惠 子，郭崇星，席蘭霞，劉春建，白 冰

（陜西應(yīng)用物理化學研究所，陜西 西安，710061)

瞬態(tài)熱響應(yīng)測試彌補了抽樣試驗樣本量大、無法進行全批檢測的缺點，是一項重要的無損檢測技術(shù)。通過將電火工品作為惠斯登電橋的一臂，對電火工品輸入一個幅值小、時間短的恒流脈沖電流，電流引起橋絲溫度升高，產(chǎn)生電阻變化，使橋路不平衡。測得橋路電壓——時間曲線，稱為電熱響應(yīng)曲線[1]。采用Rosenthal集總參數(shù)方程并結(jié)合電熱響應(yīng)曲線，可以計算出試驗樣品的單發(fā)電阻增量、最大溫升、集總熱損失系數(shù)、熱時間常數(shù)和集總熱容。用這些熱參數(shù)來評估電火工品的結(jié)構(gòu)和性能。

1979年，Pasadena Scientific公司生產(chǎn)了605B熱瞬態(tài)測試儀，用于產(chǎn)生測試所需的恒流脈沖，通過電橋電路獲得橋絲電熱響應(yīng)信號。605B輸出的電壓約為0～6mV，信號時長10 ～100 ms。該信號經(jīng)放大進入數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)模轉(zhuǎn)換后存入計算機緩存，由配套的測試分析軟件對電壓信號進行分析處理[2]。然而，該系統(tǒng)存在以下不足：（1） 測試系統(tǒng)硬件數(shù)采板卡的采樣速率較低，使用的ISA的總線類別和DOS操作系統(tǒng)早已被淘汰，不能與實驗室現(xiàn)有計算機以及國內(nèi)通用操作系統(tǒng)匹配；（2）在軟件設(shè)計方面，數(shù)據(jù)導出至EXCEL文件中記錄的數(shù)據(jù)點數(shù)十分有限，不能真實還原實測信號；軟件可使曲線橫坐標系放大100倍，無法將曲線自由拖拽、拉伸，使數(shù)據(jù)讀取存在困難；當產(chǎn)品橋絲存在微小瑕疵時，電熱響應(yīng)曲線會產(chǎn)生微小抖動，而原軟件的濾波功能不可自行選擇開啟或關(guān)閉，導致了這一微小變化可能被濾去，降低了試驗的準確度。

本文基于605B熱瞬態(tài)測試儀，研制新的測試系統(tǒng)，從硬件方面提升系統(tǒng)測試準確度和可靠度，并基于Labview編程軟件實現(xiàn)原系統(tǒng)不具備的曲線縮放、數(shù)據(jù)導出和信號處理等功能。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計

瞬態(tài)熱響應(yīng)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計原理與原測試系統(tǒng)基本相同，整套系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括605B熱瞬態(tài)儀、放大器和數(shù)據(jù)采集卡。605B輸出的橋路電壓經(jīng)放大進入數(shù)據(jù)采集卡。橋路電壓具有時間短、變化快、變化幅度小的特征，因此較高精度和高采樣率是選用數(shù)采板卡的必需條件。PCI-12016是華太測控的一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有1MHz采樣率，最大4M采樣點緩存，0.3%系統(tǒng)精度，其使用PCI接口，并提供多種程序編譯接口函數(shù)。該數(shù)采板卡性能遠超于原測試系統(tǒng)的數(shù)采板卡，完全滿足系統(tǒng)要求。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件作為瞬態(tài)熱響應(yīng)測試的重點部分，應(yīng)具有易操作、占用內(nèi)存小、界面美觀、編譯方便的特點。Labview是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程語言的軟件開發(fā)平臺。Labview軟件由前面板和程序圖組成。程序圖是軟件設(shè)計的內(nèi)核，設(shè)計算法完成硬件控制和前面板各控件的調(diào)度運行，是程序圖編寫的主要工作；前面板即程序可視化設(shè)計，使用布爾函數(shù)控制進入或退出各子模塊。

設(shè)計的試驗系統(tǒng)軟件應(yīng)用于 Windows系統(tǒng)操作平臺，可匹配大多通用計算機。試驗軟件主模塊下包括信號采集、數(shù)據(jù)及曲線顯示、信號處理、文件讀取、數(shù)據(jù)存檔及文件生成和參數(shù)計算6大子模塊。主模塊采用層疊式順序結(jié)構(gòu)編程，順序結(jié)構(gòu)共 4幀。1、2幀依次實現(xiàn)程序打開后的硬件連接、板卡設(shè)置，硬件連接和板卡設(shè)置基于 PCI-12016提供的接口函數(shù)實現(xiàn)。第 3幀中將各模塊源代碼寫入條件結(jié)構(gòu)，各以while循環(huán)控制條件結(jié)構(gòu)重復執(zhí)行，當各模塊輸入控件為布爾真值，則開始執(zhí)行該模塊功能。第4幀使用板卡斷開和板卡關(guān)閉函數(shù)，完成對PCI-12016的調(diào)用。

2 系統(tǒng)軟件主要功能的實現(xiàn)

子模塊功能實現(xiàn)是軟件設(shè)計部分的重點，本測試系統(tǒng)將針對原測試系統(tǒng)的軟件功能性問題逐一改善。

2.1 曲線自由縮放功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)中為保證人機交互界面的友好性、操作的簡易性，波形顯示以示波器界面為參考對象，將觸發(fā)和采集雙路通道數(shù)據(jù)放置于同一坐標系中。橫坐標設(shè)置為時間軸，縱坐標設(shè)置為電壓軸。為實現(xiàn)曲線自由縮放，軟件中調(diào)用了Labview的圖形工具選板，將選板圖標置于曲線坐標系下方，見圖1。

圖1 圖形工具選板應(yīng)用Fig.1 Application of graph tool

選版中設(shè)置了移動游標以觀察圖像中指定某點的電壓值，并實現(xiàn)了圖像的縮放和拖拽功能。縮放功能具備軸向、點向、匹配放大等多種模式；拖拽功能可改變放大曲線的觀察區(qū)域，掌握曲線整體變化。

2.2 數(shù)據(jù)導出功能

為了分析對比產(chǎn)品性能，需要保留每發(fā)試驗后的試驗數(shù)據(jù)、響應(yīng)曲線、計算熱參數(shù)時的輸入和輸出變量。系統(tǒng)軟件提供了文件輸入、輸出端口，用于打開和關(guān)閉文件、讀寫文件、在目錄路徑中創(chuàng)建指定的文件、獲取目錄信息、將字符串、數(shù)字、數(shù)組寫入文件的功能函數(shù)。程序提供了兩種文件輸出格式：文本文件(.txt)、位圖(.bmp)。文本文件用來儲存試驗時間、試驗條件、采集數(shù)據(jù)、輸入變量、熱參數(shù)等，位圖用來記錄響應(yīng)曲線。在不需要深入進行試驗分析的情況下，可以參考以上兩種文件大致觀察試驗結(jié)果。程序的讀取文件類型為文本文件，讀取后，自動在坐標系中畫出響應(yīng)曲線，并將各輸入變量導入計算欄。

PCI-12016具有4M的緩存空間，輸出為文本文件時，記錄了所有該次試驗中雙通道約2×105個采集數(shù)據(jù)點，保證讀取文件時可完全還原響應(yīng)曲線，作為試驗曲線后續(xù)處理的基礎(chǔ)。

2.3 自選濾波功能

濾波功能的開關(guān)和關(guān)閉使用布爾函數(shù)控制。當函數(shù)值為1時，對響應(yīng)曲線進行濾波，在坐標軸內(nèi)顯示濾波后的曲線；當函數(shù)值為0，坐標軸內(nèi)顯示實測的響應(yīng)曲線。

經(jīng)過對橋路信號和噪聲信號的分析，得到了混合信號的具體特征：噪聲信號頻率高于橋路信號頻率，噪聲信號周期約為 0.01s?；旌闲盘柕淖畲筇攸c就是噪聲與有效信號的頻率基本未重疊，用簡單的經(jīng)典濾波器即可達到濾去噪聲信號的作用。低通濾波器可以有效抑制信號的高頻分量，使低頻信號通過。Labview提供了濾波器函數(shù)，可實現(xiàn)低通濾波的功能。改變函數(shù)的截止頻率輸入值，函數(shù)就會產(chǎn)生相應(yīng)算法，對原信號曲線進行濾波處理。通過分析計算，并分別觀察多個截止頻率設(shè)置下濾波前后的響應(yīng)曲線，如圖2所示，最終確定截止頻率f_low=6 000Hz。

圖2 濾波曲線對比Fig.2 Contrast of filtering waves

3 本系統(tǒng)與原測試系統(tǒng)性能參數(shù)對比

本測試系統(tǒng)通過了各項驗證試驗，證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，測試結(jié)果準確，能適應(yīng)于大多橋絲式電火工品的輸出電壓信號采集。本測試系統(tǒng)與605B原測試系統(tǒng)的性能對比見表1。

表1 測試系統(tǒng)性能對比Tab.1 Performance comparison of test systems

通過以上對比，說明本測試系統(tǒng)綜合性能優(yōu)良，在硬件配置和軟件設(shè)計方面均優(yōu)于原測試系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

將Labview應(yīng)用于電火工品瞬態(tài)熱響應(yīng)試驗，是將虛擬儀器技術(shù)和無損檢測相結(jié)合的一次實踐。采用的PCI-12016板卡具有高效、高精度、高穩(wěn)定性的特點，使采集的可靠性大大提升。Labview圖形化編程語言的使用為采集軟件編輯提供了良好平臺，在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，對605B原測試系統(tǒng)弊端進行相應(yīng)改善，使系統(tǒng)的軟件操控合理化、友好化。

[1] 胡學先，王道有. 電火工品熱參數(shù)的測定[J]. 兵工學報，1984(1): 17- 24.

[2] Model 605B thermal transient test set installation and operation[Z]. Pasadend Scientific Industries，1979.

[3] 黃友銳， 胡以華. 橋絲式電火工品無損檢測儀的研制[J].電子測量與儀器學報， 2003， 17(4): 63-66.

[4] 胡學先，等. 電火工品電熱起爆的數(shù)學模型（一）[J] . 火工品，1979(1) : 22-57.

[5] 強濤， 周彬，等. 橋絲式電火工品安全電流的預測[J]. 南京理工大學學報，2006， 30(1): 110-112.