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正文內(nèi)容

基于電渦流傳感器的虛擬式微位移測(cè)試儀設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2025-08-20 15:53 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量被稱為指示,它們通過(guò)各種圖標(biāo)如按鈕、旋鈕、開關(guān)、圖表等出現(xiàn)在前面板上,模擬真實(shí)儀器??驁D程序由節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)連線組成,它利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上的控制對(duì)象即輸入量和輸出量進(jìn)行控制,節(jié)點(diǎn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能的調(diào)用,數(shù)據(jù)連線表示程序執(zhí)行過(guò)程的數(shù)據(jù)流,它定義了程序框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。圖標(biāo) /連接端口用于把 LabVIEW 程序定義為一個(gè)子程序,從而實(shí)現(xiàn)模塊化編程,圖標(biāo)是子程序在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn) 形式,連接端口則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入、輸出口。數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)可視化分析能力,提供豐富的儀器總線接口硬件驅(qū)動(dòng)程序。 LabVIEW 具有三個(gè)可移動(dòng)的圖形化工具模板:工具模板、控件模板和功能模板。工具模板提供了用于圖形操作的各種工具,比如定位、標(biāo)注、斷點(diǎn)、連線、文字注釋等;控件模板提供了前面板編輯所需的圖像圖標(biāo)、一些特殊的圖形;功能模板則提供了一些基本的數(shù)學(xué)函數(shù)和其他功能函數(shù)。這三個(gè)模板是 LabVIEW編程的主要工具。 LabVIEW 是一種基于圖形編程語(yǔ)言( G 語(yǔ)言)的開發(fā)環(huán)境。它與 C、 Basic等傳統(tǒng)語(yǔ)言有著諸 多相似之處,如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(畢業(yè) 論文 ) 工具,以及層次化、模塊化的編程特點(diǎn)等。但二者最大區(qū)別在于:傳統(tǒng)編程語(yǔ)言用文本語(yǔ)言編程;而 LabVIEW 使用圖形語(yǔ)言,以框圖的形式編寫程序。 NI 公司的 LabVIEW 是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件。它增強(qiáng)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來(lái)構(gòu)建儀器系統(tǒng)的能力。將 LabVIEW 與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設(shè)備加以組合,就可以設(shè)計(jì)出虛擬儀器,并將其應(yīng)用于許多領(lǐng)域。 微位移檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要是在虛擬儀器 的平臺(tái)上設(shè)計(jì) 微位移 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。其原理圖如 圖 所示 。 信號(hào)調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集板卡傳感器計(jì)算機(jī)顯 示保 存位移信號(hào) 圖 檢測(cè)系統(tǒng)原理圖 首先,傳感器采集 位移 信號(hào), 通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路板將信號(hào)處理, 然后通過(guò)NI SCC68 接線端子送到數(shù)據(jù)采集卡,數(shù)據(jù)采集卡利用 LabVIEW 軟件編寫的數(shù)據(jù)采集程序?qū)?shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)通過(guò)虛擬儀器做的界面可以對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步顯示,同時(shí)還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),以便查看歷史記錄。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(畢業(yè) 論文 ) 第三章 微位移檢測(cè)系統(tǒng)的硬件配置 本設(shè)計(jì)以一個(gè)基于電渦流傳感器虛擬式微位移測(cè)試儀的系統(tǒng)為例,來(lái) 解析LABVIEW 軟件的應(yīng)用。 與常規(guī)的電渦流傳感器微位移測(cè)試儀的系統(tǒng)不同,虛擬式系統(tǒng)的硬件部分是由三大部分組成: ① 計(jì)算機(jī):是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、控制決策中心。 ② 信號(hào)檢測(cè)部分: 電渦流傳感器 負(fù)責(zé)采集與被測(cè)對(duì)象 之間 的位移信號(hào)并 將其通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路模塊板處理后 ,通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡 送 入計(jì)算機(jī) 。 ③ 數(shù)據(jù)采集板部分:包括數(shù)據(jù)采集板及其配套設(shè)施,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換,傳送進(jìn)入計(jì)算機(jī),采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及打印。 虛擬儀器的軟件采用 LABVIEW 設(shè)計(jì) ,它采用數(shù)據(jù)流程的圖形化 C語(yǔ)言編程技術(shù),把復(fù)雜費(fèi)時(shí)的軟件編程簡(jiǎn)化為菜單提示和圖標(biāo)連接調(diào)用,虛擬儀器要完成的工作是 接收數(shù)據(jù) 、處理數(shù)據(jù)并 顯示數(shù)據(jù)。 虛擬儀器 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的任務(wù)就是 計(jì)算機(jī)通過(guò)與數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)通信,接收數(shù)字信號(hào),顯示出所測(cè) 微 位移的數(shù) 值, 并 將 結(jié)果輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中加以存儲(chǔ)。 基于 電渦流傳感器 的 虛擬 式微位移測(cè)試儀 硬件系統(tǒng)如圖 所示, 全能滿足在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)不同 微位移信號(hào)精確測(cè)量的 要求。該系統(tǒng) 利用一套硬件設(shè)備,使用不同的軟件就可以滿足各種 測(cè)量 的要求,并具有高精度、高效率和全自動(dòng)的特點(diǎn),是現(xiàn)代 測(cè)量 設(shè)備發(fā)展的方向。 圖 系統(tǒng) 硬件實(shí)物圖連接 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(畢業(yè) 論文 ) 傳感器 傳感器是一種測(cè)量裝置,它能感受或響應(yīng)規(guī)定 的被測(cè)量,并按照一定的規(guī)律將敏感元件轉(zhuǎn)換來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的 輸出 信號(hào),以滿足信息 的轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)、記錄、顯示和控制等要求。 傳感器的好壞直接影響采集數(shù)據(jù)的精確度,對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)有直接的影響。對(duì)傳感器有如下要求: ⑴ 準(zhǔn)確性。傳感器的輸出信號(hào)必須準(zhǔn)確反應(yīng)其輸入量,即被測(cè)量變化。因此,傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系,且最好是線性關(guān)系,即只要被測(cè)量的變化對(duì)傳感器有作用,非被測(cè)量則沒有作用,真正做到這一點(diǎn)是困難的。一般要求非被測(cè)量對(duì)傳 感器的影響很小,可以忽略不計(jì)。 ⑵ 穩(wěn)定性。即傳感器的輸入輸出的單值函數(shù)是不隨時(shí)間變化的,且受外界其他因素的干擾很小,工藝上還能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。 ⑶ 靈敏性。即要求較小的輸入量便可得到較大的輸出信號(hào)。 本設(shè)計(jì)只是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做的 微位移自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) , 選擇電渦流 傳感器 作為檢測(cè)元件 , 來(lái)完成信號(hào)的 傳 送 。 電渦流傳感器的最大特點(diǎn)是非接觸測(cè)量 , 這是 被 廣泛 應(yīng)用 的主要原因 , 其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響。 因此常被用于對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸向位移,脹差,軸振動(dòng),軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)??梢苑治龀鲈O(shè)備 的工作狀況和故障的早期預(yù)報(bào),有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)及進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理 , 塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí) , 導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流 , 此電流叫電渦流 , 以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。 電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移傳感器。前置器內(nèi)產(chǎn)生高頻的電流從振蕩器流入探頭線圈中,線圈就產(chǎn)生了一個(gè)高頻電磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體的表面靠近該線圈時(shí),由于高頻電磁場(chǎng)的作用,在金屬表面上就產(chǎn)生感應(yīng)電流,即電渦流。該電流產(chǎn) 生一個(gè)交變磁場(chǎng),方向與線圈磁場(chǎng)方向相反,這 兩 個(gè)磁場(chǎng)相互 疊 加就改變了原線圈的阻抗并使探頭的品質(zhì)因數(shù)降低,影響了線圈的阻抗。所以探頭與被測(cè)金屬表面距離的變化可通過(guò)探頭線圈阻抗的變化來(lái)測(cè)量。前置器根據(jù)探頭線圈阻抗的變化輸出一個(gè)與距離成正比的直流電壓。原理圖如下圖內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(畢業(yè) 論文 ) 。 i 1H1Hxi 1i線 圈金 屬 導(dǎo) 體 圖 電渦流原理圖 在利用電渦流傳感器測(cè)量位移時(shí) , 激勵(lì)線圈與被測(cè)金屬體之間的距離的變化引起互感 M 發(fā)生變化 , 其等效電感 L 變化。當(dāng)線圈與金屬體之間的距離比較遠(yuǎn)時(shí) , 電渦流對(duì)線圈電感 的影響可以忽略不計(jì) , 線圈中電感最大 , 諧振頻率最低 ,輸出最大。隨著距離的減小 , 渦流逐漸增強(qiáng) , 線圈的電感減小 , 從而使諧振頻率增高 , 于是輸出 電壓 幅值下降。當(dāng)距離減小為 0時(shí) , 根據(jù)渦流的 趨 膚效應(yīng) , 輸出應(yīng)該不為 0。然而 , 由于被測(cè)物體表面的不平度 , 常常有一零 輸出值。 電渦流傳感器的金屬導(dǎo)體可看作一個(gè)短路線圈 , 它與通電扁平線圈磁性相連 ,當(dāng)兩線圈間的距離變化時(shí) , 其間的互感量與電感量都要發(fā)生變化 , 由渦流變換器(放大器、檢波器、濾波器的組合 ) 轉(zhuǎn)換為電量輸出。 測(cè)量位移的原理圖如圖 所示 。 圖 測(cè)量位移的原理圖 信號(hào) 調(diào)理模塊 信號(hào)調(diào)理是聯(lián)系傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊的橋梁。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展 , 其輸出信號(hào)的可能性也不斷增加 , 測(cè)試系統(tǒng)在信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前所需做的工作也不斷增加,信號(hào)調(diào)理是一個(gè)不斷更新的環(huán)節(jié),所做的工作主要有 :信號(hào)放大(或衰減 )、濾波、線性化等。 如圖 ,就是本系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理模塊電路圖 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(畢業(yè) 論文 ) 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 4 J u n 2 0 0 9 S h e e t o f F i l e : H : \ 高蘭蘭論文 \ 高蘭蘭 . d db D r a w n B y :R1R2R3R4T1P N P 1L2L1R5C1L電渦流傳感器C2C3C5D1C4L3R6C6R7T2N P N 1R9R8D2+ 1 5 VVOG N DG N D 圖 信號(hào)調(diào)理模塊電路圖 將電渦流傳感器輸出線接入實(shí)驗(yàn)?zāi)0迳蠘?biāo)有 L 的兩端插孔中,作為振蕩器的一個(gè)元件(傳感器屏蔽層接地)。在測(cè)微頭端部裝上金屬圓片,作為電渦流傳感器的被測(cè)體。 將實(shí)驗(yàn)?zāi)0遢敵龆?V0與數(shù)顯單元輸入端 Vi 相接 , 數(shù)顯電壓表量程置 20V 檔 。 用連接導(dǎo)線接入+ 15V 直流電源到模板上標(biāo)有+ 15V 的插孔中。 由于條件所限,本系統(tǒng)只能接入 +12V 的電源。開啟電源開關(guān),移動(dòng)檢測(cè)微頭與傳感器線圈端部接觸,然后記下讀數(shù),旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭每隔 讀一個(gè)數(shù)據(jù),直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。畫?VX 曲線,根據(jù)曲線找出線性區(qū)域,計(jì)算出電壓與位移的函數(shù)關(guān)系式: V=*(), 得出檢測(cè)的線性位移量程為 2mm,輸出的電壓信號(hào)在 0V~ 的范圍內(nèi)。 為了能更 迅速、 精確 地 將檢測(cè)的 微位移信號(hào) 送出顯示 ,本設(shè)計(jì)采取計(jì)算機(jī) 來(lái)接受信號(hào) , 數(shù)據(jù)采集卡就是將兩者連接起來(lái)的重要橋梁。 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集卡的選用 選擇一款合適的數(shù)據(jù)采集卡,首先要了解數(shù)據(jù)采集卡的核心部件 — A/D 變換器,此外還應(yīng)該了解板卡上一些有關(guān)部件和一些選用的指標(biāo)。 (1)數(shù)據(jù)分辨率和精度 精度和分辨率有所不同 , 精度除了涉及 A/D 轉(zhuǎn)換精度外還考慮測(cè)試系統(tǒng)各部分誤差。采集板卡的分辨率必須大于所要求的測(cè)試精度。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(畢業(yè) 論文 ) (2)最高采樣速度 數(shù)據(jù)采集卡的最高采樣速度一般用最高采樣頻率 (Hz)來(lái)表示,它表示其單通道采樣能使用的最高采樣頻率,這也就限制了該 數(shù)據(jù)采集卡能夠處理信號(hào)的最高頻率 (最高采樣頻率 /2 )。如果要進(jìn)行多通道采樣,則能夠達(dá)到的采樣頻率是原最高采樣頻率除以通道數(shù)。 (3)通道數(shù) 通道數(shù)指能夠同時(shí)采樣的通 道數(shù), 根據(jù)測(cè)試任務(wù)選擇。任務(wù)的通道可自行設(shè)定,采集任務(wù)可以在 DAQmx 中進(jìn)行建立。 (4)數(shù)據(jù)總線接口類型 不同的總線接口類型的數(shù)據(jù)采集板卡的接口硬件形式不一樣,數(shù)據(jù)傳遞的規(guī)則和數(shù)據(jù)傳遞的速度也不一樣, PCI 總線是臺(tái)式計(jì)算機(jī)中目前最通用的總線 , 而筆記本電腦中常用 PXMCIA 總線 , PXI 和 VXI 總線是比較新興的高速 傳輸總線。 (5)是否有隔離 好的數(shù)據(jù)采集板卡每個(gè)通道的輸入和輸出 端 之間帶有隔離放大器。對(duì)于工作在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),選擇具有隔離配置的數(shù)據(jù)采集板卡才能保證數(shù)據(jù)采集的可靠性。 (6)板卡本身是否帶有微處理器 自身帶有微處理器 (CPU)的數(shù)據(jù)采集卡可以當(dāng)作主機(jī)的下位機(jī)使用,自行控制采樣的進(jìn)行。 (7)是否有標(biāo)定功能 數(shù)據(jù)采集卡使用一段時(shí)間后,器件值會(huì)有變化,基準(zhǔn)電壓也可能會(huì)改變,零點(diǎn)會(huì)漂移。對(duì)于高精度的數(shù)據(jù)采集,需要每隔一段時(shí)間進(jìn)行精度標(biāo)定,好的數(shù)據(jù)采集 卡具有自我標(biāo)定功能,但價(jià)格高很多。 (8)支持的軟件驅(qū)動(dòng)程序及軟件平臺(tái) 和數(shù)據(jù)采集卡的硬件接口類似,買來(lái)的數(shù)據(jù)采集板卡能在什么軟件環(huán)境中使用,使用起來(lái)是否還需要自己編制驅(qū)動(dòng)程序,這也是選擇一款數(shù)據(jù)采集卡很重要的因素。選擇數(shù)據(jù)采集卡的軟件除了和現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)兼容以外,還應(yīng)考慮其更廣泛的兼容性和靈活性,以備在其他測(cè)試任務(wù)和系統(tǒng)中也能使用。 另外,數(shù)據(jù)采集卡的選擇還有一些常用的指標(biāo),如輸入電壓的最大范圍、輸內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(畢業(yè) 論文 ) 入增益的種類、是否有模擬輸出、輸入觸發(fā)的類型等。 設(shè)計(jì)所選 數(shù)據(jù)采集卡 本設(shè)計(jì) 選擇 NI 公 司 PCI6221 型數(shù)據(jù)采集卡。 此卡性能適合本設(shè)計(jì) 的采集任務(wù)。它屬于 NI公司 M 系列 16位數(shù)采卡產(chǎn)品,具有 16 個(gè)模擬輸入通道, 2個(gè)模擬輸出通道, 10 個(gè)數(shù)字 輸出 通道,具有從 2Hz~ 1MHz 范圍的數(shù)字 I/O 功能,最大工作速率達(dá)到 250Ks/s,輸入輸出電壓范圍 10V~ +10V,此外 還 有 37 針數(shù)據(jù) 接入端子, 32 位的計(jì)數(shù)器和數(shù)字觸發(fā) 。 數(shù)據(jù)采集板也稱 DAQ( Date Acquisition) ,由數(shù)據(jù)采集器、存儲(chǔ)單元和控制邏輯等部分組成。其中,數(shù)據(jù)采集器包括多路開關(guān) MUX、測(cè)量放大器 AMP、數(shù)據(jù)保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器等 ,它負(fù)責(zé)將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)采樣量化為數(shù)字信號(hào),以便送入計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步分析處理;存儲(chǔ)單元包括存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)緩沖器; I/O 及控制邏輯用于 I/O 編碼、定時(shí)計(jì)數(shù)、通信及產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸方式控制信號(hào)等。 數(shù)據(jù)采集卡有兩個(gè)主要指標(biāo): ⑴ 采樣率 對(duì)于數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)講 ,采樣率就是進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換的速率,不同的設(shè)備具有不同的采樣率,進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)測(cè)試信號(hào)的類型選擇適當(dāng)?shù)牟蓸勇?,盲目提高采樣率,?huì)增加測(cè)試系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)采用的是
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