桥梁结构试验测试系统设计.docx
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桥梁结构试验测试系统设计
桥梁结构试验测试系统设计
课程设计
指导老师：
张训文
学院：
宇航学院
专业：
_
班级：
学号：
姓名：
一系统设计技术指标
1.1系统设计技术指标
1.2系统设计要求
二数据采集系统设计分析
2.1数据采集系统概述
2.2数据采集系统方案分析
2.3数据采集系统方案选择
三计算机数据采集系统设计
3.1传感器的选择
3.2放大器的选择
3.3A/D转换器的选择
3.4记录仪器的选择
3.5测试系统框图
3.6测试系统误差计算
四计算机数据采集系统程序设计
4.1程序所用语言的选择
4.2程序流程图
4.3程序分析（程序说明）
4.4程序清单
五课程设计总结
参考文献
一、测试系统设计技术指标
1.1、测试系统设计技术指标
1测量参数
A.测试主推力F：
0~150KN；
B.加速度a1：
0~200g；
a2：
0~400g；
a3:
0~1000g;
C.测试位移W１：
0~10mm;
W2:
0~10mm;
2测试系统精度要求：
<1.0%
3采集通道;6路（分别测量6个参数）
4采用两种记录方式：
A.磁带记录方式B.计算机记录方式
1.2系统设计要求
1、测试系统设计分析，确定最佳方案。
2、计算机数据采集系统设计。
3、六路信号采集程序设计及分析。
二、数据采集系统设计分析
2.1数据采集系统概述
计算机数据采集系统（DAS，DataAcquisitionSystem）是计算机技术与传统的测试技术相互结合而产生的自动测试技术。
它可以满足现代科学实验和生产过程中，测量精度高、路数多、速度快、结果显示和打印形式多样化的要求。
数据采集系统包括模拟系统和数字系统两部分，能完成对信号的采集、转换、处理等功能。
一个完善的数据采集系统包括前置放大器、采样保持器、A/D转换器、计算机和各种记录仪器。
2.2数据采集系统方案分析
数据采集系统的设计方案主要有以下三种：
1、单片机数据采集系统
图2.1单片机数据采集系统框图
优点：
结构简单，价格低廉，使用灵活，应用广泛
缺点：
扩展性能差，存储、显示、数据处理功能差
2、“计算机+A/D转换器”组合型数据采集系统
图2.2“计算机+A/D转换器”组合型数据采集系统框图
优点：
扩展性好，价格适中，测试通道多
缺点：
采集程序需自行开发
3、整机行数据采集系统
图2.3整机行数据采集系统框图
其中动态测试分析仪是A/D（或A/DD/A）采集卡，计算机和软件的组合体。
优点：
操作方便
缺点：
价格高，扩展性差
2.3数据采集系统方案选择
分析系统设计技术指标可知，此测试系统简单，测试通道是6路，采集频率适中（10KHz），故采用方案1或方案2能达到较高的效费比。
经过分析，采用单片机数据采集系统能够达到设计要求，同时单片机测试系统还具有结构简单、使用灵活、价格低廉的优点，而且这些优点对于室外环境下的测试是十分明显的。
但是考虑到综合效应，比如测试系统对数据实时显示、数据实时处理分析、数据处理等方面的要求，故不采用单片机数据采集系统。
综上分析，此数据采集系统采用方案2——“计算机+A/D转换器”组合型数据采集系统。
三、计算机数据采集系统设计
3.1传感器的选择
3.1.1传感器的选择原则
（1）完成一个具体的测试任务或控制任务，首先要考虑用什么类型的传感器，这需要分析许多因素才能决定。
因为，要检测某种物理量，有多种传感器可供选择。
在机电一体化检测控制系统设计中，我们考虑了以下几个具体问题：
A.传感器量程的大小
B.传感器的体积，允许安装位置
C.安装方式，接触式还是非接触式
D.信号的引出方式，有线或非接触测量
E.传感器的来源，国内、国外或自制
考虑以上问题后，就能确定采用什么类型（电阻型、电压型、电感性、电容型、热电偶、光电式传感器）的传感器，然后我们进行了具体的选择。
还应注意在多参数数据采集系统中，应尽量选用同一类型的传感器，这样就能大大简化放大电路的设计。
2量程的选择
主要依据是被检测信号的大小，考虑到传感器的线性适用范围和被检测信号具有偶然性的因素，传感器量程的选择应该有余量。
选择的原则是：
A：
一般性检测：
Pmax≥（1.2~1.5）Px
B:
实验研究性测量：
Pmax≥（2~3）Px
C:
控制信号检测：
Pmax≥（1.2~2）Px
3频率响应特性
传感器的频率响应范围必须覆盖被检测信号的带宽，确保被测信号的频率范围内所得的测试结果不失真。
实际上传感器的响应总会有一定的延迟时间，延迟时间越短越好。
在工程检测和控制系统中，常用的传感器如利用光电效应，压电效应等类型的传感器，其响应的速度快，能检测的信号频率范围较宽，而结构型传感器如电感式，电容式，电磁式，电阻应变式等，由于受到结构特性的影响，固有频率较低，可测信号的频率通常小于5KHz。
选择传感器时，应根据被检测的信号的特点（稳态，瞬态，随机等）进行选择，选择的原则是
fn≥（5~10）fxfg≥（1.2~1.5）fx
其中fn：
传感器的固有频率。
Fg：
传感器的工作频率
4稳定性与可靠性
传感器在使用一段时间后，其性能不发生变化的特性被称为稳定性；在不同的环境和使用条件下，其性能不发生变化的特性称为可靠性。
为了保证传感器在使用过程中性能稳定可靠，在使用之前应对其工作的环境进行调查，从而选择合适的传感器。
例如，测量喷气式发动机的内压力，就应该选择耐高温，耐冲击，耐振动的压力传感器，在温度变化较大的场合使用应变式传感器，就应该考虑温度的补偿保护问题，在环境较差时，应选择抗干扰能力较强的应变式传感器，同时应考虑屏蔽保护的问题，在振动测试中，应选择压电式传感器，它的体积小，重量轻，不易对被测对象产生影响。
5精度
传感器的精度是保证整个系统的测试精度达到设计要求的重要环节。
传感器的精度越高，价格越贵，选择时应在满足同一测量精度要求的情况下选择比较便宜简单的。
3.1.2传感器的选择
1）测试主推力测量方案
测量范围：
0～150KN；采用电阻应变式力传感器，型号为BK系列，参数为：
A．量程:
200KN（工程上单位换算:
1KN=100Kg，
100KN=1t）
B．频率：
10KHZC：
精度：
0.5%
D．外形尺寸：
φ65*88（L）*75（B）mm.
2）加速度a1测量方案：
测量范围：
0～200g采用YA11系列加速传感器
A.量程：
500gB:
频率:
50KHzC：
精度：
0.5%
3）加速度a2测量方案：
测量范围：
0～400g采用YA11系列加速传感器
A.量程：
500gB:
频率:
50KHzC:
精度：
0.5%
4）加速度a3测量方案：
测量范围：
0～1000g采用YA11系列加速传感器
A.量程：
2000gB:
频率:
50KHzC：
精度：
0.5%
5）位移W1测量方案：
测量范围：
0～10mm采用传感器WD50A
A.量程：
20mmB：
频率:
2KHZC：
精度：
0.5%
6）位移W2测量方案：
测量范围：
0～20mm采用传感器WD50A
A.量程：
50mmB：
频率:
3KHZC：
精度：
0.5%
3.2放大器的选择
3.2.1放大器的选择原则
选择放大器时，应根据传感器的类型来选择放大器的类型，应该与传感器的类型相匹配。
具体选择原则是：
（1）应变式或电阻型传感器
应选择动态电阻应变仪，信号调节器，应变放大器，自动校准放大器等。
根据具体测量信号频率和精度选择不同型号的放大器。
主要有BZ2202系列（手动、自动：
1路、2路）、YE38（KD600）系列、YB系列，一般放大倍数为0—1000，频率为10K—150KHz，精度为0.1%-0.2%。
（2）压电传感器
应选用电荷放大器，主要有YE5850、5007、9013，这些都是超低频的（0-100K）。
具体型号可参考《电荷放大器使用手册》。
（3）电感、电容式传感器
应选用载波交流放大器配套。
根据具体的检测与控制精度要求，选择相应型号的交流放大器。
可参考《放大器使用手册》。
（4）热电偶式器
应选用直流电压放大器
（5）光电式式传感器
应选择相应的光电转换器，根据具体的检测与控制精度要求，选择相应的配套光电放大器；也可用三极管（9013等）组成开关电路。
3.2.2放大器的选择方法
在本次桥梁结构实验相关参数的测试，查阅放大器手册后，此系统可先择BZ2202型动态电阻应变仪，参数为：
放大倍数：
K=0～1000，根据测试信号要求分档选择放大倍数
频率：
1KHZ，3KHZ，5KHZ，10KHZ，30KHZ，150KHZ，
精度：
0.5%，0.1%，0.02%
3.3A/D转换器的选择
1A/D转换器的主要性能指标；
（1）A/D转换器采集频率：
10KHz————100MHz
10KHz——100KHz低速采集板
100KHz——330KHz中速采集板
500KHz——-100MHz高速采集板
（2）A/D转换器的位数
8位板，10位板，12位板，14位板。
16位板
（3）A/D转换器的通道数
2路，4路，6路，8路16路。
（4）A/D转换器的精度
1%——0.5%，0.5%——0.1%，0.1%——0.05%，0.005%
（5）A/D转换器的型号
SC系列PLC系列CS系列DAS系列
2A/D转换器的选择方法
设计数据采集系统的选择原则
A．采集频率的确定:
Fs
B.并行采集工作方式的：
Fs>20Fc
C．串行采集方式的Fs>n*20Fc
其中Fc：
信号频率n：
工作通道数Fs：
A/D采集频率。
D采集精度根据测试系统的精度要求选择转换板。
常用12位的A/D转换器的精度小于0.05%。
计量部门常用的是14位的转换精度为0.01%,0.005%,0.002%,0.0002%。
E：
输入方式:
常用差分输入方式，程控方式
F：
启动工作方式：
程序控制方式，外输入电压控制方式，自动启动方式
3常用转换板型号
1SC系列采集频率:
30KHZ～10MHZ
2PCL系列采集频率:
100KHZ～MHZ
3CS000系列采集频率:
1.25MHZ～00MHZ
A/D转换器的选择，此系统选择SC105型的A/D转换板，参数为：
A．分辨率：
12位；B.最高采样频率：
330KHZ；C.精度:
0.05%
3.4记录仪器的选择
3.4.1记录仪选择方案
（1）磁带记录方式
由于磁带具有容量大，存储时间长的特点，因此选择磁带机作为一种记录仪器。
磁带上记录的是模拟电压量。
（2）计算机记录方式
计算机记录数字量的实验数据，便于数据处理分析和长久保存。
3.4.2记录仪器的选择
（1）磁带机记录：
型号：
TEAKDX2000
精度：
0.2%
（2）计算机记录：
机器配置：
P4
采用程序存盘记录方式记录数据。
力传感器
（BK系列）
加速度传感器3
（YA11系列）
动
态
电
阻
应
变
仪
BZ2202
A/D-105A
计算机
P4
磁带记录仪
（XD200）
加速度传感器2
（YA11系列）
加速度传感器1
（YA11系列）
3.5测试系统框图
位移传感器2
（WD50A）
3.6测试系统误差计算
根据系统总精度计算公式：
其中
——传感器精度
——中间变换器精度
——记录仪精度
（1）磁带记录仪
（2）计算机记录
符合系统设计要求
四、计算机采集系统程序设计
4.1程序所用语言选择
目前前大部分单片机的发开语言都为C语言，它比汇编语言要
简洁，且易于修改、移植等等优点。
所以在此系统设计中采用C语言。
4.2程序流程图
文件头
函数定义
界面设定
A/D工作条件的设定
A/D初始化
采集同步控制0X41外控制法
采集数据显示
数字量计算为电压量
数据擦机存入方法
数据图形显示
4.3程序分析
在本次实验中具体程序设计如下：
a.源程序名：
UA105N.C，调试环境：
TC2.0
b.由于试验条件限制，实际编写的程序是针对UA105型A/D多功能版的。
c.UA105型A/D多功能版有多种采集方式（触发方式和通道选择方式的组合）。
d.通过本程序可以实现以下功能：
A．UA105型A/D多功能板采样方式的试验；
B．选用16通道A/D转换器，任意点数的试验数据采集；
C．采集频率为200KHz，采集通道数为6，采集通道
0-5，触发方式软件触发等可以设定；
D．任意通道的数据显示、绘图、储存；
E．采集循环
4.4程序清单
文件头：
include是每一个C语言函数所必须调用的语句。
/*计算机数据采集程序*/
/*文件头*/
/*UA105nTC2.0*/
#include"stdio.h"
#include"dos.h"
#include
FILE*in1;
2.函数定义:
是C语言程序设计必不可少的一部分，定义了整个程序所要使用的整体变量，如采集通道数、采集点数、采集频率等。
main（）
{
inti,d,j,k,fr,fcode,baddr,baddr8,n,innm;
unsignedcharch,fch,chn,fh,fl;
intdd[1024*16];/*给每个通道预留1K数据存储空间,在此是可以扩展的，比如有m个变量每个变量分配2K的空间,为intdd[2048*m]*/
unsignedcharg=0;
floatdata[2000],pd[2000],pd1[2000],pd2[2000],pd3[2000],pd4[2000];
floatmax,pmax;
char*argv;
charinchar1,inchar2;
intdriver=DETECT;
intmode=0;
baddr=0x240;/*初始化板基址：
A/D16位数据输入口*/
3.界面设定：
为程序的界面设计部分，这个程序的作用与功能。
printf（“****************************************\n”）;
printf（“Theprogramofdatacollection\n”）;
printf（“guider:
zhangxunwen\n”）;
printf（“designer:
chenhuiling\n”）;
printf（“2011.09.07\n”）;
printf（“**************************************\n”）;
4.A/D工作条件的设定：
这三个参数对采集系统本身的要求，系统本身要求的高低对采集频率、采集数据点有直接的影响，如果使用都输入硬件无法达到的要求的性能指标就容易造成采集的数据混乱。
printf（"fch（0-15）="）;/*初始通道数，“0通道”*
scanf（"%d",&fch）;
printf（"chn（1-16）="）;/*通道个数，“2-3-4”*/
scanf（"%d",&chn）;
printf（"Fr.（KHZ）="）;/*采样，“10kHz-300kHz”*/
scanf（"%d",&fr）;
printf（"N="）;/*采样数据点数，“1000-2000-3000“/
scanf（"%d",&n）;
fcode=4000/fr;/*分频系数，定时触发方式时通过该口输出分频系数可以控制采样频率，4000KHz和4MHz晶体振荡器分频发出等间隔定时脉冲连续触发A/D转换，可以获得准确的采样频率*/
fh=fcode/256;/*高位设定*/
fl=fcode%256;/*低位设定*/
5.A/D初始化程序：
采集析各端口的初始化
outportb（baddr+0x10,0）;/*初始化A/D通道口预置寄存口，清零，因为下面程序再次初始化首通道，所以此句也可以不用*/
outportb（baddr+0x11,0）;/*A/D板控制寄存器初始化，此时FIFO清零禁止采集*/
outportb（baddr+7,0x54）;/*通道工作方式的设定，通道1：
方式2*/
outportb（baddr+7,0x34）;/*通道0：
方式2，先低后高*/
outportb（baddr+0x10,fch）;/*设定自动扫描的首通道*/
outportb（baddr+5,chn）;/*自动扫描的通道数*/
if（chn==1）{outportb（baddr+7,0x70）;}/*如果只有一个通道则以为端口地与方式：
选通道1，方式0，先低后高*/
else{/*否则自动扫描几个通道，并按以下方式：
“自动扫描方式，只需设置首通道和通道
for（i=0;i{outportb（baddr+7,0x10）;每次A/Dl转换后自动转换通道在设定范围内循环采集”*/
outportb（baddr+7,0x34）;/*空循环等待初始化完成*/
}
}
for（i=0;i<1000;i++）{;}
6.采集同步控制：
0X41外控制法
outportb（baddr+4,（unsignedchar）fl）;
outportb（baddr+0x11,0x40）;/*允许开始采集*/
outportb（baddr+4,（unsignedchar）fh）;
baddr8=baddr+8;/*FIFO状态寄存器，可以大大提高数据传输效率和编程的灵活性，A/D数据先行输入存储器，用户在读取数据时不必查询*/
for（i=0;i{
while（!
（inportb（baddr8）&1））
{;}
dd[i]=inport（baddr）^0x8000;}
7.采集数据显示
printf（"dataoutput,yesorno?
"）;
scanf（"%s",&inchar1）;
if（inchar1==’y’）
{
printf（"\n"）;
for（i=0;i<320;i++）/*显示数据*/
{
if（chn<16）
if（!
（i%chn））printf（"\n"）;
printf（"%4X",dd[i]）;
printf（"%+2.4f",dd[i]/16*.002442）;/*电压输出*/
}
}
8.数字量计算为电压表量
for（i=0;i<1500;i++）
data[i]=dd[i]/16*.002442;
9.采集数据存入方法
printf（"\n\tpleaseinputfile’sname:
"）;
scanf（"%s",argv）;
in1=fopen（argv,"w++"）;
for（i=0;i<1500;i++）/*采用文件输出*/
fprintf（in1,"\n%f",data[i]）;
fclose（in1）;
printf（"datahavesaved!
pleasecontinue."）;
printf（"\n"）;
10.数据图形显示
getch（）;
initgraph（&driver,&mode,""）;
ch=0;
while（ch<16）
{setcolor（125）;
{printf（"\nch=（ch>15Quit）"）;/*退出控制*/
scanf（"%d",&ch）;
moveto（0,-dd[0*chn+ch]/275+400-80*chn）;
for（i=0;i<640;i++）/*分通道显示波形，开始存储时是几个通道在一起，显示则必须是分开的*/
{
lineto（i,-dd[i*chn+ch]/275+400-80*chn）;}
setcolor（3）;
{line（0,400-80*ch,800,400-80*ch）;
line（0,20,0,800）;}}}
cleardevice（）;}/*清屏*/
五、课程设计总结
本次设计选择用力传感器、位移传感器，加速度传感器测试6路输入信号，并用动态电阻应变仪、A/D转换器、计算机处理，用磁带记录仪记录。
设计电路简单，并采用c语言编程，基本完成桥梁结构实验测试系统设计任务。
通过短暂的小学期学习，在张训文老师的认真指导下，我得以从整体上了解到机电一体化系统的设计的理论、方法及其运用，深深地体会到了系统设计的重大意义，它不仅要完成期望的测试目的，更要保证一系列不可忽略的技术指标。
其次，我也第一次学习到了论文的写作方法，相信会对我以后学习以及工作有莫大的帮助。
总而言之，这次的小学期的设计课程让我受益匪浅，感谢张老师的教导。
希望张老师身体健康，幸福快乐。
参考文献
1．张训文《电子技术应用与设计》课程设计讲义
2.张训文《机电一体化系统设计与应用》北京理工大学出版社
3.张训文《机电控制与测试技术》2003.12
4.李凤霞《c语言程序设计教程》北京理工大学出版社
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