摘 要：針對傳統(tǒng)水聲換能器測試中存在的問題，提出了一種利用虛擬儀器技術(shù)，通過計算機的控制實現(xiàn)換能器自動測試的方案。該方案在提高了換能器測試的準(zhǔn)確度的同時，也大大的提高了測試效率，將測試人員從繁雜的估算、記錄中解脫中來。 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距離傳播的波動，在這方面遠比電磁波(如無線電波、光波等)好，因此聲波是目前水下通信的主要手段。當(dāng)前，世界各國都在開展水聲通信方面的研究。 水聲通信中的一個關(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試是基于丹麥B&K公司的一整套測試設(shè)備的，具體為信號發(fā)生器（Sine/Noise Generator Type 1054）、功率放大器（Power Amplifier Type 2712）、測量放大器（ Measuring Amplifier Type 2610）、帶通濾波器（Band Pass Filter Type 1617）及繪圖儀等。 其測試原理及步驟如下： 1）由信號發(fā)生器及功率放大器將特定頻率和幅度的信號送給水下的發(fā)射換能器，將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號； 2）聲信號通過喇叭有方向性向水下傳播， 3）待測換能器在一定距離遠處做勻速的水平轉(zhuǎn)動，在各個角度接收聲信號并轉(zhuǎn)換成電信號； 4）測量放大器接收從換能器傳輸過來的電信號，經(jīng)帶通濾波器過濾后送給繪圖儀打印角度－幅度的測試曲線； 5）測試人員根據(jù)測試曲線及標(biāo)準(zhǔn)換能器的參數(shù)人工計算出靈敏度及偏差，判斷該換能器是否合格，最后將測試結(jié)果記錄。 以上測試方法中需要人工參與計算，因此而帶來的誤差也較大，而且當(dāng)測試數(shù)目較多時，測試效率就成了很大的問題。再者，因為繪圖儀屬于機械設(shè)備，長時間使用后也會出現(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)存在問題的改造方案。 改造后的系統(tǒng)應(yīng)該能實現(xiàn)如下功能： 1）自動計算出靈敏度和水平指向性偏差并判斷是否合格，整個過程不需要人工計算，提高測試準(zhǔn)確度。 2）能輸入換能器號、測試日期等信息，能在屏幕上即時繪制測試曲線，能打印測試報告。 3）將測試結(jié)果存盤為EXCEL能編輯的文件格式，方便以后查詢打印 4）能進行循環(huán)測試，提高測試效率。 通過調(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算機來采集、處理測試數(shù)據(jù)，實現(xiàn)以上功能。 主要硬件配置 本改造方案以廉價、實用為目的，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總線的計算機接口。控制器由PII450，64M內(nèi)存的PC機承擔(dān)。 改造后的連接示意圖如下： 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 要完成本系統(tǒng)的軟件設(shè)計，有較多的軟件可供選擇，如VB、Labwindows/CVI、以及LabVIEW 6.1等，其中美國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、輸出界面友好等特點，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作為開發(fā)工具。根據(jù)實際測試的要求，其測試軟件的操作界面如圖（二）所示。 圖三為系統(tǒng)軟件的流程，下面簡要介紹各個步驟的具體內(nèi)容。 1、等待測試開始 該狀態(tài)用戶可以輸入換能器號、測試日期，其中的測試日期系統(tǒng)會自動將當(dāng)前日期給出，但用戶也可以根據(jù)需要更改?！按蛴　卑粹o可以將當(dāng)前屏幕上顯示的曲線、測試結(jié)果按測試報告的格式打印輸出，當(dāng)上此出現(xiàn)如打印機卡紙等問題而造成沒有將測試報告打印好時能再次打印測試報告?！伴_始”按鈕可以啟動測試?！巴顺觥卑粹o可以退出該測試系統(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)對數(shù)據(jù)采集卡進行初始化，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：以一度的精度進行繪圖，但每一度的電壓值是在這一度的時間內(nèi)進行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)被測換能器的轉(zhuǎn)速為83.5秒／轉(zhuǎn)，以每度一個點的采集精度則每點的間隔時間為： t1=83.5×1000/360=231.9ms 3、延時 這里的延時應(yīng)該是每次數(shù)據(jù)采集間的時間間隔，但因為采用了20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。因為LabVIEW中的最小定時為1ms，所以t3取12。具體在程序中，t2即為20次采集間的時間間隔，用Wait Until Next ms Multiple 函數(shù)實現(xiàn)。t3為每20次采集后的等待時間。 4、數(shù)據(jù)處理 1）電壓單位的轉(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Formula Node實現(xiàn)分貝值的計算了。 2）靈敏度及水平指向性偏差兩個參數(shù)的計算。計算方法為找出360個測試點中的最大最小值，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 根據(jù)實際測試的需要，存儲的參數(shù)為以下七個：換能器號（2003-N）、測試頻率（ 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就能自動的用EXCEL打開了。 在實際應(yīng)用中，因為測試的換能器數(shù)目較多，經(jīng)常會出現(xiàn)重測或報錯換能器號的情況出現(xiàn)，為了能避免將測試過的換能器測試測試結(jié)果覆蓋掉，我們采用了以下的方法：在存儲新的換能器測試結(jié)果前，先用換能器號搜索文件中是否已經(jīng)有該號的記錄，如果有則查詢前記錄中測試結(jié)果是否合格、同時判斷本次測試結(jié)果是否合格，將這些信息彈出對話框的形式提示測試人員是否將先前測試結(jié)果覆蓋。如果沒有查詢到本次測試的換能器號，則直接將測試結(jié)果追加到文件中。 在程序設(shè)計中實現(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將各個字段轉(zhuǎn)換成二維數(shù)組，用Index Array函數(shù)提取換能器號一維數(shù)組，Search 1D Array函數(shù)查找等于本次換能器號的數(shù)在這個一維數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的覆蓋。 6、數(shù)據(jù)打印 利用NI Report來生成并打印測試報告。測試報告包含測試結(jié)果和測試曲線，分別用Append Report Text、Append Control Image to Report函數(shù)將其加入到測試報告中。 結(jié)束語 本系統(tǒng)針對傳統(tǒng)換能器測試中存在的效率低、人工計算繁瑣等問題，利用虛擬儀器技術(shù)，通過計算機的控制實現(xiàn)了換能器的自動測試。提高了換能器測試的準(zhǔn)確度的同時，也大大的提高了測試效率，將測試人員從繁雜的估算、記錄中解脫中來。該系統(tǒng)在實際運用中得到了用戶的高度肯定。 該系統(tǒng)是虛擬儀器技術(shù)在實際工程中運用的一個實例，同時因為其采用的是非NI的數(shù)據(jù)采集板卡，這將為有同類需求的用戶提供一定的參考價值。