基于LabVIEW的汽車剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)設計

王立新，翟利剛，高雅妍

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

基于LabVIEW的汽車剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)設計

王立新，翟利剛，高雅妍

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018)

良好的制動性是汽車安全行駛的必要條件，而剎車盤的摩擦磨損性能在整個汽車制動系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。為便于獲取用于剎車盤摩擦磨損特性表征的壓力、摩擦力、轉速、溫度等參數(shù)信息，本文基于虛擬儀器技術LabVIEW設計了剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分主要包括用于獲取剎車盤特性參數(shù)的傳感器，以及傳感器輸出信號調理模塊和用于A/D轉換的數(shù)據(jù)采集卡；在虛擬儀器技術LabVIEW環(huán)境下編寫了信息采集及處理界面和歷史信息查詢界面的程序。調試運行結果表明，該信息采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)對剎車盤摩擦磨損特性參數(shù)的準確采集與實時顯示以及對所采集數(shù)據(jù)的簡便查詢，能夠滿足剎車盤摩擦磨損特性信息采集的要求。

信息采集系統(tǒng)；LabVIEW；剎車盤；摩擦磨損特性；實時顯示

良好的制動性是保證汽車制動系統(tǒng)可靠工作的必要條件，直接影響汽車的安全運行[1]。剎車盤廣泛應用于機動車輛制動系統(tǒng)，依靠摩擦來實現(xiàn)制動功能，是決定機動車輛能否安全行駛的重要部件。隨著機動車輛向著高速、重載方向發(fā)展，對剎車盤的性能提出了更高的要求，特別是在連續(xù)制動、高溫制動時，剎車盤耐磨性與穩(wěn)定性至關重要[2]。剎車盤性能的降低或失效嚴重影響機動車輛正常的制動，產(chǎn)生嚴重的安全隱患。研制具有良好摩擦性能、耐磨性能與穩(wěn)定性能的剎車盤對于提高汽車行駛過程中的制動性能具有重要意義，從而成為科研工作者的研究重點[3-5]。

剎車盤材料摩擦磨損特性的研究過程中，往往需要同時對剎車盤的轉速、壓力、摩擦力、溫度等參數(shù)信息進行實時監(jiān)測,并將這些信息參數(shù)保存于指定文件以方便后續(xù)分析處理。然而，目前中國大多數(shù)摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)仍使用基于模擬技術的記錄儀甚至直接采用人工讀數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，導致信息采集的不確定性，以及采集系統(tǒng)存在不及時、不直觀等問題。另外,在摩擦磨損試驗數(shù)據(jù)采集過程中不僅要確定被測值,有時還要求對大量數(shù)據(jù)進行分析、處理,單靠人工完成測量任務難度很大,而且傳統(tǒng)的測量儀器功能模塊基本上是以硬件或固化的軟件形式存在,使用靈活性差[6-10]。為了實現(xiàn)摩擦磨損過程中參數(shù)信息的準確采集、及時分析處理與直觀顯示，有必要設計一套剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)。虛擬儀器技術LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一門圖形化匯編語言(G語言)，同時也是著名的虛擬儀器開發(fā)平臺。作為一門圖形化編程語言，LabVIEW擔當了“軟件即儀器”這一虛擬儀器關鍵理念中的主角并廣泛應用于多個領域[11-15]，因此LabVIEW為剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)提供了可能。

基于現(xiàn)有信號采集系統(tǒng)存在的采集數(shù)據(jù)不及時、數(shù)據(jù)顯示不直觀等不足，本文利用虛擬儀器技術LabVIEW設計了剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)。硬件部分主要包括用于獲取剎車盤材料特性參數(shù)的傳感器，以及相應的信號調理模塊和數(shù)據(jù)采集卡；在虛擬儀器技術LabVIEW環(huán)境下編寫了信息采集界面及歷史信息查詢界面程序。調試運行結果表明，該信息采集系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對剎車盤摩擦磨損特性參數(shù)的準確獲取與實時顯示，能夠為汽車剎車盤摩擦磨損特性的表征提供便利的信息采集途徑。

1 剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)硬件配置

1.1信息采集系統(tǒng)總體結構

剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)的總體結構見圖1。其中，摩擦磨損試驗機是該系統(tǒng)的重要部件，它不僅是測試材料剎車盤的載體，也是各傳感器及調節(jié)裝置的安裝平臺。根據(jù)實際需要，可通過控制相關調節(jié)裝置改變試驗條件(如：通過電機調速器調整測試剎車盤的轉速)。試驗條件的改變將引起其他信息參數(shù)的變化，這些信息參數(shù)的改變均可由相應的傳感器感知并轉化為電壓信號。傳感器輸出的電壓信號相當微弱且混有噪聲，需通過信號調理模塊進行放大、濾波、隔離噪聲等處理。數(shù)據(jù)采集卡將信號調理模塊輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號，便于程序的識別與處理。系統(tǒng)最終將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)實時顯示于程序界面并自動存儲于相應目錄，方便數(shù)據(jù)參數(shù)的后續(xù)統(tǒng)計分析。

圖1 剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)總體結構Fig.1 General structure of friction wear property information acquisition system of brake disk

1.2傳感器選擇

剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)需要對試驗中剎車盤的轉速、溫度、壓力和摩擦力等進行實時采集，以此來量化表征剎車盤的摩擦磨損特性。為確保完成各類信息的精確采集，該系統(tǒng)分別設置了4個參數(shù)測量傳感器：溫度傳感器、轉速傳感器、壓力傳感器及摩擦力傳感器。針對所需采集信號的量程、精度、工況等，對傳感器進行了合理選取，所采用傳感器的主要性能指標見表1。

表1 傳感器主要性能指標Tab.1 Main performance index of selected sensors

1.3信號調理模塊配置

在絕大多數(shù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中都安裝有信號調理模塊，它能夠完成對傳感器輸出信號的去噪、放大等處理[16]。信號調理模塊主要用于處理傳感器產(chǎn)生的±V，±m(xù)V，±m(xù)A和μA等電信號，且能有效抑制設備間的信號干擾。由于所設計的信息采集系統(tǒng)中采用多種不同類型傳感器，各傳感器的輸出信號微弱且混有干擾噪聲，因此需要采用信號調理模塊消除各傳感器間信號的干擾，并對各輸出信號進行去噪、放大等處理。經(jīng)過分析比較，選擇性能較好的美國NI公司的SCXI 1520作為剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)的信號調理模塊。該模塊具有8路同步采集模擬輸入通道，每通道可編程激勵電壓為0～10 V，可編程增益為1～1 000，能夠同時滿足試驗中對各傳感器輸出信號的處理。該信號調理模塊配以SCXI 1314接線盒一起安裝于SCXI 1000DC機箱以便與前端傳感器組連接。

1.4數(shù)據(jù)采集卡信息

該信息采集系統(tǒng)采用美國NI公司提供的數(shù)據(jù)采集卡 PCI-6221，該數(shù)據(jù)采集卡具有16 路模擬輸入通道,模擬輸入/輸出最大電壓范圍為±10 V，模擬輸入/輸出最高分辨率為16 bits，采樣率為250 kHz。該數(shù)據(jù)采集卡將信號調理模塊輸出的模擬信號轉換為可被程序識別和處理的數(shù)字信號，從而保證信息采集系統(tǒng)對剎車盤摩擦磨損特性參數(shù)的獲取。此外，配置了數(shù)據(jù)線和適配器SCXI 1349以方便數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221與信號調理模塊SCXI 1520的連接。

圖2 剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)程序流程圖Fig.2 Flow chart of friction wear property information acquisition system of brake disk

2 信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理與界面顯示程序設計

2.1信息采集系統(tǒng)程序流程

剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)程序流程見圖2。首先啟動摩擦磨損試驗機，使其空載運行。與此同時打開系統(tǒng)程序，創(chuàng)建相應任務，并設置采樣頻率、采樣模式、信號范圍等參數(shù)。參數(shù)設置完畢且摩擦磨損試驗機運行穩(wěn)定后，開啟傳感器工作電源及信號調理模塊，各傳感器開始進行相應的信號采集，信號調理模塊對傳感器輸出的電壓信號按照既定的采樣頻率采集。經(jīng)過信號調理模塊處理的模擬信號又被數(shù)據(jù)采集卡采集并被轉換為數(shù)字信號。此時運行LabVIEW環(huán)境下的程序：系統(tǒng)登錄成功后自動轉接到信息采集界面和歷史信息查詢界面。其中，信息采集界面能夠以圖形和數(shù)據(jù)形式實時顯示采集信號，將采集到的信號以時間命名并以電子表格形式自動存儲；歷史信息查詢界面則可以對采集到的數(shù)據(jù)進行任意時間段查詢，并根據(jù)既定編程計算出該時間段內所采集數(shù)據(jù)的相關統(tǒng)計值。采集任務與查詢任務結束后，退出程序。

2.2數(shù)據(jù)分析處理與界面顯示程序設計

數(shù)據(jù)分析處理與界面顯示程序的設計是剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)構建過程中的關鍵。該部分主要包括前面板設計和后面板編程：前面板的設計是為了建立信息采集系統(tǒng)的人機交互界面，用于各種輸入控制參數(shù)的設置和輸出量的實時觀測，其作用相當于傳統(tǒng)儀器中的顯示器，因此在能實現(xiàn)試驗要求功能的前提下界面的布局要合理清晰且符合人們的習慣，以保證界面的可讀性與易操作性；后面板編程是實現(xiàn)程序運行的核心，它能控制并實現(xiàn)定義在前面板的輸入及輸出功能，相當于傳統(tǒng)儀器機箱中用來實現(xiàn)某種功能的零部件。后面板的設計應盡量使程序模塊化，以便保證程序易于閱讀與理解。該部分主要分為2個界面：信息采集界面和歷史信息查詢界面。

2.2.1 信息采集界面

利用圖形化語言LabVIEW進行剎車盤摩擦磨損特性信息采集界面的設計，該程序顯示界面包括采集信息顯示窗口,開始、暫停、繼續(xù)、結束等操作按鈕，信息存儲路徑選擇按鈕，采樣進行指示燈和最大值/最小值超限指示燈等，見圖3。該界面的設計旨在將試驗過程中剎車盤的特性參數(shù)實時顯示于界面窗口，以便直觀觀測各個參數(shù)的具體值、變化趨勢及其之間的相互影響關系。

圖3 信息采集界面前面板Fig.3 Front panel of the information acquisition interface

圖4 信息采集界面后面板Fig.4 Back panel of the information acquisition interface

信息采集界面后面板程序框圖中主要運用了DAQ助手模塊(見圖4)。DAQ助手模塊是連接硬件與軟件的橋梁：可將經(jīng)過信號調理模塊處理后的信號采集到軟件編程中，通過DAQ助手將采集到的信號分為4路，即溫度、轉速、壓力、摩擦力。未拆分的信號傳送到圖表顯示窗口，將4路混合信號顯示于同一個圖表中，以觀測試驗中剎車盤各摩擦磨損特性參數(shù)之間的對應關系。拆分后的信號各自再次拆分為2路，其中一路信號連接至圖表顯示窗口，以觀測該信號的實時值和變化趨勢；另一路信號則與前面板設置好的極限值比較并判斷采集數(shù)據(jù)的實時值是否超出范圍。如若超限，則有相應的警報，即超限指示燈和蜂鳴聲。用戶可以根據(jù)需要，通過控制相應圖形的顯示開關任意選擇想要觀測的數(shù)據(jù)圖像：可以單獨觀測某一個信號，也可同時觀測多路信號。

此外，信息的自動存儲也是該部分的一個重要功能。對采集到的信息，系統(tǒng)將以時間命名并以電子表格形式進行自動存儲，用戶只需事先指定一個文件目錄即可將采集到的信息按照時間順序依次存儲到該目錄下。

2.2.2 歷史信息查詢界面

由于試驗中所采集的剎車盤摩擦磨損特性信息多數(shù)處于實時變化中，測試人員很容易錯過某時間段內信息的讀取，為此設計了歷史信息界面查詢程序。該程序界面主要包括歷史信息顯示窗口、信息類型下拉列表框、選定時間段內信息相關統(tǒng)計值顯示區(qū)以及各控制按鈕(見圖5)。通過設置下拉列表選擇所要讀取的信號類型，點擊“選擇歷史信息源”按鈕對之前存儲的信息進行選取，然后單擊確定，此時程序將計算出選定信號在該時間段內的相關統(tǒng)計值，并顯示于相應顯示區(qū)；點擊 “顯示歷史信息” 按鈕，圖形顯示區(qū)將以圖形形式顯示該時間段內歷史信息并計算出讀取數(shù)據(jù)的個數(shù)。當用戶不再需要該時間段內的信息時，可以通過“清除圖像”按鈕實現(xiàn)圖像的清除。

圖5 歷史信息查詢界面Fig.5 History information query interface

3 信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理與界面顯示程序調試

針對設計的剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)，進行了信息采集界面和歷史信息查詢界面的調試，以驗證其功能。首先啟動摩擦磨損試驗機，使其空載運行，待其運行穩(wěn)定后，打開LabVIEW環(huán)境下的程序，系統(tǒng)登錄成功后將自動轉接至信息采集界面。根據(jù)試驗要求創(chuàng)建相應任務(見圖6)，依據(jù)所要采集信號的范圍設置各信號的極限值，并對剎車盤施加壓力，使其正壓力穩(wěn)定在400 N。通過開關按鈕的選擇，選擇所要研究的參數(shù)信息：既可以觀測試驗中剎車盤某個信息參數(shù)(以溫度為例)的實時變化(見圖7)，以便分析某信號的變化趨勢；也可以選擇多個信號(以轉速、壓力、摩擦力、溫度為例)的混合顯示(見圖8)，以便分析各個信號之間的相互影響關系。

圖6 任務創(chuàng)建及參數(shù)設置Fig.6 Task creating and parameter setting

關閉摩擦磨損試驗機，點選 “歷史信息查詢”按鈕，進入歷史信息查詢界面。從信息類型下拉列表中選擇某一信號(以溫度為例)，然后點擊“選擇歷史信息源”按鈕，在彈出的對話框中搜索之前自動保存的信息文件，并從中選擇某一時間段內的數(shù)據(jù)并單擊 “確定”，此時系統(tǒng)將按既定的編程計算出該時間段內采集數(shù)據(jù)的相關統(tǒng)計值及采集數(shù)據(jù)的個數(shù)，并顯示在相應的位置；點擊“顯示歷史信息”按鈕，該時間段內的信息將以曲線形式繪制于圖形顯示區(qū)，如圖9所示。

圖7 單路信號的顯示Fig.7 Display of single signal

圖8 多路信號的同步顯示Fig.8 Synchronous display of multichannel signals

圖9 歷史信息查詢示例Fig.9 Example of history information query

剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)了硬件結構與軟件編程的合理銜接，實現(xiàn)了預期的設計目標。信息采集界面能夠準確獲取摩擦磨損試驗過程中剎車盤材料壓力、摩擦力、轉速、溫度等特性參數(shù)，將采集信息實時、直觀地顯示于界面窗口(既可以單路顯示，又可以多路顯示)的同時也能自動存儲于指定文件，克服了傳統(tǒng)記錄儀采集數(shù)據(jù)不及時、不準確及不直觀等問題；歷史信息查詢界面完成了歷史信息再現(xiàn)，解決了因某些意外情況而錯過某一時間段內數(shù)據(jù)信息讀取的問題。

4 結 語

為研究剎車盤摩擦磨損性能，基于虛擬儀器技術LabVIEW設計了汽車剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件部分主要包括用于獲取剎車盤特性參數(shù)的傳感器，以及傳感器輸出信號調理模塊和用于A/D轉換的數(shù)據(jù)采集卡；在LabVIEW環(huán)境下編寫了信息采集及處理界面和歷史信息查詢界面程序。系統(tǒng)的調試運行結果表明該信息采集系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對剎車盤壓力、摩擦力、轉速、溫度等摩擦磨損特性參數(shù)的準確獲取與實時顯示，滿足了試驗中對剎車盤材料性能量化表征的要求，為進一步分析評定剎車盤性能提供數(shù)據(jù)支持。

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[1] 陳朝暉.汽車制動對安全行駛的影響[J].熱帶農業(yè)工程,2003,28(2):31-32. CHEN Zhaohui.Influence of automobile brake for safety driving[J].Tropical Agricultural Engineering,2003,28(2):31-32.

[2] KIM S J,CHO M H,LIM D S,et al.Synergistic effects of aramid pulp and Potassium titanate whiskers in the automotive friction material[J].Wear,2001,251:1484-1491.

[3] EL-TAYEB N S,LIEW K W.On the dry and wet sliding performance of potentially new frictional brake pad materials for automotive industry [J].Wear,2009,266:275-287.

[4] GURUNATH P V,BIJWE J.Friction and wear studies on brake-pad materials based on newly developed resin[J].Wear,2007,263:1212-1219.

[5] ERIKSSON M,JACOBSON S.Tribological surfaces of organic brake pads[J].Tribology International,2000,33(12):817-827.

[6] 趙麗娟,朱會東,張 佐．基于計算機摩擦測試試驗的發(fā)展綜述[J]．中國工程機械學報，2008,6(1)：122-126． ZHAO Lijuan,ZHU Huidong,ZHANG Zuo.Review on development of computer-based friction testing[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2008,6(1):122-126.

[7] 施洪生,郭 炎,高曉軍，等．缸套/活塞環(huán)摩擦學性能試驗機的設計研究[J]．潤滑與密封，2004,29(3)：76-79． SHI Hongsheng,GUO Yan,GAO Xiaojun,et al.Development of tribo-tester for tribological studies of piston ring/bore pair[J].Lubrication Engineering,2004,29(3):76-79.

[8] 劉永平,龔 俊,辛 舟，等．往復式摩擦磨損試驗機及其計算機控制系統(tǒng)設計[J]．儀器儀表學報，2010,31(8)：1750-1755． LIU Yongping,GONG Jun,XIN Zhou,et al.Design of reciprocating friction and wear testing machine and its computer control system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2010,31(8):1750-1755.

[9] 劉毅斌,王 毅．摩擦磨損試驗機在線檢測系統(tǒng)[J]．儀器儀表標準化與計量，2004,20(6)：42-44． LIU Yibin,WANG Yi.Online testing system for friction and wear tester[J].Instrument Standardization and Metrology,2004,20(6):42-44.

[10] 沈 聰,王曉雷,李勁峰，等．基于虛擬儀器的球盤摩擦磨損實驗機設計[J]．電子測量技術，2008,31(12)：74-77． SHEN Cong,WANG Xiaolei,LI Jinfeng,et al.Development of ball-on-disc friction and wear tester based on virtual instrument technology[J].Electronic Measurement Technology,2008,31(12):74-77.

[11] 王 璨,章佳榮．LabVIEW 2011程序設計與案例解析[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2013． WANG Can,ZHANG Jiarong.The Program Design and Case Analysis of LabVIEW 2011[M].Beijing:Beihang University Press,2013.

[12] 劉 碩,朱新河,徐久軍．基于虛擬儀器的尼龍軸承摩擦磨損實驗機設計[J]．潤滑與密封，2006,32(7)：168-170． LIU Shuo,ZHU Xinhe,XU Jiujun.The design of friction and wear tester for nylon bearing based on virtual instrument[J].Lubrication Engineering,2006,32(7):168-170.

[13] WANG Zhongyuan,SHANG Yongheng,LIU Jiarui,et al.A LabVIEW based automatic test system for sieving chips[J].Measurement,2013,46(1):402-410.

[14] LI Yuanshou,JIANG Tao,ZHANG Lei.A design of multi-channel noise acquisition system based on LabVIEW[J].Open Journal of Acoustics and Vibration,2013,1(3):32-36.

[15] ABDULWAHED M,NAGY Z K.Developing the TriLab,a triple access mode (Hands-On,virtual,remote) laboratory,of a process control rig using LabVIEW and joomla[J].Computer Applications in Engineering Education,2013,21(4):614-626.

[16] 李玉忍,韓 偉,楊崇剛．基于LabVIEW的摩擦磨損試驗機智能測控系統(tǒng)[J]．現(xiàn)代電子技術，2010,33(8)：178-181． LI Yuren,HAN Wei,YANG Chonggang.Intelligent measurement and control system of friction and wear tester based on LabVIEW[J].Modern Electronics Technique,2010,33(8):178-181.

Design of friction wear property information acquisition system of automobile brake disk based on LabVIEW

WANG Lixin, ZHAI Ligang, GAO Yayan

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Excellent brake performance is the necessary condition to securely driving, and the friction wear property of brake disk serves a significant function in brake system. In order to acquire the parameters (normal force, friction force, rotate speed and temperature) which are used to characterize friction wear properties of brake disk, friction wear property information acquisition system based on virtual instrument technology LabVIEW is designed. Hardware of this system mainly consists of sensors utilized as acquiring information on friction wear property, as well as signal conditioning module and data acquisition card used as A/D transformation. Under the circumstance of virtual instrument LabVIEW, information acquisition and processing interface and former information query interface are programmed. Debugging results present that the designed information acquisition system can accurately acquire the demanded information, intuitively display the obtained information, and easily achieve the query of former information. Therefore, the designed data acquisition system satisfies the demand of information acquisition related to friction wear property of brake disk.

information acquisition system; LabVIEW; brake disk; friction wear property; display in real-time

2014-03-13；

2014-06-05；責任編輯：馮 民

國家自然科學基金(51205107)；河北省高等學?？茖W技術研究青年基金(Q2012073)

王立新(1981-)，男，山東日照人，講師，博士，主要從事機械仿生及摩擦學方面的研究。

E-mail：ck_021@tom.com

1008-1542(2014)05-0403-07

10.7535/hbkd.2014yx05001

TK422

A

王立新，翟利剛，高雅妍.基于LabVIEW的汽車剎車盤摩擦磨損特性信息采集系統(tǒng)設計[J].河北科技大學學報,2014,35(5):403-409. WANG Lixin,ZHAI Ligang,GAO Yayan.Design of friction wear property information acquisition system of automobile brake disk based on LabVIEW[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(5):403-409.