[摘要] 基于虛擬儀器思想，用VC++開發(fā)出了材料緩沖特性測試虛擬儀器系統(tǒng)。系統(tǒng)使用搜索技術，能可靠采集顯示瞬時沖擊信號；使用多種數(shù)字濾波技術能有效去除信號中的噪聲，采取多種曲線擬合技術以得到各種描述材料緩沖特性的曲線，并以各種方式顯示之。采用曲線位圖轉換存儲技術抓取曲線圖形，以拷貝到文本文件中；能自動按要求模板生成實驗報告；采用文件自動管理技術管理數(shù)據(jù)文件，提高了它的可操作性。
關鍵詞： 虛擬測試 沖擊測試 緩沖特性 動態(tài)壓縮試驗
1 前言
虛擬儀器(Virtual Instrumentation)是指通過應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來，用戶通過友好的圖形界面操作計算機，就像操作一臺儀器一樣，完成對被測量的采集、存儲、數(shù)據(jù)處理和顯示等。一套虛擬儀器系統(tǒng)就是一臺工控機、PC機或工作站配上功能強大的應用軟件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驅動軟件，共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測量系統(tǒng)到以軟件為中心的測量系統(tǒng)的根本性轉變。自從美國國家儀器公司（簡稱NI）提出虛擬儀器的構想以來，虛擬儀器技術在世界各國得到了
長足的發(fā)展，其中最引人注目的是NI公司的專門用于開發(fā)虛擬儀器的圖形化的程序設計語言LabVIEW的出現(xiàn)。對于程序員來說,只須將可選硬件 ( 如GPIB、VXI、RS-232、DAQ ) 和系統(tǒng)提供的基本軟件模塊結合起來開發(fā)需要的虛擬儀器。當用戶的測試要求變化時，可以方便地增減軟件模塊，或重新配置系統(tǒng)以滿足測試要求。盡管LabVIEW在我國已正式上市，但因其價格特別昂貴，在我國的包裝測試領域，用它進行虛擬儀器設計的例子還不多。
眾所周知，材料的緩沖特性可以通過靜態(tài)壓縮或動態(tài)壓縮試驗確定[1]。比起靜態(tài)壓縮試驗方法，動態(tài)壓縮試驗因為更接近包裝件在流通過程中受到的損害而用得最為廣泛[2]。然而，以往的沖擊測試，或者使用沖擊測量儀，或者使用通用的FFT分析儀采集處理數(shù)據(jù)。前者無法給出加速度的時間歷程，只能近似給出最大沖擊加速度的信息，由于信號中噪聲的不確定性，會帶來不可知的誤差。即使后者，除去價格高，為一般的企業(yè)、學校無法承受外，它還有兩個缺點，一是要求操作者要具有較高的信號處理的專業(yè)知識，二是因為它并不具有專門的對材料緩沖性能進行分析的功能，操作者還必須對實驗結果進行二次處理。為此，迫切需要開發(fā)用于材料緩沖性能測試的專用設備和儀器。之前，我們合作研制成功了緩沖材料沖擊試驗機[3][4]。本研究基于虛擬儀器思想，采用面向對象的程序設計技術，用Visual C++作為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了材料緩沖特性測試虛擬儀器系統(tǒng)。比起LabView來，用VC++開發(fā)的工作量盡管會大得很多，但如果利用原有的軟件資源模塊（如數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、曲線擬合、頻譜分析、數(shù)據(jù)顯示等）進行虛擬儀器開發(fā)，效率同樣會大大提高。
2 材料緩沖特性測試虛擬儀器的總體設計
本系統(tǒng)依照GB8167-87《包裝用緩沖材料動態(tài)壓縮試驗方法》的要求，用于在緩沖材料沖擊試驗機上對緩沖材料進行緩沖性能動態(tài)壓縮試驗，以求得各種不同密度、不同配方的緩沖材料，如發(fā)泡聚乙烯、發(fā)泡聚苯乙烯、蜂窩紙板等，在不同的靜應力下，對于不同跌落高度，材料所表現(xiàn)出的最大加速度——靜應力曲線，緩沖系數(shù)——最大應力曲線，動態(tài)應力——應變等曲線和數(shù)據(jù)，用以進行運輸包裝件的緩沖襯墊的設計。是緩沖材料生產商（如泡沫塑料、蜂窩紙板等生產商）、貴重機電、家電設備（如計算機、電視機等）生產商、包裝工程專業(yè)教學和科研不可缺少的試驗裝備。硬件部分由緩沖材料沖擊試驗機，加速度計，電荷放大器，計算機、數(shù)據(jù)采集板等部分組成。軟件部分由數(shù)據(jù)采集、速度測試、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)分析、曲線顯示、曲線擬合、實驗報告等幾個模塊組成。軟件的界面。
3 數(shù)據(jù)采集部分的設計
數(shù)據(jù)采集部分主要解決三個問題。一是可靠抓取并立即顯示沖擊加速度的時間歷程的問題，二是有效去除信號中的噪聲問題，三是沖擊試驗用砝碼質量的問題。
以前我們曾使用過光線示波器、示波器等模擬儀器來抓取瞬態(tài)沖擊信號，效果都不理想。用記憶示波器倒也可以采集到瞬態(tài)沖擊信號，但其價格昂貴，功能單一，還需要與別的儀器配合或把存儲的數(shù)據(jù)回放到計算機后再進行二次處理。本系統(tǒng)采用一種新的搜索算法，把采集到的數(shù)據(jù)立即準確地顯示出來，即使采集數(shù)據(jù)中包含有很大的噪聲和偶然脈沖。
本系統(tǒng)設計有一個功能強大的FIR低通數(shù)字濾波器模塊(圖3)，用戶只需輸入截止頻率和過渡帶寬，選擇窗函數(shù)，立刻就會得到濾波器的幅頻特性和相頻特性。它能有效濾除信號中的噪聲并保證信號波形不失真（圖4）[5]。
為了用很少幾組試樣得到足夠精確的緩沖特性曲線，希望盡可能科學地選取沖擊每組試樣的砝碼質量。本系統(tǒng)可以隨時給出試驗進行中的緩沖特性數(shù)據(jù)，引導用戶選擇砝碼質量。
4 試驗數(shù)據(jù)處理與曲線擬合
本系統(tǒng)提供了各種曲線擬合的方法,把對試驗得到的各離散點數(shù)據(jù)擬合成最大加速度靜應力曲線和緩沖系數(shù)最大應力曲線。實驗數(shù)據(jù)千差萬別，用少數(shù)的數(shù)據(jù)點擬合得到最接近實際的曲線，是實驗數(shù)據(jù)處理研究的重要課題。本系統(tǒng)除提供了通用的三次樣條函數(shù)擬合的方法之外，還提供了分段擬合的方法和可視化的手工擬合方法，供用戶選擇和圖5 采用三次樣條 圖 6 采用分段擬合的擬合的緩沖系數(shù)曲線 緩沖系數(shù)曲線使用。圖 5和圖6 是分別采用三次樣條和分段擬合得到的以重疊方式顯示的緩沖系數(shù)最大應力曲線，圖7是 用對數(shù)形式輸出分段擬合的單一顯示的最大加速度靜應力曲線
5 文件的自動管理與輸出
本系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)，可以以對數(shù)坐標形式、線性坐標形式和單一方式或重疊方式輸出。所謂重疊方式，是在擬合曲線上同時顯示出各離散點。此外，本系統(tǒng)還提供了把各種曲線鏡象為位圖文件的功能，可以很方便地以位圖方式輸出或插入實驗報告當中。本系統(tǒng)還為用戶建立了實驗報告模板，實驗者只需要把相關的實驗條件由鍵盤輸入，把相關位圖插入實驗報告的模板中，立即就會得到一份完整的實驗報告。
依照國標，材料動態(tài)壓縮性能試驗至少要進行125次沖擊，加上對原始信號數(shù)字濾波和后續(xù)處理的數(shù)據(jù)，共有近300個數(shù)據(jù)文件需要命名和管理。再加上位圖文件，文件數(shù)目會更多。由用戶管理這些文件，并理清它們之間的關系是很難的。本系統(tǒng)采用自動分類命名和階層管理的方法管理文件，無須用戶干預，操作非常方便。
6 結束語
基于虛擬儀器技術，開發(fā)出的材料動態(tài)壓縮試驗的虛擬儀器，它具有操作簡單、功能強大、數(shù)據(jù)能永久性保存，自動化、可視化程度高等特點，為貫徹實施國家標準提供了強有力的支持，作為緩沖材料動態(tài)壓縮測試的專用虛擬儀器，填補了國內的空白，對于緩沖材料的研究、試驗和測試有重要的意義。
作者/山靜民 馮睿* 譚志明 陳滿儒
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