条干均匀度测试系统的数据采集与显示本科毕业论文Word文档下载推荐.docx
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自动化控制从单机发展到了计算机联网，方便了数据的采集和管理，并大量采用先进的微电子技术、计算机技术及数字化技术。
这些新技术的应用在国外主流纺织检测仪器上随处可见，如以上所介绍的USTERTESTER4．SX。
我国研究、生产纺织检测仪器已有数十年的历史，纵观我国生产的纺织检测仪器绝大多数都是仿造国际已有的产品，再加上我国的生产制造水平不高，使得我国的纺织检测仪器很难在世界纺织检测仪器市场上占有一席之地。
各个国家及相关企业把条干均匀度当作纺织专用测试仪器中的制高点来争夺。
新型条干仪的研制成本在逐渐增加，如投入关键技术力量12人，耗费约70万元，历时5年时间研制出中国第一台条干仪，而电脑条干仪则耗费260多万元，历时3年半才完成，其中的主要原因在于：
（1）没有研究平台，难以获得所需的基础数据；
（2）外界力量较难介入，技术封锁和沟通困难，技术参数及数据接口不公开，无法进行二次开发；
（3）所有仪器是面向企业用户的，测试时只能进行简单条件设置，技术研究困难较大；
（4）综观国外的仪器，原来依靠硬件实现的功能指标，现在用软件代替，技术的可学习模仿性降低。
所以，企业被迫研究开发核心技术，而此处恰恰是国内许多企业的弱项，这和产业化研究不足有关。
我国研制全数字化纱条条干均匀度测试仪与研究平台,意义重大:
1）条干仪若以计算机为平台，从数据的采集，到数据的处理和最终的显示都用计算机软硬件来实现，并使软硬件模块化，可以带来制造成本的下降、精度的提高、处理上的灵活性、功能上的强大性，使用上的易操作性和友好性、维护上的方便性、需求上的易扩展性；
（2）原始数据可以保存到计算机，以后可不断的被利用，根据不同的算法由软件得到指标，方便数据处理技术的研究及相应算法模块的更新，意味着条干仪的更新；
（3）研究平台（又称虚拟仪器）的建立，意味着研究环境的开放，仪器本身具有自己的促生能力。
它不但能满足研究的需要，具备对不同条件下测试结果的对比能力，优选技术方案，而且会促生新的条干测试仪，快速形成产业化。
1.3虚拟仪器（virtualinstrument）技术
传统仪器一般是一台独立的装置。
从外观上看，它一般有操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分。
从功能方面分析传统仪器可分为：
信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出等。
传统仪器的功能都是通过硬件（或固化的软件）来实现的。
这种框架结构决定了它只能由仪器厂家来定义、制造，而且功能和规格都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。
虚拟仪器，是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物。
研究涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。
虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合起来的一种全新的测控仪器系统。
用户通过显示器友好的图形界面操作计算机，完成对被测试量的数据采集、分析、判断、显示、存储等整套测试工作，如同操作一台自行定义与设计的专用传统仪器一样，大大减小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现数据的显示、存储以及分析处理。
可以看出，软件是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”从本质上反映了虚拟仪器的特征。
图1-1反映了常见的虚拟仪器方案。
图1-1反映了常见的虚拟仪器方案
虚拟仪器与传统仪器比较（表１—１），它具有所需的硬件少、购置费用低、可重复利用；
仪器的关键在软件，可自行定义、技术更新快、开发与维修费用低、系统开放、方便与外设、网络连接等一系列的优点。
因此,虚拟仪器技术备受各国关注，被广泛应用于测量、监控、检测、电信及教育等各个领域，目前正朝着总线与驱动程序标准化；
硬、软件模块化，硬件模块即插即用；
软件编程平台图形化及通用化、智能化和网络化方向发展。
传统仪器
虚拟仪器
功能由仪器厂商定义
功能由用户自己定义
与其它仪器设备的连接十分有限
可方便地与网络外设及多种仪器连接
图形界面小，人工读取数据，
信息量小
界面图形化、计算机直接读取
数据并分析处理
数据无法编辑
数据可编辑、存储、打印
硬件是关键部分
软件是关键部分
价格昂贵
价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一
系统封闭、功能固定，可扩展性好
基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器
技术更新慢
技术更新快
开发和维护费用高
基于软件体系的结构可大大节省开发费用
表1-1传统仪器和虚拟仪器的对比
虚拟仪器从20世纪70年代提出智能仪器的概念到目前技术的日趋成熟,体现了计算机技术对传统工业的革命。
要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性,很重要的一点是取决于传输测量数据的总线结构。
在虚拟仪器中，其分析功能是由计算机来完成的或由计算机来控制的，因此，接口、总线的速度和可靠性是关键。
总线的出现，使得虚拟仪器设计有了一个高可靠性的硬件平台。
当然，采用普通PC总线，尤其是工业PCI总线的虚拟仪器也在不断发展，这类虚拟仪器主要面向工业控制，过程监测和实验室应用。
我们这套系统就是建立在PCI总线的基础上。
随着科学技术的进步，计算机技术的飞速发展，传统仪器已不能适应现代监测系统的要求，虚拟仪器的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，从而使测控仪器发生了一场巨大的变革。
1.4课题分析与总体设计
1.4.1本文主要内容
本文主要从硬件和软件的设计两方面进行开发，硬件方面主要是利用现有的高精度电容式条干检测电路和NI-PCI-6024E数据采集卡连接；
在软件方面，利用LabVIEW（G语言）开发了一套上位机软件。
一、利用NI公司的PCI-6024E型数据采集卡与电容式条干仪构建数据采集电路；
二、开发PC机的上位机软件。
利用NI公司的LabVIEW做为软件平台，开发了一套应用软件；
三、在对数据的管理方面，利用LabSQL模块使得采集的数据能够利用数据库进行管理，很好的提高了数据的管理功效。
1.4.2 主要技术指标
测试系统的主要技术指标：
1.传感器信号采集，PCI采集卡选用NI公司的PCI-6024E，精度达到12位；
2.完成传感器电压信号A/D转换，访问LabSQL模块使得采集的数据能够利用数据库进行管理；
3.数据的分析与查询；
4.界面的制作，报表数据打印；
5.研究在LabVIEW8.0的环境下实现软件打包，包括EXE文件和INSTALL文件包，使测量系统脱离环境安装打包；
这项设计在LabVIEW6.X和LabVIEW7.X的环境下是可以实现的，在LabVIEW8.0环境中模块的功能将更强大和完善。
1.4.3 系统的总体设计
根据测试要求，系统由条干检测电路、信号条理电路、数据采集卡和计算机主机等电路构成,系统框图如图1-2所示。
图1-2系统结构图
利用电容检测原理测试纱条条干不匀，当被测试样以规定的速度通过电容传感器时会引起介电常数的变化，从而导致电容量变化，由处理电路转换为线密度变化引起传感器平行极板电容量与线密度变化相对应的信号电压的变化，再经放大、A/D转换后进入计算机专用软件管理系统，经运算处理后将试样线密度不匀以曲线、数值、波谱等形式输出。
虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。
目前在这一领域内，使用较为广泛的是美国NI公司推出的虚拟仪器（LabVIEW）开发平台（Ｇ语言）。
至今已推出好多版本，本设计采用的是LabVIEW8.0——G语言（计算机图形化语言）处理和分析技术对纱线质量和纱条粗细不匀进行检测。
第二章 系统的数据采集
2.1条干概述
1.形成条干不匀的原因
①由于纤维原料性质差异而形成纱条不匀。
各种天然纤维在长度、细度或其他性能方面都存在着不均匀性，经同一机械和工艺加工就会造成差异，形成不匀。
②由于纤维随机排列而产生纱条不匀。
根据短纤维纺纱原理，理想纱条可以假设由纤维随机排列而组成，这种随机排列的纱条具有一定的不匀率，称为随机不匀率，数值与纱条截面中的平均纤维根数的平方根成反比，纤维根数少时随机不匀将增大。
③由于纺纱工艺参数选择不良而产生纱条不匀。
例如牵伸机构隔距、加压等工艺参数选择不当，造成对纤维运动控制不良，就会产生节粗节、细节现象，形成粗细不匀。
④由于纺纱机械缺陷所产生的纱条不匀。
如罗拉或皮辊偏心、齿轮缺损等，会使纱条产生明显的周期性不匀，常呈粗细起伏的波浪变化，波长较短的称短片段不匀，长的称长片段不匀。
一般，前纺机械产生的短片段不匀，由于牵伸变长，在纱线中呈现长片段不匀；
细纱机上所产生的不匀，是短片段不匀。
2.条干测定方法
条干均匀度检测通常有切段称重法、黑板条干目测法和仪器检测法三种。
切段称重法可用于各道半制品和细纱；
黑板条干目测法主要用于细纱；
仪器检测法又可分为电容式检测和机械式检测两种。
电容式检测适用于条子、粗纱和细纱，机械式检测仅适用于条子和粗纱。
电容式条干法测得结果对于鉴定纱样的质量、分析纱样结构和特征以及判断产生条干不匀的原因有着重要的作用，如果仪器装有专家分析系统，可以进一步提高仪器使用价值。
①.切段称重法：
该方法是测定纱条粗细不匀的最基本、最简便的方法。
把纱条按规定长度切段，并分别称重，然后计算不匀率指数。
所取的片段长度和片段数量，视实际生产情况和试验精度要求而定。
这个方法的缺点是测试计算工作量太大，耗时较多。
因此，这种方法仅对要求准确度较高的研究工作或校正其它测定不匀率仪器的读数时才被应用。
②.黑板条干目测法：
是生产中常用的检查和评定细纱条干水平的方法。
将细纱以相等的间隔均匀地绕在长方形（或梯形）黑板上，可以直观分析细纱不匀的构成情况，对照标样对细纱条干进行评级。
分级标准和取样评定方法各国有所不同。
黑板目测法对黑板规格、检验时光照、观察距离等均有一定要求。
目测法虽然具有操作简便、投资少等优点，但也存在着一些不足。
目测的棉结是由许多根纤维扭结在一起才能被目力辨认的纤维团，取决于光线照度、测试人员的眼力和操作经验。
棉结单个间的大小差异较大，由于人眼分辨率的限制，许多客观存在的细小棉结不能被目测计数，检测的结果因人而异，不能完全反映棉结的真实情况。
目测法检测数据的准确、稳定和一致性欠佳。
③.仪器检测法：
电容式均匀度试验仪适用于测试各种短纤维纺制的条子、粗纱和细纱的条干不匀率。
对于长丝，须加装假拈装置以消除纱条“截面效应”（即由于纱条截面形态在检测电容槽间的变异而引起的检测误差）。
应用电容式均匀度仪测试纱条不匀率时，能同时测定细纱的细节、粗节和结杂数，此外，还能对纱条不匀的构成进行谱分析,画出波谱图,以显示纱条中显著周期不匀。
根据波谱图可以寻找各工序中产生疵病的原因，加以改善或排除。
应用电容式均匀度仪所测定纱条的不匀率,可用平均差系数不匀率U％值或均方差系数不匀率CV％值来表示。
机械式均匀度试验仪适用于测试条子和粗纱的条干不匀。
将条子或粗纱放入一定规格的凹槽内，上面加有一定压力，测定纱条的厚度变化。
不匀率常用每米纱条内平均极差系数来表示。
因极差系数不能表示纱条不匀结构的组成，所以很少利用。
本系统硬件采用电容式检测法，下面介绍YG135CⅡ型电容式条干均匀度仪。
2.2YG135CⅡ型电容式条干均匀度仪
YG135CⅡ型条干均匀度仪是采用虚拟仪器结构形式的新一代条干均匀度测试仪,它的电气结构原理图如图2-1所示：
图2-1YG135C电气结构原理图
本次系统实验时使用的是YG135CⅡ型电容式条干均匀度仪,仪器由自动移纱机构、传感头、电机控制以及电源指示构成。
实物图如下:
图2-2YG135CⅡ型电容式条干均匀度仪
2.2.1电容式测试的工作原理
对于平行极板电容器,在两个极板上施加电压V后,集聚电荷Q的值为:
（2-1）
其中
为电容器的电容。
在电压保持稳定的前提下,电量
随电容的变化而变化。
电容的值取决于两极板的参数和相对位置及极板间电介质的电容率
。
如图2-3所示，有一极板面积为S、间距为L的平行板电容器，如忽略其边缘效应，在没有纱条时，电容量为：
（2-2）
式中：
———真空电容率（真空介电常数）。
如果将纱条垂直于电场放入电容传感器之中，并且充满度很小不会引起电场畸变时，其电容量为：
（2-3）
———纱条相对电容率；
———纱条电容率。
设纱条直径为
如果
<
<
时,则厚度的变化和电容量呈线性关系
即：
（2-4）
图2-3 电容与介质示意图
如果
、
保持不变，则电容的变化量仅和纱条直径有关。
所以通过测量输出电量的变化可以反映纱条的粗细不匀。
电容式均匀度仪就是利用这一原理来测定纱条的条干均匀度。
电容式条干均匀度仪电路由电源电路、信号处理电路以及电容传感器电路组成。
电源电路原理如图2-4所示，220V交流电压经变压器降压、整流堆整流、电容滤波后再分别经稳压芯片稳压，得到的直流电压为各部分电路供电。
图2-4电源电路实物电路图
利用电容检测原理测试纱条条干不匀（图2-5），其检测器是两个平行金属极板组成的平板式空气电容器，当相同的电介质连续通过电容器时，电容量的变化率与介质质量的变化率呈线性关系，因此,当纱条以一定速度连续通过电容器极板时，纱条线密度的变化即转换为电容量的变化。
将检测器输出的电信号，经过电路运算处理即可得到表示纱条条干不匀特征的各种结果。
图2-5电容式条干均匀度仪原理
信号处理电路原理图见附录三。
利用中振产生8MHZ的方波，经过石英晶振滤波，产生抗干扰能力极强的正弦波。
经过高频运放放大、倒相。
当纱线经过传感头时，会产生一个电压变化量，再经运放等处理后输出。
电容式条干均匀度仪可以实现对细纱、粗纱、条子线密度不匀程度的测量，还可提供CV值、各档门限疵点数等有价值的参考数据，并在屏幕上显示纱条实时不匀率曲线图、波谱图及等图形。
这些图形能直观的反映纱条状况，有助于生产设备运行状况的监控与分析。
2.3数据采集概述
使用计算机对现实世界中的信息实现显示和处理,其前提条件是将计算机和现实世界联系起来。
这需要将现实世界中的各种信号（统称模拟信号）转换为计算机可以识别、存储的信号（统称数字信号），这一过程称为数据采集（DAQ，DataACquisition）。
数据采集是对多路模拟信号进行数字化测量，从而获得大量数据以便进行分析和处理。
它是外部被测模拟信号进入测量系统的必经前置通道。
2.3.1数据采集（DAQ）的基本概念
一般情况下，DAQ（数据采集）硬件设备的基本功能包括模拟输入（A/D），模拟量输出（D/A）、数字IO（DigitalI/O）和定时（Timer）、计数（Counter）。
1.A/D转换器
A/D转换器是把输入模拟量转换为输出数字量的器件,也就是DAQ硬件的核心。
就工作原理而言，A/D转换有3种方法：
逐次逼近法、双积分法和并行比较法。
在DAQ产品中应用较多的方法是逐次逼近法A/D。
双积分法A/D主要应用于速度要求不高，可靠性和抗干扰性要求较高的场合。
衡量A/D转换器性能好坏主要有两个指标，一是采样分辨率，即A/D转换器位数，二是A/D转换速度。
这二者都与A/D转换器的工作原理有关。
2.D/A转换器
DAQ系统经常需要为被测对象提供激励信号，也就是输出模拟量信号。
D/A转换器就是将数字量信号转换为模拟量输出的器件。
D/A转换器的主要性能参数是分辨率和线性误差分辨率，分辨率取决于D/A转换器的位数，线性误差则刻画了D/A转换器的精度。
3.数字I/Q
在DAQ应用中经常需要采集外部设备工作动态，建立与外部设备的通信，此时就需要用到DAQ设备的数字I/Q功能。
一般的数字I/Q板卡均采用TTL电平。
需要强调的一点是，对于大功率外部设备的驱动需设计专门的信号处理装置。
4.定时/计数器
在DAQ应用中还经常用到定时/计数器功能，比如脉冲周期信号测量、精确时间控制和脉冲信号产生等。
定时/计数器的两个主要性能指标是分辨率和始终频率，分辨率越大，计数器位数越大，计数值越高。
2.3.2 数据采集卡的基本性能指标
1.模拟信号输入部分
（1）模拟输入通道数。
该参数表明数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。
（2）信号的输入方式。
一般采集信号的输入方式有：
单端输入：
即信号的其中一个端子接地。
单端输入以一个共同接地点为参考点。
这种方式使用于输入信号为高电平（大于一伏），信号源与采集端之间的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。
如果不能满足上述条件，则需要使用差动输入。
在参考地单端（ReferencedSingle-Ended,RSE）测量系统中，被测信号一端接模拟输入通道；
另一端接系统地AIGND。
如图2-6描绘了一个16通道的RSE测量系统。
图2-6 参考地单端测量系统和无参考地单端测量系统
（a）参考地单端测量系统；
（b）无参考地单端测量系统
差动输入：
即信号的两端均浮地。
差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。
并且，由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度教高。
在差分测量系统中，信号输入端的正、负极分别与两个不同的模拟输入端口相连接，并通过多路开关（MUX）分别连接到仪用放大器（InstrumentationAmplifier,简称InstAmp）的正负极上
图2-7 差分测量系统
一个理想的差分测量系统应仅能测出信号输入的正、负极之间的电位差，而无法测量出共模电压。
但是实际应用中的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围。
共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能。
可以用不同的方式来消除共模电压的影响。
如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免得到错误的测量数据。
（3）选择合适的测量方式。
不论测量接地信号还是浮动信号，差分测量系统都是很好的选择，因为它不但避免了接地回路干扰,还避免了环境干扰。
相反，如果采用RSE系统，则两种干扰可能均存在，在所有输入信号都满足以下指标时，可以采用RSE测量方式：
输入信号是高电平（一般超过1V）；
连线较短（一般小于5m），并且环境干扰很小或屏蔽良好；
所有输入信号都与信号源共地。
当一项不满足上述要求时，就应该考虑使用差分测量方式，所以在本毕业设计中选用PCI-6024E。
（4）模拟信号的输入范围（量程）。
指ADC能够量处理的最大、最小输入电压至值。
DAQ卡提供了可选择的输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的精度。
（5）放大器增益。
表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。
给信号设置一个增益值，就可以实际减小信号的输入范围，使模数转换能尽量地细分输入信号。
当输入信号为满量程的1/10时，量化误差相应扩大到原来的10倍。
一般情况下要选择合适的增益，使得输入信号的动态范围与ADC的电压范围相适应。
当信号的最大电压乘以增益，超过板卡的最大电压时，超出部分将被截断而读出错误的数据。
对于NI公司的采集卡选择的增益是在LabVIEW中通过设置信号的输入范围（InputLimits）来实现的，LabVIEW会根据选择的输入范围来自动配置增益。
（6）分辨率。
分辨率是A/D转换所使用的位数。
分辨率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。
目前就采集卡的分辨率来说，8位采集卡属于初级产品，12位采集卡属中挡产品，16位采集卡则比较高级，它们可以将模拟输入电压分别量化为
=256，
=4096，
=65536。
2.A/D转换部分
（1）采样速率。
指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数，是数据采集卡的重要技术指标。
由采样定理，为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复原输入信号，必须使采样频率fs至少为输入信号最高有效频率fmax的两倍，否则会出现频率混淆误差。
实际系统中，为了保证数据采样精度，一般有下列关系：
fs=（7～10）fmaxN（2-5）
式（2-6）中N为多通道数据采集系统的通道数。
采样率决定了A/D变换的速率。
采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确。
采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。
图2-8表示了采样率对
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