1 问题提出

螺杆钻具在出厂前必须在试验台上完成各项性能参数的测试，并根据这些测得数据，来正确评价螺杆钻具的性能，确保产品质量。而用传统手工方法和测量手段测量扭矩、转速等参数, 不仅精度低, 速度慢,可靠性差, 而且测量时由于需多人配合操作和读数，误差大，实时性无法保证，另外还耗费大量人力，所以传统的手工操作方式已不能有效的满足测试要求。因此建立一套基于计算机控制的螺杆钻具试验台数据采集系统是非常必要的。本文以扭矩、转速信号的采集为例，介绍一下这类参数的具体实现方法。

2 硬件方案

2.1 硬件结构形式

采用基于PCI总线的多通道一般型，这种结构形式是将经信号调理电路调理后的模拟信号送多路转换开关MUX，在计算机控制下某一通道被选通，进入后级放大器和采样保持器，再送入A/D转换器完成模拟信号到数字信号的转换，转换后的数据送入计算机处理。主要由计算机、多通道高速数据采集卡、扭矩转速传感器、信号转换电路等组成。

2.2 硬件配置

2.2.1 计算机

CPU：P4级别以上处理器

内存：2GB

硬盘：320GB

显示器：20英寸

打印机：喷墨打印机

    推荐选用工控机。

2.2.2 数据采集卡

采用PCI-8310模入接口卡作为数据采集卡，该卡适用于提供了PCI 总线插槽的PC系列计算机。主要性能参数：

输入通道数：单端32路；双端16路

输入信号范围： 0V～10V；－5V～＋5V； -10V～＋10V

A／D转换分辨率：12位

A／D转换速率：10μS

2.2.3 扭矩转速传感器

选用上海良标智能终端股份有限公司生产的ZJ5000型扭矩转速传感器。主要性能参数：

可测转速范围：0～3000 r/min

可测转矩范围：5000 N·M

精度等级：    0.2级

2.2.4 扭矩转速仪

选用与扭矩转速传感器相配套的ZJYW1型微机型扭矩转速仪。主要性能参数：

输入信号频率：100Hz～50kHz 

输出电压幅度：0.1V～6V 

转矩精度：±0.2% 

转速精度：±0.05% 

转矩档选择：0～5000 N·M

转速档选择：0～500  r/min

3 软件实现

    采用Microsoft公司WindowsXP操作系统环境下的Visual Basic6.0作为开发工具，Access2003作为数据库。

3.1 标度变换

采集到的扭矩、转速数据仅仅是以电压的形式表现，虽然含有被采集的物理量变化规律的信息，但仍然没有明确的物理意义，因而必须把它还原成对应的物理量，这就需要标度变换，即把A/D转换器转换的数字量变换为带有工程单位的数字量。

当被测物理量与传感器或仪表的输出之间呈线性关系时，采用线性变换，变换公式为： 　

式中：Y0—— 被测量量程的下限 　

Yｍ—— 被测量量程上限 　

Y —— 标度变换后所得到的被测量的实际值 　

N0 —— Y0对应的 Ａ／Ｄ 转换后的数字量 　

Nｍ—— Ｙｍ对应的 Ａ／Ｄ 转换后的数字量　

X —— 被测量实际值Y所对应的 Ａ／Ｄ 转换后的数字量

因为扭矩的测量范围是0～5000 N·M，经扭矩转速仪处理后线性化输出电压0～5V即0～5000mV；转速的测量范围是0～500r/min，经扭矩转速仪处理后线性化输出相对应的电压0～5V即0～5000mV，所以

扭矩的标度变换公式：

Y=0+（nZTPCI.ldata-0）*5000/(5000-0)=nZTPCI.ldata

转速的标度变换公式：

Y=0+（nZTPCI.ldata-0）*500/(5000-0)=nZTPCI.ldata/10

式中：nZTPCI.ldata为某通道采集到的输出电压值（mV）。

3.2 数据采集

3.2.1 通道与被采集参数对应关系的设计：

针对所需采集的参数选用合适的通道进行数据采集工作，具体的对应关系，如表1所示：

　　　　　　　表1  通道与参数对应关系一览表

3.2.2 各通道参数数据采集实现的设计

在定时器内设一个循环语句（For i = 4 to 5）,当i=4时，通过调用动态链接库“PCI8KP.DLL”中的相应函数，读取从数据采集卡中传来的转速数据，将其赋予数组变量TEXT1（3），并在相应的文本框中显示该值；当i=5时，用相同的方法读取扭矩值，并存入TEXT1（4）中，同样在相应文本框中实时显示该值。

3.2.3 各种操作之间互锁的设计

这里利用命令按钮的ENABLED属性来完成互锁。当命令按钮的ENABLED属性设为False时该操作不能进行，按钮呈灰色；当ENABLED属性设为True时，按钮恢复正常可用状态，可以进行相关操作。

3.2.4 数据存盘的设计

在进入图2的界面前，必须先输入相关测试的信息，其中钻具编号赋予变量cjbh。在点击“保存”按钮后，程序首先打开数据库“acdata.mdb”中的表“cjdata”，然后在其中查找是否有编号为cjbh的钻具数据存在，如果有就提示“检验记录已经存在,是否删除原记录，保存现记录!”；如果没有就在表cjdata中用“Insert into”命令添加此记录。

下面给出7通道数据采集的程序框图，如图1所示。

图1  数据采集程序框图

3.3 实时曲线显示

实时曲线反映地是现场数据的实时性和当前趋势，因此在实现时需显示曲线的动态变化，使得图形的显示可以不断地更新，从而整个曲线动态地变化。

绘制实时采集数据曲线是为了实时观测，以便掌握实时采集数据变动的趋势，使曲线显示效果最佳。绘制曲线前要将需要的绘图范围及坐标轴的尺寸刻度设定好，然后根据测量结果及采集时间绘制实时测试曲线。

    坐标的确定是根据不同参数的测量范围来确定的。转速测量范围是0～300r/min,因此转速--时间曲线的纵坐标（转速）范围0～300r/min；扭矩测量范围是0～5000N·m,因此扭矩--时间曲线的纵坐标（扭矩）范围0～5000N·m；横坐标为时间，刻度范围0～100s，每隔100s一清屏。

在实时采集数据曲线中只需用到直线的绘制方法，即用较短的直线去替代曲线上的点，在VB中画直线是通过line函数来实现的，它的语法为:

object.Line[Step1](x1,y1)[ Step2](x2,y2),[color]

其中，可选项Step1设置起点坐标相对于当前图形位置图标的偏移量；(x1,y1) 指定直线的起点坐标或矩形的左上角坐标；可选项Step2设置终点坐标相对于当前图形位置图标的偏移量；(x2,y2) 指定直线的终点坐标或矩形的右下角坐标；color是指绘画所用的RGB颜色，可以被忽略。

设计思路：新建一窗体，将其name属性命名为frmrealline。在其上分别建立二个frame控件，将其caption属性分别命名为转速曲线、扭矩曲线；然后在每个控件上分别建立一个picturebox控件和一个label控件、一个文本框控件，label控件的caption属性分别设为转速值、扭矩值，picturebox控件用作绘制实时显示曲线，文本框控件用于显示实时变化的数据值。其运行界面，如图2所示。

图2  实时曲线显示界面图

报警设置：当程序检测到有参数达到设定的报警上限时，文本框显示的实时数据颜色由蓝色变为红色，并发出“嘟嘟”的报警声音，直到报警状态消除。

下面以转速实时曲线显示设计为例给出其程序框图，如图3所示。

图3  转速实时曲线显示程序框图

4 使用效果

(1) 快速采集数据。数据采集工作是在编制好的程序软件的统一指挥下自动完成的，所以其速度比常规人工测量快得多。

(2) 可靠性好、准确度高。由于采集频率较高，且有较好的抗干扰措施，所以能够实现高分辨率、高精度的测量。

(3) 可现场进行数据分析，及时提供试验结果和相关性能曲线，大大缩短了试验周期，而且原始数据经存盘后可长久保存，便于将来进一步处理或查询。

山东省潍坊生建机械有限责任公司　庄森