兩船干擾力測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

葉 明姚朝幫

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011；2.海軍工程大學(xué) 船舶與海洋工程系 武漢430033）

0 引 言

當(dāng)今海運(yùn)中，艦船編隊(duì)海上補(bǔ)給與大型商船海上拖帶等現(xiàn)象越來(lái)越普遍。為指導(dǎo)編隊(duì)海上補(bǔ)給以及商船海上拖帶時(shí)兩船的具體操縱規(guī)律，需探究?jī)纱蚨啻⒘泻叫袝r(shí)相互之間的水動(dòng)力干擾規(guī)律。國(guó)內(nèi)外關(guān)于該課題都開(kāi)展了廣泛的理論研究［1-4］，相比之下，試驗(yàn)研究較少，主要原因是：兩船水動(dòng)力干擾試驗(yàn)裝置較為復(fù)雜，研制過(guò)程較為繁瑣；試驗(yàn)成本較高且各種試驗(yàn)儀器接口、通信方式不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)采集復(fù)雜，試驗(yàn)難度較大。

為驗(yàn)證理論計(jì)算方法和實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，開(kāi)展兩船水動(dòng)力干擾試驗(yàn)必不可少。試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)涉及多個(gè)力傳感器的數(shù)據(jù)采集，故開(kāi)展基于Labview軟件的干擾力數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)力傳感器的標(biāo)定。

Labview是基于圖形編譯（Graphics，G）語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)生成、信號(hào)處理、輸入輸出控制等功能。與傳統(tǒng)編程采取的文本語(yǔ)言相比，Labview使用G語(yǔ)言編程，界面更加友好直觀，是一種直覺(jué)式圖形程序語(yǔ)言［5］。

基于Labview平臺(tái)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)較多，如金仁江等開(kāi)展了基于Labview軟件的多通道溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［6］，吳俊勇等開(kāi)展了基于Labview平臺(tái)的多通道低溫測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)［7］。他們開(kāi)展的研究為本文提供了思路，但是由于他們的研究都針對(duì)具體的應(yīng)用對(duì)象，因此開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)或程序只適用于他們所使用的傳感器，很難直接應(yīng)用到其他類型傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

為進(jìn)一步增強(qiáng)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性和通用性，本文開(kāi)發(fā)了基于串口通信方式的數(shù)據(jù)采集軟件，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了多通道數(shù)據(jù)分析軟件，在此基礎(chǔ)上探討了力傳感器的標(biāo)定方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 力傳感器

兩船水動(dòng)力干擾試驗(yàn)要測(cè)量?jī)纱髯缘淖枇εc橫向力，橫向力采用前后兩個(gè)橫向力傳感器測(cè)量，阻力采用拉力傳感器測(cè)量。因此，兩船作用力測(cè)量時(shí)共有6個(gè)力傳感器。阻力傳感器型號(hào)為CHLBS，采用電流輸出方式，輸出電流為4～20 mA，對(duì)應(yīng)于量程0～50 N。橫向力傳感器型號(hào)為HGH，采用電壓輸出方法，量程為0～30 N。傳感器實(shí)物如圖1所示。

圖1 力傳感器

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括船體、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、通訊接口、工控機(jī)及軟件，兩船干擾試驗(yàn)中選擇的兩種傳感器在信號(hào)傳輸過(guò)程中使用的均是RS-485接口，這主要是因?yàn)樵摻涌趥鬏斶^(guò)程中抗噪聲干擾性好，最大傳輸距離可達(dá)3 000 m。但通常工控機(jī)上自帶串口為RS-232接口，因此還需要通過(guò)轉(zhuǎn)換器將RS-485接口所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)RS-232接口傳入工控機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖2中ADAM4117實(shí)現(xiàn)拉力傳感器模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，控制盒實(shí)現(xiàn)電壓的放大和橫向力傳感器模擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。ADAM4117是16位A/D、8通道的模擬量輸入模塊，用來(lái)采集拉力傳感器輸出的電流信號(hào)，需要發(fā)送相關(guān)指令才能采集數(shù)據(jù)。橫向力傳感器只要接線正確、標(biāo)定完成，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，不需要發(fā)送指令。

2 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如上文所述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)2個(gè)阻力通道及4個(gè)橫向力通道共6個(gè)通道數(shù)據(jù)的采集。其中阻力采用拉力傳感器，需要通過(guò)發(fā)送相關(guān)指令才能采集到數(shù)據(jù)，該指令在采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)已內(nèi)化到程序內(nèi)部；橫向力采用橫向力傳感器，使用時(shí)不需要發(fā)送指令。本文在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，按照順序結(jié)構(gòu)，依次采集6個(gè)通道數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并保存到指定文件中。

開(kāi)發(fā)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：①串口參數(shù)設(shè)置模塊；②發(fā)送指令顯示模塊；③接收數(shù)據(jù)顯示模塊；④標(biāo)定系數(shù)設(shè)置模塊；⑤采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線顯示模塊；⑥采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊，主要包括最大值、最小值、平均值、總數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；⑦數(shù)據(jù)保存模塊。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程界面截圖如圖3所示。串口參數(shù)設(shè)置模塊及橫向力數(shù)據(jù)采集程序代碼、拉力傳感器數(shù)據(jù)采集程序代碼分別如圖4、圖5所示。

圖3 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2 多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的快速分析，開(kāi)發(fā)了多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：①打開(kāi)文件模塊；②數(shù)據(jù)分段處理模塊；③數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)模塊，包括最大值、最小值、平均值。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖6所示。

圖4 串口參數(shù)設(shè)置及橫向力數(shù)據(jù)采集程序后面板

圖5 拉力數(shù)據(jù)采集程序后面板

圖6 多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

3 力傳感器系數(shù)的“迭代標(biāo)定法”

采用上述開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)拉力傳感器的標(biāo)定。對(duì)拉力傳感器的標(biāo)定通常采用的方法有最小二乘法［8］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［9-10］，無(wú)論采用哪種方法，歸根結(jié)底是要建立傳感器輸出值與實(shí)際值的線性擬合關(guān)系，這是力傳感器的工作原理。

以上介紹的傳感器標(biāo)定方法都是采用一次標(biāo)定獲得標(biāo)定系數(shù)，在實(shí)際標(biāo)定過(guò)程中，一次標(biāo)定時(shí)數(shù)據(jù)的選取非常關(guān)鍵。如果選取的數(shù)據(jù)與真實(shí)值之間誤差較大，則會(huì)得到一個(gè)不合理的標(biāo)定系數(shù)，進(jìn)而影響傳感器的測(cè)量精度。為了消除這種人為因素造成的誤差，這里給出“參數(shù)標(biāo)定的迭代法”。該方法的基本思想是：①采集第一次數(shù)據(jù)，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)采集多個(gè)樣本，取均值；②對(duì)采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到回歸系數(shù)，作為第一次標(biāo)定系數(shù)；③采用第一次得到的標(biāo)定系數(shù)采集樣本點(diǎn)，并對(duì)這些樣本點(diǎn)擬合，對(duì)第一次得到的回歸系數(shù)進(jìn)行修正，得到第二次標(biāo)定系數(shù)。如此往復(fù)，直到所獲得的樣本點(diǎn)均值與真實(shí)值基本相同為止。采用該方法一般循環(huán)3～4次即可得到較滿意的標(biāo)定系數(shù)。

為了驗(yàn)證本文提出的“參數(shù)標(biāo)定的迭代方法”，選取拉力傳感器開(kāi)展的試驗(yàn)驗(yàn)證。表1中給出了第一次采集到的8組樣本數(shù)據(jù)。

表1 第一次標(biāo)定用數(shù)據(jù)

對(duì)表1中樣本數(shù)據(jù)取均值，然后采用最小二乘法擬合得到第一次標(biāo)定系數(shù)。

標(biāo)定系數(shù)Rt=a1×Current+b1，a1=3.093，b1=-0.001。通過(guò)第一次迭代得到的回歸系數(shù)對(duì)a1進(jìn)行修正，得到系數(shù)a2=3.109 1；通過(guò)第二次迭代，又得到系數(shù)a3=3.110 3。通過(guò)表2中的數(shù)據(jù)可以看出，此時(shí)的回歸系數(shù)已較令人滿意。

表2 迭代法數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文基于Labview軟件，根據(jù)兩種傳感器不同的工作方式，開(kāi)發(fā)了基于串口通信的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多通道數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，為多通道數(shù)據(jù)采集、分析提供了快捷方便的工具；同時(shí)提出力傳感器的“迭代標(biāo)定法”，并用力傳感器標(biāo)定的試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

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