【文章內(nèi)容簡介】 西安交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 2 旋翼動態(tài)特性測試方法 本課題所設計的測試系統(tǒng)其主要分為實驗臺機械裝置部分以及數(shù)據(jù)信號采集記錄部分，本章著重介紹機械裝置部分所采用的傳感器以及數(shù)據(jù)采集部分所采用的硬件及軟件兩大部 分內(nèi)容。 測量采用的各傳感器 傳感器是目前測試領域廣泛應用的檢測裝置，它將檢測到的被測量信息，進行一定規(guī)律的變換，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛘咂渌枰问降男畔⑦M行輸出，以滿足對于信息的采集、處理、控制等方面的要求。 對于傳感器的正確選擇，有利于測試系統(tǒng)的正常運行以及數(shù)據(jù)的有效采集。 轉(zhuǎn)速測量 在轉(zhuǎn)速的測量方面，所采用的傳感器是接近傳感器。 接近傳感器是代替限位開關等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。它能夠?qū)z測對象的移動信息和存在信息進行轉(zhuǎn)換，使其成為電氣信號并進行輸出。 接近傳感器 的檢測原理是通過外部磁場的影響，一次來檢測在導體表面所產(chǎn)生的渦電流引起的磁性損耗。使檢測線圈內(nèi)產(chǎn)生交流磁場，并對金屬體所產(chǎn)生的渦電流引起的阻抗變化進行檢測。 此次對于轉(zhuǎn)速的測量所采用的接近傳感器的型號為 ZJBM1304NA，如圖 21所示： 圖 21 ZJBM1304NA 接近傳感器 2 旋翼動態(tài)特性測試方法 7 該傳感器主體部分是一個底面直徑為 12mm，高為 55mm 的小圓柱體，圓柱回轉(zhuǎn)面上刻有細牙螺紋，其上旋有兩對配套的螺母和墊片，使接近傳感器能夠以卡接的方式穩(wěn)定地固定在測量裝置的底盤上。 該接近傳感器能夠?qū)嚯x金屬進行感應并 輸出脈沖信號，感應距離范圍為03mm，響應頻率為 1kHz，電壓 1030VDC，電流 200mA。安裝時將其固定在旋翼底座上，并在旋翼的某一葉片下端固定一個金屬塊，調(diào)整好金屬塊與傳感器的垂直距離，這樣，旋翼每旋轉(zhuǎn)一周，傳感器就會輸出一個脈沖信號，通過統(tǒng)計在一定時間內(nèi)輸出的信號個數(shù)，就可以計算出旋翼的轉(zhuǎn)速，且測量精度也較高。 扭矩測量 針對扭矩的測量所采用的傳感器是扭矩傳感器。 扭矩傳感器又稱為扭力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等，它可以被分為動態(tài)和靜態(tài)兩大類。扭矩傳感器是對各種旋轉(zhuǎn)或者非旋轉(zhuǎn)機械部件上對扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢 測，它能夠?qū)⑴ちΦ奈锢碜兓D(zhuǎn)換成精確的電信號并進行輸出，并且具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長等優(yōu)點。 扭矩傳感器目前應用較為廣泛的檢測手段是應變電測技術，其原理是將專用的測扭矩應變片粘貼在被測的彈性軸上，并連接組成應變電橋，若向應變電橋提供工作電源即可測試該彈性軸所受扭矩的電信號。 此次對于轉(zhuǎn)速的測量所采用的扭矩傳感器的型號為 WAN5， 適用于靜態(tài)、非連續(xù)旋轉(zhuǎn)的扭矩力值測量 如圖 23 所示： 圖 22 WAN5 型扭矩傳感器 該扭矩傳感器的尺寸如圖 23 所示： 西安交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 圖 23 WAN5 型扭矩傳感器尺寸 圖 圖中所示各尺寸數(shù)據(jù)為， A=， H1=55mm， H2=30mm， Ф1=59mm，Ф2=32mm， Ф3=45mm， Ф=。 目前扭矩傳感器所普遍采用的緊固方式有銷緊固、法蘭緊固、平鍵緊固、花鍵緊固等。 WAN5 扭矩傳感器的緊固方式，上端為方形銷緊固，在旋翼所連接的法蘭盤底座下方挖取一個與方形銷尺寸過盈配合的方形槽，即可實現(xiàn)銷連接，方形的銷有效避免了扭轉(zhuǎn)測試時容易產(chǎn)生的相對滑移；傳感器下端為法蘭緊固，底部法蘭盤具有四個孔徑為 的環(huán)形陣列孔，下端放置一個尺寸匹配的法蘭盤底座，用螺栓對各 孔進行緊固，即可實現(xiàn)法蘭連接。該傳感器這種上端方形銷緊固，下端法蘭緊固的連接方式，能夠使其具有更好的穩(wěn)定性，同時在數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出方面也具有更高的精確度。 WAN5 扭矩傳感器的技術指標如表 21 所示： 表 21 WAN5 扭矩傳感器技術指標 量程范圍 (Nm) 0~5 綜合精度 (%FS) （線性 +滯后 +重復性） 靈敏度 (mV/) ~ 蠕變 (%FS/30min) 177。 零點輸出 (%FS) 177。1 零點溫度影響 (%FS/10℃ ) 177。 輸出溫度影響 (%FS/10℃ ) 177。 工作溫度 (℃ ) 20～ +65 輸入阻抗 (Ω) 750177。15Ω 輸出阻抗 (Ω) 700177。5Ω 絕緣電阻 (MΩ) ≥5000 安全過載 (%FS) 120 供橋電壓 建議 10VDC 材質(zhì) 合金鋼 、 不銹鋼 接線方式 電源 (+)紅線 電源 ()黑線 輸出 (+)綠線 輸出 ()白線 2 旋翼動態(tài)特性測試方法 9 升力測量 針對升力的測量所采用的傳感器是拉壓力傳感器。 拉壓力傳感器又稱作電阻應變式傳感器，它屬于稱重傳感器系列，是一種將物理信號轉(zhuǎn)換為可測量的電 信號并進行輸出的裝置。目前廣泛應用于工業(yè)稱重系統(tǒng)、平臺秤、電子稱、吊鉤秤、配料秤等測力場合。 拉壓力傳感器的測量原理是以彈性體作為中介，通過力作用在貼在傳感器內(nèi)的電阻應變片，使其阻值發(fā)生變化，再經(jīng)過相應的電路轉(zhuǎn)換為電信號進行輸出，從而實現(xiàn)對于拉壓力的測量。其優(yōu)點在于精度高、測量范圍廣、壽命長、結(jié)構簡單、頻響特性好。 選擇拉壓力傳感器的原因在于旋翼在旋轉(zhuǎn)工作過程中，當轉(zhuǎn)速較低時，其所產(chǎn)生的升力不足以提升下部的裝置重量，傳感器所承受的是壓力，升力等于傳感器上端承載物重力減去輸出壓力；當升力足夠大時，升力克服裝置 重力，傳感器所承受的是拉力，升力等于傳感器上端承載物重力加上輸出拉力。拉壓力傳感器既能夠測量壓力，也能夠測量拉力，使用起來非常方便。 拉壓力傳感器的類型較多，常見的主要有 S 型拉壓力傳感器、 Z 柱式拉壓力傳感器、 L 型高精度拉壓力傳感器、 U 型拉壓力傳感器等。 本課題所采用的傳感器為 S 型拉壓力傳感器，型號為 JLBSV， JLBSV 傳感器采用懸臂剪切結(jié)構，具有測量精度高、防塵好、安裝容易、使用方便等特點。廣泛用于各種電子汽車衡、單軌吊稱、料斗稱等。 如圖 24 所示： 圖 24 JLBSV 型拉力傳感器 該拉壓力傳 感器的尺寸如圖 25 所示： 西安交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 圖 25 JLBSV 型拉力傳感器尺寸圖 圖中所示各尺寸數(shù)據(jù)為， A=64mm， B=51mm， C=， M=8，其中 M 為標準螺孔，用以同裝置進行固接。 該傳感器所采用的緊固方式為螺紋緊固。對其上下兩端分別放置一個中心孔徑為 的圓盤，采用標準螺釘對傳感器和底盤進行緊固連接，另外兩個底盤設計環(huán)形法蘭孔陣列，同扭矩傳感器的底座以及整個裝置的底座進行螺栓緊固連接，就能夠很好地保證拉壓力傳感器緊固于測量裝置內(nèi)了，同時也保證了測量的精度和準確度。 NSWL1 型拉壓力傳感器的技術指標如表 22 所示： 表 22 SWL1 型拉壓力傳 感器 技術指標 技術參數(shù) 技術指標 量程 (kg) 1 綜合精度 (%FS) 靈敏度 (mV /V) 2 177。 蠕變 (％ FS/30min) 177。 非線性 (%FS) 177。 滯后誤差 (%FS) 177。 重復性誤差 (%FS) 177。 零點溫度系數(shù) (%FS/10℃ ) 177。 輸出溫度系數(shù) (%FS/10℃ ) 177。 輸入阻抗 (Ω) 700177。15 輸出阻抗 (Ω) 650177。15 絕緣電阻 (MΩ) ≥5000 工作溫度范圍 (℃ ) 20～ +70 允許過負荷 (%FS) 150 供橋電壓 建議 10VDC（標準信號 12V、 24V） 密封等級 IP67 材質(zhì) 合金鋼 (40CrNiMo) 傳感器接線說明 電源正：紅 電源負：綠 輸出正：黃 輸出負：白 2 旋翼動態(tài)特性測試方法 11 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的硬件和軟件選擇 硬件部分 —— 數(shù)據(jù)采集板卡 數(shù)據(jù)采集 (DAQ)，是指從傳感器和其他待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析及處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其 他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集板卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 (DAQ)功能的計算機擴展卡，可以通過 USB、 PBI、 PCI、 PCI Express、火線 (1394)、 PCMCIA、 ISA、 Compact Flash、48 23以太網(wǎng)，以及各種無線網(wǎng)絡等總線接入計算機。 數(shù)據(jù)采集模塊是基于遠程數(shù)據(jù)采集模塊平臺的通信模塊，它將通信芯片、存儲芯片等集成在一塊電路板上，使其具有發(fā)送通過遠程數(shù)據(jù)采集模塊平臺收發(fā)信息、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋? 數(shù)據(jù)采集模塊，絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量 、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認為是非電量（其實本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動來采集），其中模擬量采集卡和數(shù)字量采集卡用的是最廣泛的。目前市場上有一種二合一采集卡，二合一，指的是數(shù)字模擬采集卡， AV+DV 采集卡，數(shù)字、模擬二合一，數(shù)字輸入輸出，模擬接口輸入 (DV/AV/Svideo)。 數(shù)據(jù)采集模塊目前廣泛應用于移動數(shù)據(jù)傳輸領域，包括車輛導航監(jiān)控、智能抄表、遠程數(shù)據(jù)采集等領域，尤其是在帶寬要求比較高的多媒體傳輸領域，遠程數(shù)據(jù)模塊具有明顯的帶寬優(yōu)勢。 本課題所采用的數(shù)據(jù)采集模塊是 USB4711A 型便攜式數(shù)據(jù)采集 模塊。如圖26 所示： 圖 26 USB4711A 型便攜式數(shù)據(jù)采集模塊 該模塊是完全的即插即用型數(shù)據(jù)采集模塊，通過 USB 端口與計算機進行連接，無需打開計算機機箱來安裝板卡，僅需要插上模塊，便可以采集到數(shù)據(jù)，它通過 USB 端口獲得所需的電源，無需外部的電源連接。 USB4711A 便攜式數(shù)據(jù)采集模塊的技術指標如表 23 所示： 西安交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 表 23 USB4711A 便攜式數(shù)據(jù)采集模塊技術指標 模擬輸入 兩極輸入 (V) 177。10, 5, , , V 頻道數(shù) 16 ./8 Diff 分辨率 12 bits 采樣率 150 kS/s 單極輸入 (V) 模擬輸出 分辨率 12 bits 數(shù)字輸入 /輸出 數(shù)字輸入頻道數(shù) 8 數(shù)字輸出頻道數(shù) 8 定時器 /計數(shù)器 分辨率 32 bits 時間基準 1 kHz USB4711A 支持 USB ，具有便攜設計以及總線供電的特點，具有 16 路模擬輸入通道和 12 位的分辨率，其采樣速率高達 150kS/s，具有 8 路 DI、 8 路DO、 2 路 AO 和 1 路 32 位計數(shù)器，帶有接線端子，適合 DIN 導軌安裝，其附帶的鎖緊式 USB 電纜用于緊固式連接 。具有方便攜帶安裝、高分辨率、高采樣率等特點。 軟件部分 —— LabVIEW 程序開發(fā)軟件 本課題數(shù)據(jù)的采集分析所選取的軟件是 LabVIEW 程序開發(fā)軟件。 LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器公司 (NI)研制開發(fā)并推出的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和一起控制軟件。它類似于 C 和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G 代 寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW 是一種真正意義上的圖形化編程語言，它采用工程技術人員所熟悉的術語和圖形化符號代替常規(guī)的文本語言編程，具有界面友好、操作簡便、開發(fā)周期短等特點，廣泛應用于各個行業(yè)的仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等方面，在各大公司、科研機構日益普及，得到廣泛應用，其自身也因此得到了迅速發(fā)展，功能不斷補充，現(xiàn)已發(fā)展至 LabVIEW 2022 版本。 LabVIEW 的主要特點可概括如下： 圖形化的儀器編程環(huán)境，它使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，使用大多數(shù)工程 師多熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語言編寫程序，被譽為“工程師和科學家的語言”。 內(nèi)置的程序編譯器，使運行速度加快。 靈活的程序調(diào)試手段，可以在源代碼中設置斷點，單步運行，在數(shù)據(jù)流上2 旋翼動態(tài)特性測試方法 13 設置探針，加亮執(zhí)行。其中最具特色的是“加亮執(zhí)行”和“設置探針”，前者用于跟蹤程序運行過程中的數(shù)據(jù)流，后者用于在程序運行過程中在線顯示數(shù)據(jù)值。 LabVIEW 提供了從底層 VXI、 GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動程序，從基本的功能函數(shù)到高級分析庫，涵蓋了已啟動設計中幾乎所需要的函數(shù)。 支持多種系統(tǒng)平臺，平臺之間的 程序可以直接進行移植。 提供 CLF(Call Library Function)功能和 CIN(Code Interface Node)功能，可以直接調(diào)用其他軟件平臺編譯的模塊。 支持 TCP/IP、 DDE 等功能 此外， LabVIEW 帶有附加的軟件包，如磁盤管理、自動測試、控制欲仿真、信號處理、圖形獲得與處理、數(shù)值分析工具等。 使用 LabVIEW 對數(shù)據(jù)采集模塊的信息進行采集和