摘要：为了提高超高压缸体的承载能力并延长疲劳寿命，对制造缸体的原材料采取自增强处理，同时将LabVlEW 技术应用到自增强处理过程中，开发了一个专门的超高压自增强测试系统。在LabVIEW 环境下完成对自增强系统重要参数的采集、显示、存储以及相关性分析和曲线拟合等数据处理工作，取得了较好的效果。
1 系统总体设计
系统采用直接静液压法，利用液压机对试验材料进行自增强加压，施加于试验材料的压力值最高可达10 MPa.自增强是指在超高压缸体实际应用前，利用液体压力直接作用于缸体内壁，使之塑性变形后产生超应变，然后卸除压力获得残余应力，以提高弹性强度极限和疲劳寿命。利用LabVIEW软件 ，配合相关的硬件设备，可以实时监测试验材料的自增强状态，并将试验过程中的数据保存起来。对采集得到的形变和压力2个参数，在LabVIEW 中使用数据处理分析方法，获得一些有价值的测试分析结果，作为后续研究的基础。自增强测试系统总体的软硬件结构框图如图1所示。
2 硬件组成
系统硬件组成包括：液压机、传感器、信号转换模块及PCI数据采集卡。
2.1 液压机
液压机是自增强系统的主要工作平台。系统采用某型号四柱液压机，并根据设计要求对其进行了相应改造。需要采集的物理量有温度、形变和压力，其中温度是指液压机主油缸的油温，形变、压力则为接受自增强处理的试验材料的检测量。
2.2 传感器
温度采集采用K型热电偶，由于实际测试时油温约在室温与5O～6O℃之间变化，其量程可完全满足要求;形变采集采用位移传感器，其有效位移测量范围为<2 mm，满足该测试系统0～300 m的测量范围要求;压力采集的范围为0～10 MPa，采用向传感器厂家定制的超高压型压力变送器。
2.3 信号转换模块
由于热电偶输出为十分微弱的mV级信号，而形变和压力的传感器输出为电流信号，为了便于数据采集卡的信号采集，系统选用XMT-3000型仪表，将传感器的输出信号转换为标准的0～5 V模拟信号。XMT-3000型仪表采用数字校正系统及自校准技术，测量精确稳定，消除了温漂和时漂引起的测量误差;接热电偶输入时，仪表内部带有冷端补偿部件;接电流输入时，对应的物理量程可任意设定。
2.4 数据采集卡
采用M系列PCI 6251数据采集卡，此板卡具有16路模拟输入通道，2路l6位模拟输出，24条数字lfO线和2个32位计数器，完全满足系统的设计要求。
3 软件程序设计
软件设计的工作可分为数据采集和数据处理2个部分。
3.1 数据采集
数据采集部分的工作主要为测试参数的数字与图表显示以及数据存储。原始信号经传感器的采集及信号转换模块的转换后，已经为0—5 V电压信号，可供PCI 6251数据采集卡直接采集。因此使用LabVIEW 中的Express VI“DAQ Assistant”模块，可以方便地对数据采集的各项设置，如接线方式、采样频率、输入与显示的对应关系等进行操作。对于测试数据的存储，可将其以Excel表格的形式保存，也可保存为LabVIEW 中特有的TDMS文件。TDMS文件以流文件的形式存储数据，因此读取速度更快，适合用来存储海量数据，并可在LabVIEW 中方便地调用。数据采集程序的前面板界面如图2所示。
3.2 数据处理
在所设计的自增强系统中，形变和压力是2个重要参数，试验材料的形变因其受压状态而产生，随着所受压力的大小和受压时间的长短而发生变化，两者之间有着紧密联系。然而，仅知道这些还不够，还有必要进一步了解参数随时间变化的趋势，以及参数之间的相互影响及关联程度，把握其内在规律，乃至以数学公式精确描述。根据数学分析理论，利用LabVIEW图形化编程方法，可以较为简便地实现这些目标。
3.2.1 相关性分析
在时域中，两组信号之间的关系无法用确定的函数表示，因此需要关注信号在不同时刻瞬时值的相互关系，即时域相关特性;如果2个变量之间具有某种内在的联系，那么通过大量统计可以发现它们之间虽不精确却表征其特性的相互关系 J。
2个模拟信号x(i)和Y(i)经数字化处理，其相关函数表达式为：
式中：Ⅳ为总采样数;i为采样序数;r为间断时移值。根据式(1)，有限长采样的相关函数估计为：
用式(2)做离散相关的步骤为：
(1)取r=0，将所有对庆采样点的 x(i)和Y(i)相乘;
(2)将所有乘积相加;
(3)按总采样点数求平均，得到相关函数的一个值R (0);
(4)取，r=1，仿照前面的步骤，将所有对应采样点的x(i)和Y(i)相乘，然后相加、平均，得到R (1)，再依次取r=2，r=3，
按以上步骤重复计算后得到相关函数的各个值。
在x(i)和Y(i)这两个序列的长度相等时，R (0)可以用全部计算长度数据来计算，而计算下一步时因为Y(i)作了一步时移，使得序列长度由Ⅳ变为N—I，而且随着时移的增大，序列的长度变得越来越短，因此互相关函数的估值为R
金属材料在承受外力时有一个弹性限度，在限度以内，发生的是弹性形变，其自身形变与所受外力保持恒定的对应关系;而当外力超过限度后，材料将发生塑性形变，即使撤去外力也将无法完全回归到原状态。通过自相关分析，观察形变参数的变化，可及时掌握材料弹塑性形变的状态，便于选择试验材料。
同样，互相关分析可以反映2个参数在不同时刻的相互依从关系，而形变和压力正表现出这样一种关系。因此，通过对这组参数的互相关分析，可以观察和总结出变化规律，有助于建立弹塑性力学模型。图4、图5分别为形变自相关分析模块和形变压力互相关分析模块的程序框图，其中均含有对相关函数进行修正的子VI，由图3所示的VI封装而成。
3.2.2 曲线拟合
在超高压自增强处理过程中，试验材料内部各区域的形变状态比较复杂。由于压力是直接作用于材料内壁并向外传递，一般的情况是内径部分发生塑性形变，而外径部分仍在弹性形变范围内，但具体的弹塑性交界面是无法精确掌握的。这也就无法将材料的总体形变量与其受压值建立起直接的约束关系。同时，自增强处理的初衷是减少材料的弹性形变对密闭超高压缸体的影响，比用压路机把松软的泥土压实，只有降低形变随压力的变化率，才能保证超高压缸体的工作性能，否则形变量过大，会对缸体密封性造成影响，产生失压，严重情况下会发生爆炸，造成事故。利用曲线拟合的方法，将离散的数据用确定的数学公式加以描述，通过大量的试验数据统计，可以对自增强处理过程有更为理性的认识，有助于建立形变随压力的弹塑性变化模型，同时便于检验自增强处理的效果是否达到要求。在LabVIEW 中，相应的拟合模块可以很方便地实现这些功能，且有较好的拟合效果。
LabVIEW 在“数学一拟合”函数子选板中提供了各类数据拟合的VI。在对采集的数据集合并无确切规律性掌握的情况下，选择较为常用的多项式函数来作数据拟合，即将拟合函数
为了对LabVIEW 中得到的拟合结果进行验证，将相同的这组实测数据导入MATLAB，同样以多项式最小二乘算法进行拟合。MATLAB的曲线拟合图如图8所示。
对LabVIEW 和MATLAB中分别得到的拟合结果的拟合多项式系数进行比较。以五次多项式拟合为例，2种拟合结果的各阶系数如表1所示。
