基于電渦流傳感器的虛擬式微位移測(cè)試儀設(shè)計(jì)

1、基于電渦流傳感器的虛擬式微位移測(cè)試儀設(shè)計(jì)摘 要目前，位移檢測(cè)系統(tǒng)大都使用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器。其功能大多都是由硬件或固化的軟件來實(shí)現(xiàn)，而且只能通過廠家定義、設(shè)置，其功能和規(guī)格一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能，因此已不能適應(yīng)現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。隨著控制理論及電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，為適應(yīng)科研和生產(chǎn)的需求，在檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的理論、新的技術(shù)和新的概念，虛擬儀器由此而生。本系統(tǒng)利用虛擬儀器技術(shù)在labview的平臺(tái)上開發(fā)了一套微小位移檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由電渦流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、pci-6221型數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)等組成，軟件采用labview進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)采集

2、、顯示、存儲(chǔ)及回放等功能。 關(guān)鍵詞：電渦流傳感器；位移檢測(cè)；labview；虛擬儀器the virtual test system design of micro-displacement based on eddy current sensorabstractat present, most of the displacement control system for detecting the use of traditional measuring instruments. most of its functions are curable by the hardware or soft

3、ware to achieve, but only through the definition of the manufacturers, set up, its functions and specifications are generally fixed, users can not arbitrarily change its structure and function, it can not meet the modern monitoring system requirements. with the control theory and electronics and the

4、 rapid development of computer technology, to meet the research and production needs in the field of detection of many new theories, new technologies and new concepts, virtual machines for us.this design uses virtual instruments on the platform of labview to develop a micro-displacement detection sy

5、stem. system hardware from the eddy current sensor, signal conditioning circuits, pci-6221 data acquisition card and computer and so on, software developed using labview. the system can achieve the displacement data acquisition, display, and storage and playback functions.keywords: eddy current sens

6、or; displacement detection; labview; virtual instrument目 錄摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 研究課題背景及目的11.2 本課題的任務(wù)2第二章 微位移檢測(cè)系統(tǒng)總體方案的確定32.1 位移檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)32.1.1 虛擬儀器概念32.1.2 虛擬儀器的組成32.1.3 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器42.1.4 虛擬儀器的應(yīng)用62.1.5 labview語言簡(jiǎn)介62.2 微位移檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)7第三章 微位移檢測(cè)系統(tǒng)的硬件配置83.1 傳感器83.2 信號(hào)調(diào)理模塊103.3 數(shù)據(jù)采集卡113.3.1 數(shù)據(jù)采集卡的選用113.3.

7、2 設(shè)計(jì)所選數(shù)據(jù)采集卡123.3.3 測(cè)試與自動(dòng)化資源管理器143.3.4 測(cè)試信號(hào)的連接方式143.3.5 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)置與測(cè)試15第四章 微位移檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)194.1 前面板的設(shè)計(jì)194.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)204.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊簡(jiǎn)介204.2.2 數(shù)據(jù)采集程序234.3 數(shù)據(jù)記錄與回放254.3.1 數(shù)據(jù)記錄與回放的文件格式254.3.2 labview中的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建284.3.2.1 microsoft access 2003數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)284.3.2.2 labview與數(shù)據(jù)庫的接口方法304.3.2.3 labview與數(shù)據(jù)庫連接334.3.3 數(shù)據(jù)保存與回放程序35

8、第五章 總結(jié)40參考文獻(xiàn)41附錄a基于電渦流傳感器的虛擬式微位移測(cè)試儀系統(tǒng)程序43致謝44第一章 引 言1.1 研究課題背景及目的傳統(tǒng)的位移測(cè)量和信號(hào)分析處理大多是利用電子儀器來實(shí)現(xiàn)的。眾所周知，儀器是生產(chǎn)的基礎(chǔ),要保證這些測(cè)試系統(tǒng)的質(zhì)量，就要同時(shí)購(gòu)置多套先進(jìn)而昂貴的儀器。一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要使用多種儀器，而且不同測(cè)試系統(tǒng)所用的儀器也不盡相同，這么多的儀器不僅價(jià)值昂貴、體積大、占用空間多，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相互連接十分麻煩、還缺乏友好的人機(jī)界面。傳統(tǒng)的參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)以硬件為核心，系統(tǒng)體積龐大，功能單一，成本高，調(diào)試周期長(zhǎng)，運(yùn)行可靠性受到制約，而且系統(tǒng)的更改、升級(jí)都涉及硬件電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，不符合現(xiàn)代

9、儀器技術(shù)的發(fā)展方向。如何利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)提高效率則成為該領(lǐng)域迫切需要解決的問題。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用,新的測(cè)試?yán)碚?、測(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用也發(fā)生了質(zhì)的變化，計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀念等都發(fā)生了突破性的變化。在上述背景下,出現(xiàn)了全新概念的儀器虛擬儀器。徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使測(cè)控儀器發(fā)生了巨大變革。開發(fā)了一種基于虛擬儀器技術(shù)的新型參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，主要程序采用了labview軟件開發(fā)平臺(tái)，主要硬件采用美國(guó)

10、國(guó)家儀器公司的數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)能快速、在線、方便、準(zhǔn)確地測(cè)試各種參數(shù)，做到“軟件即儀器”。本課題研究目的是將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸出等，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基于虛擬儀器思想的程控，對(duì)虛擬儀器技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供一個(gè)全新的開始。并且在通用化的硬件配置下，實(shí)驗(yàn)人員利用labview虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，通過調(diào)用控件及相關(guān)圖標(biāo)就可以構(gòu)建高性能的實(shí)驗(yàn)儀器，而并不需要使用者具備熟練掌握計(jì)算機(jī)編程語言和程序設(shè)計(jì)的知識(shí)背景，特別有利于高校實(shí)驗(yàn)教師和學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬示波器、虛擬信號(hào)發(fā)生器、虛擬頻譜儀、虛擬積分器和微分器等實(shí)驗(yàn)教

11、學(xué)用儀器。1.2 本課題的任務(wù)本設(shè)計(jì)是基于電渦流傳感器的虛擬式微位移測(cè)試系統(tǒng)，被檢測(cè)的參數(shù)是幾毫米的位移信號(hào)，很小的位移信號(hào)需要先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備才能精確地測(cè)量。因此本系統(tǒng)是利用虛擬儀器技術(shù)在labview的平臺(tái)上設(shè)計(jì)的位移自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。本課題的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： 熟悉位移傳感器的種類、結(jié)構(gòu)及工作原理，重點(diǎn)掌握電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)、原理和特性。設(shè)計(jì)基于電渦流傳感器的虛擬式微位移測(cè)試儀的軟、硬件。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)及回放等功能。第二章 微位移檢測(cè)系統(tǒng)總體方案的確定本系統(tǒng)主要是利用虛擬儀器設(shè)計(jì)微位移自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是20世紀(jì)90年代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術(shù)革命的產(chǎn)

12、物，它在測(cè)試測(cè)量與控制領(lǐng)域中占有重要地位 ，并正成為當(dāng)今世界流行的儀器構(gòu)成方案。2.1 位移檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)2.1.1 虛擬儀器概念伴隨著微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在電工電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測(cè)量?jī)x器不斷進(jìn)步，依次出現(xiàn)了數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器，同時(shí)也由單臺(tái)儀器逐漸發(fā)展到疊加式儀器系統(tǒng)、虛擬儀器系統(tǒng)等。1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司首先提出了虛擬儀器的概念。所謂虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化模塊結(jié)合起來，用戶可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立中英文界面的虛擬儀器軟面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和顯示，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的

13、功能和使用效率，大幅度降低儀器的價(jià)格，且用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器技術(shù)利用pc機(jī)高速數(shù)據(jù)采集和處理能力，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)、顯示等。虛擬儀器排除了干擾信號(hào)和模擬電路引起的誤差，大大提高了測(cè)試精度。虛擬儀器控制功能強(qiáng)，有自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)調(diào)節(jié)量程、自動(dòng)轉(zhuǎn)換極性和自動(dòng)校準(zhǔn)等功能。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，在計(jì)算機(jī)屏幕上建立起圖形的軟面板來代替常規(guī)的儀器控制面板。用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板來進(jìn)行操作，操作方便，易于掌握 。虛擬儀器的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來管理儀器、組織儀器系統(tǒng)，進(jìn)而逐步代替儀器完成某些功能，最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器

14、的目的。虛擬儀器實(shí)質(zhì)上是軟硬結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合的產(chǎn)物，是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器的關(guān)鍵。2.1.2 虛擬儀器的組成虛擬儀器包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素。硬件的主要功能是獲取真實(shí)世界中的被測(cè)信號(hào)，可分為兩類：一類是滿足一般科學(xué)研究與工程領(lǐng)域測(cè)試任務(wù)要求的虛擬儀器。最簡(jiǎn)單的是基于pc總線的插卡式儀器，也包括帶gpib接口和串行接口的儀器；另一類是用于高可靠性的關(guān)鍵任務(wù)，如航空、航天、國(guó)防等應(yīng)用的儀器系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一操作。軟件的功能定義了儀器的功能。因此，虛擬儀器最重要、最核心的技術(shù)是虛擬儀器軟件開

15、發(fā)環(huán)境。作為面向儀器的軟件環(huán)境應(yīng)具備以下特點(diǎn)：一是軟件環(huán)境是針對(duì)測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，因此，編程必須簡(jiǎn)單，易于理解和修改；二是具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)功能，容易實(shí)現(xiàn)模擬儀器面板；三是具有強(qiáng)大的數(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。2.1.3 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，在概念和功能上有重大突破。通常，傳統(tǒng)儀器在完成某個(gè)測(cè)試任務(wù)時(shí)，需要許多儀器，如示波器、電壓表、頻率分析儀、信號(hào)發(fā)生器等，對(duì)復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)還需要邏輯分析儀、ic測(cè)試儀等。這么多的儀器不僅價(jià)格昂貴、體積大、占用空間，而且相互連接起來費(fèi)事。而虛擬儀器將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件、dsp

16、技術(shù)結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享硬件資源，既有普通儀器的功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能。它把由廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，用戶可根據(jù)測(cè)試功能的需要，自己設(shè)計(jì)所需要的儀器系統(tǒng)，只要將具有一種或多種功能的通用模塊相結(jié)合，并且調(diào)用不同功能的軟件模塊，就能組成不同的儀器功能。將傳感器采集的電信號(hào)放大和整形后，經(jīng)a/d變換存入內(nèi)存，再由計(jì)算機(jī)軟件處理，并顯示輸出，就可以組成虛擬示波器、虛擬計(jì)數(shù)器、頻譜分析儀、虛擬多用表等。利用dsp及相應(yīng)的算法，將所生成的數(shù)據(jù)送入d/a轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理產(chǎn)生所需的信號(hào)，又可構(gòu)成虛擬儀器信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)測(cè)試要求改變時(shí)，只要增加或更改儀器軟硬件模塊，就可以

17、構(gòu)成新的儀器，而不必重新購(gòu)買整臺(tái)儀器。因此，虛擬儀器充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的作用，便于與計(jì)算機(jī)通信相結(jié)合來建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，組建復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表2.1所示。表2.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器傳統(tǒng)一起虛擬儀器功能有由儀器廠商定義功能由用戶自己定義圖形界面小、人工讀取數(shù)據(jù)、信息量小界面圖形化、計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)并分析處理數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分價(jià)格昂貴價(jià)格低廉、重用性高系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴(kuò)展性差擴(kuò)展性強(qiáng)、可構(gòu)成多種儀器技術(shù)更新慢技術(shù)更新快開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高節(jié)省開發(fā)費(fèi)用提供有限的連接性與網(wǎng)絡(luò)周邊連接方便由上表可以看出虛擬儀器相對(duì)于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)

18、際檢測(cè)系統(tǒng)中虛擬儀器也表現(xiàn)了它具有優(yōu)越性的一面。利用傳統(tǒng)儀器的位移檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖2.2所示。圖2.2 傳統(tǒng)儀器檢測(cè)原理圖利用虛擬儀器思想建立的測(cè)試系統(tǒng)提高了測(cè)量精度和測(cè)量速度、減少了開關(guān)和電纜，系統(tǒng)易于擴(kuò)充、易于修改，使得測(cè)試系統(tǒng)體積小、靈活方便、成本低、效率高，成為現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展的主流。圖2.3為利用虛擬儀器的位移檢測(cè)系統(tǒng)原理圖。圖2.3 虛擬儀器檢測(cè)原理圖虛擬儀器軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，檢驗(yàn)儀器的通信和操作。在系統(tǒng)集成后，用戶不用編寫測(cè)試程序，即可進(jìn)行測(cè)試、測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試的自動(dòng)化、智能化。2.1.4 虛擬儀器的應(yīng)用虛

19、擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活，因此應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。目前，國(guó)內(nèi)外有許多部門和公司都在積極地開展這些方面的研究和應(yīng)用工作。比如，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)都在嘗試將虛擬儀器應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中，清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出廠前的自動(dòng)檢測(cè)。虛擬儀器已在超大規(guī)模集成電路測(cè)試、模擬電路/數(shù)字電路測(cè)試、現(xiàn)代家用電器測(cè)試以及航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、工廠測(cè)試、電工技術(shù)領(lǐng)域等的可移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作中得到應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷拓寬。2.1.5 labview語言簡(jiǎn)介labview的開發(fā)環(huán)境分為三部分：前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接端口

20、。前面板就是圖形化的用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。在前面板中，輸入量被稱為控制，輸出量被稱為指示，它們通過各種圖標(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

21、。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言（g語言）的開發(fā)環(huán)境。它與c、basic等傳統(tǒng)語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)編程語言用文本語言編程；而labview使用圖形語言，以框圖的形式編寫程序。ni公司的l

22、abview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。2.2 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2.4所示。圖2.4 檢測(cè)系統(tǒng)原理圖首先，傳感器采集位移信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理電路板將信號(hào)處理，然后通過ni scc-68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)通過虛擬儀器做的界面可以對(duì)采集

23、回來的數(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。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： 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。 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)并將其通過信號(hào)調(diào)理電路模塊板處理后，通過數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)。 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

24、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)庫中加以存儲(chǔ)?；陔姕u流傳感器的虛擬式微位移測(cè)試儀硬件系統(tǒng)如圖3.1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3.1 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖連接3.1 傳感器傳感器是一種

25、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： 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)。 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

26、復(fù)現(xiàn)。 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

27、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探頭線圈阻抗的變化來測(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3.2所示。圖3.2 電渦流原理圖在利用電渦流傳感器測(cè)量位移時(shí)，

28、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(wèi) 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3.3所示。

29、圖3.3 測(cè)量位移的原理圖3.2 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3.4所示，就是本系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理模塊電路圖。圖3.4 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(wèi)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遢敵龆藇0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

30、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 0.2mm讀一個(gè)數(shù)據(jù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。畫出v-x 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=8.8*(x-3.75)，得出檢測(cè)的線性位移量程為2mm，輸出的電壓信號(hào)在0v5.5v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)來接受信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡就是將兩者連接起來的重要橋梁。3.3 數(shù)據(jù)采集卡3.3.1 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

31、，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。 (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

32、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

33、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、輸入增益的種類、是否有模擬輸出、輸入觸發(fā)的類型等。3.3.2 設(shè)計(jì)所選數(shù)據(jù)采集卡本設(shè)計(jì)選擇ni公司pci-6221型數(shù)

34、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2hz1mhz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

35、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)： 采樣率對(duì)于數(shù)據(jù)采集設(shè)備來講,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ni公司的pci-6221數(shù)據(jù)采集卡。它的采樣率為250ks/s，即每秒采樣250k。在實(shí)際測(cè)試的系統(tǒng)中，若有多個(gè)被測(cè)信號(hào)，則每個(gè)信號(hào)必須通過獨(dú)立的通道進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，但是大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡是多個(gè)通道共用一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器，這就是多路復(fù)用。在這種情況下，數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)給出的最高采樣率，應(yīng)該分配到各個(gè)通道

36、。pci-6221數(shù)據(jù)采集卡有16個(gè)通道，那么每個(gè)通道的最高采樣率為（最高采樣率/通道數(shù)）。本系統(tǒng)僅用到了一個(gè)通道，所以最高采樣率為250ks/s。 分辨率分辨率涉及到數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字位數(shù)來表示。如果把數(shù)據(jù)采集設(shè)備的分辨率看作尺子上的刻度，同樣長(zhǎng)度的尺子上刻線越多，測(cè)量就越精確；同樣的，數(shù)據(jù)采集設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)越多，把模擬信號(hào)劃分的就越細(xì)，可以檢測(cè)到的信號(hào)變化量也就越小。量程范圍是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以數(shù)字化的最大和最小模擬信號(hào)的電壓值。數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)給出的分辨率是滿量程時(shí)的參數(shù)。如果實(shí)際上被測(cè)信號(hào)電壓幅值達(dá)不到滿量程范圍，可以通過設(shè)置使設(shè)備的實(shí)際量程范圍與信號(hào)的電壓范圍相

37、匹配，這樣就充分利用了設(shè)備現(xiàn)有的分辨率。在daqmx信號(hào)采集系統(tǒng)中，設(shè)備量程范圍是通過設(shè)置信號(hào)極限實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際就是確定每一個(gè)通道被檢測(cè)信號(hào)的最大值和最小值。準(zhǔn)確的極限設(shè)置可以讓模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用更多的分段信號(hào)去表示信號(hào)。設(shè)置了信號(hào)極限就等于設(shè)置了設(shè)備的增益。但是設(shè)備的增益不是無限的，例如pci-6221數(shù)據(jù)采集卡的最大增益值為50。數(shù)據(jù)采集卡的其他主要指標(biāo)還有： 通道數(shù)：pci-6221有16個(gè)通道，可以根據(jù)被測(cè)試信號(hào)的數(shù)量選擇，如果有更多的信號(hào)需要測(cè)試，可以用多個(gè)數(shù)據(jù)采集卡或是使用多路復(fù)用板。 同步采樣：如果要分析多個(gè)被測(cè)信號(hào)的相位關(guān)系，則要求有多通道同步采樣的功能。 模擬輸出：需要產(chǎn)生模擬信號(hào)

38、時(shí)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)有模擬輸出功能。 數(shù)字輸入/輸出：需要對(duì)被測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行控制或采集數(shù)字信號(hào)時(shí)，要求數(shù)據(jù)采集設(shè)備有數(shù)字量輸入/輸出功能。 觸發(fā)：分模擬觸發(fā)和數(shù)字觸發(fā)，即在一定條件下采樣的功能。3.3.3 測(cè)試與自動(dòng)化資源管理器測(cè)試與自動(dòng)化資源管理器max是measurement&automation explorer的縮寫，是訪問計(jì)算機(jī)當(dāng)中ni的各種軟硬件資源的一個(gè)接口。max安裝后在計(jì)算機(jī)桌面上自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)max圖標(biāo)。打開max的簡(jiǎn)便方法是在桌面上雙擊measurement&automation explorer圖標(biāo)。在max樹型設(shè)置目錄中有兩個(gè)大項(xiàng)，本機(jī)系統(tǒng)my system和遠(yuǎn)程系統(tǒng)rom

39、ote system。在本機(jī)系統(tǒng)my system項(xiàng)下可以完成以下的任務(wù)： 創(chuàng)建新的通道、任務(wù)等； 查看連接到系統(tǒng)的設(shè)備和儀器； 對(duì)ni硬件進(jìn)行安裝與設(shè)置； 執(zhí)行硬件測(cè)試；在遠(yuǎn)程系統(tǒng)romote system項(xiàng)下可以完成以下任務(wù)： 查看連接到局域網(wǎng)上的系統(tǒng)和設(shè)備； 創(chuàng)建新的遠(yuǎn)程系統(tǒng)； 設(shè)置遠(yuǎn)程系統(tǒng)ip地址； 下載軟件到遠(yuǎn)程系統(tǒng)； 設(shè)置遠(yuǎn)程系統(tǒng)屬性；3.3.4 測(cè)試信號(hào)的連接方式對(duì)于大多數(shù)模擬輸入設(shè)備，可以有三種不同的信號(hào)連接方式：差分diff、參考單端rse和非參考單端nrse。 差分測(cè)試系統(tǒng)在差分測(cè)試系統(tǒng)中，信號(hào)的正負(fù)極分別接入兩個(gè)通道，所有輸入信號(hào)各自有自己的參考點(diǎn)。通常，差分測(cè)試系統(tǒng)是一

40、種比較理想的測(cè)試系統(tǒng)，因?yàn)樗粌H抑制接地回路感應(yīng)誤差，而且在一定程度上抑制拾取的環(huán)境噪聲。 單端測(cè)試系統(tǒng)盡管差分測(cè)試系統(tǒng)是一種比較理想的選擇，但是單端測(cè)試系統(tǒng)可以使用兩倍的測(cè)試通道。單端測(cè)試系統(tǒng)所有信號(hào)都參考一個(gè)公共參考點(diǎn)即儀器放大器的負(fù)極。單端測(cè)試系統(tǒng)分為參考單端測(cè)試系統(tǒng)和非參考單端測(cè)試系統(tǒng)。參考單端測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)試浮動(dòng)信號(hào)，它把信號(hào)參考點(diǎn)與儀器模擬輸入地連接起來。非參考單端測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)試接地信號(hào)。與參考單端測(cè)試系統(tǒng)不同的是因?yàn)樗休斎胄盘?hào)都已經(jīng)接地了，所以信號(hào)參考點(diǎn)不需要再接地，而是接到模擬輸入?yún)⒖键c(diǎn)。本系統(tǒng)選用的是參考單端測(cè)試系統(tǒng)。3.3.5 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)置與測(cè)試數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝后

41、應(yīng)該進(jìn)行測(cè)試和必要的設(shè)置。在對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試之前和運(yùn)行中發(fā)生異常時(shí)，需要首先對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，以排除硬件故障。在max中device and interfaces項(xiàng)下找到需要設(shè)置或測(cè)試的設(shè)備，在設(shè)備名上右擊，彈出圖3.5所示的快捷菜單，進(jìn)行設(shè)備設(shè)置與測(cè)試，其中有以下常用選項(xiàng)：圖3.5設(shè)備快捷菜單 reset device設(shè)備復(fù)位。重新取得設(shè)備訪問權(quán)限。 self-test設(shè)備自測(cè)試，彈出一個(gè)對(duì)話框，報(bào)告設(shè)備是否通過測(cè)試。程序中采集數(shù)據(jù)vi報(bào)告出錯(cuò)時(shí)應(yīng)首先考慮使用上一項(xiàng)和該項(xiàng)。 rename設(shè)備改名。 delete刪除設(shè)備。 properties屬性設(shè)置 。 device pinou

42、ts彈出端口說明文檔，選擇m系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，得到pci-6221的端口定義，i/o端口通過68芯電纜引出到ni scc-68接線端子板，所有輸入/輸出信號(hào)通過端子板連接,端子板上的標(biāo)號(hào)定義與圖3.6一致。圖3.6設(shè)備i/o定義 test panels打開圖3.7所示的測(cè)試面板。用導(dǎo)線將接線端子板上的22引腳與68引腳相連，在測(cè)試面板上選擇analog output選項(xiàng)卡，切換到圖3.7所示的模擬輸出頁。選擇通道名dev1/ao0，即pci-6221的設(shè)備名，使用模擬輸出0通道。按照?qǐng)D3.7所示其他測(cè)試項(xiàng)目。單擊start按鈕，數(shù)據(jù)采集卡0通道將會(huì)有正弦信號(hào)輸出。測(cè)試完后在測(cè)試面板上單擊s

43、top按鈕，停止測(cè)試。圖3.7 daqmx模擬輸出測(cè)試面板選擇analog input選項(xiàng)卡，切換到圖3.8所示的模擬輸入頁。按照?qǐng)D中所示設(shè)置各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。設(shè)置完成后單擊start按鈕。由于信號(hào)線已經(jīng)將數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入與模擬輸出相連，所以測(cè)試模擬輸出的正弦信號(hào)將會(huì)在模擬輸入頁顯示。測(cè)試完后在測(cè)試面板上單擊stop按鈕，停止測(cè)試。圖3.9 daqmx模擬輸入測(cè)試面板對(duì)于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)，測(cè)試完數(shù)據(jù)采集卡后，就將實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆藇0與ni scc-68接線端子（通道a0）相連接，模擬板上的接地端與ni scc接線端子的接地端口相連，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。此時(shí)數(shù)據(jù)采集卡中的a/d轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換

44、成數(shù)字信號(hào)，而數(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)通過虛擬儀器做的界面可以對(duì)采集回來的數(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。第四章 微位移檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，宗旨是“軟件即儀器”。 軟件將對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響。基于電渦流傳感器的虛擬式微位移測(cè)試儀系統(tǒng)程序見附錄a。這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)程序包括數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)保存、回放程序兩部分。4.1 前面板的設(shè)計(jì)labview程序分為前面板和程序框圖兩部分。程序框圖是程序的源代碼，可以實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能。前面板是用戶接口，用于向程序中輸入各種控制參數(shù)，并以數(shù)字或圖形等各種形

45、式輸出測(cè)試結(jié)果。圖4.1是微位移檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的前面板，檢測(cè)結(jié)果分別用波形圖、數(shù)值顯示。圖4.1微位移檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)前面板設(shè)計(jì)本系統(tǒng)可以讓操作人員在線觀察微位移的變化，并能以表格的形式回放數(shù)據(jù)。圖4.2是微位移檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)回放的前面板，通過輸入查看數(shù)據(jù)指令后，就可以看到采集回來的數(shù)據(jù)。圖4.2微位移檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)回放前面板設(shè)計(jì)4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)，即把傳感器采集回來的信息通過數(shù)據(jù)采集卡送入到計(jì)算機(jī)內(nèi)并進(jìn)行處理和顯示等。4.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊簡(jiǎn)介labview采用的是圖形化的編程方式。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序主要用到的模塊及模塊功能介紹如下： daqmx creat

46、 channel新建虛擬通道vi，如圖4.3所示。這是daqmx 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用非常普遍的一個(gè)vi，在“測(cè)量i/odaqmx date acquisition”函數(shù)子選板頂層。這是一個(gè)多態(tài)vi，它有許多子vi，每個(gè)子vi可以創(chuàng)建一種類型的虛擬通道，并將其加入到一個(gè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)中。 圖 4.3 daqmx creat channel這個(gè)vi的主要參數(shù)有：l task in指定創(chuàng)建的虛擬通道加入到哪一個(gè)任務(wù)中去。如果這個(gè)參數(shù)不連接，ni-daqmx就創(chuàng)建一個(gè)新任務(wù)，并將創(chuàng)建的虛擬通道加入其中。但是這樣在循環(huán)中ni-daqmx就會(huì)在每次循環(huán)時(shí)創(chuàng)建一個(gè)新任務(wù)，直到程序終止才清除這些任務(wù)，極大地消耗

47、系統(tǒng)資源。因此，在這種情況下，應(yīng)該在任務(wù)執(zhí)行完之后，用daqmx clear task清除任務(wù)。l physical channels物理通道。在“測(cè)量i/odaqmx date acquisitiondaqmx contants”函數(shù)子選板中的“daqmx物理通道”常數(shù)，列出系統(tǒng)中安裝的設(shè)備上所有的物理通道名，可以從其中選擇新建虛擬通道使用的物理通道。l maximum value和minimum value最大值和最小值，指定電壓測(cè)量范圍。它關(guān)系到數(shù)據(jù)采集設(shè)備的增益。每個(gè)模擬輸入或輸出通道可以有一對(duì)單獨(dú)的極限設(shè)置量，極限設(shè)置量必須在設(shè)備的輸入范圍內(nèi)。如果不給數(shù)據(jù)采集vi輸入極限設(shè)置參數(shù)，或

48、者為上下限參數(shù)輸入0，那么就使用設(shè)備默認(rèn)范圍。本系統(tǒng)設(shè)定的電壓范圍是0v5.5v。l input terminal configuration輸入端口設(shè)置，設(shè)置被測(cè)信號(hào)的連接方式。l units測(cè)量電壓值所用的單位。l task outvi執(zhí)行完后產(chǎn)生的任務(wù)名。 daqmx timing daqmx定時(shí)vi。其圖標(biāo)為圖4.4所示。這個(gè)vi在“測(cè)量i/odaqmx date acquisition”函數(shù)子選板頂層，也是一個(gè)多態(tài)vi，它可以設(shè)置采樣數(shù)、采樣率，并在必要時(shí)設(shè)置緩沖區(qū)。本程序選擇了sample clock子vi。它可以設(shè)置采樣數(shù)、采樣率，并在必要時(shí)設(shè)置緩沖區(qū)。圖4.4 daqmx ti

49、ming它的主要參數(shù)有：l rate設(shè)置每個(gè)通道采樣率。l task/channel in輸入任務(wù)名或虛擬通道名。如果輸入虛擬通道名，它自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。l source設(shè)置采樣時(shí)鐘信號(hào)源。如果這個(gè)參數(shù)不連就使用采集卡上的時(shí)鐘。l active edge在時(shí)鐘的上升沿還是下降沿進(jìn)行采樣。l sample mode采樣模式。設(shè)置連續(xù)采樣還是采集一定數(shù)量的數(shù)據(jù)。l sample per channel有限采樣時(shí)每通道采樣數(shù)量。l task outvi執(zhí)行完后產(chǎn)生的任務(wù)名。 daqmx start task啟動(dòng)daqmx任務(wù)vi，在“測(cè)量i/odaqmx date acquisition”函數(shù)子選板

50、頂層。圖標(biāo)為圖4.5所示。若不使用此子vi，當(dāng)daqmx read vi執(zhí)行時(shí)，數(shù)據(jù)采集任務(wù)自動(dòng)啟動(dòng)。圖4.5 daqmx start task此vi主要參數(shù)為：l task/channels in輸入任務(wù)名或虛擬通道名，如果輸入虛擬通道名，它自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。l task outvi執(zhí)行完成后產(chǎn)生的任務(wù)名。 daqmx readdaqmx讀數(shù)據(jù)vi在“測(cè)量i/odaqmx date acquisition”函數(shù)子選板頂層，如圖4.6所示。它由指定的任務(wù)或通道讀取采集的數(shù)據(jù)。這是一個(gè)多態(tài)vi，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的類型、讀取數(shù)據(jù)的數(shù)量和要求返回?cái)?shù)據(jù)的類型，有許多子vi可以選擇。圖4.6 daqmx r

51、ead主要參數(shù)有：l tasks/channels in輸入任務(wù)名或虛擬通道名如果輸入虛擬通道名，它自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。l number of samples per channel執(zhí)行一次從每個(gè)通道采回的數(shù)據(jù)量。如果是一個(gè)連續(xù)采集任務(wù)，而且這個(gè)參數(shù)沒有連接或連接“-1”，則讀回內(nèi)存緩沖區(qū)里所有數(shù)據(jù)。如果是一個(gè)有限采集任務(wù)，而且這個(gè)參數(shù)連接“-1”，則讀回任務(wù)中設(shè)定的采樣數(shù)。l task outvi執(zhí)行完后產(chǎn)生的任務(wù)名。l date數(shù)據(jù)。返回一維波形數(shù)組，數(shù)組每個(gè)成員對(duì)應(yīng)任務(wù)中的一個(gè)通道。數(shù)組成員的順序與添加到任務(wù)中的通道的順序?qū)?yīng)。返回的數(shù)據(jù)按照通道設(shè)置的單位與縮放進(jìn)行了處理。 daqmx c

52、lear task清除任務(wù)vi。這個(gè)vi在“測(cè)量i/odaqmx date acquisition”函數(shù)子選板頂層，它清除數(shù)據(jù)采集任務(wù)。圖標(biāo)如圖4.7所示。圖4.7 daqmx clear task4.2.2 數(shù)據(jù)采集程序在采集子vi中，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行測(cè)試選擇的設(shè)置，其內(nèi)容包括:采樣率的設(shè)置、輸入電壓范圍的設(shè)置、物理通道設(shè)置、信號(hào)連接方式等，如圖4.8所示。圖4.8 數(shù)據(jù)采集程序中的模塊功能設(shè)置 在本設(shè)計(jì)中，每采集一次，通道采集點(diǎn)數(shù)為1000點(diǎn)。設(shè)置信號(hào)連接方式為參考單端，采樣率大約等于 1khz即可，且為連續(xù)采樣。輸入電壓范圍暫定于ov5.5v。本系統(tǒng)僅僅檢測(cè)一個(gè)信號(hào)，所以選擇了一個(gè)采

53、集通道。微位移信號(hào)經(jīng)過傳感器、調(diào)理信號(hào)模塊、由數(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)，此時(shí)數(shù)據(jù)采集卡中的a/d轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。為了能在用戶界面上顯示出微位移信號(hào)，程序中必須添加腳本公式模塊，并添加用電壓表示位移的線性函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了在線微位移信號(hào)的采集與顯示。信號(hào)采集在檢測(cè)系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位。因?yàn)橹挥邪研盘?hào)真實(shí)地采集進(jìn)來，才有可能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)正確的顯示與控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、波形實(shí)時(shí)顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。以動(dòng)態(tài)曲線的形式、直觀的數(shù)字形式顯示檢測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，完成微位移信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集程序如圖4.9所示。圖4.9

54、 數(shù)據(jù)采集程序daqmx creat channel新建一組虛擬通道即為物理通道0，設(shè)置信號(hào)連接方式為參考單端。由daqmx timing設(shè)置采樣率為1000，且為連續(xù)采樣。當(dāng)啟動(dòng)daqmx任務(wù)vi運(yùn)行時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，daqmx read vi在while循環(huán)中采集數(shù)據(jù)并且可以在前面板的界面顯示出來，本系統(tǒng)可以顯示為數(shù)值，還可以用波形顯示。直到單擊“停止”按鈕退出程序，最后daqmx clear task清除數(shù)據(jù)采集任務(wù)。4.3 數(shù)據(jù)記錄與回放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是程序中最重要的模塊之一，它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，以便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)使用、顯示和打印，為人工處理提供方便。labv

55、iew支持多種數(shù)據(jù)格式的文件存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)等方式，用于數(shù)據(jù)記錄與回放。4.3.1 數(shù)據(jù)記錄與回放的文件格式labview保存數(shù)據(jù)一般有文本文件、二進(jìn)制文件、數(shù)據(jù)記錄文件、波形文件、測(cè)量文件、tdm文件和tdms文件等幾種格式。數(shù)據(jù)記錄的最終目的是能夠回放數(shù)據(jù)，重現(xiàn)時(shí)間的發(fā)生與發(fā)展過程，回放方式應(yīng)該靈活，便于在回放的數(shù)據(jù)中找到有用信息。圖4.10為數(shù)據(jù)記錄與回放的幾種文本格式。圖4.10 數(shù)據(jù)記錄與回放模塊1 文本文件文本文件是最容易使用和共享的文件格式，它可以用字處理軟件或電子表格程序來讀取或處理數(shù)據(jù)。但文本文件也有一些缺點(diǎn)：首先，除非數(shù)據(jù)原本就是文本格式，否則存儲(chǔ)為文本格式會(huì)增加占有的磁盤

56、空間。其次，是存取速度慢。存儲(chǔ)文本文件要使用字符串函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串。此外，對(duì)于文本文件，不能隨機(jī)訪問其中的某個(gè)數(shù)據(jù)。雖然文本文件中每個(gè)字符正好占一個(gè)字節(jié)，但是不同的數(shù)字占用字節(jié)數(shù)是不同的。這樣要找到文件中某個(gè)位置上的數(shù)據(jù)，就得把它前面的數(shù)據(jù)讀出來，并且轉(zhuǎn)換為數(shù)字，才能找到需要的數(shù)據(jù)。2 二進(jìn)制文件這種格式的文件是存取速度最快，格式最緊湊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。存取二進(jìn)制格式文件必須把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制字符格式，并且必須準(zhǔn)確掌握存取數(shù)據(jù)所用的數(shù)據(jù)類型。3 數(shù)據(jù)記錄文件這也是二進(jìn)制格式文件,它用來存儲(chǔ)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)最簡(jiǎn)單快捷,而且很容易隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)。但是只有l(wèi)abview可以讀取或處理這種格式的文件。

57、數(shù)據(jù)記錄文件類似于數(shù)據(jù)庫文件，因?yàn)樗杂涗浶蛄械男问酱娣艛?shù)據(jù)，一個(gè)記錄中可以存儲(chǔ)幾種不同類型的數(shù)據(jù)，但是各個(gè)記錄的數(shù)據(jù)類型必須一致。向數(shù)據(jù)記錄文件寫數(shù)據(jù)時(shí)，每一個(gè)記錄就是一個(gè)簇。使用數(shù)據(jù)記錄文件，不僅可以在圖形代碼中訪問數(shù)據(jù)記錄文件，還可以在前面板上訪問它。4 波形文件這種文件包含了波形數(shù)據(jù)特有的一些信息，例如，采樣起始時(shí)間、采樣間隔等。5 測(cè)量文件一種以制表位【tab】分隔的文本文件，以.lvm為擴(kuò)展名，由express vi存取，也可以用字處理軟件或電子表格程序打開，除了數(shù)據(jù)以外，還包括生成數(shù)據(jù)的日期、時(shí)間等信息。6 tdm文件和tdms文件技術(shù)數(shù)據(jù)管理是ni公司為不同平臺(tái)之間交換技術(shù)信息定義的一種數(shù)據(jù)模型，它通過附加信息是數(shù)據(jù)查詢和管理更加方便。tdm數(shù)據(jù)模型包括tdm和tdms兩種文件格式，tdms是一種高速tdm流文件。前面介紹了數(shù)