基于电涡流传感器的虚拟式微位移测试仪设计(编辑修改稿)

基于电涡流传感器的虚拟式微位移测试仪设计(编辑修改稿)内容摘要：

量被称为指示，它们通过各种图标如按钮、旋钮、开关、图表等出现在前面板上，模拟真实仪器。 框图程序由节点和数据连线组成，它利用图形语言对前面板上的控制对象即输入量和输出量进行控制，节点用来实现函数和功能的调用，数据连线表示程序执行过程的数据流，它定义了程序框图内的数据流动方向。 图标 /连接端口用于把 LabVIEW 程序定义为一个子程序，从而实现模块化编程，图标是子程序在其他程序框图中被调用的节点表现 形式，连接端口则表示节点数据的输入、输出口。 数据分析能力和数据可视化分析能力，提供丰富的仪器总线接口硬件驱动程序。 LabVIEW 具有三个可移动的图形化工具模板：工具模板、控件模板和功能模板。 工具模板提供了用于图形操作的各种工具，比如定位、标注、断点、连线、文字注释等；控件模板提供了前面板编辑所需的图像图标、一些特殊的图形；功能模板则提供了一些基本的数学函数和其他功能函数。 这三个模板是 LabVIEW编程的主要工具。 LabVIEW 是一种基于图形编程语言（ G 语言）的开发环境。 它与 C、 Basic等传统语言有着诸 多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 工具，以及层次化、模块化的编程特点等。 但二者最大区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而 LabVIEW 使用图形语言，以框图的形式编写程序。 NI 公司的 LabVIEW 是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。 它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建仪器系统的能力。 将 LabVIEW 与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域。 微位移检测系统总体方案设计 本系统主要是在虚拟仪器 的平台上设计 微位移 自动检测系统。 其原理图如 图 所示。 信号调理电路数据采集板卡传感器计算机显 示保 存位移信号 图 检测系统原理图 首先，传感器采集 位移 信号， 通过信号调理电路板将信号处理， 然后通过NI SCC68 接线端子送到数据采集卡，数据采集卡利用 LabVIEW 软件编写的数据采集程序将数据送入计算机，计算机通过虚拟仪器做的界面可以对采集回来的数据进行同步显示，同时还可以对数据进行存储，以便查看历史记录。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 微位移检测系统的硬件配置 本设计以一个基于电涡流传感器虚拟式微位移测试仪的系统为例，来 解析LABVIEW 软件的应用。 与常规的电涡流传感器微位移测试仪的系统不同，虚拟式系统的硬件部分是由三大部分组成： ① 计算机：是整个检测系统的数据采集、数据管理、控制决策中心。 ② 信号检测部分： 电涡流传感器 负责采集与被测对象 之间 的位移信号并 将其通过信号调理电路模块板处理后 ，通过数据采集卡 送 入计算机。 ③ 数据采集板部分：包括数据采集板及其配套设施，将采集到的数据进行A/D 转换，传送进入计算机，采集到的实时数据可以在计算机上进行显示、存储及打印。 虚拟仪器的软件采用 LABVIEW 设计 ，它采用数据流程的图形化 C语言编程技术，把复杂费时的软件编程简化为菜单提示和图标连接调用，虚拟仪器要完成的工作是 接收数据 、处理数据并 显示数据。 虚拟仪器 在本设计系统中的任务就是 计算机通过与数据采集卡的数据通信，接收数字信号，显示出所测 微 位移的数 值， 并 将 结果输入数据库中加以存储。 基于 电涡流传感器 的 虚拟 式微位移测试仪 硬件系统如图 所示， 全能满足在实验室中对不同 微位移信号精确测量的 要求。 该系统 利用一套硬件设备，使用不同的软件就可以满足各种 测量 的要求，并具有高精度、高效率和全自动的特点，是现代 测量 设备发展的方向。 图 系统 硬件实物图连接 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 传感器 传感器是一种测量装置，它能感受或响应规定 的被测量，并按照一定的规律将敏感元件转换来的模拟信号转换成可用的 输出 信号，以满足信息 的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。 传感器的好坏直接影响采集数据的精确度，对检测系统有直接的影响。 对传感器有如下要求： ⑴ 准确性。 传感器的输出信号必须准确反应其输入量，即被测量变化。 因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，且最好是线性关系，即只要被测量的变化对传感器有作用，非被测量则没有作用，真正做到这一点是困难的。 一般要求非被测量对传 感器的影响很小，可以忽略不计。 ⑵ 稳定性。 即传感器的输入输出的单值函数是不随时间变化的，且受外界其他因素的干扰很小，工艺上还能准确地复现。 ⑶ 灵敏性。 即要求较小的输入量便可得到较大的输出信号。 本设计只是在实验室内做的 微位移自动检测系统 ， 选择电涡流 传感器 作为检测元件 ， 来完成信号的 传 送。 电涡流传感器的最大特点是非接触测量 ， 这是 被 广泛 应用 的主要原因 ， 其优点是灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响。 因此常被用于对大型旋转机械的轴向位移，胀差，轴振动，轴转速等参数进行长期实时监测。 可以分析出设备 的工作状况和故障的早期预报，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。 根据法拉第电磁感应原理 ， 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时 ， 导体内将产生呈涡旋状的感应电流 ， 此电流叫电涡流 ， 以上现象称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 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 两 个磁场相互 叠 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。 原理图如下图内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ）。 i 1H1Hxi 1i线 圈金 属 导 体 图 电涡流原理图 在利用电涡流传感器测量位移时 ， 激励线圈与被测金属体之间的距离的变化引起互感 M 发生变化 ， 其等效电感 L 变化。 当线圈与金属体之间的距离比较远时 ， 电涡流对线圈电感 的影响可以忽略不计 ， 线圈中电感最大 ， 谐振频率最低 ，输出最大。 随着距离的减小 ， 涡流逐渐增强 ， 线圈的电感减小 ， 从而使谐振频率增高 ， 于是输出 电压 幅值下降。 当距离减小为 0时 ， 根据涡流的 趋 肤效应 ， 输出应该不为 0。 然而 ， 由于被测物体表面的不平度 ， 常常有一零 输出值。 电涡流传感器的金属导体可看作一个短路线圈 ， 它与通电扁平线圈磁性相连 ,当两线圈间的距离变化时 ， 其间的互感量与电感量都要发生变化 ， 由涡流变换器(放大器、检波器、滤波器的组合 ) 转换为电量输出。 测量位移的原理图如图 所示。 图 测量位移的原理图 信号 调理模块 信号调理是联系传感器和数据采集模块的桥梁。 随着传感器技术的发展 ， 其输出信号的可能性也不断增加 ， 测试系统在信号进入数据采集卡之前所需做的工作也不断增加，信号调理是一个不断更新的环节，所做的工作主要有 :信号放大(或衰减 )、滤波、线性化等。 如图 ，就是本系统的信号调理模块电路图。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 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 : \ 高兰兰论文 \ 高兰兰 . d db D r a w n B y :R1R2R3R4T1P N P 1L2L1R5C1L电涡流传感器C2C3C5D1C4L3R6C6R7T2N P N 1R9R8D2+ 1 5 VVOG N DG N D 图 信号调理模块电路图 将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有 L 的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。 在测微头端部装上金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。 将实验模板输出端 V0与数显单元输入端 Vi 相接 ， 数显电压表量程置 20V 档。 用连接导线接入＋ 15V 直流电源到模板上标有＋ 15V 的插孔中。 由于条件所限，本系统只能接入 +12V 的电源。 开启电源开关，移动检测微头与传感器线圈端部接触，然后记下读数，旋转测微头每隔 读一个数据，直到输出几乎不变为止。 画出 VX 曲线，根据曲线找出线性区域，计算出电压与位移的函数关系式： V=*()， 得出检测的线性位移量程为 2mm，输出的电压信号在 0V～ 的范围内。 为了能更 迅速、 精确 地 将检测的 微位移信号 送出显示 ，本设计采取计算机 来接受信号 ， 数据采集卡就是将两者连接起来的重要桥梁。 数据采集卡 数据采集卡的选用 选择一款合适的数据采集卡，首先要了解数据采集卡的核心部件 — A/D 变换器，此外还应该了解板卡上一些有关部件和一些选用的指标。 (1)数据分辨率和精度 精度和分辨率有所不同 ， 精度除了涉及 A/D 转换精度外还考虑测试系统各部分误差。 采集板卡的分辨率必须大于所要求的测试精度。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） (2)最高采样速度 数据采集卡的最高采样速度一般用最高采样频率 (Hz)来表示，它表示其单通道采样能使用的最高采样频率，这也就限制了该 数据采集卡能够处理信号的最高频率 (最高采样频率 /2 )。 如果要进行多通道采样，则能够达到的采样频率是原最高采样频率除以通道数。 (3)通道数 通道数指能够同时采样的通 道数， 根据测试任务选择。 任务的通道可自行设定，采集任务可以在 DAQmx 中进行建立。 (4)数据总线接口类型 不同的总线接口类型的数据采集板卡的接口硬件形式不一样，数据传递的规则和数据传递的速度也不一样， PCI 总线是台式计算机中目前最通用的总线 ， 而笔记本电脑中常用 PXMCIA 总线 ， PXI 和 VXI 总线是比较新兴的高速 传输总线。 (5)是否有隔离 好的数据采集板卡每个通道的输入和输出 端 之间带有隔离放大器。 对于工作在强电磁场干扰环境中的数据采集系统，选择具有隔离配置的数据采集板卡才能保证数据采集的可靠性。 (6)板卡本身是否带有微处理器 自身带有微处理器 (CPU)的数据采集卡可以当作主机的下位机使用，自行控制采样的进行。 (7)是否有标定功能 数据采集卡使用一段时间后，器件值会有变化，基准电压也可能会改变，零点会漂移。 对于高精度的数据采集，需要每隔一段时间进行精度标定，好的数据采集 卡具有自我标定功能，但价格高很多。 (8)支持的软件驱动程序及软件平台 和数据采集卡的硬件接口类似，买来的数据采集板卡能在什么软件环境中使用，使用起来是否还需要自己编制驱动程序，这也是选择一款数据采集卡很重要的因素。 选择数据采集卡的软件除了和现有的测试系统兼容以外，还应考虑其更广泛的兼容性和灵活性，以备在其他测试任务和系统中也能使用。 另外，数据采集卡的选择还有一些常用的指标，如输入电压的最大范围、输内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 入增益的种类、是否有模拟输出、输入触发的类型等。 设计所选 数据采集卡 本设计 选择 NI 公 司 PCI6221 型数据采集卡。 此卡性能适合本设计 的采集任务。 它属于 NI公司 M 系列 16位数采卡产品，具有 16 个模拟输入通道， 2个模拟输出通道， 10 个数字 输出 通道，具有从 2Hz～ 1MHz 范围的数字 I/O 功能，最大工作速率达到 250Ks/s，输入输出电压范围 10V～ +10V,此外 还 有 37 针数据 接入端子， 32 位的计数器和数字触发。 数据采集板也称 DAQ（ Date Acquisition） ,由数据采集器、存储单元和控制逻辑等部分组成。 其中，数据采集器包括多路开关 MUX、测量放大器 AMP、数据保持器和 A/D 转换器等 ，它负责将多个现场模拟信号采样量化为数字信号，以便送入计算机作进一步分析处理；存储单元包括存储器和数据缓冲器； I/O 及控制逻辑用于 I/O 编码、定时计数、通信及产生数据传输方式控制信号等。 数据采集卡有两个主要指标： ⑴ 采样率 对于数据采集设备来讲 ,采样率就是进行 A/D 转换的速率，不同的设备具有不同的采样率，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，盲目提高采样率，会增加测试系统的成本。 本系统采用的是。