多通道位移測量儀

1、班級：測控1131 姓名：湯瑩瑩 學號：21 課題：多通道位移測量儀傳感器技術課程設計課題：多通道位移測量儀班 級 測控1131 學生姓名 湯瑩瑩 學號 1131203121 指導教師 張青春 淮陰工學院自動化學院多通道位移測量儀1.系統(tǒng)方案設計1.1 概述借助于虛擬儀器技術, 探討了將虛擬儀器技術應用于位移測量領域的方法, 以LABVIEW 為開發(fā)平臺, 設計了一種多通道虛擬位移測量儀, 界面簡單、方便實用, 解決了多點監(jiān)測、實時性等問題。詳細敘述了多通道位移測量虛擬儀器的設計步驟。1.2 系統(tǒng)方案框圖圖2.1位移測量的虛擬儀器系統(tǒng)2.工作原理2.1 檢測原理進行位移測量的虛擬儀器系統(tǒng)組成如

2、圖2.1 所示, 圖2.1中位移傳感器直接作用于被測量, 按一定規(guī)律將被測量轉換為電信號輸出。位移傳感器為位移信號提供隔離和濾波。數(shù)據(jù)采集卡(DAQ ) 對來自位移傳感器電路中輸出的電壓信號進行模數(shù)轉換、采用保持、多路復用和放大。計算機作為虛擬儀器載體, 對測量數(shù)據(jù)進行分析、運算、存儲和顯示。位移測量程序是在LABVIEW 平臺上開發(fā)的位移測量虛擬儀器軟件。2.2 傳感器選擇1）方法一：這里外部設備是電容式位移傳感器。利用平板電容CAd和其它結構的關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)（變d），即當可動極板被測量變化移動時，電容增量為

3、C0 ，這樣就可以變成電容式位移傳感器。2)方法二：這里外部設備是電渦流位移傳感器。電渦流位移傳感器與金屬導體的電阻率、磁導率、勵磁頻率f以及傳感器與被測導體間的距離x有關。通以高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當有導電體接近時，因導電體渦流效應產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關，可以用如下函數(shù)表示：Z=F(,f)。當金屬導體的電阻率、磁導率和勵磁頻率f不變時，上式可寫成：Z=F(x),因此當傳感器與被測導體間的距離x發(fā)生變化時，通過測量電路，可將Z的變化轉換為電壓U的變化，這樣就達了把位移轉換為電量目的。2.3 測量電路介紹1)電容式位移傳感器的測量電路 圖2.3.1電容式傳感器位移實驗

4、接線圖1. 按圖2.3.1安裝示意圖將測微頭和電容傳感器裝于電容傳感器模板上，判別Cx1和Cx2時，注意動極板接地，接法正確則動極板左右移動時，有正、負輸出。不然得調換接頭。一般接線：兩個靜片分別是1號和2號引線，動極板為三號引線。2. 將電容傳感器電容C1和C2的靜片接線分別插入電容傳感器實驗模板Cx1、Cx2插孔上，動極板連接地插孔。3.電容傳感器實驗模板的輸出端V01與數(shù)據(jù)采集卡相接（插入主控板 Vi孔），RW調節(jié)到中間位置。4. 接入15電源，旋動測微頭推進電容器動極板位置，每間隔位移的范圍是0 50 mm, 每改變0.5 mm 的位移量就測量一次輸出電壓值 。2)電渦流位移傳感器的測

5、量電路圖2.3.2 電渦流傳感器安裝示意圖圖2.3.3電渦流位移傳感器實驗接線圖1.根據(jù)圖2.3.2安裝電渦流傳感器。2.觀察傳感器結構，這是一個平繞線圈。3.將電渦流傳感器輸出線接入實驗模板上標有L的兩端插孔中，作為振蕩器的一個元件。4.在測微頭端部裝上鐵質金屬圓片,作為電渦流傳感器的被測體。5.將實驗模板輸出端VO與數(shù)據(jù)采集卡輸入端Vi相接。數(shù)顯表量程切換開關選擇電壓20V。6.從主控臺接入+15V直流電源到實驗模板上標有15V的插孔中。7.使測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關，位移的范圍是0 50 mm, 每改變0.5 mm 的位移量就測量一次輸出電壓值。2.4 誤差分析與修

6、正(1)系統(tǒng)誤差電容傳感器存在零點漂移，在這之前首先要對位移傳感器進行校零, 因為當位移為零時, 在理想狀態(tài)下輸出電壓值應該為零, 但實際測出的電壓不為零, 記下當前電壓值(補償值) , 在以后測量中, 輸出電壓值都要進行補償(即減去補償電壓值) 就得到了理論電壓?！半妷?測量值) ”顯示件用來直接顯示位移傳感器的輸出電壓值; “電壓(理論值) ”顯示件用來顯示補償后的電壓值?！拔灰浦怠睌?shù)字控件用來寫入位移傳感器的當前位移值。電容傳感器易受外界電氣干擾，要求配套儀器的阻抗高，也可能是儀表制造、安裝或使用方法不正確或測量人員的一些不良的讀數(shù)習慣。應該加強測量人員的工作責任心，以及正確安裝儀表。電

7、渦流位移傳感器可能受到強輻射的電場和磁場的干擾，可以采用導電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內產(chǎn)生的渦流，再利用渦流磁場抵消高頻干擾磁場的影響，從而達到高頻電場干擾的效果。也可能是溫度和濕度的影響，把某些對溫度比較敏感或電路中關鍵的元器件和部件，用導熱性能良好的金屬材料做成的屏蔽罩包圍起來，是罩內的溫度場趨于均勻和恒定，而且應避免將其放在潮濕處。儀表制造、安裝或使用方法不正確或測量人員的一些不良的讀數(shù)習慣。應該加強測量人員的工作責任心，以及正確安裝儀表。(2)隨機誤差隨機誤差是由很多復雜因素對測量值得綜合影響所造成的，如零件的摩擦、間隙，空氣擾動，氣壓及濕度的變化，測量人

8、員的感覺器官的生理變化等。它不能用修正或采取某種技術措施的方法來消除。3.系統(tǒng)軟件設計3.1 軟件設計方法本文基于LABVIEW 的虛擬儀器圖形化編程語言, 采用美國NI公司的PC I M IO 16E 4 型數(shù)據(jù)采集卡, 實現(xiàn)對多通道位移量進行自動檢測。虛擬儀器(Virtual Instrument, V I) 是現(xiàn)代計算機技術和儀器技術深層次結合的產(chǎn)物, 是當今計算機輔助測試(CA T ) 領域的一項重要技術。虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者的有效結合。3.2 測試系統(tǒng)流程圖3.3 系統(tǒng)軟件1）PC I M IO 16E 4 數(shù)據(jù)采集卡PC I M I

9、O 16E 4 是N I 6040E 系列數(shù)據(jù)采集卡之一, 是一種性能優(yōu)良、適合PC 的數(shù)據(jù)采集卡, 能夠完成信號采集、數(shù)字信號的模擬輸出及定時、計數(shù)等功能。信號采集部分包括模擬輸入和A /D 轉換兩部分, 即前向通道, 主要性能指標如下。(1) 16 路模擬輸入。(2) 提供3 種信號輸入方式選項: 單端無參考地輸入、單端有參考地輸入及差分輸入。( 3) 放大器增益(軟件設置) : 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100。（4) 量程: 分為10 V 和0 10 V 兩種。分別對應信號為雙極性輸入方式和單極性輸入方式。(5) 分辨率: 12 b。(6) 單通道最大采樣率: 5105

10、 次/ s。2）數(shù)據(jù)采集的信道設置在多信道數(shù)據(jù)采集或輸出系統(tǒng)中, 必須為數(shù)據(jù)采集設備指定對某個信道進行操作, 這就是信道定址。信道定址通過在數(shù)據(jù)采集V I 的信道表參數(shù)Channel List 中寫入信道名或信道號實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)采集過程中按信道表列出的順序掃描信道, 在數(shù)據(jù)輸出過程中按信道表列出的順序刷新。采用信道名定址首先要在Measurement & Automat ion Explorer 中對信道進行設置。打開Measurement &Automat ion Explorer 后在Data Neighborhood 選項上擊右鍵, 再由下級菜單上點擊Create New 彈出信道向導,

11、在他的引導下創(chuàng)建一個虛擬信道。一步步選擇信道類型、信道名、傳感器類型、信號的單位、使用的數(shù)據(jù)采集設備等。在Measurement &Automat ion Explorer 中設置的信道名即可寫入道表參數(shù)Channels。信道表可以是一個信道名, 也可以是一個信道名數(shù)組。3）位移測量前面板的設計打開前面板窗口, 按以下方法與步驟設計前面板:( 1 ) 控制模板中選擇Classic Controls Classic NumericMeter, 擺放到前面板中, 重復4 次可設置好4個電壓表, 用來顯示采集到的電壓信號, 顯示值在誤差允許范圍內等于傳感器輸出的電壓值。( 2 ) 選擇Classic

12、 Controls Classic Numeric Horizontal Po inter Slide, 擺放到前面板中, 在此控件上點擊鼠標右鍵, 選中Change to Control, 使該控件成為位移顯示儀, 同樣方法在前面板中擺放4個位移顯示儀。位移顯示儀用來顯示外部位移值使通過電壓與位移的關系曲線轉換得來。(3) 選擇Classic ControlsClassic Boo leanSquare Push Button 重復4 次即可。(4) 選擇BooleanOK Button, 將其按鈕名稱修改為“記錄”即可在前面板中創(chuàng)建記錄按鈕。(5) 選擇BooleanStop Button

13、, 這樣停止按鈕已創(chuàng)建好。(6) 選擇NumericNumeric Control, 該控件用來寫入記錄文件中第一列信息。如寫入當前日期或記錄次序等。將已放好的控件進行編輯, 添加文字說明。LABVIEW提供了裝飾前面板上對象的設計工具, 這些界面元素對程序不產(chǎn)生影響。所有的裝飾元素都存在于裝飾子模板(deco rat ions) 內, 鼠標選取其中任一裝飾板, 將這個控件放置于已有的控件之上, 他會覆蓋已有的控件, 一般都要將他們置于底層。首先用鼠標選中該控件, 在工具欄點擊“Reorder”, 在其下拉菜單中選中“Move To Back”, 這時被裝飾控制覆蓋的其他控件全部可見了。如圖3

14、.1所示為創(chuàng)建的多通道位移測量儀面板圖。圖3.1多通道位移測量儀的面板4）與前面板對應的流程圖窗口的設計流程圖窗口的設計是為了前面板控制件、顯示件及按鈕的功能得以實現(xiàn)。1.模擬輸入外部信號(如電容傳感器輸出的電壓) 的引進, 這里使用了A I Sample Channel, 如圖3 所示。在channel (0) 接線端連上一個字符串常量并寫入信道名disp 0, disp 1, disp 2,disp 3 這些信道名首先必須已在Measurement &Automat ion 中創(chuàng)建好, 他們分別對應于通道0, 1, 2, 3。Sample 輸出端默認是輸出波形, 這里只需單個數(shù)值, 所以要

15、在其輸出端點擊鼠標右鍵選Select TypeScaled Value。2.循環(huán)結構由于電壓信號的閃動性, 這里使用For Loop 循環(huán)結構和取平均值的模塊(Analyze Mathematics Probability and StatisticsM ean1vi) , 即采用取多次數(shù)據(jù)求平均值的方法得到相對穩(wěn)定的電壓值。將此電壓值連接到電壓表顯示件上, 這樣就實現(xiàn)了前面板的電壓表的顯示功能。在圖形代碼窗口中設置For 循環(huán)的做法是, 在函數(shù)子模板中選中For 循環(huán)的小圖標, 在所有應在For 循環(huán)內執(zhí)行的節(jié)點左上角區(qū)域點擊一下鼠標, 然后按住鼠標向右下角拖動, 直到虛線框包圍所有應在Fo

16、r 循環(huán)內執(zhí)行的節(jié)點, 松開鼠標后, 就得到了一個大小和位置滿意的For 循環(huán)框。也可以先放好一個For 循環(huán)框, 再向里面填代碼。For 循環(huán)有兩個固定的端口。計數(shù)端口是一個輸入端口, 除非使用自動索引功能, 否則都要在For 循環(huán)框外, 為端口連接一個整形數(shù), 指定循環(huán)執(zhí)行的次數(shù)。如果連接其他類型的數(shù)值, 自動把他強制轉換為最接近的整形數(shù)。對正好在兩個數(shù)之間的數(shù), 則轉換為接近的偶數(shù)。循環(huán)端口是一個輸出端口, 他輸出循環(huán)當前執(zhí)行的次數(shù)。循環(huán)次數(shù)是從0 開始計數(shù)的。圖3.2A I Sample Channel5)求取電壓與位移的函數(shù)關系在這之前首先要對位移傳感器進行校零, 因為當位移為零時,

17、 在理想狀態(tài)下輸出電壓值應該為零, 但實際測出的電壓不為零, 記下當前電壓值(補償值) , 在以后測量中, 輸出電壓值都要進行補償(即減去補償電壓值) 就得到了理論電壓。“電壓(測量值) ”顯示件用來直接顯示位移傳感器的輸出電壓值; “電壓(理論值) ”顯示件用來顯示補償后的電 壓值; “位移值”數(shù)字控件用來寫入位移傳感器的當前位移值; 運行時待電壓表顯示的電壓值較穩(wěn)定時, 按下“記錄”按鈕, 即可記錄下當前位移值與兩種電壓值; “復位”按鈕是當程序開始運行時, 對電壓表示值進行清零處理; 當取滿101個位移值,且都記錄完成后, 按下“顯示”按鈕, 文件中的數(shù)據(jù)就會以關系曲線的形式顯示在右側圖

18、表里; “位移與電壓曲線”顯示圖表用來顯示位移與上述兩種電壓的關系曲線; 數(shù)字顯示件,則顯示出具體的函數(shù)關系。4.系統(tǒng)調試與驗證4.1硬件調試用來調試的硬件部分涉及到一個本身含有信號調理(放大、濾波等) 功能電路的電容式位移傳感器和電渦流傳感器, 因為采集信號放大器增益已經(jīng)設置為1, 所以只需在位移傳感器與數(shù)據(jù)采集卡連接的輸出端并接上萬用表即可。將萬用表調到量程為20 V 的直流電壓檔上, 觀測其讀數(shù)與前面板中的“電壓顯示件”的示值在誤差允許范圍內是否一致。4.2軟件(程序) 調試在完成程序的前面板和代碼的設計后, 需要對程序進行調試。調試的過程就是檢查程序的運行方式和結果是否與設計要求相一致

19、, 也是對程序進行語法和邏輯查錯的一個過程。LABVIEW 的程序錯誤類型大致可以分為硬件連接錯誤、IoO 接口錯誤、程序結構和邏輯錯誤。對于硬件連接錯誤, 一般發(fā)生在與硬件(數(shù)據(jù)采集卡和信號調理器) 連接和跳線設置上。I/O 接口錯誤則表現(xiàn)為LABVIEW 與外觀設備通信時產(chǎn)生了錯誤信息, 如讀寫不存在的文件等。程序結構和邏輯錯誤則是最常見的錯誤, 這里著重介紹這種錯誤的查找與排除的方法。利用快捷工具欄中的“運行”、“高亮執(zhí)行”、“斷點設置”進行程序調試。(1) 找出語法錯誤如果存在語法錯誤, 則當啟動快捷工具欄的“運行”按鈕時, 該按鈕變成一個折斷的箭頭, 程序不能被執(zhí)行。單擊該按鈕, 將

20、彈出錯誤清單窗口, 窗口中列出錯誤的項目,然后單擊其中任何一個所列出的錯誤, 單擊“Show Error”功能按鈕, 則出錯的對象或端口就會變成高亮。在“Details”有詳細的錯誤原因, 也可以單擊“Help ”功能按鈕, 則將打開幫助窗口, 窗口中詳細說明了出錯原因及解決方法。(2) 慢速跟蹤程序的運行利用快捷工具欄中的“高亮執(zhí)行”按鈕。單擊該按鈕,按鈕圖標變成高亮形式, 再單擊“運行”按鈕, 程序就以較慢的速度運行。沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示, 執(zhí)行后的代碼高亮顯示, 并顯示數(shù)據(jù)流上的數(shù)據(jù)值。這樣, 就可以根據(jù)數(shù)據(jù)流動狀態(tài), 跟蹤程序的執(zhí)行。(3) 斷點與單步執(zhí)行用工具模板上的“斷點”工具

21、單擊希望設置或者清除斷點的地方, 該處即為所設置的斷點。(4) 設置探針可以通過設置探針來查看框圖程序流流經(jīng)某一根連線的數(shù)據(jù)值。當探針設置完畢后, 會出現(xiàn)一個探針顯示窗口。該顯示窗口中的數(shù)據(jù)即為該連線上的數(shù)據(jù)值。綜合運用以上各種調試V I 的方法, 用戶可以很方便有效地編制出邏輯嚴謹、結構合理的V I, 這種圖形化的編程方法以及調試方法可以大大提高用戶的編程效率。5.課程設計體會與總結多通道位移測量儀可定時對多點位移量進行分別或同時測量, 可以記錄、顯示測量的時間和對應的位移, 具有多測點測量和實時性等特點。在記錄表格文件中, 可以對數(shù)據(jù)進行分析與處理, 即可以離線處理數(shù)據(jù), 求出位移差量, 可以精確到0.01 mm (與A /D 轉換的位數(shù)有關)。還可以以圖形的形式直觀地顯示出位移隨時間變化的關系,位移差隨時間變化的關系。這給測試工作帶來了很多方便, 實