基于LabVIEW 的某型導彈尾焰溫度測試

趙田娟，岳鳳英，王尚宇，高中淦

（中北大學 電氣與控制工程學院，太原 030051）

溫度作為武器裝備測試過程中極為重要的一個指標，為優化殼體材料結構和檢測設備是否正常運轉提供了重要參數。目前主流的測溫方式有熱電阻測溫法、紅外線測溫法和光纖測溫法。由于某型火箭尾焰溫度較高，測試環境惡劣風沙較大，故以往的測溫方式不適合該測溫試驗。而熱電偶是由2種不同金屬制成的導線，當2 種金屬連接在一起時，當溫度變化時會產生電勢差，且熱電偶線性度較好[1]。利用此原理可以進行溫度測量，熱電偶測溫法具有響應速度快、測量范圍廣等優點，適用于高溫和快速變化的溫度測量。

本文針對測試溫度選擇了K 型熱電偶對溫度進行測量，設計采集電路放大熱電偶兩端的電勢差，通過采集卡處理上傳至LabVIEW 進行顯示存儲，由此得出并分析火箭尾焰對殼體燒灼的溫度分布特征，對火箭武器裝備載具外殼的材質材料選取具有重大意義。

1 總體設計

根據需要測試的車體中部艙蓋尾焰熱效應的主要指標，通過以下幾個性能指標設計了測試系統：①溫度測量范圍；②溫度測量誤差；③采樣頻率；④測量通道數；⑤記錄時長；⑥系統供電；⑦工作環境條件。本測試系統主要由冷端補償設計、信號調理電路、電源管理電路、信號濾波處理、數據采集卡、上位機控制軟件等部分組成。

測試系統的主要工作為將1 個熱電偶與溫度變送器連接，溫度變送器將溫度信號轉換成電壓信號，數據采集卡中的一路通道對其采集，作為冷端溫度補償信號，傳至上位機，進行實時溫度的計算。同時在被測物體表面排布熱電偶，熱電偶感受到物體表面溫度變化時，熱端冷端由于材料的不同，會產生電勢差，將熱電偶兩端連接電壓放大模塊，對其產生的電勢差進行放大后，數據采集卡采集其余12個通道采集放大的電壓，上位機對采集的數據進行處理，對波形進行濾波，實時顯示溫度變化曲線，并存儲數據。整個測試系統采用外部AC 220 V 供電，測試系統總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 測試系統總體框圖Fig.1 Overall block diagram of testing system

2 測試系統的主要模塊

2.1 傳感器的布局

溫度傳感器選擇K 型熱電偶溫度傳感器，其測溫區間覆蓋-270℃～+1600℃，其中常用測溫區間為-50℃～+1370℃。本次試驗選用了K 型薄片式露端熱電偶，其厚度僅為0.02 mm。

為提高傳感器安裝強度，熱電偶安裝采用點焊機焊接安裝方式，首先將熱電偶結薄片焊接至厚度為0.4 mm、直徑約為10 mm 的圓形鋼片底部中心，然后在測溫板上的各測點位置加工直徑3 mm 的穿線孔，將焊接好鋼片的熱電偶從穿線孔中穿入，直到鋼片覆蓋住穿線孔。用點焊機將鋼片焊接在鋼板上，為提高強度，密集焊接。

根據中部發動機艙蓋燒蝕結果，按蓋板厚度及大致的過火面積加工一塊測試用鋼板，并確定在火焰燒蝕范圍布設7 對測量點，上表面和下表面成對布置，如圖2 所示。

圖2 溫度傳感器布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of temperature sensor layout

熱電偶傳感器固定到鋼板上后，其后部孔隙對溫度傳遞有一定的影響，需用導熱系數接近的材料加以填充。根據熱電偶測溫原理，填充物應為絕緣材料。因此，填充材料選用了一款高導熱系數（大于30 W/m·K）的導熱膠，對傳感器穿線孔底部進行密封填充。

在傳感器安裝好后，將該測試用鋼板固定于艙蓋表面，由于固定過程不慎，測點7 的2 條熱電偶線碰斷，引線露出較短，無法在后部接線，因此，本次試驗保留6 對測點。將艙蓋安裝于車體，從車體側面艙門引出熱電偶線，完成傳感器的安裝。

2.2 冷端補償

本次試驗熱電偶冷端補償采用溫度變送器，溫度變送器的工作原理為通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度，一般測量精度較高。溫度變送器用熱電偶作為測溫元件，從測溫元件輸出信號送到變送器模塊，經過穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I 轉換、恒流及反向保護等電路處理后，轉換成與溫度0～100℃成線性關系的0～5 V 電壓信號。本次試驗將熱電偶兩端連接溫度變送器，將冷端溫度轉換成電壓信號，數據采集卡采集電壓信號，傳給上位機，上位機進行電壓—溫度轉換處理。

2.3 信號調理

由于熱電偶兩端產生的電勢差為毫伏級，為了更好地采集到電壓信號，這里選用AD620 芯片作為放大模塊主芯片，AD620 具有高精度（最大非線性度40 ppm）、低失調電壓（最大50 μV）和低失調漂移（最大0.6 μV/℃）特性[2]，是電子秤和傳感器接口等精密數據采集系統的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性。同時，AD620 的0.01%建立時間為15 μs，非常適合多路復用應用，而且成本很低，足以實現每通道一個儀表放大器的設計。

AD620 是一款單芯片儀表放大器，采用經典的三運放改進設計。通過調整片內電阻的絕對值，用戶只需1 個電阻便可實現對增益的精確編程（G=100時精度可達0.15%）。AD620 運算放大電路的電路原理如圖3 所示，4、7 引腳分別接正負15 V 電源為AD620 提供雙電源供電，2、3 引腳分別是差模輸入信號的正負輸入端，其與地之間接一個10 kΩ 的電阻是為AD620 提供偏置電流，5 引腳為參考端，這里將參考端接地，1、8 之間串聯的電阻是為改變電路的增益，6 引腳為VOUT 輸出端。

圖3 運算放大電路原理圖Fig.3 Operational amplifier circuit schematic diagram

本測試系統，考慮到熱電偶兩端所產生的電勢差的范圍-6.46 mV～+54.89 mV，以及數據采集卡的工作電壓-10 V～+10 V，所以將運算放大電路的增益調至160 倍。

2.4 電源管理模塊

整個測試系統采用外部AC 220 V 供電，根據各個模塊的供電要求，溫度變送器需要15 V 供電，這里采用LM2596 系列降壓穩壓器，+15 V 電壓由降壓開關穩壓器對外部輸入的220 V 電壓進行轉換得來。如圖4 所示，芯片1 腳VIN 為芯片的正電源輸入引腳，為了最大程度地降低電壓瞬變，在此引腳與3 腳GND 之間掛接了1 個680 μF 的旁路電容，2 腳VOUT 為內部開關引腳，3 腳為GND 引腳，4 腳為FB 輸出引腳，通過反饋回路完成輸出電壓的調整，5 腳ON/OFF 引腳由外部輸入的邏輯信號控制[3]。

圖4 +15 V 電源生成電路Fig.4 +15 V power generation circuit

本系統數據采集卡最大供電電壓為-10 V～+10 V，數據采集卡的供電，直接由電腦USB 口進行供電。

2.5 數據采集模塊

數據采集模塊采用USB3202N 采集卡，它是一款USB 總線供電，在高采樣率下也能保持高精度，ADC 模塊可實現對8 路信號的采集，采樣頻率可達到250 kS/s，16 位分辨率，工作電壓為-10 V～+10 V，模擬量輸入校準為AI 軟件自動校準，通過AI 校準軟件就能測量并校準偏移誤差和增益誤差。

本設計由于輸入信號的電平均大于1 V 且連接信號與數據采集卡直接的導線長度小于3 m，所以數據采集卡采用單端接地的方式，輸入信號共享1個公共參考點AGND，其他信號用RSE。

3 上位機設計

3.1 界面設計

系統采用LabVIEW 設計上位機界面，實現對測試系統的控制，上位機通過USB 串口與測試系統進行通信，上位機操作界面如圖5 所示。界面包括溫度實時顯示曲線、系統采樣頻率、每通道采樣點數、低通濾波截止頻率選擇、開始采集按鈕、停止采集按鈕、開始存儲按鈕以及退出程序按鈕。通過溫度實時顯示曲線可以實時反映溫度的變化，通過選擇合適的低通濾波截止頻率進行波形濾波，點擊開始采集按鈕開始存儲數據，點擊存儲按鈕開始存儲數據保存到已設置好的文件路徑。后續通過已保存的.xls 文件對數據進行分析處理。

圖5 測試系統上位機界面Fig.5 Test system upper computer interface

3.2 程序設計

在對K 型熱電偶分度表進行擬合后，得出擬合曲線如圖6 所示，電壓-溫度轉換表達式為y=0.0407x+0.248，相關系數為0.9994，所以溫度與電壓的線性關系很高，可以使用此表達式進行電壓與溫度之間的轉換。

圖6 電壓-溫度擬合曲線Fig.6 Voltage temperature fitting curve

在測試系統采集到電壓后，通過此表達式進行計算，實時顯示溫度。在驗證系統可行性期間，由于機械結構或者其他任何部分的共振或者振蕩都會引起溫度波形的曲線有畸變[4]，溫度波形波動較大，而要準確地判斷所采集的溫度信號的峰值，必須保證所采集的信號是一條光滑的曲線，在程序中采用了Butterworth 濾波器濾波，低通濾波截止頻率選取25 Hz，部分程序如圖7 所示。

圖7 電壓-溫度計算及濾波Fig.7 Voltage temperature calculation and filtering

本文采用LabVIEW 軟件開發平臺編寫上位機多通道溫度采集程序，主要包括設置采樣頻率與采樣點數、數據提取與溫度計算、信號濾波、實時顯示溫度曲線以及數據的保存等幾部分。LabVIEW 溫度采集系統程序流程如圖8 所示。試驗流程為先創建任務名稱，在程序后面板提前設置好文件保存路徑，文件名以存儲時間命名，試驗開始，設置采樣通道、采樣頻率、采樣點數，由于數據采集卡采集到的為電壓信號，經過計算輸出為溫度信號，各路溫度數據捆綁成數組，進行波形圖顯示。操作流程為點擊存儲有效按鈕，將存儲有效按鈕設置為開，在試驗前打開開始采集按鈕，系統開始運行，在試驗結束后，點擊停止采集按鈕，采集結束。

圖8 程序控制流程Fig.8 Program control flow chart

4 試驗結果及分析

測試系統布置完畢后，根據現場指令，電腦啟動溫度數據采集和存儲后，人員后撤至安全范圍外，等待火箭發動機點火。發動機點火飛出后，現場指揮確認安全的情況下，操作人員回到車體右側，確認采集系統工作正常，溫度數據正在顯示及存儲。為測量降溫曲線，在回到現場后繼續采集存儲溫度數據大約10 min，然后停止數據采集及存儲。

試驗結束后，對溫度數據進行匯總，刪除無意義數據，然后對數據進行處理分析，測點5 與測點6布置于垂直于底板的鋼板上，其高度較矮，氣流從底部鋼板沖擊垂直鋼板，折射入發動機進氣口保護帽，又向下反射至垂直鋼板的底面，引起垂直鋼板底面溫度數據與實際存在不符的情況。

試驗中共在頂部布設7 個測點，除了在裝配過程中損壞1 個外，其余6 個測點在試驗后觀察，除1個測點保留有保護鋼片殘留外，其余保護鋼片均在發動機噴流殘渣的沖刷下飛離，鋼片存續時間從曲線上看長短不一，最長的是測點3 的保護鋼片，在發動機噴流存續時間段的結尾飛離，對溫度測試曲線的完整性基本無影響。所有頂部溫度曲線中，以測點3 溫度最高，如圖9 所示，為1339℃。

圖9 頂部溫度曲線最高溫度（測點3）Fig.9 Highest temperature on the top temperature curve（measuring point 3）

所有底部溫度曲線中，以測點1 溫度最高如圖10 所示，為974℃。

圖10 底部溫度曲線最高溫度（測點1）Fig.10 Highest temperature on the bottom temperature curve（measuring point 1）

如從頂部溫度緩慢上升為起點，至底部溫度上升為終點，熱傳導時間大約為480 ms。如從頂部溫度急劇上升為起點，至底部溫度上升為終點，熱傳導時間大約為240 ms。

綜上，在對各通道實驗數據進行濾波處理后，得出所有頂部溫度中，測點3 溫度最高，為1339℃。所有底部溫度中，除測點5 和測點6 由于回風的緣故，數據與實際有偏差外，其余測點溫度數據均有效，其中以測點1 溫度最高，為974℃。測點1 和測點3 的位置如圖2 所示。

5 結語

通過系統的實驗可知，該系統動態性能良好，輸出結果可靠，實驗結果表明，系統可以完成溫度采集、信號濾波處理、數據存儲等功能。此系統達到了所要求的性能指標：溫度測量范圍：-50℃～+1600℃；溫度測量誤差：±3℃；采樣頻率：1000 Hz/通道；記錄時長：≥20 min；工作環境條件：溫度：-20～70℃，濕度≤90%，完全滿足此次測試的要求。其中溫度誤差主要來源于擬合誤差、增益誤差、冷端溫度測量誤差等。此外本系統具有自動控制、靈活切換特定信號需求、上位機監控功能及數據分析，可滿足不同的實驗要求。

從試驗中熱電偶保護角度來看，本次試驗主要不足是保護鋼片的焊接在高速高溫氣流的沖刷下可靠性不夠，如熱電偶安裝采用從鋼板底部加工盲孔，然后將熱電偶焊接于盲孔底部的方式，相信可獲得更多的有效數據。