【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器可測(cè)量力（F） 靜態(tài)力：采用應(yīng)變式傳感器動(dòng)態(tài)力：采用壓電式傳感器加速度 應(yīng)變式傳感器，壓阻式傳感器，壓電式傳感器均可壓力應(yīng)變式傳感器（特點(diǎn)是體積中等，耐壓高）壓阻式傳感器（特點(diǎn)是體積小，分辨率高，適用中等壓力） 。壓電式傳感器（動(dòng)態(tài)性能好，耐高壓）電容式傳感器（體積大，分辨率高適用于中低等壓力）第二章 設(shè)計(jì)方案論證流量金屬轉(zhuǎn)子式（適用于垂直流體）蝸輪式（適用于水平流體）容積式溫度 主要分為接觸式和非接觸式。測(cè)量溫度的傳感器種類繁多，一般根據(jù)具體情況選擇合適的監(jiān)測(cè)設(shè)備 信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)析傳感器的后續(xù)調(diào)理電路是根據(jù)傳感器的工作原理而定的，不同的傳感器其調(diào)理電路由所不同。如表 235 所示。表 23 5 主要傳感器的后續(xù)調(diào)理電路 CPU 選擇測(cè)控系統(tǒng)的 CPU 可采用單片機(jī)，MCU （微處理器） ，PC 機(jī)等。一般單片機(jī)和微處理器常用于測(cè)控對(duì)象少，體積小，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示要求不高的場(chǎng)合，而采用 PC 機(jī)作為主機(jī)的測(cè)控場(chǎng)合則可以測(cè)控?cái)?shù)據(jù)量大，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算速度、后期處理、顯示要求很高。 總線方式在測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中往往需要考慮總線類型，從而選擇不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算機(jī)的總線類型，通?？偩€分為內(nèi)總線和外總線。如表 246 所示。表 24 6 總線方式類型及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)總線（集中采集） 傳感器?信號(hào)調(diào)理?I/V?數(shù)據(jù)采集卡?CPU外總線（分布采集） 傳感器? 信號(hào)調(diào)理 ?I/V?下位機(jī)?上位機(jī)傳感器類型 調(diào)理過(guò)程應(yīng)變式傳感器 直/交流電橋? 濾波 ?動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀壓阻式傳感器 電橋?濾波——A/D壓電式傳感器 電荷/電壓放大器 ——濾波——A/D光電式傳感器 放大，整形— —濾波——A/D電感式傳感器 交流電橋——放大 ——濾波——A/D熱電偶 放大電路—— 濾波——A/D鉑電阻 直流電橋——放大 ——濾波——A/D 采集方案的確定在本設(shè)計(jì)中，需要測(cè)量的參數(shù)類型有壓力、溫度、位移、加速度、轉(zhuǎn)速等，而且測(cè)量的通道數(shù)也比較多，根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，本設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)內(nèi)總線的采集方式，在數(shù)據(jù)采集中可以采用并行采集也可以采用串行采集的方式。見圖 224 所示?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本等因素，本課題選擇串行采集方案，這樣即節(jié)約了成本，并且，也保證了采集效果。2 0 0 0 K N 軸向力 壓阻式壓力傳感器直流電橋 放大 濾波A / D5 0 0 0 K N 軸向力壓阻式壓力傳感器直流電橋放大 濾波A / D溫度 ( 5 0 ~ 1 0 0 度 )鉑電阻 直流電橋 放大 濾波A / D位移 ( 0 ~ ~ 5 m m ) 電感式傳感器交流電橋 放大濾波A / D5 0 0 K N 軸向力壓阻式壓力傳感器直流電橋 放大 濾波A / D3 K Z 加速度( 0 ~ ~ 5 0 g )壓電式加速度傳感器 電荷放大 濾波A / D接口工控機(jī)轉(zhuǎn)速( 0 ~ ~ 1 0 0 轉(zhuǎn) / 分 )扭 矩 傳 感 器 交流電橋 放大 濾波A / D數(shù)據(jù)采集卡圖 23 并行采集方案原理圖壓阻式壓力傳感器直流電橋放大濾波5 0 0 0 K N 軸向力壓阻式壓力傳感器直流電橋 放大 濾波溫度 ( 5 0 度 ~ 1 0 0 度 ) 鉑電阻直流電橋放大濾波位移 ( 0 ~ ~ 5 m m ) 電感式傳感器交流電橋放大濾波5 0 0 K N 軸向力 壓阻式壓力傳感器直流電橋 放大 濾波3 K Z 加速度( 0 ~ ~ 5 0 g )壓電式加速度傳感器電荷放大濾波接口工控機(jī)轉(zhuǎn)速( 0 ~ ~ 1 0 0 轉(zhuǎn) / 分 )扭 矩 傳 感 器交流電橋 放大濾波A/D2 0 0 0 K N 軸向力數(shù)據(jù)采集卡圖 24 串行采集方案原理圖第二章 設(shè)計(jì)方案論證 軟件平臺(tái)的確定 虛擬儀器介紹傳統(tǒng)儀器大多由以下三大功能模塊組成：對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集與控制模塊、分析與處理模塊，以及測(cè)得結(jié)果的表達(dá)與輸出模塊。傳統(tǒng)儀器的這些功能都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在的。將這些功能移植到計(jì)算機(jī)上完成，在計(jì)算機(jī)上插上數(shù)據(jù)采集卡，然后利用軟 件 在 屏 幕 上 生 成 儀 器 面 板 ， 并 且 用 軟 件 來(lái) 進(jìn) 行 信 號(hào) 的 分 析 處 理 ， 這 就 構(gòu) 成 了 一臺(tái) 虛 擬 儀 器 。虛擬儀器是一種全新的儀器概念，它是利用計(jì)算機(jī)的硬件資源（CPU、存儲(chǔ)器、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)） 、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路（GPIB、RS232 接口總線、新型的 VXI 接口總線、信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路、圖像采集電路、現(xiàn)場(chǎng)總線等）以及計(jì)算機(jī)軟件資源（數(shù)據(jù)分析與表達(dá)、過(guò)程通信、圖像用戶界面等） ，經(jīng)過(guò)有針對(duì)性的開發(fā)測(cè)試，使之成為一套相當(dāng)于使用者自己專門設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)儀器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，虛擬儀器技術(shù)就是用戶自定義的基于 PC 技術(shù)的測(cè)試和測(cè)量解決方案。相對(duì)于傳統(tǒng)儀器，它有四大優(yōu)勢(shì)：性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、完美的集成功能。（1） ．性能高虛擬儀器是在 PC 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成的 PC 技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能卓越的處理器和文件 I/O，使用戶在數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脖P功能的不斷加強(qiáng)，以及與 PC總線的結(jié)合，高速數(shù)據(jù)記錄已經(jīng)較少依賴大容量的本地內(nèi)存。以一臺(tái) 60G 的示波器為例，在采用虛擬儀器技術(shù)的情況下，構(gòu)建這樣一臺(tái)示波器是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，只要將一臺(tái)基于 PC的數(shù)字轉(zhuǎn)換器放置在 PC 機(jī)中，就能以高達(dá)每秒 100MB 的速度將數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤。虛擬儀器技術(shù)的另一突出優(yōu)勢(shì)就是不斷提高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分享進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，將因特網(wǎng)和 NI（National Instrument，美國(guó)國(guó)家儀器公司）的軟硬件產(chǎn)品相結(jié)合，用戶就能夠輕松地與地球另一端的同事共享測(cè)量結(jié)果，分享“天涯若比鄰”的便捷。圖 24 虛擬儀器的性能有賴于計(jì)算機(jī)的性能圖 24 很好地說(shuō)明了虛擬儀器的性能，隨著計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、圖形處理器、I/O 單元以及 CPU 速度與性能的提高，虛擬儀器的性能會(huì)隨之提高，而這都有賴于虛擬儀器“軟件就是儀器”的概念，換言之，這種性能的提高有賴于軟件，而 LabVIEW 就是這種“虛擬儀器軟件”最好的開發(fā)平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境之一。（2） ．?dāng)U展性強(qiáng)虛擬儀器的軟、硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于虛擬儀器軟件的靈活性，只需更新用戶的計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)須軟件的升級(jí)即可改進(jìn)用戶的整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，用戶可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備中來(lái)，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。圖 25 詮釋了虛擬儀器技術(shù)擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)（如LabVIEW）開發(fā)出的虛擬儀器，可以將商業(yè)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制、工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)試與測(cè)量等領(lǐng)域，并快速將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，而這一轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵是用 LabVIEW 開發(fā)出來(lái)的軟件。圖 25 虛擬儀器具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性（3） ．開發(fā)時(shí)間少用戶定義的儀器傳感器和數(shù)據(jù)采集運(yùn)動(dòng)控制視覺工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試與測(cè)量商業(yè)技術(shù)第二章 設(shè)計(jì)方案論證在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，虛擬儀器技術(shù)高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通信方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI 設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、部署、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。（4） ．完美的集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，但是這些不同設(shè)備間的連接和集成總是耗費(fèi)大量時(shí)間，不是輕易可以完成的。NI 的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，例如數(shù)據(jù)采集、視覺、運(yùn)動(dòng)和分布式 I/O 等，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)中，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。為了獲得最高的性能、簡(jiǎn)單的開發(fā)過(guò)程和系統(tǒng)層面上的協(xié)調(diào)，這些不同的設(shè)備必須保持其獨(dú)立性，同時(shí)還要緊密地集成在一起。NI 的結(jié)構(gòu)可以使開發(fā)者們快速地創(chuàng)建測(cè)試系統(tǒng)，并隨著要求的改變輕松地完成對(duì)系統(tǒng)的修改。得益于這一集成式的構(gòu)架帶來(lái)的好處，用戶的系統(tǒng)可以更具競(jìng)爭(zhēng)性，因?yàn)橛脩艨梢愿咝У卦O(shè)計(jì)和測(cè)試高質(zhì)量的產(chǎn)品，并將它們更快速地投入市場(chǎng)。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器特點(diǎn)的對(duì)比如表 257 所示。表 25 7 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器特點(diǎn)的對(duì)比虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉、儀器間相互配合較差關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級(jí)方便，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序即可關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較高，且升級(jí)必須上門服務(wù)價(jià)格低廉，儀器間的資源可重復(fù)利用 價(jià)格昂貴，儀器間一般無(wú)法相互利用用戶可定義儀器功能 只有廠家能定義儀器功能可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接 功能單一，只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低 開發(fā)與維護(hù)開銷高技術(shù)更新周期短（1～2 年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5～10 年） LabVIEW 概述美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instrument，簡(jiǎn)稱 NI 公司）推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW 以其直觀、簡(jiǎn)便的編程方式，眾多的源碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，多種多樣的對(duì)分析和表達(dá)功能的支持，為用戶快捷地構(gòu)建自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件采用 軟件編寫監(jiān)測(cè)程序。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering） ，即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境，是一種圖形化的編程語(yǔ)言——Ｇ語(yǔ)言。和 Visual Basic、Visual C++、Delphi、 Perl 等基于文本型程序代碼的編程語(yǔ)言不同，LabVIEW 采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，因而，在使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是用圖標(biāo)、連線構(gòu)成的流程圖。它盡可能地利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。LabVIEW 是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形化開發(fā)環(huán)境，它結(jié)合了圖形化編程方式的高性能與靈活性以及專為測(cè)試、測(cè)量與自動(dòng)化控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的高端性能與配置功能，能為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示等各種應(yīng)用提供必要的開發(fā)工具，因此，LabVIEW通過(guò)降低應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間與項(xiàng)目籌建成本幫助科學(xué)家與工程師們提高工作效率。LabVIEW 被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)中，包括汽車、半導(dǎo)體、航空航天、交通運(yùn)輸、高校實(shí)驗(yàn)室、電信、生物醫(yī)藥與電子等。無(wú)論在哪個(gè)行業(yè)，工程師與科學(xué)家們都可以使用LabVIEW 創(chuàng)建功能強(qiáng)大的測(cè)試、測(cè)量與自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在產(chǎn)品開發(fā)中進(jìn)行快速原型創(chuàng)建與仿真工作。在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，工程師們也可以利用 LabVIEW 進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試，監(jiān)控各個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程?？傊?，LabVIEW 可用于各行各業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的階段?？梢灶A(yù)見，由于 LabVIEW 具有其他語(yǔ)言無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一朵奇葩，最終將引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)一場(chǎng)新的革命 [11]。 本章小結(jié)本章對(duì)課題要求做了簡(jiǎn)單闡述描述，同時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行了大致分析，一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)需要具備的元素在本章都有提及，并圍繞這些做了一定解析，給測(cè)第二章 設(shè)計(jì)方案論證試系統(tǒng)的構(gòu)思做了鋪墊，并提供了一定的技術(shù)支持和選型參考，方便了后續(xù)工作的展開和進(jìn)行，確定了采集的方案。最后，詳細(xì)說(shuō)明虛擬儀器相對(duì)于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)勢(shì)和今后的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了 LabVIEW 軟件的用途和優(yōu)越性，決定使用 LabVIEW 軟件作為對(duì)回轉(zhuǎn)支持實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的平臺(tái)。第三章 硬件設(shè)計(jì) 傳感器選型考慮到回轉(zhuǎn)支承實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)操作的可行性，使其監(jiān)測(cè)達(dá)到理想化，方便簡(jiǎn)易化。確定選擇以下對(duì)根據(jù)各待測(cè)參數(shù)所需傳感器的工作原理，安裝方式，外形體積，價(jià)格等因素進(jìn)行最優(yōu)化選擇,，并為每個(gè)待測(cè)參數(shù)提供三種傳感器的選擇方案。通過(guò)對(duì)比，以選擇其中最優(yōu)的方案。 溫度傳感器的選型實(shí)驗(yàn)臺(tái)待測(cè)溫度范圍（50~100 度） 。確定傳感器的類型: 鉑電阻溫度傳感器，選型方案見表 31：表 31 溫度傳感器的選型方 案 型 號(hào) 廠 家 規(guī) 格 參 數(shù)1 STTS 系列鉑電阻溫度傳感器北京賽億凌科技有限公司STTS 系列鉑電阻溫度傳感器適用于金屬設(shè)備表面和內(nèi)部溫度的測(cè)量，通過(guò)加長(zhǎng)螺紋，也可測(cè)量軸承和軸瓦的溫度，安裝簡(jiǎn)單方便。（參數(shù)請(qǐng)見附件）2 STTB 系列鉑電阻溫度傳感器北京賽億凌科技有限公司STTB 系列鉑電阻溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝，頭部為鋁質(zhì)防水接線盒，廣泛應(yīng)用于熱能工程，電力，食品，制藥，壓力容器、石油化工等流程工業(yè)以及烘爐，塑料化纖，制冷機(jī)組等大型機(jī)械設(shè)備的溫度。（參數(shù)請(qǐng)見附件）3 JWB2 熱電阻深圳市科普瑞傳感儀器有限公司測(cè)溫范圍：50℃～100℃允差：177。（+）電流輸出：4mA20mA電壓輸出：0V—10V考慮到經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)驗(yàn)要求，和規(guī)格尺寸等因素，另外，設(shè)備的環(huán)保指標(biāo)也是選型中必要的考慮方面，故選擇方案 1，