金平基于labview的位移测量.docx

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金平基于labview的位移测量

1.1　位移测量的虚拟仪器系统

进行位移测量的虚拟仪器系统组成如图1所示,图1中位移传感器直接作用于被测量,按一定规律将被测量转换为电信号输出。

位移传感器为位移信号提供隔离和滤波。

数据采集卡（DAQ）对来自位移传感器电路中输出的电压信号进行模数转换、采用保持、多路复用和放大。

计算机作为虚拟仪器载体,对测量数据进行分析、运算、存储和显示。

位移测量程序是在LabVIEW平台上开发的位移测量虚拟仪器软件。

图1　位移测量的虚拟仪器系统

1.2　PCIMIO16E4数据采集卡

PCIMIO16E4是NI6040E系列数据采集卡之一,是一种性能优良、适合PC的数据采集卡,能够完成信号采集、数字信号的模拟输出及定时、计数等功能。

信号采集部分包括模拟输入和AöD转换两部分,即

前向通道,主要性能指标如下。

（1）16路模拟输入。

（2）提供3种信号输入方式选项:

单端无参考地输入、单端有参考地输入及差分输入。

（3）放大器增益（软件设置）:

1,2,5,10,20,50,100。

（4）量程:

分为±10V和0～10V两种。

分别对应信号为双极性输入方式和单极性输入方式。

（5）分辨率:

12b。

（6）单通道最大采样率:

5×105次ös。

1.3　数据采集的信道设置

在多信道数据采集或输出系统中,必须为数据采集设备指定对某个信道进行操作,这就是信道定址。

信道定址通过在数据采集VI的信道表参数ChannelList中写入信道名或信道号实现。

在数据采集过程中按信道表列出的顺序扫描信道,在数据输出过程中按信道表列出的顺序刷新。

采用信道名定址首先要在Measurement&AutomationExplorer中对信道进行设置。

打开Measurement&AutomationExplorer后在DataNeighborhood选项上击右键,再由下级菜单上点击CreateNew弹出信道向导,在他的引导下创建一个虚拟信道。

一步步选择信道类型、信道名、传感器类型、信号的单位、使用的数据采集设备等。

在Measurement&AutomationExplorer中设置的信道名即可写入信道表参数Channels。

信道表可以是一个信道名,也可以是一个信道名数组。

1.4　位移测量前面板的设计

打开前面板窗口,按以下方法与步骤设计前面板:

（1）控制模板中选择ClassicControls→ClassicNumeric→Meter,摆放到前面板中,重复4次可设置好4个电压表,用来显示采集到的电压信号,显示值在误差允许范围内等于传感器输出的电压值。

（2）选择ClassicControls→ClassicNumeric→HorizontalPointerSlide,摆放到前面板中,在此控件上点击鼠标右键,选中ChangetoControl,使该控件成为位移显示仪,同样方法在前面板中摆放4个位移显示仪。

位移显示仪用来显示外部位移值,位移值使通过电压与位移的关系曲线转换得来。

（3）选择ClassicControls→ClassicBoolean→SquarePushButton重复4次即可。

（4）选择Boolean→OKButton,将其按钮名称修改为“记录”即可在前面板中创建记录按钮。

（5）选择Boolean→StopButton,这样停止按钮已创建好。

（6）选择Numeric→NumericControl,该控件用来写入记录文件中第一列信息。

如写入当前日期或记录次序等。

将已放好的控件进行编辑,添加文字说明。

LabVIEW提供了装饰前面板上对象的设计工具,这些界面元素对程序不产生影响。

所有的装饰元素都存在于装饰子模板（decorations）内,鼠标选取其中任一装饰板,将这个控件放置于已有的控件之上,他会覆盖已有的控件,一般都要将他们置于底层。

首先用鼠标选中该控件,在工具栏点击“Reorder”,在其下拉菜单中选中“MoveToBack”,这时被装饰控制覆盖的其他控件全部可见了。

如图2所示为创建的多通道位移测量仪面板图。

1.5　与前面板对应的流程图窗口的设计

流程图窗口的设计是为了前面板控制件、显示件及按

钮的功能得以实现。

11511　模拟输入外部信号（如电容传感器输出的电压）的引进,这里使用了AISampleChannel,如图3所示。

在channel（0）接

线端连上一个字符串常量并写入信道名disp0,disp1,disp2,disp3这些信道名首先必须已在Measurement&Automation中创建好,他们分别对应于通道0,1,2,3。

Sample输出端默认是输出波形,这里只需单个数值,所以要在其输出端点击鼠标右键选SelectType→ScaledValue。

图2　多通道位移测量仪的面板

由于电压信号的闪动性,这里使用ForLoop循环结构和取平均值的模块（Analyze→Mathematics→ProbabilityandStatistics→Mean1vi）,即采用取多次数据求平均值的方法得到相对稳定的电压值。

将此电压值连接到电压表显示件上,这样就实现了前面板的电压表的显示功能。

在图形代码窗口中设置For循环的做法是,在函数子模板中选中For循环的小图标,在所有应在For循环内执行的节点左上角区域点击一下鼠标,然后按住鼠标向右下角拖动,直到虚线框包围所有应在For循环内执行的节点,松开鼠标后,就得到了一个大小和位置满意的For循环框。

也可以先放好一个For循环框,再向里面填代码。

For循环有两个固定的端口。

计数端口是一个输入端口,除非使用自动索引功能,否则都要在For循环框外,为端口连接一个整形数,指定循环执行的次数。

如果连接其他类型的数值,自动把他强制转换为最接近的整形数。

对正好在两个数之间的数,则转换为接近的偶数。

循环端口是一个输出端口,他输出循环当前执行的次数。

循环次数是从0开始计数的。

这里外部设备是电容式位移传感器。

位移的范围是0～25mm,每改变015mm的位移量就测量一次输出电压值。

在这之前首先要对位移传感器进行校零,因为当位移为零时,在理想状态下输出电压值应该为零,但实际测出的电压不为零,记下当前电压值（补偿值）,在以后测量中,输出电压值都要进行补偿（即减去补偿电压值）就得到了理论电压。

“电压（测量值）”显示件用来直接显示位移传感器的输出电压值;“电压（理论值）”显示件用来显示补偿后的电压值;“位移值”数字控件用来写入位移传感器的当前位移值;运行时待电压表显示的电压值较稳定时,按下“记录”按钮,即可记录下当前位移值与两种电压值;“复位”按钮是当程序开始运行时,对电压表示值进行清零处理;当取满51个位移值且都记录完成后,按下“显示”按钮,文件中的数据就会以关系曲线的形式显示在右侧图表里;“位移与电压曲线”显示图表用来显示位移与上述两种电压的关系曲线;数字显示件则显示出具体的函数关系。

对理想电压与位移的关系曲线进行分析与处理,将曲线以位移0～315,315～2115,2115～25分为三个区域。

第一区间和第二区间近似为y=kx+b的直线,第三区间近似为恒值。

选择Analyze→Mathematics→CurveFittingLinerFit1vi如图4所示,“y”接线端连接位移数

列,“x”接线端连接理想电压数列即可。

2.2.4步进电机

步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。

说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角度或者前进一步，因此，步进电机也称脉冲电动机。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。

步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。

在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。

通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速启动、制动和反转。

目前，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电机的发展。

本设计针对目前各个领域对自动化的需要，采用STC89C51单片机与L297，L298N驱动芯片驱动多台步进电机同时独立工作，将它应用于各种复杂的控制领域，能使许多半自动控制的系统完全成为真正的全自动，特别是用在机器人等领域，能极大的提高生产力和降低劳动强度。

由于步进电机具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。

本课程设计根据各种电机的性能比较，最终选定步进电机作为驱动电机，位横梁的移动提供驱动力，实现了弹簧压力测量系统的自动控制。

2.2.5压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。

但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。

电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。

电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。

金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

根据课程要求，选用压拉力传感器，将其应用于弹簧压拉力的测量。

2.2.6配电控制箱

配电箱是按按电气接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中或屏幅上，构成低压配电装置。

正常运行时可借助手动或自动开关接通或分断电路。

故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警。

借测量仪表可显示运行中的各种参数，还可对某些电气参数进行调整，对偏离正常工作状态进行提示或发出信号。

常用于各发、配、变电所中。

按结构特征和用途分类：

（1）固定面板式开关柜，常称开关板或配电屏。

它是一种有面板遮拦的开启式开关

　　柜，正面有防护作用，背面和侧面仍能触及带电部分，防护等级低，只能用于对供电连续性

　　和可靠性要求较低的工矿企业，作变电室集中供电用。

（2）防护式（即封闭式）开关柜，指除安装面外，其它所有侧面都被封闭起来的一种低

　　压开关柜。

这种柜子的开关、保护和