基于虚拟仪器的转子实验台学位论文.docx

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2、IEW这种专业的测控工具，构建集实时数据采集、分析为一体的转子试验台测控系统。本文对测控系统的总体方案设计、现场测控系统硬件配置、虚拟仪器系统软件开发进行深入的讨论。关键词： 转子试验台 虚拟仪器 LABVIEW 数据采集 AbstractIn recent years along with the computer technology、the instrument technology and the communication technology rapid development and in-depth union, Virtual measurement and control

3、centering on the computer has gradually replaced the traditional instrument，.The virtual instrument realize the data analysis, processing and the demonstration function with the computer while the traditional instrument adopt the hardware. Through data acquisition card, the virtual instrument comple

4、tes the data gathering and t analysis.In this thesis, the multi-functional Rotor Test-bed is the object of measurement and control.The system that is designed with the professional sofe LabVIEW includes real-timely DAQ、data processing.The paper discusses the total project of measurement and control

5、system、the configuration of local measurement and control system hardware、the development of virtual instrument soft programme in depth.Key Word: Rotor Test-bed Virtual instrument LABVIEW Data acquisition 目 录第1章 绪论.11.1国内外研究发展现状.11.2选题背景和意义.2 1.3本课题的主要工作.3第2章 测控系统总体结构.42.1硬件系统.42.1.1多功能转子实验台.4 2.1.2

6、测控系统.52.1.3传感器的选择.6 2.2 软件系统.7第3章 转子实验台现场测控系统.83.1 数据采集及信号处理.8 3.2 模/数转换.93.3去噪处理和信号滤波. .10 3.4 信号分析和处理.12第4章 转子实验台虚拟仪器开发.144.1 虚拟仪器概述.144.1.1 虚拟仪器的概念.14 4.1.2 虚拟仪器的基本结结构和类型.15 4.2 虚拟仪器的开发软件.164.3 转子实验台虚拟仪器的设计.17 4.3.1 轴心位移测量模块.184.3.2 振动分析模块.20第5章 结论.225.1 结论.22参考文献.23致谢.24第一章 绪 论1.1 国内外研究发展现状随着科学技

7、术的发展，检测技术已经广泛应用于人类科研、生产和生活等活动领域，检测技术既是服务于其它学科的工具，又是综合运用其它多学科最新成果的尖端性技术。因此检测技术的发展是科学技术和生产发展的重要基础，也是一个国家生产力发胀程度和现代化程度的重要标志。检测技术有力地促进了科学技术和生产的发展，而科学技术和生产的现代化，不仅对检测技术提出了更高的要求，也为检测技术提供了丰富的物质手段和技术条件，从而促进其不断发展。目前，检测技术的发展趋势可从以下四个方面进行综述： 不断扩大测量范围 提高测量精度及可靠性 开发检测的新领域和新技术 利用集成化技术和计算机技术新型传感器 检测任务的完成离不开检测仪器，20世纪

8、70以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，并渗透到检测仪器和仪器技术领域。在它们的推动下，检测技术与仪器不断进步，由原来的模拟仪器和数字仪器发展到了现在的智能仪器、总线仪器、PC仪器、虚拟仪器等微机化仪器和自动化检测系统，计算机与现代仪器设备之间的界线日渐模糊。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与检测技术发展的主潮流。正是在这种趋势的影响下，产生了新一代的检测仪器虚拟仪器。虚拟仪器它是通过应用程序将计算机与功能硬件（完成信号获取、转换和调理的专用硬件）结合起来，从而把计算机的强大运算、存储和通信能力与功能硬件的测量和转换能力融为一体，形成一种多功能、高精度、可灵活组合并带有通信功能的测试技术平台

9、。大致来说,虚拟仪器发展到今，可以分为三个阶段，而这三个阶段可以是同步进行的。 第一，GPIB(通用接口总线)标准的建立增强了传统仪器的功能。通过插 在计算机上的GPIB接口卡或传统仪器内置，传统仪器可以和计算机进行通 信，用户就可以通过计算机控制仪器，使得仪器的自动化测量成为现实，并成为仪器测控的发展方向，这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线的。但是PGIB总线只适用于消息基器件的操作，不适用于寄存器操作，且其数据传输率只有1MB/S,存在数据传输速度慢的特点。 第二，开放式仪器构成。在这期间，主要由二大技术进步所推动：一是插入式计算机数据处理卡，后来发展到即插即用的数据卡；二是在1987年7月

10、，来自Colorado Data system，Hewlett Packard，Racal Dana， Tektronix和 Wavetek等五家著名仪器公司的技术代表发布了第一个VXI总线规范的 第一个版本。其消除了第一阶段的由用户定义和供应商定仪器功能的区别。VXI总线数据传输率为40MBS，数据传输速度相对较快。在1993年IEEE春天正式接受VXI以前，价格成本较高和系统的易用性，是其得不到广泛应 用的重要原因，然而令人欣慰的是，在1993年，在NI、TEK等五家公司发起成立的VXI PlugPlay Systems A1liance制订了详细的VPP标准。加之VXI厂商采用各种先进技

11、术努力降低成本，使VXI的系统成本不断降低，应用范围不断扩大。目前，VXI正在进入“低成本搞市场份额低成本”的良性市场状态。 第三，虚拟仪器在软件和标准方面不断取得进展，其框架得到了广泛的认同和采用。在软件方面，图形化编程成为主流，如NI公司的LabVIEW7.1等。在硬件方面，据八十年代五家著名公司推出 VXI总线标准后，九十年代 PCI总线被推出，其数据传输速率为132MBS，且成本低，但缺乏同步触发等实时功能，不适合高实时性测量领域的需求。针对此，在1997年，美国国家仪器(NI)推出了兼具PCI总线和VXI总线优势的PXI总线，具有系统时钟、同步触发总线功能。如NI公司推出的PXI-4

12、070 Flex 数字万用表。 综上所述，虚拟仪器的发展有二个主要特点：一是总线标准技术的发展 ，另一个是软件技术的发展。虚拟仪器与传统仪器相比，虚拟仪器的智能化、处理能力、性能格价比、可操作性都具有明显的技术优势，但由于其所处的工作环境的电磁环境恶劣，使得虚拟仪器在小信号测量、高精度的测量方面 受到了限制。1.2 选题背景和意义20多年前，美国国家仪器公司NI (National Instruments)提出“软件即是仪 器”的虚拟仪器 (NI)概念。引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。所谓虚拟仪器

13、，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于 计算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍)飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 本课题以转子试验台为测控对象，采用虚拟仪器技术，构建了转子试验台的现场测控系统，实现了自动化检测，本课题可以作为虚拟测控和虚拟实验的一个初步尝试和探索。1

14、.3 本课题的主要工作经过对国内外测控技术的深入研究，以多功能转子试验台为实验对象，结合现有的实验设备，研究和开发多功能转子测控系统。本文在虚拟仪器方面进行以下研究和开发工作： 转子实验台测控系统总体结构设计； 抗干扰装置设计 硬件系统配置：包括各种传感器、数据采集卡的选择。 软件系统编程：包括数据采集程序、数据处理程序设计第二章测控系统总体结构本章讨论了整个小型多功能转子测控系统的总体结构，整个系统分为两个部分，即硬件平台和软件系统。硬件平台包括多功能转子实验台、数据采集控制系统和计算机；软件系统主要包括试验测控软件.系统总体结构示意图如图2-1所示。转子试验台是本系统的测控对象；系统通过振

15、动传感器和位移传感器采集转子试验台的信号，传感器输出的信号经过调理达到A/D转换器的输入要求，就可以将转子试验台的现场参数采集到计算机中，同时可以对采集的数据进行处理、显示和存储。这样通过计算机来监控转子试验台现场的实际工况。图2-1 转子试验台测控系统结构图2.1硬件系统硬件系统主要由以下各部分组成：多功能转子实验台、传感器、数据采集系统、计算机。四部分协同工作实现试验数据的采集和在线分析。2.1.1转子实验台转子试验台是本系统的测控对象。其结构如图2-2。图2-2 转子试验台转子试验台采用整体圆柱轴承支承，润滑油润滑。在轴承座上有传感器安装位置，便于轴承根部的振动测量。另外还有传感器支架，

16、用于安装电涡流传感器，对不同位置的轴心位移进行测量。2.1.2传感器的选择1） 移传感器实验台主要用的传感器是电涡流传感器，它主要用来将转子的轴心振动信号变换为可用仪器测量和处理的电压信号。电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生高频的电流从振荡器流入探头线圈中，线圈就产生了一个高频电磁场。当被测金属体的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，即电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这二个磁场相互迭加就改变了原线圈的阻抗并使探头的品质因数降低，影响了线圈的阻抗。所以探头与被测金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变

17、化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。电涡流传感器能测量被测体（必须是金属导体）与探头断面的相对位置。过去对于轴的振动测量通常采用加速度传感器或速度传感器。通过测量机壳振动间接地测量转轴的振动，测量结果的可信度不高。而电涡流位移传感器能直接测量转轴的状态，灵敏度高，抗干扰能力强、非接触测量，因此常被用于旋转机械的轴位移，轴振动、轴转速等参数的监测。电涡流传感器主要包括探头、延伸电缆、前置器等部件。传感器工作的机理是电涡流效应。当接通传感器系统的电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过延伸电缆送到探头中密封的线圈，在探头周围产生交变磁场H1.如果金属导

18、体接近探头，则交变磁场H1将在导体表面产生电涡流场，该电涡流场会产生一个方向和H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用就改变了线圈的有效阻抗，在其它参数不变得条件下，线圈的阻抗就成为探头与金属导体距离的单值函数，其曲线为“S”形曲线，在一定范围内可近似为一线性函数。线圈的阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路的处理转换成电压输出。本系统采用的电涡流传感器是北京测振仪器厂的HZ-8500型电涡流传感器，探头为8mm它的输入电压是-24V。安装时将探头分别水平、垂直安装于实验台传感器支架的安转孔，调整探头距离轴心的初始间距，使其初始电压为-8.5V，即静态特性线性段的中部。然后连接延伸电缆和前置器

19、等。传感器的实物图如下所示： 图2-3 电涡流传感器2）压电晶体加速度传感器传感器是典型的振动传感器，压电传感器是以某种物质的压电效应为基础的一种有源传感器。某些电介质物质沿一定方向受外力作用而变形时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量-弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。压电传感器的输出信号很微弱，而却内阻很高，一般不能直接显示和记录，需要采用低噪声电缆把信号送到具有高输入阻抗的电荷放大器。电

20、荷放大器由两个作用，一是放大压电传感器的微弱输出信号；另一个作用是把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。本系统选用的是4370系列压电传感器，将压电加速度传感器安装在轴承座上，产生的与轴承振动对应的电荷，经电荷放大器转换为电压信号并放大后，输入数据采集卡，结构如图所示：图2-4压电振动传感器2.1.3轴心位移测量的信号调理轴的径向、轴向位移信号是由电涡流传感器测量得到的，电涡流传感器是基于高频磁场在金属表面的涡流效应而成，可进行非接触测量。安装时，要选择合适的间隙，以保证测量范围内 正负向位移对称，对于直径为8mm探头，其初始间隙电压为-8.5vDC。电涡流传感器输出的信号是轴心位移信号和初始

21、间隙直流电压的叠加，叠加信号的最小值超过了-10V，而本系统所采用的数据采集卡的模拟输入范围最大为-10V10V，因此在轴心位移信号输入计算机前要滤除直流噪声信号。本课题采用了一个高通滤波器可以有效的滤除直流成分。滤波器是一种选频装置，它允许输入信号中的特定频率成分通过,同时抑制或极大地衰减其它频率成分。根据滤波器的选频特性，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种，由于要滤除的信号是一直流信号，因此本系统设计的是一个高通滤波器，如图2-5： 图2-5 高通滤波器Ux为电涡流传感器的输出信号，Uy为滤波后可以直接输入计算机的信号，R选用的是1k的电阻，C选用的是100F的电容，根据公式fc1

22、/6.28 C R=1.6Hz,试验证明，直流信号能够被有效滤除，而位移信号能够不衰减的顺利通过。2.2 软件系统现场测控系统软件开发主要使用美国国家仪器公司推出的基于图形开发的优秀集成环境LabView，Labview作为适时推出的一个优秀的测控软件开发平台和虚拟仪器构建环境，得到了广泛的应用。Labview提供了仪器化的编程环境和良好的网络接口，使编程工作大大简便，并可方便的由单机版程序升级为网络程序。试验台测控系统软件主要包括以下几个功能模块：数据采集模块、信号分析和处理模块、转速测量和控制模块、电源控制模块，数据采集模块主要是对轴心位移、振动信号进行采集；信号分析模块负责对采集的振动信

23、号进行相关分析、频谱分析等；转速测控模块实现对直流电机实时转速的测控和转速的精确控制；电源控制控制各种电源设备的启闭。现场测控软件运行于试验服务器端，远程用户通过网络来控制本地测控系统的运行。图2-6 软件系统结构图第三章 转子实验台现场测控系统3.1.数据采集概述1）什么是数据采集 要想使用微机测控系统对生产过程和科学实验装置进行测量、处理、显示记录和控制，必须首先将被测变量的模拟信号转换成适合微机的数字信号，数字采集的技术正是为这项工作服务的。所谓数据采集是将经过前置放大、滤波后的被测模拟信号转换成数字信号，并从如到计算机进行处理。2）数据采集的任务数据采集的任务是把生产现场的工艺参数采集

24、后，以数字量的形式显示、存储、处理、传送、打印。完成这些任务的基本手段是模拟量的输入通道。数据采集系统主要包括以下部分：信号调理模块；模拟多路切换开关、采样保持（S/H）模块；模数转换模块；其它模块，如定时/计数器，数模转换等。3）数据采集结构常见的数据采集有单通道和多通道两种结构，对只需要采集一路模拟信号的测控系统选择单通道结构，但在实际的测控系统中，一般需要测试多个参数或者对同一个参数进行多点测量，因此多通道数据采集结构应用更加普遍。根据资源共享程度的不同、是否采用多路转换器(MUX)及MUX安放位置的不同多通道有如下几种方案：1）各路模拟信号由一个多路开关切换，通过共用的单个采样保持器送

25、到模数转换器进行数据采集，它的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D，简化了电路结构，降低了成本，但模拟多路开关分时切换，轮流选通，两路相邻信号在时间上依次被采集，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了时间偏斜误差。2） 在多路转换开关之前，给每路模拟信号通道各加一个S/H，使多路信号的采样在同一时刻进行，然后由各自的S/H保持着采样信号的信号幅值，等待多路开关分时切换，将各路信号输入公用的S/H和A/D。这种方案能满足同步采集的要求，结构又相对比较简单 。不足的地方是采样保持器长时间后都有泄漏，各路信号衰减的程度不同，因此这种结构不是严格的同步输入。3）采用多个单通道结构方案，不需要多路转换

26、器(MUX)，每一路都有一个S/H和A/D 对各个模拟信号分别转换，各通道模拟转换器的输出直接挂接在微处理的总线上，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。如果各路信号接受同一个触发信号，就可以做到真正得同步采集。此方案的缺点是要使用较多的模数转换器；由于本系统主要任务是进行加速度传感器振动测量、电涡流传感器位移测量、光电传感器转速测量、转子转速控制等，不对通道之间的相互关系（如互相关、互谱等）进行分析，所以第一种方案可以满足这个要求。3.2 模/数 转换 1模/数（A/D）转换的功能模/数（A/D）转换的功能是将连续时间和幅值的模拟信号转换为时间离散和幅值离散的计算机能够接受和处理的数字信号

27、，并保证转换过程中产生的信号失真在允许的范围之内。A/D接口是数据采集和处理系统中的核心，它的性能好坏直接影响着所采集的数据的准确性和数据分析的可靠性。随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，现在测控领域的数据采集产品广泛采用板卡级结构。这类产品在一块印刷电路板上包括了模拟多路开关（MUX）、采样保持电路（S/H）、模数、数模转换器（ADC、DAC）、定时计数器82538254等部件。应用时，直接插入微机的PCI或ISA扩展槽，安装方便，操作简单灵活。2在选用A/D板时，以下技术参数应着重考虑：分辨率、转换频率、精度、通道数等。1）分辨率用来表示A/D板对于输入模拟信号的分辨能力，也是A/D板输出

28、的数字编码能够反映多么微小的模拟信号变化，常用A/D板的分辨率用位数来表示。数据采集设备模数转换器的位数越多，可以检测到的信号变化量也就越小。如果A/D板的输入信号电压范围为5V，分辨率为12bit，则与5V-5V电压范围相对应的离散数据在04095之间，即离散数据最多只能分辨出原来连续数据中5-（-5）/(212-1)0.00252.5mV 大小的变化。从上式看出，对于同样的信号，A/D板的分辨率越高，则采样后离散数据的有效位数越多，A/D板对于输入的模拟信号的分辨能力就越强。对于该试验台测试，涡流传感器的分辨率为1，灵敏度为8，所以采用分辨率为12位的A/D板足以满足要求。2）转换频率，即采样率。是指单位时间内的采样点数，也就是采样时相邻两采样点最短时间间隔的倒数，单位为Hz。进行测试系统设计时应该根据测试信号的类型选择适当的采样率，采样率太低，采集的信号会有很