張 躍，孔 明

（中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在當(dāng)今的國際包裝行業(yè)中，不斷提高包裝機(jī)械和系統(tǒng)的智能化和人性化變得尤為重要。薄膜包裝的缺點(diǎn)是其抗穿刺性和抗壓性較弱，在使用中會受到一定程度的限制，并且還會受到商品形狀、材料和彈性的影響[1]。不同的貨物具有不同的包裝方法和包裝要求，無法通過恒定的包裝過程參數(shù)來確定，使用相同包裝機(jī)和相同大小的緊固力的包裝效果也會不同，例如金屬物品包裝、彈性材料物品和易碎產(chǎn)品包裝，包裝的密封性和緊固力要求也不同。因此，對于大多數(shù)企業(yè)和工廠而言，他們無法確定包裝機(jī)所需的特定參數(shù)，大多都是根據(jù)工人主觀經(jīng)驗(yàn)來判斷是否符合要求，從而浪費(fèi)大量的人力和物力，或者纏繞匝數(shù)不足，無法滿足所需的束緊力要求，因此貨物不能很好的固定，造成倒垛現(xiàn)象，從而造成貨物損壞，給企業(yè)和工廠造成更大損失[2-3]，故在包裝過程中要進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)主要是基于LabVIEW 和NIELVIS 數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行的。主要硬件包括壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集板卡，主要工作是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的濾波、數(shù)值轉(zhuǎn)換等處理之后，將其傳輸?shù)骄帉懙墓δ芎瘮?shù)里進(jìn)行算法處理。整個系統(tǒng)主要包括：傳感器型號的選定、濾波器類型的選定、電壓值/壓力值轉(zhuǎn)換、纏繞圈數(shù)的實(shí)時顯示等功能模塊，圖1 為系統(tǒng)整體組成。

圖1 系統(tǒng)整體組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器主要將物體上所受到的壓力轉(zhuǎn)換成可以直接測量的電壓信號[4-5]，有的傳感器還可以獲得被測物體的形狀和硬度。根據(jù)測量壓力的原理和類型的不同，壓力傳感器可以分為差壓類型、表壓類型和絕對壓力類型[6-7]。壓力傳感器的電阻值隨作用在其上的壓力大小而變化。柔性薄膜傳感器的傳感區(qū)域等效于兩端口的可變電阻，其電阻值由壓力控制，因此，開關(guān)的閾值取決于傳感器的壓力值和性能參數(shù)，薄膜傳感器各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。傳感器電路具有一個靈敏度調(diào)節(jié)電阻RS和一個定值電阻R0，RS與R0串聯(lián)放置，并且在R0兩端測量輸出電壓。為了確保輸出電壓的準(zhǔn)確性，可變電阻器RS的值通常取為R0電阻值[8]的。同時，壓力傳感器還會產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，例如靈敏度誤差、線性誤差和磁滯誤差，但是在大多數(shù)情況下，由于硅晶片具有很高的機(jī)械剛度，磁滯誤差可以完全忽略不計(jì)，僅當(dāng)壓力變化很大時才考慮滯后誤差，圖2 為傳感器的安裝固定方式。

表1 薄膜傳感器各項(xiàng)參數(shù)

圖2 傳感器的安裝固定方式

2.2 數(shù)據(jù)采集板卡NI ELVISⅡ

NI ELVIS Ⅱ數(shù)據(jù)采集板卡主要是和LabVIEW 相結(jié)合使用的，LabVIEW 提供了豐富的與數(shù)據(jù)采集板卡相配合使用的軟件資源，能夠方便地將現(xiàn)實(shí)世界中各種物理量通過傳感器檢測后，再由USB 連接線采集到計(jì)算機(jī)中，從而為計(jì)算機(jī)在測量領(lǐng)域發(fā)揮出其強(qiáng)大功能提供了更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[9-10]。

2.3 多通道的采樣方式

通用數(shù)據(jù)采集卡通常具有多個模擬輸入通道，但是大多數(shù)采集卡沒有為每個通道都配置一個D/A 轉(zhuǎn)換器，而是幾個輸入通道共享一個轉(zhuǎn)換器[11]。通過采樣與保持之間的切換可以實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集。從多個通道采樣數(shù)據(jù)時，采集卡將在掃描時采樣并掃描所有可用通道一次。采樣速率是板卡每秒可進(jìn)行掃描的頻率。同時，采樣方法分為三種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定使用哪種多通道采樣方法。在大多數(shù)情況下，通常使用間隔采樣，但是如果要求信號精確同步，則必須考慮使用具有同步采樣功能的采樣卡。當(dāng)對同步的程度沒有特殊要求的話，可選用循環(huán)采樣。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 虛擬儀器簡介

虛擬儀器[12-13]的硬件部分主要用來解決信號的分析處理以及輸入輸出等方面的問題，軟件主要用于實(shí)現(xiàn)對輸入信號的讀取并控制相關(guān)的硬件部分等功能，組建方案如圖3 所示。與傳統(tǒng)意義上的測量儀器相比較，虛擬儀器具有以下特點(diǎn)：

圖3 虛擬儀器的組建方案

1）虛擬儀器的軟件和硬件系統(tǒng)具有更加開放性、互換性和可重復(fù)使用等特點(diǎn)；

2）在用戶搭建起通用的硬件平臺之后，儀器的功能主要是由用戶編寫的軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；

3）具體功能是用戶依照他們在實(shí)際應(yīng)用過程中的需要進(jìn)行定義和搭建的，而不是由生產(chǎn)商在進(jìn)行生產(chǎn)時就已經(jīng)確定好的。

3.2 濾波器的選擇

結(jié)合本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對低頻信號進(jìn)行采集濾波，因此選擇巴特沃斯型傳感器，它的頻率響應(yīng)更加近似于理想的低通濾波器，在它的通帶頻域響應(yīng)內(nèi)最大限度的平滑，并且使用LabVIEW 進(jìn)行設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器更加方便和快捷[14]。巴特沃斯型濾波器的傳遞函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：n為階數(shù)，并且默認(rèn)是1；ω是角頻率；ωc是截止頻率。

通過把某一個單元的壓力信息數(shù)據(jù)采集之后經(jīng)快速傅里葉變換得到它的頻譜，并且提取出有效壓力信號，從而來確定截止頻率，通過濾波器濾除掉高頻信號。圖4 為濾波器程序框圖，濾波前后效果對比如圖5所示。

圖4 濾波器程序框圖

圖5 濾波前后效果對比

3.3 三維圖像顯示

三維模型的可視化監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能以及要求如下：

1）可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的通道參數(shù)配置，即能夠十分靈活地設(shè)定采集信息的物理通道、接線方式、添加或減少測量通道等。同時硬件采集板卡可以按照新的配置文件進(jìn)行配置。

2）可以實(shí)現(xiàn)更加多樣化的三維模型實(shí)時操作功能。用戶可以隨意地對三維圖形進(jìn)行縮放、移動以及旋轉(zhuǎn)等。

3）可以實(shí)現(xiàn)傳感器的拾取功能。操作方式是在三維圖形地顯示界面下面，將鼠標(biāo)移動到傳感器電上，可以實(shí)時顯示傳感器的相關(guān)參數(shù)和采集到的電壓值。

具體操作為：將STL 類型的文件導(dǎo)入到LabVIEW中，在三維模型里放置傳感器，并且保證傳感器的位置和數(shù)量同實(shí)際中放置的相一致，且在這個過程中可以根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行添加或減少傳感器的數(shù)量和放置的位置，同時系統(tǒng)會自動將傳感器的壓力值與不同的顏色值相綁定，根據(jù)傳感器輸出壓力值的不同，物體會在相應(yīng)位置突顯出不同的顏色，從而用戶可以十分直觀地進(jìn)行了解和觀測包裝的進(jìn)度以及不同位置受力的情況。圖6 為三維模型上的傳感器配置。

圖6 三維模型上的傳感器配置

4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

基于LabVIEW 的包裝機(jī)束緊力檢測系統(tǒng)的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，主要是針對數(shù)據(jù)采集過程中的壓力信息、纏繞圈數(shù)、波形圖的實(shí)時顯示以及各項(xiàng)參數(shù)同標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)相對比等問題，并且針對不同的包裝物體可以方便快捷地進(jìn)行包裝參數(shù)以及包裝類型的切換等?？梢允种庇^清晰地幫助用戶實(shí)時了解包裝過程中的各項(xiàng)參數(shù)，以方便用戶做出進(jìn)一步的處理[15]。

顯示界面的視覺效果是人機(jī)交互界面最終視覺效果的具體體現(xiàn)，普通的單調(diào)文本和黑白色調(diào)很容易使用戶產(chǎn)生疲勞，帶有鮮艷色彩、動畫的界面可以在很大程度上改善這些，同時還可以使圖像具有更加方便、直觀等優(yōu)點(diǎn)。在本次設(shè)計(jì)使用了如波形保存、數(shù)據(jù)下載等模塊，開/關(guān)按鈕表示程序的運(yùn)行和停止，擋位切換按鈕用來切換不同采集程序，因?yàn)獒槍Σ煌愋偷呢浳镄枰扇〔煌陌b形式，那么包裝參數(shù)也就不一樣，因此可以用這個按鈕進(jìn)行模式的切換和選擇，還擁有一些數(shù)值實(shí)時顯示模塊，用于實(shí)時顯示傳感器的壓力值和轉(zhuǎn)換后的電壓值，方便用戶實(shí)時了解機(jī)械包裝過程是否正常運(yùn)行。同時，還放置了兩個固定的數(shù)值顯示模塊，用來幫助工人了解包裝機(jī)械實(shí)時的包裝進(jìn)度，方便他們采取下一步相應(yīng)的操作，同時在界面中放置了指示燈以及蜂鳴器部件，當(dāng)包裝機(jī)械對物體產(chǎn)生的束緊力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求時，就會使指示燈變亮并且蜂鳴器發(fā)出警報聲，圖7 為人機(jī)交互界面。

圖7 人機(jī)交互界面

5 結(jié) 論

本文主要實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)束緊力的實(shí)時監(jiān)測功能，通過相應(yīng)的硬件以及軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的功能都能實(shí)現(xiàn)?；贚abVIEW 的包裝機(jī)束緊力檢測系統(tǒng)的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，主要是針對數(shù)據(jù)采集過程中的壓力信息、纏繞圈數(shù)、波形圖的實(shí)時顯示以及各項(xiàng)參數(shù)同標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)相對比等問題進(jìn)行分析，同時系統(tǒng)中添加了指示燈和蜂鳴器報警系統(tǒng)，當(dāng)束緊力達(dá)到所設(shè)定的參數(shù)時，會觸發(fā)指示燈變化以及蜂鳴器發(fā)出報警聲，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測的效果，可以很大程度減少工人的工作量。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還能減少塑料袋的使用，具有較大的社會效益。