡(3)、激光位移传感器控制器(41)和显示及打印装置(8)相连。本发明还同时公开了利用上述疲劳试验机计量标定虚拟仪器所进行的疲劳试验计量标定方法。
文档编号G01N3/62GK102539266SQ201210002850
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者谢毅 申请人:浙江工商大学