摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)水聲換能器測(cè)試中存在的問(wèn)題，提出了一種利用虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)換能器自動(dòng)測(cè)試的方案。該方案在提高了換能器測(cè)試的準(zhǔn)確度的同時(shí)，也大大的提高了測(cè)試效率，將測(cè)試人員從繁雜的估算、記錄中解脫中來(lái)。 關(guān)鍵字：水聲換能器 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集 Abstract: For measuring underwater transducer,this paper proposes a method which can make the whole measure procedure to be automatic and improve the accuracy. Keyword: VI Translater LabVIEW DAQ 前 言 聲波是已知的唯一能夠在水中遠(yuǎn)距離傳播的波動(dòng)，在這方面遠(yuǎn)比電磁波(如無(wú)線電波、光波等)好，因此聲波是目前水下通信的主要手段。當(dāng)前，世界各國(guó)都在開(kāi)展水聲通信方面的研究。 水聲通信中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備就是水聲換能器，它是發(fā)射和接收水中聲信號(hào)的裝置。應(yīng)用最廣泛的是電聲轉(zhuǎn)換的水聲換能器，即轉(zhuǎn)換電能為水中聲能的水聲發(fā)射器，以及轉(zhuǎn)換水中聲能為電能的水聲接收器(即水聽(tīng)器)。顯然，換能器的性能將直接影響到水聲通信的質(zhì)量。改造前的水聲換能器測(cè)試是基于丹麥B&K公司的一整套測(cè)試設(shè)備的，具體為信號(hào)發(fā)生器（Sine/Noise Generator Type 1054）、功率放大器（Power Amplifier Type 2712）、測(cè)量放大器（ Measuring Amplifier Type 2610）、帶通濾波器（Band Pass Filter Type 1617）及繪圖儀等。 其測(cè)試原理及步驟如下： 1）由信號(hào)發(fā)生器及功率放大器將特定頻率和幅度的信號(hào)送給水下的發(fā)射換能器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)； 2）聲信號(hào)通過(guò)喇叭有方向性向水下傳播， 3）待測(cè)換能器在一定距離遠(yuǎn)處做勻速的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，在各個(gè)角度接收聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 4）測(cè)量放大器接收從換能器傳輸過(guò)來(lái)的電信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器過(guò)濾后送給繪圖儀打印角度－幅度的測(cè)試曲線； 5）測(cè)試人員根據(jù)測(cè)試曲線及標(biāo)準(zhǔn)換能器的參數(shù)人工計(jì)算出靈敏度及偏差，判斷該換能器是否合格，最后將測(cè)試結(jié)果記錄。 以上測(cè)試方法中需要人工參與計(jì)算，因此而帶來(lái)的誤差也較大，而且當(dāng)測(cè)試數(shù)目較多時(shí)，測(cè)試效率就成了很大的問(wèn)題。再者，因?yàn)槔L圖儀屬于機(jī)械設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間使用后也會(huì)出現(xiàn)繪圖不準(zhǔn)的現(xiàn)象。所以，現(xiàn)急需一種能解決該系統(tǒng)存在問(wèn)題的改造方案。 改造后的系統(tǒng)應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)如下功能： 1）自動(dòng)計(jì)算出靈敏度和水平指向性偏差并判斷是否合格，整個(gè)過(guò)程不需要人工計(jì)算，提高測(cè)試準(zhǔn)確度。 2）能輸入換能器號(hào)、測(cè)試日期等信息，能在屏幕上即時(shí)繪制測(cè)試曲線，能打印測(cè)試報(bào)告。 3）將測(cè)試結(jié)果存盤(pán)為EXCEL能編輯的文件格式，方便以后查詢打印 4）能進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，提高測(cè)試效率。 通過(guò)調(diào)研、分析，我們決定采用虛擬儀器技術(shù)，利用數(shù)據(jù)采集卡和中央控制計(jì)算機(jī)來(lái)采集、處理測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)以上功能。 主要硬件配置 本改造方案以廉價(jià)、實(shí)用為目的，選取了凌華的ACL-8111數(shù)據(jù)采集卡及9813接線端子，ACL-8111的參數(shù)如下：12位的采集分辨率，8通道單端輸入，50Kbps的采樣率，10M的輸入阻抗，ISA總線的計(jì)算機(jī)接口。控制器由PII450，64M內(nèi)存的PC機(jī)承擔(dān)。 改造后的連接示意圖如下： 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 要完成本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，有較多的軟件可供選擇，如VB、Labwindows/CVI、以及LabVIEW 6.1等，其中美國(guó)NI公司的LabVIEW采用直觀的圖形化編程方法，在儀器控制方面有著通用性好、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、輸出界面友好等特點(diǎn)，并且凌華的ACL-8111數(shù)據(jù)采集卡帶有LabVIEW的軟件支持包，所以我們選擇了LabVIEW6.1作為開(kāi)發(fā)工具。根據(jù)實(shí)際測(cè)試的要求，其測(cè)試軟件的操作界面如圖（二）所示。 圖三為系統(tǒng)軟件的流程，下面簡(jiǎn)要介紹各個(gè)步驟的具體內(nèi)容。 1、等待測(cè)試開(kāi)始 該狀態(tài)用戶可以輸入換能器號(hào)、測(cè)試日期，其中的測(cè)試日期系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將當(dāng)前日期給出，但用戶也可以根據(jù)需要更改。“打印”按鈕可以將當(dāng)前屏幕上顯示的曲線、測(cè)試結(jié)果按測(cè)試報(bào)告的格式打印輸出，當(dāng)上此出現(xiàn)如打印機(jī)卡紙等問(wèn)題而造成沒(méi)有將測(cè)試報(bào)告打印好時(shí)能再次打印測(cè)試報(bào)告。“開(kāi)始”按鈕可以啟動(dòng)測(cè)試。“退出”按鈕可以退出該測(cè)試系統(tǒng)。 2、采集電壓值 電壓采集分為三步：首先調(diào)用8111 Config函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行初始化，主要包含采集的電壓幅度范圍及基地址（Base Address），分別設(shè)置為5和220，其中要注意的是220為十六進(jìn)制；接著調(diào)用8111的AI Read Channel Voltage函數(shù)，采用軟件觸發(fā)的方式來(lái)采集電壓值；最后調(diào)用Release Card函數(shù)釋放板卡。 為了減小誤差，采用了如下的采集方法：以一度的精度進(jìn)行繪圖，但每一度的電壓值是在這一度的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行20次的采集而得到的平均值。這樣可以使曲線更加圓滑。 設(shè)被測(cè)換能器的轉(zhuǎn)速為83.5秒／轉(zhuǎn)，以每度一個(gè)點(diǎn)的采集精度則每點(diǎn)的間隔時(shí)間為： t1=83.5×1000/360=231.9ms 3、延時(shí) 這里的延時(shí)應(yīng)該是每次數(shù)據(jù)采集間的時(shí)間間隔，但因?yàn)椴捎昧?0次采集的平均做一次顯示的方法，所以每次采集的間隔為： t2=(t1-t3)/20 其中t3為修正數(shù)，目的是使t2為整數(shù)。顯然以上的t2、t3分別等于11ms、11.9ms。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW中的最小定時(shí)為1ms，所以t3取12。具體在程序中，t2即為20次采集間的時(shí)間間隔，用Wait Until Next ms Multiple 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。t3為每20次采集后的等待時(shí)間。 4、數(shù)據(jù)處理 1）電壓?jiǎn)挝坏霓D(zhuǎn)化,即將采集到的電壓值(V)轉(zhuǎn)換成分貝形式表示，并帶入校準(zhǔn)系數(shù)。假如利用標(biāo)準(zhǔn)換能器得到的對(duì)應(yīng)關(guān)系為： -206.9dB 2.5V 而：1dB ＝ 0.1v 設(shè)采集到的電壓值為x，要換算到的分貝數(shù)為y，則可以得到轉(zhuǎn)換公式： x=[y-(-200)]×0.1+3.15 進(jìn)而得出： y=10×(x-2.5)-206.9 得到以上公式后，就能在LabVIEW程序中利用公式節(jié)點(diǎn)Formula Node實(shí)現(xiàn)分貝值的計(jì)算了。 2）靈敏度及水平指向性偏差兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算。計(jì)算方法為找出360個(gè)測(cè)試點(diǎn)中的最大最小值，最大值和最小值的平均值即為該換能器的靈敏度，最大值減去最小值除以二即為換能器的水平指向性偏差。 5、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 根據(jù)實(shí)際測(cè)試的需要，存儲(chǔ)的參數(shù)為以下七個(gè)：換能器號(hào)（2003-N）、測(cè)試頻率（ F(KHz) ）、靈敏度（ M（dB））、水平指向性偏差（ D（dB））、電阻（ R（MΩ））、靜態(tài)電容（C（nF））、是否合格。為了能在EXCEL軟件中讀取結(jié)果，我們調(diào)用的是Write To Spreadsheet File函數(shù)，將以上信息存入文本格式的文件data.hnq，然后在windows將此文件與EXCEL關(guān)聯(lián)，這樣雙擊data.hnp就能自動(dòng)的用EXCEL打開(kāi)了。 在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)闇y(cè)試的換能器數(shù)目較多，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)重測(cè)或報(bào)錯(cuò)換能器號(hào)的情況出現(xiàn)，為了能避免將測(cè)試過(guò)的換能器測(cè)試測(cè)試結(jié)果覆蓋掉，我們采用了以下的方法：在存儲(chǔ)新的換能器測(cè)試結(jié)果前，先用換能器號(hào)搜索文件中是否已經(jīng)有該號(hào)的記錄，如果有則查詢前記錄中測(cè)試結(jié)果是否合格、同時(shí)判斷本次測(cè)試結(jié)果是否合格，將這些信息彈出對(duì)話框的形式提示測(cè)試人員是否將先前測(cè)試結(jié)果覆蓋。如果沒(méi)有查詢到本次測(cè)試的換能器號(hào)，則直接將測(cè)試結(jié)果追加到文件中。 在程序設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)“覆蓋”的操作比較復(fù)雜，現(xiàn)解釋如下：先調(diào)用Read From Spreadsheet File將各個(gè)字段轉(zhuǎn)換成二維數(shù)組，用Index Array函數(shù)提取換能器號(hào)一維數(shù)組，Search 1D Array函數(shù)查找等于本次換能器號(hào)的數(shù)在這個(gè)一維數(shù)組中的位置，接著調(diào)用Replace Array Subset函數(shù)替換原二維數(shù)組中該位置的記錄，最后將新的二維數(shù)組存入文件中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的覆蓋。 6、數(shù)據(jù)打印 利用NI Report來(lái)生成并打印測(cè)試報(bào)告。測(cè)試報(bào)告包含測(cè)試結(jié)果和測(cè)試曲線，分別用Append Report Text、Append Control Image to Report函數(shù)將其加入到測(cè)試報(bào)告中。 結(jié)束語(yǔ) 本系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)換能器測(cè)試中存在的效率低、人工計(jì)算繁瑣等問(wèn)題，利用虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)了換能器的自動(dòng)測(cè)試。提高了換能器測(cè)試的準(zhǔn)確度的同時(shí)，也大大的提高了測(cè)試效率，將測(cè)試人員從繁雜的估算、記錄中解脫中來(lái)。該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中得到了用戶的高度肯定。 該系統(tǒng)是虛擬儀器技術(shù)在實(shí)際工程中運(yùn)用的一個(gè)實(shí)例，同時(shí)因?yàn)槠洳捎玫氖欠荖I的數(shù)據(jù)采集板卡，這將為有同類(lèi)需求的用戶提供一定的參考價(jià)值。