1、橋梁結構試驗測試系統設計課程設計指導老師：張訓文學院： 宇航學院專業：_班級： 學號： 姓名： 目 錄一 系統設計技術指標1.1 系統設計技術指標1.2 系統設計要求二 數據采集系統設計分析 2.1 數據采集系統概述2.2 數據采集系統方案分析2.3 數據采集系統方案選擇三 計算機數據采集系統設計3.1 傳感器的選擇3.2 放大器的選擇3.3 A/D轉換器的選擇3.4 記錄儀器的選擇3.5 測試系統框圖3.6 測試系統誤差計算 四 計算機數據采集系統程序設計4.1 程序所用語言的選擇4.2 程序流程圖4.3 程序分析（程序說明）4.4 程序清單五 課程設計總結參考文獻一、測試系統設計技術指標1

2、.1、測試系統設計技術指標1 測量參數A. 測試主推力 F： 0150KN；B. 加速度 a1： 0200g； a2： 0400g；a3: 01000g; C. 測試位移 W： 010mm; W2: 010mm;2 測試系統精度要求： < 1.0%3 采集通道; 6路 （分別測量6個參數）4 采用兩種記錄方式：A.磁帶記錄方式 B.計算機記錄方式1.2系統設計要求1、測試系統設計分析，確定最佳方案。2、計算機數據采集系統設計。3、六路信號采集程序設計及分析。二、數據采集系統設計分析2.1 數據采集系統概述計算機數據采集系統（DAS，Data Acquisition System）是計算機

3、技術與傳統的測試技術相互結合而產生的自動測試技術。它可以滿足現代科學實驗和生產過程中，測量精度高、路數多、速度快、結果顯示和打印形式多樣化的要求。數據采集系統包括模擬系統和數字系統兩部分，能完成對信號的采集、轉換、處理等功能。一個完善的數據采集系統包括前置放大器、采樣保持器、A/D轉換器、計算機和各種記錄儀器。2.2 數據采集系統方案分析數據采集系統的設計方案主要有以下三種：1、單片機數據采集系統磁帶機單片機系統A/D轉換器放大器傳感器 圖2.1 單片機數據采集系統框圖 優點：結構簡單，價格低廉，使用靈活，應用廣泛缺點：擴展性能差，存儲、顯示、數據處理功能差2、“計算機+A/D轉換器”組合型數

4、據采集系統磁帶機計算機A/D轉換器放大器傳感器圖2.2 “計算機+A/D轉換器”組合型數據采集系統框圖 優點：擴展性好，價格適中，測試通道多缺點：采集程序需自行開發3、整機行數據采集系統磁帶機動態測試分析儀放大器傳感器 圖2.3 整機行數據采集系統框圖 其中動態測試分析儀是A/D（或A/D D/A）采集卡，計算機和軟件的組合體。 優點：操作方便缺點：價格高，擴展性差 2.3 數據采集系統方案選擇 分析系統設計技術指標可知，此測試系統簡單，測試通道是6路，采集頻率適中（10KHz），故采用方案1或方案2能達到較高的效費比。 經過分析，采用單片機數據采集系統能夠達到設計要求，同時單片機測試系統還具

5、有結構簡單、使用靈活、價格低廉的優點，而且這些優點對于室外環境下的測試是十分明顯的。但是考慮到綜合效應，比如測試系統對數據實時顯示、數據實時處理分析、數據處理等方面的要求，故不采用單片機數據采集系統。 綜上分析，此數據采集系統采用方案2“計算機+A/D轉換器”組合型數據采集系統。三、計算機數據采集系統設計3.1 傳感器的選擇 3.1.1傳感器的選擇原則(1) 完成一個具體的測試任務或控制任務，首先要考慮用什么類型的傳感器，這需要分析許多因素才能決定。因為，要檢測某種物理量，有多種傳感器可供選擇。在機電一體化檢測控制系統設計中，我們考慮了以下幾個具體問題：A. 傳感器量程的大小B. 傳感器的體積

6、，允許安裝位置C. 安裝方式，接觸式還是非接觸式D. 信號的引出方式，有線或非接觸測量E. 傳感器的來源，國內、國外或自制 考慮以上問題后，就能確定采用什么類型（電阻型、電壓型、電感性、電容型、熱電偶、光電式傳感器）的傳感器，然后我們進行了具體的選擇。 還應注意在多參數數據采集系統中，應盡量選用同一類型的傳感器，這樣就能大大簡化放大電路的設計。2量程的選擇 主要依據是被檢測信號的大小，考慮到傳感器的線性適用范圍和被檢測信號具有偶然性的因素，傳感器量程的選擇應該有余量。選擇的原則是： A：一般性檢測：Pmax （1.21.5）Px B:實驗研究性測量：Pmax (23)Px C:控制信號檢測：P

7、max （1.22）Px 3頻率響應特性 傳感器的頻率響應范圍必須覆蓋被檢測信號的帶寬，確保被測信號的頻率范圍內所得的測試結果不失真。實際上傳感器的響應總會有一定的延遲時間，延遲時間越短越好。在工程檢測和控制系統中，常用的傳感器如利用光電效應，壓電效應等類型的傳感器，其響應的速度快，能檢測的信號頻率范圍較寬，而結構型傳感器如電感式，電容式，電磁式，電阻應變式等，由于受到結構特性的影響，固有頻率較低，可測信號的頻率通常小于5KHz。選擇傳感器時，應根據被檢測的信號的特點（穩態，瞬態，隨機等）進行選擇，選擇的原則是 fn（510）fx fg（1.21.5）fx其中fn：傳感器的固有頻率。 Fg：傳

8、感器的工作頻率 4穩定性與可靠性傳感器在使用一段時間后，其性能不發生變化的特性被稱為穩定性；在不同的環境和使用條件下，其性能不發生變化的特性稱為可靠性。為了保證傳感器在使用過程中性能穩定可靠，在使用之前應對其工作的環境進行調查，從而選擇合適的傳感器。例如，測量噴氣式發動機的內壓力，就應該選擇耐高溫，耐沖擊，耐振動的壓力傳感器，在溫度變化較大的場合使用應變式傳感器，就應該考慮溫度的補償保護問題，在環境較差時，應選擇抗干擾能力較強的應變式傳感器，同時應考慮屏蔽保護的問題，在振動測試中，應選擇壓電式傳感器，它的體積小，重量輕，不易對被測對象產生影響。 5 精度傳感器的精度是保證整個系統的測試精度達到

9、設計要求的重要環節。傳感器的精度越高，價格越貴，選擇時應在滿足同一測量精度要求的情況下選擇比較便宜簡單的。3.1.2傳感器的選擇 1）測試主推力測量方案 測量范圍： 0150KN ；采用電阻應變式力傳感器，型號為BK系列，參數為：A 量程: 200KN （工程上單位換算: 1KN = 100Kg，100KN = 1t）B 頻率：10KHZ C： 精度： 0.5%D 外形尺寸：65*88（L）*75（B）mm. 2) 加速度a1 測量方案： 測量范圍：0200g 采用YA11系列加速傳感器 A. 量程：500g B:頻率: 50KHz C：精度：0.5%3) 加速度a2 測量方案： 測量范圍：0

10、400g 采用YA11系列加速傳感器 A. 量程：500g B:頻率:50KHz C:精度：0.5%4) 加速度a3 測量方案： 測量范圍：01000g 采用YA11系列加速傳感器 A. 量程：2000g B:頻率: 50KHz C：精度：0.5% 5）位移W1測量方案： 測量范圍：010mm 采用傳感器WD50AA. 量程：20mm B：頻率: 2KHZ C：精度：0.5%6）位移W2測量方案： 測量范圍：020mm 采用傳感器WD50AA. 量程：50mm B：頻率 :3KHZ C：精度：0.5%3.2 放大器的選擇3.2.1放大器的選擇原則 選擇放大器時，應根據傳感器的類型來選擇放大器的

11、類型，應該與傳感器的類型相匹配。具體選擇原則是： （1）應變式或電阻型傳感器 應選擇動態電阻應變儀，信號調節器，應變放大器，自動校準放大器等。根據具體測量信號頻率和精度選擇不同型號的放大器。主要有BZ2202系列（手動、自動：1路、2路）、YE38（KD600）系列、YB系列，一般放大倍數為01000，頻率為10K150KHz，精度為0.1%-0.2%。（2）壓電傳感器 應選用電荷放大器，主要有YE5850、5007、9013，這些都是超低頻的（0-100K）。具體型號可參考電荷放大器使用手冊。（3）電感、電容式傳感器 應選用載波交流放大器配套。根據具體的檢測與控制精度要求，選擇相應型號的交流

12、放大器。可參考放大器使用手冊。（4）熱電偶式器 應選用直流電壓放大器（5）光電式式傳感器應選擇相應的光電轉換器，根據具體的檢測與控制精度要求，選擇相應的配套光電放大器；也可用三極管（9013等）組成開關電路。3.2.2 放大器的選擇方法 在本次橋梁結構實驗相關參數的測試，查閱放大器手冊后，此系統可先擇BZ2202型動態電阻應變儀，參數為：放大倍數：K = 01000，根據測試信號要求分檔選擇放大倍數頻率：1KHZ， 3KHZ，5KHZ，10KHZ，30KHZ，150KHZ，精度：0.5%，0.1%，0.02% 3.3 A/D轉換器的選擇1 A/D轉換器的主要性能指標；(1) A/D轉換器采集頻

13、率：10KHz100MHz10KHz100KHz 低速采集板100KHz330KHz 中速采集板500KHz-100MHz 高速采集板(2) A/D轉換器的位數8位板，10位板，12位板，14位板。16位板(3) A/D轉換器的通道數 2路，4路，6路，8路16路。(4) A/D轉換器的精度1%0.5%，0.5%0.1%，0.1%0.05%，0.005%(5) A/D轉換器的型號SC系列 PLC系列 CS系列 DAS系列 2 A/D轉換器的選擇方法 設計數據采集系統的選擇原則 A 采集頻率的確定: Fs B. 并行采集工作方式的：Fs > 20Fc C 串行采集方式的Fs > n*

14、20 Fc其中 Fc：信號頻率 n：工作通道數 Fs：A/D采集頻率。 D 采集精度 根據測試系統的精度要求選擇轉換板。常用12位的A/D轉換器的精度小于0.05%。計量部門常用的是14位的轉換精度為0.01%,0.005%,0.002%,0.0002%。 E：輸入方式:常用差分輸入方式，程控方式 F：啟動工作方式：程序控制方式，外輸入電壓控制方式，自動啟動方式3常用轉換板型號 1 SC系列 采集頻率: 30KHZ10 MHZ 2 PCL系列 采集頻率: 100 KHZ MHZ 3 CS000系列 采集頻率: 1.25 MHZ00 MHZ A/D轉換器的選擇，此系統選擇SC105型的A/D轉換

15、板，參數為：A分辨率：12位； B.最高采樣頻率：330KHZ； C.精度:0.05%3.4 記錄儀器的選擇3.4.1記錄儀選擇方案（1）磁帶記錄方式由于磁帶具有容量大，存儲時間長的特點，因此選擇磁帶機作為一種記錄儀器。磁帶上記錄的是模擬電壓量。（2）計算機記錄方式計算機記錄數字量的實驗數據，便于數據處理分析和長久保存。3.4.2記錄儀器的選擇（1）磁帶機記錄： 型號：TEAK DX2000 精度：0.2% （2）計算機記錄： 機器配置：P4 采用程序存盤記錄方式記錄數據。3.5 測試系統框圖力傳感器（BK系列）磁帶記錄儀(XD200)A/D-105A動態電阻應變 儀BZ2202計算機P4加速

16、度傳感器1（YA11系列）加速度傳感器2（YA11系列）加速度傳感器3（YA11系列）位移傳感器1（WD50A）位移傳感器2（WD50A）3.6 測試系統誤差計算根據系統總精度計算公式：其中 傳感器精度 中間變換器精度 記錄儀精度(1) 磁帶記錄儀(2) 計算機記錄符合系統設計要求四、 計算機采集系統程序設計4.1 程序所用語言選擇目前前大部分單片機的發開語言都為C語言，它比匯編語言要簡潔，且易于修改、移植等等優點。所以在此系統設計中采用C語言。4.2 程序流程圖 數據圖形顯示 數據擦機存入方法數字量計算為電壓量 采集數據顯示采集同步控制0X41外控制法 A/D初始化 A/D工作條件的設定 界

17、面設定 函數定義 文件頭4.3 程序分析在本次實驗中具體程序設計如下：a. 源程序名：UA105N.C，調試環境：TC2.0b. 由于試驗條件限制，實際編寫的程序是針對UA105型A/D多功能版的。c. UA105型A/D多功能版有多種采集方式（觸發方式和通道選擇方式的組合）。d. 通過本程序可以實現以下功能：A UA105型A/D多功能板采樣方式的試驗；B 選用16通道A/D轉換器，任意點數的試驗數據采集；C 采集頻率為200KHz，采集通道數為6，采集通道0-5，觸發方式軟件觸發等可以設定；D 任意通道的數據顯示、繪圖、儲存；E 采集循環4.4 程序清單文件頭：include是每一個C語言

18、函數所必須調用的語句。/*計算機數據采集程序*/*文件頭*/*UA105n TC2.0*/#include "stdio.h"#include "dos.h"#include <graphics.h>FILE*in1;2.函數定義:是C語言程序設計必不可少的一部分，定義了整個程序所要使用的整體變量，如采集通道數、采集點數、采集頻率等。main()int i,d,j,k,fr,fcode,baddr,baddr8,n,innm;unsigned char ch,fch,chn,fh,fl;int dd1024*16;/*給每個通道預留1K數據存

19、儲空間,在此是可以擴展的，比如有m個變量每個變量分配2K的空間,為int dd2048*m*/unsigned char g=0;float data2000,pd2000,pd12000,pd22000,pd32000,pd42000;float max,pmax;char *argv;char inchar1,inchar2;int driver=DETECT;int mode=0;baddr=0x240;/*初始化板基址：A/D16位數據輸入口*/3.界面設定：為程序的界面設計部分，這個程序的作用與功能。printf(“*n”);printf(“ The program of data

20、collectionn”);printf(“ guider:zhangxunwenn”);printf(“ designer:chenhuilingn”);printf(“ 2011.09.07n”);printf(“*n”);4.A/D工作條件的設定：這三個參數對采集系統本身的要求，系統本身要求的高低對采集頻率、采集數據點有直接的影響，如果使用都輸入硬件無法達到的要求的性能指標就容易造成采集的數據混亂。printf("fch(0-15)= ");/*初始通道數，“0通道”*scanf("%d",&fch);printf("chn(1-

21、16)= ");/*通道個數，“2-3-4”*/scanf("%d",&chn);printf("Fr.(KHZ)= ");/*采樣，“10kHz-300kHz”*/scanf("%d",&fr);printf("N=");/*采樣數據點數，“1000-2000-3000“/scanf("%d",&n);fcode=4000/fr;/*分頻系數，定時觸發方式時通過該口輸出分頻系數可以控制采樣頻率，4000KHz和4MHz晶體振蕩器分頻發出等間隔定時脈沖連續觸發A

22、/D轉換，可以獲得準確的采樣頻率*/fh=fcode/256;/*高位設定*/fl=fcode%256;/*低位設定*/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通道口預置寄存口，清零，因為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，此時FIFO清零禁止采集*/outportb(baddr+7,0x54);/*通道工作方式的設定，通道1：方式2*/outportb(baddr+7,0x34);/*通道0：方式2，先低后高*/outportb(baddr+

23、0x10,fch);/*設定自動掃描的首通道*/outportb(baddr+5,chn);/*自動掃描的通道數*/if(chn=1)outportb(baddr+7,0x70);/*如果只有一個通道則以為端口地與方式：選通道1，方式0，先低后高*/else /*否則自動掃描幾個通道，并按以下方式：“自動掃描方式，只需設置首通道和通道 for(i=0;i<chn+1;i+) 數，板上硬件即可， outportb(baddr+7,0x10); 每次A/Dl轉換后自動轉換通道在設定范圍內循環采集”*/ outportb(baddr+7,0x34); /*空循環等待初始化完成*/ for(i=

24、0;i<1000;i+); 6.采集同步控制：0X41外控制法outportb(baddr+4,(unsigned char)fl);outportb(baddr+0x11,0x40);/*允許開始采集*/outportb(baddr+4,(unsigned char)fh);baddr8=baddr+8;/*FIFO狀態寄存器，可以大大提高數據傳輸效率和編程的靈活性，A/D數據先行輸入存儲器，用戶在讀取數據時不必查詢*/for(i=0;i<n*chn;i+)/*狀態同步讀取而可以在存儲器未溢出的條件下間隔一次讀取成批數據*/ while(!(inportb(baddr8)&

25、;1) ; ddi=inport(baddr)0x8000;7.采集數據顯示printf("data output,yes or no? ");scanf("%s",&inchar1);if(inchar1=y) printf("n"); for(i=0;i<320;i+) /*顯示數據*/ if(chn<16) if(!(i%chn) printf("n"); printf("%4X",ddi); printf("%+2.4f",ddi/16*.002442);/*電壓輸出*/ 8.數字量計算為電壓表量for(i=0;i<1500;i+) datai=ddi/16*.002442;9.采集數據存入方法printf("ntplease input files name: ");scanf("%s",argv);in1=fopen(argv, "w+"); for(i=0;i<1500;i+)/*采用文件輸出*/ fprintf(in1, "n%f",datai); fclose(in1);printf(&q