利用VI改造水声换能器测试系统

摘 要：针对传统水声换能器测试中存在的问题，提出了一种利用虚拟仪器技术，通过计算机的控制实现换能器自动测试的方案。该方案在提高了换能器测试的准确度的同时，也大大的提高了测试效率，将测试人员从繁杂的估算、记录中解脱中来。 关键字：水声换能器 LabVIEW 数据采集 Abstract: For measuring underwater transducer,this paper proposes a method which can make the whole measure procedure to be automatic and improve the accuracy. Keyword: VI Translater LabVIEW DAQ 前 言 声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动，在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好，因此声波是目前水下通信的主要手段。当前，世界各国都在开展水声通信方面的研究。 水声通信中的一个关键设备就是水声换能器，它是发射和接收水中声信号的装置。应用最广泛的是电声转换的水声换能器，即转换电能为水中声能的水声发射器，以及转换水中声能为电能的水声接收器(即水听器)。显然，换能器的性能将直接影响到水声通信的质量。改造前的水声换能器测试是基于丹麦B&K公司的一整套测试设备的，具体为信号发生器（Sine/Noise Generator Type 1054）、功率放大器（Power Amplifier Type 2712）、测量放大器（ Measuring Amplifier Type 2610）、带通滤波器（Band Pass Filter Type 1617）及绘图仪等。 其测试原理及步骤如下： 1）由信号发生器及功率放大器将特定频率和幅度的信号送给水下的发射换能器，将电信号转换为声信号； 2）声信号通过喇叭有方向性向水下传播， 3）待测换能器在一定距离远处做匀速的水平转动，在各个角度接收声信号并转换成电信号； 4）测量放大器接收从换能器传输过来的电信号，经带通滤波器过滤后送给绘图仪打印角度－幅度的测试曲线； 5）测试人员根据测试曲线及标准换能器的参数人工计算出灵敏度及偏差，判断该换能器是否合格，最后将测试结果记录。 以上测试方法中需要人工参与计算，因此而带来的误差也较大，而且当测试数目较多时，测试效率就成了很大的问题。再者，因为绘图仪属于机械设备，长时间使用后也会出现绘图不准的现象。所以，现急需一种能解决该系统存在问题的改造方案。 改造后的系统应该能实现如下功能： 1）自动计算出灵敏度和水平指向性偏差并判断是否合格，整个过程不需要人工计算，提高测试准确度。 2）能输入换能器号、测试日期等信息，能在屏幕上即时绘制测试曲线，能打印测试报告。 3）将测试结果存盘为EXCEL能编辑的文件格式，方便以后查询打印 4）能进行循环测试，提高测试效率。 通过调研、分析，我们决定采用虚拟仪器技术，利用数据采集卡和中央控制计算机来采集、处理测试数据，实现以上功能。 主要硬件配置 本改造方案以廉价、实用为目的，选取了凌华的ACL-8111数据采集卡及9813接线端子，ACL-8111的参数如下：12位的采集分辨率，8通道单端输入，50Kbps的采样率，10M的输入阻抗，ISA总线的计算机接口。控制器由PII450，64M内存的PC机承担。 改造后的连接示意图如下： 系统的软件设计 要完成本系统的软件设计，有较多的软件可供选择，如VB、Labwindows/CVI、以及LabVIEW 6.1等，其中美国NI公司的LabVIEW采用直观的图形化编程方法，在仪器控制方面有着通用性好、数据处理能力强、输出界面友好等特点，并且凌华的ACL-8111数据采集卡带有LabVIEW的软件支持包，所以我们选择了LabVIEW6.1作为开发工具。根据实际测试的要求，其测试软件的操作界面如图（二）所示。 图三为系统软件的流程，下面简要介绍各个步骤的具体内容。 1、等待测试开始 该状态用户可以输入换能器号、测试日期，其中的测试日期系统会自动将当前日期给出，但用户也可以根据需要更改。“打印”按钮可以将当前屏幕上显示的曲线、测试结果按测试报告的格式打印输出，当上此出现如打印机卡纸等问题而造成没有将测试报告打印好时能再次打印测试报告。“开始”按钮可以启动测试。“退出”按钮可以退出该测试系统。 2、采集电压值 电压采集分为三步：首先调用8111 Config函数对数据采集卡进行初始化，主要包含采集的电压幅度范围及基地址（Base Address），分别设置为5和220，其中要注意的是220为十六进制；接着调用8111的AI Read Channel Voltage函数，采用软件触发的方式来采集电压值；最后调用Release Card函数释放板卡。 为了减小误差，采用了如下的采集方法：以一度的精度进行绘图，但每一度的电压值是在这一度的时间内进行20次的采集而得到的平均值。这样可以使曲线更加圆滑。 设被测换能器的转速为83.5秒／转，以每度一个点的采集精度则每点的间隔时间为： t1=83.5×1000/360=231.9ms 3、延时 这里的延时应该是每次数据采集间的时间间隔，但因为采用了20次采集的平均做一次显示的方法，所以每次采集的间隔为： t2=(t1-t3)/20 其中t3为修正数，目的是使t2为整数。显然以上的t2、t3分别等于11ms、11.9ms。因为LabVIEW中的最小定时为1ms，所以t3取12。具体在程序中，t2即为20次采集间的时间间隔，用Wait Until Next ms Multiple 函数实现。t3为每20次采集后的等待时间。 4、数据处理 1）电压单位的转化,即将采集到的电压值(V)转换成分贝形式表示，并带入校准系数。假如利用标准换能器得到的对应关系为： -206.9dB 2.5V 而：1dB ＝ 0.1v 设采集到的电压值为x，要换算到的分贝数为y，则可以得到转换公式： x=[y-(-200)]×0.1+3.15 进而得出： y=10×(x-2.5)-206.9 得到以上公式后，就能在LabVIEW程序中利用公式节点Formula Node实现分贝值的计算了。 2）灵敏度及水平指向性偏差两个参数的计算。计算方法为找出360个测试点中的最大最小值，最大值和最小值的平均值即为该换能器的灵敏度，最大值减去最小值除以二即为换能器的水平指向性偏差。 5、数据存储 根据实际测试的需要，存储的参数为以下七个：换能器号（2003-N）、测试频率（ F(KHz) ）、灵敏度（ M（dB））、水平指向性偏差（ D（dB））、电阻（ R（MΩ））、静态电容（C（nF））、是否合格。为了能在EXCEL软件中读取结果，我们调用的是Write To Spreadsheet File函数，将以上信息存入文本格式的文件data.hnq，然后在windows将此文件与EXCEL关联，这样双击data.hnp就能自动的用EXCEL打开了。 在实际应用中，因为测试的换能器数目较多，经常会出现重测或报错换能器号的情况出现，为了能避免将测试过的换能器测试测试结果覆盖掉，我们采用了以下的方法：在存储新的换能器测试结果前，先用换能器号搜索文件中是否已经有该号的记录，如果有则查询前记录中测试结果是否合格、同时判断本次测试结果是否合格，将这些信息弹出对话框的形式提示测试人员是否将先前测试结果覆盖。如果没有查询到本次测试的换能器号，则直接将测试结果追加到文件中。 在程序设计中实现“覆盖”的操作比较复杂，现解释如下：先调用Read From Spreadsheet File将各个字段转换成二维数组，用Index Array函数提取换能器号一维数组，Search 1D Array函数查找等于本次换能器号的数在这个一维数组中的位置，接着调用Replace Array Subset函数替换原二维数组中该位置的记录，最后将新的二维数组存入文件中，实现数据的覆盖。 6、数据打印 利用NI Report来生成并打印测试报告。测试报告包含测试结果和测试曲线，分别用Append Report Text、Append Control Image to Report函数将其加入到测试报告中。 结束语 本系统针对传统换能器测试中存在的效率低、人工计算繁琐等问题，利用虚拟仪器技术，通过计算机的控制实现了换能器的自动测试。提高了换能器测试的准确度的同时，也大大的提高了测试效率，将测试人员从繁杂的估算、记录中解脱中来。该系统在实际运用中得到了用户的高度肯定。 该系统是虚拟仪器技术在实际工程中运用的一个实例，同时因为其采用的是非NI的数据采集板卡，这将为有同类需求的用户提供一定的参考价值。