采用LabVIEW和SCXI信号调理系统实现昆虫足力测试实验文档格式.doc
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单位：
南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所
应用领域：
研究开发
挑战：
实现昆虫爬行过程中多个微小的三维足底接触力的同步测量，分析昆虫在地面、壁面、天花板上爬行时多足协调配合的运动规律，揭示动物运动力学的规律。
由于信号十分微小，因此需要高精度、高性能的数据采集和信号调理。
图1黄斑蝽爬行于三维微载荷测力阵列的照片。
构成测力片和外伸悬臂梁均为有机玻璃。
摄像机可以从阵列下方，透过阵列拍摄到爬行的昆虫爬行的全过程。
应用方案：
运用半导体应变测试技术研制三维微力传感器，并将其组成3×
3阵列。
采用SCXI信号调理系统，通过其多路传感器激励，同步采样保持，以及多路复用等功能，实现了多通道应变同步测试。
用LabVIEW开发实验专用的测试软件，将27路三维力信号通过数据图线的形式实时显示并保存。
使用的产品：
PCI-6052E多功能数据采集板卡；
SCXI-100112槽信号调理机箱；
SCXI-1520通用应变仪输入模块；
LabVIEW6.1完全开发版.
介绍
昆虫能够自如地在各种表面爬行，其脚掌与表面接触的作用力起到了相当大的作用。
而对于仿生研究，特别是在仿生机器人的研究过程中，揭示生物爬行过程中各个脚掌与表面的接触力的规律，对于机器人步态规划、运动平衡控制等都具有极其重要的意义。
为了实现对昆虫爬行过程中多个脚掌与表面之间三维接触力的同步测量，我们采用SCXI信号调理系统，通过其多路传感器激励，同步采样保持，以及多路复用等功能，研制出昆虫三维足力测试系统。
正文
一、国内外相关研究情况介绍
近些年来，国内外开展了大量相关生物力学的测试工作。
其中比较有代表性的有美国LewisandClark学院的KellarAutumn与美国Stanford大学合作，利用微细加工和离子注入等技术研制成nN级的两维测力传感器，可以测量一定垂直预压力下的水平侧向力。
2003年，美国Stanford大学机械工程系的MichaelStephenBartsch博士用硅微技术自行研制了一种4维接触力传感器。
运用该传感器，Bartsch博士成功地测得了蚂蚁在爬行过程中，各个足与表面之间的4维接触力。
昆虫爬行过程中各个足之间如何同步协调配合，并通过与表面之间的作用力和昆虫自身重力，实现稳定自如的驱动？
要认识其中的奥秘，需要将多个微小量程的多维测力传感器在小面积内组成测力阵列，在测试信号调理和数据采集的过程中，注意各个通道信号之间的同步性，所获得的数据才具有分析价值。
南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所近年来致力于仿生结构与材料防护的研究。
对三维微载荷传感器阵列和昆虫爬行足力测试系统的研制目前已经取得阶段成果。
三维微载荷测力阵列系统已经申请发明专利。
二、三维微载荷测力阵列
三维微载荷测力阵列，由多个三维微力传感器按照一定规则排列安装，传感器前端测力片在同一平面上组成一定规模（3×
3）的阵列。
弹性体上三处变截面部分（薄悬臂梁）贴有三组半导体应变片。
三组桥路的输出信号经过标定、换算（解耦），可以求得测力片上表面所受力的三个空间分量Fx、Fy、Fz。
昆虫在测力片上表面爬行过程中，脚掌独立踩踏在某一个测力片上时，对应的传感器将产生相应桥路输出信号变化。
三、信号调理系统的最初方案
图2A图为未采用SCXI信号调理模块获得的实验数据图线，B图为采用SCXI信号调理模块获得的实验数据。
两次实验使用的虫子种类相同，体重相近，且使用了相同的传感器。
采用SCXI信号调理系统后，获得的实验数据有明显较高的信噪比。
传感器的桥路输出信号，通常比较微弱。
三维微力传感器上所使用的半导体应变片虽然具有很大的灵敏系数和名义阻值，但由于所测量的力相当小，在金属弹性体表面产生的应变量也比较小。
因此，桥路输出信号还是比较微弱。
在最初的方案中，我们使用了简易的信号调理板卡，只对桥路输出信号进行一定倍数的放大，并用手调电位器调节每一组桥路的初始输出电压，然后直接将信号送入数据采集卡。
这个方案在实际操作过程中遇到了很多麻烦。
例如，由于桥路中对应的一组应变片阻值偏差过大，造成桥路初始输出电压无法通过调零电位器调到零位，甚至无法将输出电压调整到数据采集卡的输入范围内；
由于没有在信号调理板卡上安排低通滤波的环节，原本微弱的信号在传输过程中接受到很多环境噪声的干扰，大大降低了信噪比，其中很大部分是由于50Hz工频干扰，这又与供桥电源的质量有关系；
由于测试之前，每一路信号都需要用手调电位器进行初始调零，实验的准备时间很长，操作人员工作量很大。
使用这套简易的信号调理板卡完成了对黄斑蝽爬行足底接触力的测试实验（单个三维微力传感器）后，我们认为这样的信号调理方案不适合应用于三维微载荷测力阵列实验中使用。
四、使用SCXI信号调理系统
在对国内外相关研究课题和仪器设备供应商进行调研之后，特别是参考了前述Autumn和Bartsch的实验方案和设备后，我们选择了NationalInstruments的SCXI信号调理系统作为三维微载荷测力阵列昆虫足力测试实验用的信号调理装置。
我们使用的这套设备包括一个SCXI-1001机箱，内部安装了4块SCXI-1520通用8通道应变测量模块，SCXI-1314是与SCXI-1520配套的外部接线模块。
图3测试系统组成
测力阵列中每一个传感器的所有引线，通过SCXI-1314接线端口与SCXI-1520模块相连接。
每一块SCXI-1520可以实现8组独立桥路的信号调理。
每组桥路的供桥激励电压也由模块内的程控电源提供，且八组桥路的供桥电源彼此独立，供桥电压可设定为0-10V内的17个级别，输出非常稳定。
除实现信号放大的功能外，SCXI-1520模块还带有低通滤波功能。
通过使用截止频率为10Hz的低通滤波以及稳定的激励电源，可以有效提高信号的信噪比。
采集信号的同步是传感器阵列测试中非常重要的一个环节。
SCXI-1520具有同步采样与保持的特性。
基于内部T/H（TrackandHold）电路的作用，虽然SCXI－1001机箱内有4块SCXI-1520信号调理卡，但这四块信号调理板卡上的每个通道每次输出给数据采集卡作A/D转化的数据是同步的。
配合PCI-6052E数据采集卡，在多路复用模式下，可以用较低的成本实现多通道的同步采样。
根据NI公司的用户手册和相关帮助文档中关于最大采样率的计算公式。
该套信号调理和数据采集系统，在27通道同时采集的工作状态下，运用TraditionalNIDAQDriver，最大采样率可以达到每秒3460次扫描，作者在未来的研究中计划采用新的NIDAQmx驱动，速度将会大大提高。
在昆虫足力测试实验中，设定采样率为2000scans/s，所获得的结果在多通道同步性、采样时钟的稳定性等方面足以满足实验要求。
五、快捷高效的LabVIEW开发环境
在研制昆虫足力测试实验的过程中，LabVIEW软件开发环境的运用，节约了大量的时间。
从传感器检测、标定，到单个传感器昆虫足力测试实验，再到传感器阵列测试实验，LabVIEW的快捷高效便于维护的特点发挥了很大的作用。
昆虫足力测试实验，要求相关测试软件能够将各个传感器上每一个通道的数据用图线的形式实时显示在前面板上。
由于昆虫自由爬行过程中不受控制，在触发数据保存之后，昆虫未能及时爬上阵列，将造成实验失败。
Bartsch博士的昆虫爬行实验也遇到了相同的问题。
根据相关论文的统计，在做蟑螂实验时，获得有效数据的实验比例不超过20%，做蚂蚁爬行实验时获得有效数据的比例也只在60%左右。
为了解决这个问题，我们对测试软件做了改进，有效地改善了获得有效数据的几率。
解决的方案是通过在LabVIEW程序中安排内存中的数据队列，触发数据保存之后所保存的是前6秒钟内采集到的数据。
使用这种方法后，获得有效数据的实验比率提高了，在有限的时间内获得大量的有效实验数据，无疑对后期数据分析起到了很大的帮助。
由于LabVIEW程序的修改方便，可维护性强，在做实验的时候，可以方便地根据实验方案调整自己的数据采集程序。
其快捷高效的特点是其他开发语言无法比拟的。
因此，我们认为，对于实验室中的生物力学测试实验，使用LabVIEW作为测试软件的开发语言，无疑是很好的选择。
六、总结
图4用LabVIEW开发的三维微载荷阵列实验程序前面板
三维微载荷测力阵列中使用的三维微力传感器是基于半导体应变测量和非力学加工工艺制成的传感器，而不是国内外通常使用的基于MEMS技术的硅微传感器。
因此，相对硅微材料传感器，有非常明显的研发成本和制造成本方面的优势。
目前市场上相同量程的一维微力传感器，连同其配套的信号调理二次仪表的价格在1万美元以上。
通过采用NI公司的SCXI系列信号调理系统，使得原本比较烦琐的传感器调试的工作变得轻松简单。
获得的测试数据与国外采用硅微传感器完成的实验相比，信号信噪比更高，反应的力学特征更加明显。
通过LabVIEW开发实验软件，可以方便地根据实验方案对程序进行调整，以获得满意的实验数据，极大地减少了实验后的数据处理工作量。
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