CN109239378B - 基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统及采集方法，主要用于高温、高压实验中实验材料声速、电导率的测量，及实时温度、压力数据采集。整个系统将声速测量和电导率测量集于一体，采用计算机将六面顶压机、超声波收发器、数字示波器、数控电流源等集成于同一软件控制，自动识别科研人员输入的实验条件，完成整个实验的自动化控制，将静高压实验的实时温度、压力、或电导率等数据参数同步采集，完成分析、显示和实时保存。且可实现时间触发同步采集、温度预设点触发采集、压力预设点触发采集等功能。系统具有同步精度高、速度快、调节简单、控制难度低、界面功能多样化的优点，可实现多种实验条件预设采集的工作。

Description

基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统及采集方法

技术领域

本发明涉及静高压实验数据采集技术领域，尤其涉及一种基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统及采集方法。

背景技术

高温高压下的声速和电导率测量对于探索材料内部原子和电子结构，以及与之相关的压缩特性与状态方程研究都有重要的物理意义与应用价值。通过研究高温高压条件下样品的声速和电导率变化，可以获得材料的温度压力相图。基于六面顶大腔体压机加载原位获得材料物性的方法，是研究材料相变和状态方程的重要手段之一。然而实验中需要测量这些参数随温度、压力、时间的变化关系，由于实验时间长、数据量大，虽然目前六面顶大腔体压机的温度和压力加载已经实现自动化，但是物性参数的测量尚需要实验人员手动完成，效率低下。因此，如何实现压力、温度、声速、电导率等参数同步自动采集，以及如何确保数据采集的精度和数据快速存储，是决定静高压实验中参数测量能否顺利完成的关键及提高实验平台的使用效率的关键，也是决定实验结果可靠性的关键。

目前，最为常用的静高压实验数据采集工作流程有以下8个步骤：1)启动静高压实验平台，将样品放置在静高压实验加载台面上，并完成实验样品与压机顶锤的对准；2)搭建测声速装置，连接声速接收探头至数字示波器，利用数字示波器采集声速信号；(或安装实验样品测量电导率装置)(不是同时进行的实验)；3)启动压机控制面板，设置加压、加温参数，如设置压力值，按规定的时间进行加温等；4)开始实验；5)实验人员定时开始记录设定参数点下的压力、温度、声速、(电导率)等参数，并以规定的时间间隔记录；6)实验人员改变实验中压力、温度等条件，按照步骤5，做好实验记录；7)实验结束，关闭所有设备；8)实验完成后实验人员开始将手工记录的数据输入至计算机，根据记录结果进行数据还原及实验分析。

综上所述，分析可以得知，现有静高压实验数据采集系统存在以下不足：

1)采集系统集成化和自动化程度不高。在当前大部分的静高压实验中，温度和压力已经实现了自动化控制和数据存储，但是样品的物性参数测量装置并未集成一体，需要科研人员自行搭建，并且只能采用手动测量和人工记录数据，由于实验加压过程缓慢及实验条件可变参数多，整个实验过程持续时间可达数天，记录数据大，同时数据采集精度、同步精度要求高；通过人工操作过程比较繁琐耗时，自动化程度低，在一定程度上影响实验效率，并且人工定时记录数据，同步精度低，误差大。

2)不具备数据同步采集功能。静高压实验数据采集系统没有统一的标准触发点来触发数据记录开始和间隔，通过人眼观察时间间隔，来决定记录的同步性和时间间隔，实验结果误差大。

3)不具备数据实时保存和分析功能。在实验过程中，由于采用人工记录数据值，控制软件并不能实时存储，同时实验条件变化时，并不能及时将测量的实时数据做基本的分析，因此并不能很快的反应出实验样品状态，很容易由于实验条件极限的不确定性，导致实验失败。

经检索，目前国内尚没有基于LabVIEW软件开发的集成化静高压实验数据采集系统的相关专利，其主要原因在于：静高压实验数据采集系统外围部件多，难以将不同型号和不同通信协议的外围部件通过计算机同步控制、计算机多通信接口的控制存在资源竞争问题、多线程并行运行机制应用等技术难度大，另外，精密的高端设备伴随复杂的操作和调试过程，所需时间较长，因此我们发明一种基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，将声速测量和电导率测量集于一体，采用计算机将六面顶压机、超声波收发器、数字示波器、数控电流源等集成于同一软件控制，自动识别科研人员输入的实验条件，完成整个实验的自动化控制，将静高压实验的实时温度、压力、声速信号或电导率等数据参数同步采集，完成分析、显示和实时保存的基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，包括声速测量装置，所述声速测量装置包括六面顶压机、超声波收发器、数字示波器和计算机；

所述六面顶压机包括用于装置样品的腔体、6个顶锤、一驱动顶锤运动的液压系统、一加热单元和一PLC控制器，所述液压系统和加热单元均与PLC控制器连接，由PLC控制器控制其工作，所述PLC控制器连接计算机；

所述超声波收发器经数字示波器连接计算机，用于向样品发射超声波信号，并接收回波信号经数字示波器显示后送入计算机中计算声速值；

还包括一压力采集单元、温度采集单元和一四电极电导率测量装置，所述计算机为基于LabVIEW开发平台的工控计算机；

所述压力采集单元包括一压力采集器和一压力传感器，所述压力传感器设在液压系统上采集其液压值，并传送至压力采集器，所述温度采集单元包括一温度传感器和一温度采集器，所述温度传感器采集样品温度并传送至温度采集器，所述压力采集器和温度采集器与计算机连接，由计算机采集当前压力值和温度值；

所述四电极电导率测量装置与计算机连接，由计算机控制其向样品加载电流或电压，并采集样品的电流值或电压值送入计算机中计算电导率；

所述计算机用于采集存储压力值、温度值、回波信号、电流值和/或电压值，计算声速值和电导率，并根据预设参数表控制液压系统、加热单元或四电极电导率测量装置工作，所述参数表包括多个不同实验条件的列表，每个列表包括数个预设参数值，所述预设参数值包括压力值、温度值、加载在样品上的电流值、和/或加载在样品上的电压值。

由于压力传感器采集的液压值是液压系统的值，所以为了精确，我们会先将液压压力和样品压力进行标定确定转换关系，并根据液压值转换为样品的实际压力值进行存储。

作为优选：所述工控计算机控制液压系统的方法为：

(a)工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下压力值P1，读取下一实验条件中预设的压力值为P2，将压力值P1到P2进行分段，均分为多个ΔP；

(b)预设一压力值由P1变为P2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

(c)将压力变化指令分解为：控制压力值P1在Δt的时间内按ΔP依次变化，直至达到压力值P2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动液压系统工作。

作为优选：所述工控计算机控制加热单元的方法为：

(d)工控计算机从温度采集器中获取样品当前实验条件下温度值T1，读取下一实验条件中预设的温度值为T2，将温度值T1到T2进行分段，均分为多个ΔT；

(e)预设一温度值由T1变为T2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

(f)将温度变化指令分解为：控制温度值T1在Δt的时间内按ΔT依次变化，直至达到温度值T2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动加热单元工作。

作为优选：所述PLC控制器、压力采集器、温度采集器分别通过USB-RS232串口与工控计算机连接，所述数字示波器通过TCP/IP协议与工控计算机通信。

作为优选：所述四电极电导率测量装置包括数控恒流源和四根电极线，数控恒流源与计算机连接，四根电极线分为两组，一组用于经数控恒流源向样品加载电流或电压，一组用于从样品上采集电流或电压并经数控恒流源送入计算机中。

一种基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统的采集方法，包括以下步骤：

(1)建立一基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，装入实验样品，启动采集系统并初始化，检测需记录的数据是否正常采集，所述需记录的数据包括温度采集器中的温度值、压力采集器中的压力值、数控电流源采集样品的电流值、电压值、和数字示波器输出的回波信号，所述回波信号为两路，分别是超声波信号经样品上表面和下表面反射回来的回波信号；

(2)设置参数表，所述参数表包括多个不同实验条件的列表，将列表排序，设置工控计算机记录数据的格式，所述数据为步骤(1)中需记录的数据；

(3)启动设备开始试验；

(4)工控计算机对第一个列表进行处理，一个列表的处理方法为：根据该列表中的预设参数值，控制各设备工作至预设参数值状，采集和存储当前试验条件下需记录的数据；

(5)分析需记录的数据得到试验结果，判断样品是否满足试验需要，若满足则对一下列表进行处理，直至列表处理完成；

(6)实验结束，停止各设备，取出样品并关闭基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统。

作为优选：步骤(4)中，控制各设备工作，包括控制液压系统工作，其控制方法为：

(a)工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下压力值P1，读取下一实验条件中预设的压力值为P2，将压力值P1到P2进行分段，均分为多个ΔP；

(b)预设一压力值由P1变为P2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

(c)将压力变化指令分解为：控制压力值P1在Δt的时间内按ΔP依次变化，直至达到压力值P2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动液压系统工作。

作为优选：步骤(4)中，控制各设备工作，还包括控制加热单元工作，其控制方法为：

(d)工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下温度值T1，读取下一实验条件中预设的温度值为T2，将温度值T1到T2进行分段，均分为多个ΔT；

(e)预设一温度值由T1变为T2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

(f)将温度变化指令分解为：控制温度值T1在Δt的时间内按ΔT依次变化，直至达到温度值T2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动加热单元工作。

本发明是声速测量装置和电导率测量装置的组合，二者实验可集合在一起，共用同一个实验条件，并在同一条件下获得多组数据值并存储。所述计算机主要有6个工作任务：

(1)获取压力、温度采集器中的压力、温度值；

(2)将压力、温度值作为反馈采用计算机编写分段式控制算法精确控制六面顶压机加压、加温；

(3)控制数控电流源给样品输入电流、测量电压，电流电压值实时显示；

(4)控制数字示波器的实时采集超声波数据，实时显示和存储；

(5)接收用户输入的实验条件，转换成计算机可识别的控制命令，用于控制数字示波器和数控电流源，并通过PLC控制器控制液压系统和加热单元；

(6)温度、压力、电流、电压、电导率和超声波数据实时存储。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)集成化程度高。本发明将计算机更换为基于LabVIEW开发平台的工控计算机，并通过该计算机实现六面顶压机、超声波收发器、数字示波器、数控电流源等设备控制与计算机有效集成，利用计算机控制软件实现静高压实验温度、压力、声速、电导率等数据参数同步测量及温度、压力、电流/电压的实时控制等功能。采用LabVIEW软件平台开发控制程序，利用LabVIEW的多线程运行的优势，开发多个线程，更有效的CPU利用率，更好的系统可靠性，利用多处理器计算机的性能，提高数据分析效率；并且用户编程只需考虑单个任务编程，缩短了程序开发周期，平且在对外部件的控制中更加灵活，部件更新后，只需修改对应线程程序即可完成设计。

2)实验系统具有统一的数据采集触发标准。本发明将六面顶压机、超声波收发器、数字示波器、数控电流源等设备控制与计算机结合，由于采用系统集成控制，计算机可实时采集温度、压力、声速、电导率等数据参数，采用其中任意一个预设温度、压力值、时间间隔等，即可做数据采集记录的触发点，并根据系统时钟，等间隔进行数据采集，实现数据的同步测量及温度、压力、电流等的实时控制。

3)实验数据采集系统具有实时数据存储的功能。在进行长时间实验过程中，一般会通过设置参数表的方式进行试验，参数表包括多个不同实验条件的列表，每个列表包括数个预设参数值，每个列表对应一个实验条件，此时，可以采用列表中任意一个预设参数值作为触发点，当计算机控制各设备工作到该触发点的值时，开始采集并存储列表中的所有预设参数值。例如：我们设一个列表中的温度值为50℃，则计算机控制各设备工作并实时采集温度数据，当温度达到50℃时，同步存储开始，并获取系统时钟开始等间隔采集记录，从而保证数据的同步性及记录间隔的精度。

4)本发明能对温度、压力、电流、电压等独立控制并采集。在实验过程中，温度、压力、电流值可根据实验条件预先输入在一个TXT文件或者电子表格中形成参数表，软件控制程序读取参数表并按列表分步执行，同时将对应的实验条件下测量的实验数据进行记录，直至实验完成。

5)本发明通过计算机进行温度、压力点分段控制，实验条件控制更加精准。在实验条件中，由于当前压力点或温度点转化至下一个压力点或温度点，PLC控制器的简单PID控制算法是很难将两个压力点或温度点变化时产生的非线性变化进行抑制；因此采用LabVIEW的计算机来处理，不仅可极大的简化PLC控制器的程序编写难度，提高PLC控制器的代码执行效率，同时可采够低性能、低成本的PLC控制器和温度、压力采集仪表，节省成本。而通过本发明的分段控制方法，能大大提高温度、压力变化的调节精度，及温度、压力的变化率的控制精度，同时可以满足用户不同的实验需求，提高系统实验的灵活性。分段控制也就是PID控制。

6)扩展性高。本发明应用LabVIEW软件开发平台调用ActiveX控件驱动数字示波器实现对声波信号的采集和数字示波器的控制，可方便更换相同类型、相同通信模式的更高的带宽和更高采样率的数字示波器，具有良好的扩展性。

7)同步能力强。本发明根据控制软件实时采集的其中任意一个温度、压力值与预设的触发点值比较判断数据同步存储的开始，并获取系统时钟开始等间隔采集记录，从而提数据的同步性及记录间隔的精度。

8)实现成本低、可靠性高。本发明通过普通计算机、USB协议、以太网通信、GPIB通信和USB-RS232等通信方式，实现静高压实验系统的各个设备的通信及控制，技术比较成熟，并且配件成本低，可靠性较高。

9)实用性强。本发明开发了通用实验条件编辑模式，如用户可以将多个可变的参数全部输入，然后根据实验条件进行分组执行，并根据用户需要存储采用的实验数据，可供研究材料物性的实验科研人员，根据设计思路来编程制作特殊实验条件及记录实验数据。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为本发明精确控制压力点、温度点变化的原理示意图；

图3是实施例2中本发明线程1流程图；

图4是实施例2中本发明线程2流程图；

图5是实施例2中本发明线程3流程图；

图6是实施例2中本发明线程4流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图2，一种基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，包括声速测量装置，所述声速测量装置包括六面顶压机、超声波收发器、数字示波器和计算机；

所述六面顶压机包括用于装置样品的腔体、6个顶锤、一驱动顶锤运动的液压系统、一加热单元和一PLC控制器，所述液压系统和加热单元均与PLC控制器连接，由PLC控制器控制其工作，所述PLC控制器连接计算机；

所述超声波收发器经数字示波器连接计算机，用于向样品发射超声波信号，并接收回波信号经数字示波器显示后送入计算机中计算声速值；

还包括一压力采集单元、温度采集单元和一四电极电导率测量装置，所述计算机为基于LabVIEW开发平台的工控计算机；

所述压力采集单元包括一压力采集器和一压力传感器，所述压力传感器设在液压系统上采集其液压值，并传送至压力采集器，所述温度采集单元包括一温度传感器和一温度采集器，所述温度传感器采集样品温度并传送至温度采集器，所述压力采集器和温度采集器与计算机连接，由计算机采集当前压力值和温度值；

所述四电极电导率测量装置与计算机连接，由计算机控制其向样品加载电流或电压，并采集样品的电流值或电压值送入计算机中计算电导率；

所述计算机用于采集存储压力值、温度值、回波信号、电流值和/或电压值，计算声速值和电导率，并根据预设参数表控制液压系统、加热单元或四电极电导率测量装置工作，所述参数表包括多个不同实验条件的列表，每个列表包括数个预设参数值，所述预设参数值包括压力值、温度值、加载在样品上的电流值、和/或加载在样品上的电压值。

本实施例中：所述工控计算机控制液压系统的方法为：

(a)工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下压力值P1，读取下一实验条件中预设的压力值为P2，将压力值P1到P2进行分段，均分为多个ΔP；

(b)预设一压力值由P1变为P2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

(c)将压力变化指令分解为：控制压力值P1在Δt的时间内按ΔP依次变化，直至达到压力值P2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动液压系统工作。

所述工控计算机控制加热单元的方法为：

(d)工控计算机从温度采集器中获取样品当前实验条件下温度值T1，读取下一实验条件中预设的温度值为T2，将温度值T1到T2进行分段，均分为多个ΔT；

(e)预设一温度值由T1变为T2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

(f)将温度变化指令分解为：控制温度值T1在Δt的时间内按ΔT依次变化，直至达到温度值T2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动加热单元工作。

所述PLC控制器、压力采集器、温度采集器分别通过USB-RS232串口与工控计算机连接，所述数字示波器通过TCP/IP协议与工控计算机通信。

所述四电极电导率测量装置包括数控恒流源和四根电极线，数控恒流源与计算机连接，四根电极线分为两组，一组用于经数控恒流源向样品加载电流或电压，一组用于从样品上采集电流或电压并经数控恒流源送入计算机中。

本实施例中：超声波收发器的具体结构为：包括超声波收发探头和信号发生器，超声波收发探头紧贴样品的表面，信号发生器驱动超声波收发探头发射声波信号在样品内部传波，一般，与样品接触的表面称为上表面，与上表面平行相对的另一个表面为下表面，声波信号经样品上、下表面反射，产生2个回波信号，被超声波收发探头探测到，并由超声波收发探头将声波的回波信号转换为电信号传输至数字示波器。

数字示波器将两个电信号采集并显示波形，由于数字示波器采用TCP/IP协议与计算机相连，通过TCP/IP协议将数字示波器的实时波形传输至计算机中，所以计算机能从获取两个电信号分析和处理，从而计算声速值。

一种基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统的采集方法，包括以下步骤：

(1)建立一基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，装入实验样品，启动采集系统并初始化，检测需记录的数据是否正常采集，所述需记录的数据包括温度采集器中的温度值、压力采集器中的压力值、数控电流源采集样品的电流值、电压值、和数字示波器输出的回波信号，所述回波信号为两路，分别是超声波信号经样品上表面和下表面反射回来的回波信号；

(2)设置参数表，所述参数表包括多个不同实验条件的列表，将列表排序，设置工控计算机记录数据的格式，所述数据为步骤(1)中需记录的数据；

(3)启动设备开始试验；

(4)工控计算机对第一个列表进行处理，一个列表的处理方法为：根据该列表中的预设参数值，控制各设备工作至预设参数值状，采集和存储当前试验条件下需记录的数据；

(5)分析需记录的数据得到试验结果，判断样品是否满足试验需要，若满足则对一下列表进行处理，直至列表处理完成；

(6)实验结束，停止各设备，取出样品并关闭基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统。

步骤(4)中，控制各设备工作，包括控制各设备工作中包括控制液压系统工作和加热单元工作；

控制液压系统工作具体方法为：

(a)工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下压力值P1，读取下一实验条件中预设的压力值为P2，将压力值P1到P2进行分段，均分为多个ΔP；

(b)预设一压力值由P1变为P2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

(c)将压力变化指令分解为：控制压力值P1在Δt的时间内按ΔP依次变化，直至达到压力值P2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动液压系统工作。

控制加热单元工作具体方法为：

(d)工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下温度值T1，读取下一实验条件中预设的温度值为T2，将温度值T1到T2进行分段，均分为多个ΔT；

(e)预设一温度值由T1变为T2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

(f)将温度变化指令分解为：控制温度值T1在Δt的时间内按ΔT依次变化，直至达到温度值T2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动加热单元工作。

图2中，横坐标为时间t，纵坐标为压力p或温度T，由于温度控制和压力控制方式相同，我们结合图2，以温度控制为例描述分段控制的方法。

当前温度值为T1，对应时间为t1，读取下一实验条件中预设的温度值为T2，且需要在时间t2时达到，我们将T1到T2进行分段，均分为多个ΔT，为了保证坐标系中斜率，同理，ΔT对应的时间为Δt；

同理，读取下一实验条件中预设的温度值为T3，且需要在时间t3时达到，按上述方法分段，保证斜率相同，以满足线性关系。

实施例2：参见图1到图6，除以下内容外，其余与实施例1相同。

计算机主要有6个工作任务：

(1)获取压力、温度采集器中的压力、温度值；

(2)将压力、温度值作为反馈采用计算机编写分段式控制算法精确控制六面顶压机加压、加温；

(3)控制数控电流源给样品输入电流、测量电压，电流电压值实时显示；

(4)控制数字示波器的实时采集超声波数据，实时显示和存储；

(5)接收用户输入的实验条件，转换成计算机可识别的控制命令，用于控制数字示波器和数控电流源，并通过PLC控制器控制液压系统和加热单元；

(6)温度、压力、电流、电压、电导率和超声波数据实时存储。

实际工作中，可以将上述6个工作任务分为以下四个独立的线程。

线程1：包含任务11-14；

任务11：六面顶压机的PLC控制；具体为，PLC控制器与液压系统、加温设备相连，，并采用USB-RS232与计算机相连，由计算机将指令发送给PLC控制器，PLC控制器执行；

任务12：压力分段式控制；具体为，将用户输入的压力点，根据实验要求参数，进行合理分段，实施分段控制；

任务13：温度分段式控制；具体为，将用户输入的温度点，根据实验要求参数，进行合理分段，实施分段控制；

任务14：压力、温度采集器的控制；具体为，计算机通过USB-RS232串口读取压力、温度采集器上传的压力、温度值，并实时显示。

线程1是将相关六面顶压机PLC控制任务的执行放一个线程中，具体流程为：线程1启动，首先初始化所有的相关任务PLC控制任务的外部设备，并且检测设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次初始化进入，或者退出软件；其次进入下一步，启动PLC控制器，连接设备，并且检测设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次启动过程进入，或者退出软件；进入下一步，线程到此，所有的连接正常，启动正常，开始分配任务，分别为任务11、任务12、任务13、任务14，线程中任务进入循环扫描，执行任务，或等到用户关闭软件。

线程2：包含任务21-23；

任务21：电压输出、电流采集控制；

任务22：电流输出、电压采集控制；

任务23：用户实验条件处理，及电压电流实时存储；

线程2是电流电压的控制，线程2启动，首先开始初始化外部设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次初始化进入，或者退出软件；其次进入下一步，启动数控电流源，连接设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次启动过程进入，或者退出软件；进入下一步，线程到此，所有的连接正常，启动正常，开始分配任务，分别为任务21、任务22、任务23，线程中任务进入循环扫描，执行任务，或等到用户关闭软件。

线程3包含任务31、32、33。

任务31：启动数字示波器与计算机实时通信；

任务32：计算机采集数字示波器实时波形并显示；

任务33：数字示波器参数设置；

线程3主要是数字示波器波形显示线程，由于数字示波器采样率较高，数据量比较大，要求实时性较强，单独开发一个线程。线程具体的流程如图5，线程3启动，首先初始化所有外部设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次初始化进入，或者退出软件；其次进入下一步，启动数字示波器，连接设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次启动过程进入，或者退出软件；进入下一步，启动激光功率采集；再进入下一步，线程到此，所有的连接正常，启动正常，开始分配任务，分别为任务31、任务32、任务33，线程中任务进入循环扫描，执行任务，或等到用户关闭软件。

线程4包含任务41、42、43。

任务41：数据库操作，数据存储设置；

任务42：用户数据输入分类和转换成实验条件控制命令；

任务43：静高压数据采集系统平台控制；

线程4是将相关实时性不强的任务放一个线程4中，具体的流程如图6，线程4启动，首先初始化所有外部设备，并且测试设备是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择检查外部设备，再次初始化进入，或者退出软件；其次进入下一步，启动数据库，并且检测数据库状态是否完成初始化的过程，如失败，用户可选择重新打开或新建数据库，再次启动过程进入，或者退出软件；进入下一步，线程到此，所有的连接正常，启动正常，开始分配任务，分别为任务41、任务42和任务43，线程中任务进入循环扫描，执行任务，或等到用户关闭软件。

采用线程处理具备以下好处：

(1)在实验中，因为采用多线程编程，以便于它们独立运行，不干扰实时性，软件可以在实时进行实验时，可对已经记录完成的实验条件的数据进行分析，并且不干扰实验过程，数据分析可快速的将实验记录的数据进行波形拟合，绘制出实验压力/温度曲线、压力/电导率曲线、稳定/电导率曲线等等。同样也可将记录的数据文件应用于其他数据处理软件，并且数据格式都是相互兼容。

(2)具有稳定性高、长时间连续运行、环境适应性与耐久性能高等特点。本发明分别赋予线程的优先级，以便它们独立工作，在多线程应用中，多项任务可以与该系统执行的其他应用并行执行；当同步调用在一个线程中运行时，程序中不依赖于该调用的其它部分可以在其它线程中运行。该程序的执行可以持续地推进，而不是停滞直到完成同步调用。因此，多线程应用实现了CPU使用效率的最大化，因为当该应用的所有线程都可以同时运行时，CPU不会处于空闲状态。

对于参数表，我们给出一个具体的参数表如下：

表1：参数表

N00

START

N01

P

N02

P10 t100

P10

P20

P30

P50

……

P100

N03

P100 t100

P100

P90

P80

P70

……

P10

N04

T

N05

T30 t100

T30

T40

T50

T60

……

T1000

N06

T1000 t100

T1000

T900

T700

T500

……

T30

N07

t

N08

t10

t20

t30

t40

t50

……

t1000

N09

U10

N10

I1

N11

END

其中，P表示压力，单位MPa，T表示温度，单位为摄氏度，t表示时间，单位为s，N00-N08代表列表行数。I表示电流，单位为A，U表示电压，单位为V。

从N02可知，此为一个升压的实验过程，起始压力为10Mpa，触发点根据实验设置增加，开始执行，依次为10MPa、20MPa、30MPa……100MPa，每个压力值的保压时间为t＝100s。计算机就控制液压系统工作，直到压力采集器中压力值为10Mpa时，采集一次压力值、温度值、回波信号、电流值和电压值，计算声速值和电导率，并存储，20MPa、30MPa……100MPa同理。在压力值从10MPa到20MPa变化时，采用的是PID分段控制。

N03同理，此为一个与N02相对的降压的实验过程，触发点根据实验设置的条件减少，每个压力值的保压时间为t＝100s。

从N05可知，此为一个升温的过程，起始压力为30℃，触发点根据实验设置递增，依次为10℃、20℃、30℃……1000℃，每个温度值的保温时间为t＝100s。计算机就控制加温单元工作，直到温度采集器中温度值为10℃时，采集一次压力值、温度值、回波信号、电流值和电压值，计算声速值和电导率，并存储，其余触发点温度同理。在温度值从10℃到20℃变化时，采用的是PID分段控制。

N05同理，为一个与N06相对的降温的实验过程，触发点根据实验设置的条件减少，每个温度值的保温时间为t＝100s。

N08为采样的时间间隔，也就是说，时间每间隔10秒，采样并存储计算一次；

N09表示数控电流源输出电压为10V

N10表示数控电流源输出电流为1A。

为了更简便计算机的程序设计，我们还可以加入N01，N04，N07等，N01表示以下列表中触发点为电压P，N04表示以下列表中触发点为温度T，N07表示以下列表采样是根据时间间隔进行采样。

Claims (7)

1.一种基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，包括声速测量装置，所述声速测量装置包括六面顶压机、超声波收发器、数字示波器和计算机；

所述六面顶压机包括用于装置样品的腔体、6个顶锤、一驱动顶锤运动的液压系统、一加热单元和一PLC控制器，所述液压系统和加热单元均与PLC控制器连接，由PLC控制器控制其工作，所述PLC控制器连接计算机；

所述超声波收发器经数字示波器连接计算机，用于向样品发射超声波信号，并接收回波信号经数字示波器显示后送入计算机中计算声速值；

其特征在于：还包括一压力采集单元、温度采集单元和一四电极电导率测量装置，所述计算机为基于LabVIEW开发平台的工控计算机；

所述压力采集单元包括一压力采集器和一压力传感器，所述压力传感器设在液压系统上采集其液压值，并传送至压力采集器，所述温度采集单元包括一温度传感器和一温度采集器，所述温度传感器采集样品温度并传送至温度采集器，所述压力采集器和温度采集器与计算机连接，由计算机采集当前压力值和温度值；

所述四电极电导率测量装置与计算机连接，由计算机控制其向样品加载电流或电压，并采集样品的电流值和电压值送入计算机中计算电导率；

所述计算机用于采集存储压力值、温度值、回波信号、电流值和电压值，计算声速值和电导率，并根据预设参数表控制液压系统、加热单元或四电极电导率测量装置工作，所述参数表包括多个不同实验条件的列表，每个列表包括数个预设参数值，所述预设参数值包括压力值、温度值、数控电流源采集样品的电流值、电压值和数字示波器输出的回波信号；

所述四电极电导率测量装置包括数控电流源和四根电极线，数控电流源与计算机连接，四根电极线分为两组，一组用于经数控电流源向样品加载电流或电压，一组用于从样品上采集电流或电压并经数控电流源送入计算机中。

2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，其特征在于：所述工控计算机控制液压系统的方法为：

（a）工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下压力值P1，读取下一实验条件中预设的压力值为P2，将压力值P1到P2进行分段，均分为多个ΔP；

（b）预设一压力值由P1变为P2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

（c）将压力变化指令分解为：控制压力值P1在Δt的时间内按ΔP依次变化，直至达到压力值P2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动液压系统工作。

3.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，其特征在于：所述工控计算机控制加热单元的方法为：

（d）工控计算机从温度采集器中获取样品当前实验条件下温度值T1，读取下一实验条件中预设的温度值为T2，将温度值T1到T2进行分段，均分为多个ΔT；

（e）预设一温度值由T1变为T2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

（f）将温度变化指令分解为：控制温度值T1在Δt的时间内按ΔT依次变化，直至达到温度值T2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动加热单元工作。

4.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，其特征在于：所述PLC控制器、压力采集器、温度采集器分别通过USB-RS232串口与工控计算机连接，所述数字示波器通过TCP/IP协议与工控计算机通信。

5.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统的采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）建立一基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统，装入实验样品，启动采集系统并初始化，检测需记录的数据是否正常采集，所述需记录的数据包括温度采集器中的温度值、压力采集器中的压力值、数控电流源采集样品的电流值、电压值、和数字示波器输出的回波信号，所述回波信号为两路，分别是超声波信号经样品上表面和下表面反射回来的回波信号；

（2）设置参数表，所述参数表包括多个不同实验条件的列表，将列表排序，设置工控计算机记录数据的格式，所述数据为步骤（1）中需记录的数据；

（3）启动设备开始试验；

（4）工控计算机对第一个列表进行处理，一个列表的处理方法为：根据该列表中的预设参数值，控制各设备工作至预设参数值状，采集和存储当前试验条件下需记录的数据；

（5）分析需记录的数据得到试验结果，判断样品是否满足试验需要，若满足则对一下列表进行处理，直至列表处理完成；

（6）实验结束，停止各设备，取出样品并关闭基于LabVIEW的静高压实验数据采集系统。

6.根据权利要求5所述的采集方法，其特征在于：步骤（4）中，控制各设备工作，包括控制液压系统工作，其控制方法为：

（a）工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下压力值P1，读取下一实验条件中预设的压力值为P2，将压力值P1到P2进行分段，均分为多个ΔP；

（b）预设一压力值由P1变为P2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

（c）将压力变化指令分解为：控制压力值P1在Δt的时间内按ΔP依次变化，直至达到压力值P2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动液压系统工作。

7.根据权利要求5所述的采集方法，其特征在于：步骤（4）中，控制各设备工作，还包括控制加热单元工作，其控制方法为：

（d）工控计算机从压力采集器中获取样品当前实验条件下温度值T1，读取下一实验条件中预设的温度值为T2，将温度值T1到T2进行分段，均分为多个ΔT；

（e）预设一温度值由T1变为T2的时间为t，则每个分段对应的时间为Δt；

（f）将温度变化指令分解为：控制温度值T1在Δt的时间内按ΔT依次变化，直至达到温度值T2，并将分解后的指令发送至PLC控制器，由PLC控制器驱动加热单元工作。

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