基于差動(dòng)螺管式電感傳感器的虛擬位移計(jì)設(shè)計(jì)

1、基于差動(dòng)螺管式電感傳感器的虛擬位移計(jì)設(shè)計(jì)學(xué)校：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：摘要：虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。這種結(jié)合有兩種方式。一種方式是計(jì)算機(jī)裝入儀器，典型例子就是智能化儀器。另一種方式就是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。本次課程設(shè)計(jì)是基于差動(dòng)螺管式電感傳感器的虛擬位移計(jì)設(shè)計(jì)，它的主要內(nèi)容是在LabVIEW平臺(tái)上設(shè)計(jì)虛擬位移計(jì)，其中的功能包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的擬合，數(shù)據(jù)的處理，以及超值報(bào)警功能。相比以前的方法，本方法簡單可用，而且比較精確。 1 總體方案設(shè)計(jì)圖為總體原理框圖：差動(dòng)螺管式電感傳感器數(shù)據(jù)采集閾值比較

2、數(shù)據(jù)處理曲線擬合 總體電路的工作原理是進(jìn)行差動(dòng)螺管式電感傳感器實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、曲線擬合、數(shù)據(jù)處理、閾值比較等幾大部分，將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)擬合得到擬合曲線 ，并且可以顯示出系數(shù)的具體數(shù)值，并判斷是否超出預(yù)設(shè)范圍，超出則報(bào)警，報(bào)警燈亮。2 硬件設(shè)計(jì)2.1 差動(dòng)螺管式電感傳感器的工作原理：差動(dòng)螺管式電感傳感器是一種利用主次級(jí)線圈互感的電感作用大小來進(jìn)行測(cè)量的傳感器，兩個(gè)副線圈的同名端需要連接在一起，主線圈的一端和次線圈的一端構(gòu)成輸出，接到示波器觀察波形，或者是接到數(shù)據(jù)采集卡上直接采集數(shù)據(jù)。2.2 硬件流程圖如圖：音頻振蕩器差動(dòng)螺管式電感傳感器數(shù)據(jù)采集卡示波器 電腦

3、 硬件的設(shè)計(jì)主要利用差動(dòng)螺管式電感傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，音頻振蕩器給主線圈一個(gè)穩(wěn)定的正弦信號(hào)，頻率固定在6kHz，然后從示波器上讀取波形的峰峰值，通過音頻振蕩器的幅度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)至2V，此時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微計(jì)旋鈕，可以很清楚的從示波器上讀出峰峰值的變化，同時(shí)在虛擬儀器的面板上也會(huì)實(shí)時(shí)的顯示出電壓和位移的變化。3 軟件部分3.1 數(shù)據(jù)采集部分 各個(gè)參數(shù)的設(shè)置： 設(shè)備號(hào)：代表設(shè)備號(hào)，在NI采集設(shè)置工具中設(shè)定。該參數(shù)告訴用戶使用什么卡，它可以使采集VI本身獨(dú)立于卡的類型。本課設(shè)中設(shè)定為1。通道：用于指定數(shù)據(jù)樣本的信號(hào)源。本課程設(shè)計(jì)中選用的是3號(hào)通道，故設(shè)定為3。采樣頻率：指每個(gè)通道的掃描速率，即采樣頻

4、率。采樣頻率設(shè)置為默認(rèn)值1000Hz。采樣點(diǎn)數(shù)：每個(gè)通道讀取的點(diǎn)數(shù)，本課設(shè)為默認(rèn)值-1，-1表示所有點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集中主要模塊的簡介：配置通道函數(shù)，AI Config VI:為一組指定的通道配置模擬輸入信息，即對(duì)采集卡進(jìn)行硬件配置，并且給緩沖型的模擬輸入分配一個(gè)緩沖區(qū)。AI Config VI中還有很多參數(shù)是為更高級(jí)的應(yīng)用而設(shè)立，一般這些參數(shù)采用默認(rèn)值即可。 任務(wù)開始函數(shù)，AI Start VI:用于啟動(dòng)模擬輸入操作，這個(gè)VI可以控制數(shù)據(jù)采集的速率、樣本數(shù)以及硬件觸發(fā)器的使用 。讀取數(shù)據(jù)函數(shù)，AI Read VI:用于在使用緩沖區(qū)的采集操作中，讀取緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)。它能夠控制由緩沖讀取的點(diǎn)數(shù)，讀取數(shù)

5、據(jù)在緩沖中的位置在連續(xù)采集時(shí)，可以通過觀察scan backlog 來調(diào)整每次讀取的掃描數(shù)，以避免緩沖區(qū)中未讀的數(shù)據(jù)被覆蓋掉。該VI的輸出可以是波形數(shù)組、數(shù)值數(shù)組等。清屏函數(shù)，AI Clear VI:清除模入操作、計(jì)算機(jī)中分配的緩沖、釋放所有DAQ卡上的資源。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖所示。開始數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)的讀取出錯(cuò)出錯(cuò)？Y數(shù)據(jù)停止采集 DAQ連續(xù)模入：連續(xù)采集是對(duì)一個(gè)或者多個(gè)通道，以一定的速率并以連續(xù)掃描的方式采集數(shù)據(jù)，連續(xù)采集要求在無間斷采集數(shù)據(jù)同時(shí)，從緩沖區(qū)中無任何遺漏的讀取數(shù)據(jù)。連續(xù)采集需要使用到循環(huán)緩沖區(qū)，對(duì)于循環(huán)緩沖區(qū)，往往其中存放數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以讀取其中已有的數(shù)據(jù)，使用循環(huán)緩沖區(qū)時(shí)，采

6、集設(shè)備在后臺(tái)連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而LabVIEW在兩次讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔里對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖為采集程序框圖：AI ConfigAI StartAI ReadData Process連續(xù)或多次采集時(shí)，進(jìn)行循環(huán)AI Clear3.2 曲線擬合部分曲線擬合（curve fitting）在計(jì)算機(jī)化的測(cè)量過程中非常重要，因?yàn)榭梢院苋菀椎玫酱罅康臏y(cè)量數(shù)據(jù)。為了充分利用這些數(shù)據(jù)，減小誤差，就要用到擬合。曲線擬合的實(shí)際應(yīng)用范圍較廣，例如：（1） 消除測(cè)量噪聲；（2） 填充丟失的采樣點(diǎn)（例如，一個(gè)或者多個(gè)采樣點(diǎn)丟失或者記錄不正確）；（3） 插值（對(duì)采樣點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)）；（4） 外推（對(duì)采樣范圍之外的數(shù)

7、據(jù)進(jìn)行估計(jì)）；（5） 求解某個(gè)基于離散數(shù)據(jù)對(duì)象的速度軌跡（一階導(dǎo)數(shù)）和加速度軌跡（二階導(dǎo)數(shù)）。通常，對(duì)于每種指定類型的曲線擬合，如果沒有特殊說明，都存在兩種VI可以使用，一種只返回?cái)?shù)據(jù)，用于對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作；另一種不僅返回系數(shù)，還可以得到相應(yīng)的擬合曲線和均方差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本應(yīng)線性。但由于傳感器的誤差及實(shí)驗(yàn)者的人為原因造成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非線性化。曲線擬合部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線性化。曲線擬合流程圖如圖所示。開始寫入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果類型變換維數(shù)轉(zhuǎn)換 3.3 數(shù)據(jù)處理部分?jǐn)?shù)據(jù)處理流程圖如圖所示。數(shù)據(jù)采集濾波求平均值計(jì)算開始顯示結(jié)果因采集到的是一組不穩(wěn)定的電壓值，經(jīng)過濾波器濾波后，再求得平均值，以此來減小電壓的不穩(wěn)定

8、性。再根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算得到位移值。3.4 閾值比較部分閾值比較流程圖如圖所示。大于2？開始運(yùn)算結(jié)果報(bào)警YN小于-2？NY將位移值寫入閾值比較程序，大于2mm或小于-2mm則報(bào)警，LED發(fā)光；否則不報(bào)警。4. 調(diào)試與分析4.1 硬件的調(diào)試：硬件的調(diào)試不是太簡單，雖然是傳感器實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的一個(gè)，但是在做實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中并沒有使用到該傳感器。因?yàn)楸敬握n程設(shè)計(jì)所使用的是差動(dòng)螺管式電感傳感器，所以首先得對(duì)該傳感器有所了解，才能進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)并分析。差動(dòng)螺管式電感傳感器由主副線圈構(gòu)成，其中有兩個(gè)副線圈和一個(gè)主線圈，分別稱為次級(jí)和原級(jí)，在次級(jí)標(biāo)有小黑點(diǎn)的叫做同名端，實(shí)驗(yàn)中，同名端是連接在一起的。經(jīng)過幾次的測(cè)量，數(shù)

9、據(jù)基本符合要求，把采集到的數(shù)據(jù)輸入到表格程序中，程序自動(dòng)會(huì)擬合出一條直線，剛開始有的點(diǎn)的位置可能不是太準(zhǔn)確，但是經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，大多數(shù)的數(shù)據(jù)都能夠準(zhǔn)確的在所擬合出的曲線上，試驗(yàn)結(jié)果比較符合預(yù)期要求。4.2 軟件的調(diào)試： 軟件的調(diào)試花費(fèi)時(shí)間比較長，軟件部分包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)擬合，數(shù)據(jù)處理，閾值比較，單獨(dú)調(diào)試每一個(gè)模塊就并非易事，把所有的模塊都連接到一起就會(huì)出現(xiàn)各種各樣的意想不到錯(cuò)誤，耐下心來慢慢檢查每一個(gè)模塊和每一根線，終于發(fā)現(xiàn)了問題的所在。終于在最后的時(shí)候程序能夠順利運(yùn)行了。5. 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想經(jīng)過兩周的課程設(shè)計(jì)，基本完成了設(shè)計(jì)的各種要求，但是由于差動(dòng)螺管式電感傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)有一定的誤差，所以雖然大體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，個(gè)別采集到的數(shù)據(jù)可能存在不準(zhǔn)確情況，在條件準(zhǔn)許的情況下