CN113933347A - 一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及爆轰结构领域，提供了一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统及方法，所述爆轰实验系统包括人机交互单元，所述人机交互单元包括参数设置界面、配气系统界面、流程操作界面和结果显示界面、实验开始键和实验停止键。所述参数设置界面用于设定爆轰实验的多种参数；所述配气系统界面用于对配气系统的多种阀门进行开关控制；所述流程操作界面用于对实验的流程进行控制；所述结果显示界面用于显示实验结果的爆轰压力、爆轰速度及爆轰波传播过程中的胞格结构等。本发明很好的将虚拟实验模式与实验室实验模式相结合，科研人员通过控制实际设备远程完成实验、得到真实实验结果，在保障实验质量的同时极大地提高实验效率。
Description
技术领域
本发明涉及爆轰结构领域，特别涉及一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统及方法。
背景技术
为突破实验室实验在时间、空间及仪器设备等方面的限制，设计研发基于虚拟仪器的实验系统，并将其应用于实际的实验操作及实验教学中显得十分重要。虚拟仪器与传统意义上功能固定的仪器不同，用户可以根据自身需求灵活地对虚拟仪器进行设计、维护和修改。虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件结合高效软件来完成各种测试和自动化的应用。作为虚拟仪器技术中应用最广的开发环境，LabVIEW采用框图的形式进行编程，是开发测量或控制系统的最理想选择。
目前，在爆轰实验领域存在很多问题，我国各高校实验室现有的仪器设备陈旧过时、资源分散，实验教学受仪器设备使用时间和实验室空间条件限制大，爆轰实验危险性较大。急需爆轰实验与虚拟仪器结合使用的实验系统。
发明内容
本发明的目的是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统及方法，采用虚拟仪器技术，重点研究远程实验中的关键技术，并结合现有的实验设备资源，开发出基于虚拟仪器的爆轰实验系统。该系统摒弃了传统实验室实验操作流程复杂、参数设置过多、危险性过大等一系列缺点，实验人员通过操作控制面板，以软件代替硬件形式完成虚拟实验操作获取真实实验数据，实际实验前期已有人员完成。该系统打破了实验人员固定、实验场所固定的传统实验室模式，为学生和科研人员提供了便利的实验操作条件，实现了实验资源的共享，极大地提高了实验设备的利用率。
本发明解决的技术问题是提供基于虚拟仪器的爆轰实验系统，在虚拟实验的基础上加入实际的硬件实验设备，并可对实验设备进行相应的控制，用户远端完成虚拟实验室操作的整个过程，获得真实的实验数据。爆轰波传播过程中胞格结构、爆轰极限等现象，爆轰波的压力、速度等参数均可实时的显示到用户界面上。
本发明采用如下技术方案：
一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统，包括人机交互单元，所述人机交互单元包括参数设置界面、配气系统界面、流程操作界面和结果显示界面、实验开始键和实验停止键；
所述参数设置界面，用于设定爆轰实验的多种参数；
所述配气系统界面，用于对配气系统的多种阀门进行开关控制；
所述流程操作界面，用于对实验的流程进行控制；
所述结果显示界面，用于显示实验结果的爆轰压力、爆轰速度及爆轰波传播过程中的胞格结构。
进一步的，所述参数设置界面设置有多个按键，包括实验名称及数据存储文件路径、采集频率、采集持续时间、点火电压、点火延迟时间、点火持续时间、火焰通道个数。实验段管道上方安设数据采集装置进行数据测量与采集，可选择高灵敏度的压力变送器得到压力值、波形图等数据，也可根据需要选择不同传感器、光纤、离子探针、信号转换器、数据采集器、示波器等采集装置。设定实验数据存储文件路径及名称，设定实验数据采集装置的采集频率和采集持续时间，设定实验高圧点火装置的点火延迟时间、点火持续时间及火焰通道个数等各项控制参数。
进一步的，所述配气系统界面设置多个开关键，包括仪表显示器、预混气控制阀、爆轰管控制阀、压力传感器控制阀、引爆气控制阀、纯气控制阀和真空泵控制阀；通过控制各阀门的开闭完成混合气体的配置操作。
进一步的，所述开关键在实验开始前的初始状态为关闭。
进一步的，所述流程操作界面设置有多个操作键，包括气密性检测、高压点火、数据采集、烟膜安设及烟膜取出。实验人员通过控制面板操作模拟实验，实际实验前期已有人员完成。气密性的检测对整个实验的影响至关重要，实验中通过压力传感器对管道内的真空度进行测量的同时，使用真空泵连续对爆轰管道进行抽放。如果压力传感器显示的泄漏率小于5kPa/h，且绝对压力低于0.05kPa，那么该爆轰管道系统的气密性能够达到实验的实际要求。实际实验中烟膜的安设和取出可选用机械臂操作代替人为操作，极大地保障了实验人员的安全性。
进一步的，所述结果显示界面包括结果显示区和显示命令键，所述显示命令键包括爆轰压力、爆轰速度、烟膜处理和胞格结构，点击所述显示命令键时，在结果显示区分别显示爆轰压力、爆轰速度及爆轰波传播过程中的胞格结构。
一种基于虚拟仪器的爆轰实验方法，其实验流程包括：
步骤一：点击流程设置界面的气密性检测键，在实验前对管道进行气密性检测；
步骤二：按照配气实验步骤，通过开闭配气系统界面的各种阀门，完成混合气体配置操作；
步骤三：在参数设置界面设置实验名称及数据存储文件路径、采集频率、采集持续时间、点火电压、点火延迟时间、点火持续时间、火焰通道个数；
步骤四：实验时抽出管道组内空气，将预混气体缓慢地充入实验管道至一定初始压力，若压力表示数没有变化说明管道内压力已经稳定，之后快速平稳的充入引爆气，开启高压点火；
步骤五：采集测试完成后，点击开始实验按键；
步骤六：高压点火与数据采集按设定好的初始状态触发，爆轰实验开始；
步骤七：爆轰实验完成后打开阀门抽出管内气体，取出烟膜查看结果并保存数据。
进一步的，安设新烟膜，封闭管道，抽出管中空气，并降低初始压力可重复上述步骤完成爆轰实验。
进一步的，烟膜处理可对爆轰波图片进行处理，调整色差和对比度，并实现轨迹描写，便于更清晰地观察和分析爆轰波结构。
本发明的有益效果为：本发明基于LabVIEW虚拟仪器技术结合传统实验仪器设计开发爆轰实验系统。本系统采用非接触式测试方案，可观测柱爆轰、螺旋爆轰波传播过程中胞格结构、爆轰极限等现象，同时可获取爆轰波压力、速度等参数。本系统突破传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，拥有良好的扩展性和友好的用户界面，简单便捷，具有较高的实用性。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统的结构示意图。
图2所示为本发明实施例一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统的爆轰实验整体结构图。
图中：1-参数设置界面；2-实验名称及数据存储文件路径选项框；3-采集频率输入框；4-采集持续时间输入框；5-点火电压输入框；6-点火延迟时间输入框；7-火焰通道个数输入框；8-点火持续时间输入框；9-配气系统界面；10-仪表显示器；11-预混气控制阀；12-爆轰管控制阀；13—压力传感器控制阀；14-引爆气控制阀；15-纯气控制阀；16-真空泵控制阀；17-流程操作界面；18-气密性检测；19-高压点火；20-数据采集；21-烟膜安设；22-烟膜取出；23-结果显示界面；24-爆轰压力命令键；25-烟膜处理命令键；26-爆轰速度命令键；27-胞格结构命令键；28-实验开始命令键；29-实验停止命令键。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明实施例中，用LabVIEW开发的应用程序由前面板和程序框图构成，前面板是人机交互界面，程序框图是VI代码。为了使基于虚拟仪器的爆轰实验系统面板更接近于实际的爆轰实验，便于用户操作，该系统将实验所有功能集成，设计了一个新的前面板。
如图1所示，本发明实施例一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统，包括参数设置界面1、配气系统界面9、流程操作界面17、结果显示界面23、实验开始键28和实验停止键29，参数设置界面设定实验名称及数据存储文件路径2、采集频率3、采集持续时间4、点火电压5、点火延迟时间6、点火持续时间8和火焰通道个数7等各项控制参数，配气系统界面由仪表显示器10、预混气控制阀11、爆轰管控制阀12、压力传感器控制阀13、引爆气控制阀14、纯气控制阀15和真空泵控制阀16组成，流程操作界面含气密性检测18、高压点火19、数据采集20、烟膜安设21及烟膜取出22五部分，结果显示界面通过点击结果命令键爆轰压力24、爆轰速度26、烟膜处理25和胞格结构27可获取爆轰波压力、速度等参数及爆轰波传播过程中胞格结构等现象。
在正式开始实验前，需要进行气密性检测18，保证实验的安全；具体包括预混气管道、引爆气管道、纯气管道和爆轰管道进行气密性检测。实验开始前配气系统界面9控制阀全部为关闭状态。按照配气实验步骤，通过开闭配气系统界面9的阀门，完成混合气体配置操作。设定实验名称及数据存储文件路径2、采集频率3、采集持续时间4、点火电压5、点火延迟时间6、点火持续时间8、火焰通道个数7等各项控制参数。
实验时抽出管道组内空气，将预混气体11缓慢地充入实验管道至一定初始压力，若压力表示数10没有变化说明管道内压力已经稳定，之后快速平稳的充入引爆气14，开启高压点火19。采集测试完成后，点击开始实验按钮，此时高压点火19与数据采集20按设定好的初始状态触发。爆轰实验完成后打开阀门抽出管内气体，取出烟膜22查看结果并保存数据。安设新烟膜21，封闭管道，抽出管中空气，并降低初始压力可重复上述步骤完成爆轰实验。
实际实验中取出的烟膜通常难以直接观察三波点结构，需要对结果进行一系列的处理。本发明的烟膜处理25可对爆轰波图片进行处理，调整色差和对比度，并实现轨迹描写，便于更清晰地观察和分析爆轰波结构。
实验整体装置如图2所示。
本发明基于远程控制技术的虚拟实验系统很好的将虚拟实验模式与实验室实验模式相结合，科研人员通过控制实际设备远程完成实验、得到真实实验结果，在保障实验质量的同时极大地提高实验效率。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (9)
1.一种基于虚拟仪器的爆轰实验系统，其特征在于，所述爆轰实验系统包括人机交互单元，所述人机交互单元包括参数设置界面、配气系统界面、流程操作界面和结果显示界面、实验开始键和实验停止键；
所述参数设置界面，用于设定爆轰实验的多种参数；
所述配气系统界面，用于对配气系统的多种阀门进行开关控制；
所述流程操作界面，用于对实验的流程进行控制；
所述结果显示界面，用于显示实验结果的爆轰压力、爆轰速度及爆轰波传播过程中的胞格结构。
2.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的爆轰实验系统，其特征在于，所述参数设置界面设置有多个按键，包括实验名称及数据存储文件路径、采集频率、采集持续时间、点火电压、点火延迟时间、点火持续时间、火焰通道个数。
3.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的爆轰实验系统，其特征在于，所述配气系统界面设置多个开关键，包括仪表显示器、预混气控制阀、爆轰管控制阀、压力传感器控制阀、引爆气控制阀、纯气控制阀和真空泵控制阀；通过控制各阀门的开闭完成混合气体的配置操作。
4.如权利要求3所述的基于虚拟仪器的爆轰实验系统，其特征在于，所述开关键在实验开始前的初始状态为关闭。
5.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的爆轰实验系统，其特征在于，所述流程操作界面设置有多个操作键，包括气密性检测、高压点火、数据采集、烟膜安设及烟膜取出。
6.如权利要求1所述的基于虚拟仪器的爆轰实验系统，其特征在于，所述结果显示界面包括结果显示区和显示命令键，所述显示命令键包括爆轰压力、爆轰速度、烟膜处理和胞格结构，点击所述显示命令键时，在结果显示区分别显示爆轰压力、爆轰速度及爆轰波传播过程中的胞格结构。
7.一种基于虚拟仪器的爆轰实验方法，使用如权利要求1-6任一项所述的基于虚拟仪器的爆轰实验系统，其特征在于，所述方法包括：
S1、点击流程设置界面的气密性检测键，在实验前对管道进行气密性检测；
S2、按照配气实验步骤，通过开闭配气系统界面的各种阀门，完成混合气体配置操作；
S3、在参数设置界面设置实验名称及数据存储文件路径、采集频率、采集持续时间、点火电压、点火延迟时间、点火持续时间、火焰通道个数；
S4、实验时抽出管道组内空气，将预混气体缓慢地充入实验管道至一定初始压力，若压力表示数没有变化说明管道内压力已经稳定，之后快速平稳的充入引爆气，开启高压点火；
S5、采集测试完成后，点击开始实验按键；
S6、高压点火与数据采集按设定好的初始状态触发，爆轰实验开始；
S7、爆轰实验完成后打开阀门抽出管内气体，取出烟膜查看结果并保存数据。
8.如权利要求7所述的基于虚拟仪器的爆轰实验方法，其特征在于，安设新烟膜，封闭管道，抽出管中空气，并降低初始压力重复步骤S1-S7，完成爆轰实验。
9.如权利要求7所述的基于虚拟仪器的爆轰实验方法，其特征在于，烟膜处理对爆轰波图片进行处理，调整色差和对比度，并实现轨迹描写，便于更清晰地观察和分析爆轰波结构。
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