基于LabVIEW的振動傳感器靈敏度校準(zhǔn)

1、基于LabVIEW的振動傳感器靈敏度校準(zhǔn)李小文 (株洲南車時代電氣股份有限公司 技術(shù)中心，湖南株洲 412001) 摘要：介紹了對振動傳感器靈敏度進(jìn)行正弦激勵校準(zhǔn)的系統(tǒng)組成及工作原理；討論了基于LabVIEW的振動傳感器靈敏度校準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法。經(jīng)過試驗及現(xiàn)場使用證實：系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，為振動傳感器靈敏度的校準(zhǔn)提供了技術(shù)手段。關(guān)鍵詞： LabVIEW；振動傳感器；靈敏度；校準(zhǔn)Calibration of Vibration Transducers Sensitivity by LabVIEWLI Xiao-wen(Technology Center, Zhuzhou CSR Times

2、Electric Co.,Ltd, Hunan 412001,China) Abstract: The composition and working principle of calibration of vibration transducers sensitivity by sine excitation are introduced. The system design and realization about calibration of vibration transducers sensitivity by LabVIEW are discussed. The tests an

3、d operations indicate that the system work stably and reliably. Thereform, it provides technical means for calibration of vibration transducers sensitivity.Key words: LabVIEW；Vibration Transducer；Sensitivity；Calibration0 引言隨著列車的不斷提速和全周轉(zhuǎn)公里的增加，機(jī)車走行部狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)（以下簡稱“故障診斷系統(tǒng)”）作為行車安全的重要保障，不可或缺。而故障診斷系統(tǒng)完全依靠

4、安裝在機(jī)車軸承上的振動傳感器獲取振動信息，然后再對其進(jìn)行處理、分析，所以，各振動傳感器靈敏度的一致性顯得尤為重要。由于生產(chǎn)工藝上的差異，生產(chǎn)出來的振動傳感器其靈敏度不可能完全一致，這就需要對生產(chǎn)的每一個振動傳感器進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，通過改變振動傳感器內(nèi)部電路的放大倍數(shù)使其靈敏度均達(dá)到同一范圍。系統(tǒng)是基于虛擬儀器的理念設(shè)計的；軟件是基于LabVIEW開發(fā)的。虛擬儀器是用計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，用戶可以根據(jù)需要定義并實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的功能。在這種模式下，傳統(tǒng)的硬件設(shè)計不再是系統(tǒng)的主體，性能改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計更新，而不需要增添新的儀器設(shè)備。因此，系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、成本低、維護(hù)簡

5、單、可移植性強(qiáng)等特點。1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)硬件由工業(yè)控制計算機(jī)（以下簡稱“工控機(jī)”）、NI 6221多功能數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理板、激振器、功率放大器、電荷放大器、標(biāo)準(zhǔn)傳感器、支撐螺桿、接插件及連接線組成。系統(tǒng)軟件是基于NI公司的Labview開發(fā)的用戶軟件。1.1 系統(tǒng)框圖圖1 系統(tǒng)框圖1.2 系統(tǒng)原理本系統(tǒng)采用正弦激勵二次校準(zhǔn)法對振動傳感器的靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，其設(shè)計原理如下： 1）通過工控機(jī)的用戶軟件向多功能數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出正弦信號輸出指令，多功能數(shù)據(jù)采集卡便會給功率放大器提供一組一定頻率、一定幅值的正弦信號。功率放大器對此信號進(jìn)行放大后驅(qū)動激振器，使其產(chǎn)生機(jī)械振動。標(biāo)準(zhǔn)傳感器和待測傳感器通過支撐螺

6、桿固定在激振器上，所以當(dāng)激振器啟振時，會對標(biāo)準(zhǔn)傳感器和待測傳感器產(chǎn)生同一軸線上大小相等的振動沖擊。需要特別說明的是：支撐螺桿的使用在系統(tǒng)中顯得非常重要，因為它可以使標(biāo)準(zhǔn)傳感器和待測傳感器受到的振動的方向在同一軸線上。 2）標(biāo)準(zhǔn)傳感器和待測傳感器受到正弦激勵后會產(chǎn)生相應(yīng)的電信號：標(biāo)準(zhǔn)傳感器產(chǎn)生電荷信號；待測傳感器產(chǎn)生電流信號。標(biāo)準(zhǔn)傳感器的電荷信號輸入到電荷放大器進(jìn)行處理，經(jīng)過電信號轉(zhuǎn)換、放大后輸出電壓信號；待測傳感器的電流信號輸入到信號調(diào)理板進(jìn)行處理，經(jīng)過電信號轉(zhuǎn)換、放大、帶通濾波后輸出電壓信號。3）通過多功能數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng)電荷放大器和信號調(diào)理板處理后的信號采集入工控機(jī)。最后，用戶軟件將采集的數(shù)

7、據(jù)進(jìn)行軟件濾波、計算、分析得出結(jié)論。2 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計、參數(shù)計算、軟件設(shè)計三部分。由于此系統(tǒng)是基于虛擬儀器的設(shè)計理念，所以，硬件部分相對簡單，不再嗷述；而參數(shù)計算和軟件設(shè)計部分非常關(guān)鍵，下面將重點介紹。2.1 參數(shù)計算1）靈敏度的計算 系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)傳感器與待測傳感器施加同樣正弦激勵，通過比較得出待測傳感器的靈敏度。以下是求出靈敏度的計算：參數(shù)定義：工控機(jī)采集到標(biāo)準(zhǔn)傳感器一路的電壓有效值：VB （v）工控機(jī)采集到被測傳感器一路的電壓有效值：VC （v）振動臺面產(chǎn)生的振動加速度： g （g）標(biāo)準(zhǔn)傳感器的靈敏度： B （PC/g）被測傳感器的靈敏度： C （A/g）電荷放大器的轉(zhuǎn)換綜合

8、放大倍數(shù)： KB信號調(diào)理板的轉(zhuǎn)換綜合放大倍數(shù)： KC計算：標(biāo)準(zhǔn)傳感器一路： （1）被測傳感器一路： （2）綜合（1）式（2）式可得： 化簡： 2）期望電阻RP的計算 系統(tǒng)通過計算得到當(dāng)前的靈敏度值，但要將待測傳感器的靈敏度標(biāo)定到一個特定的值則需要通過更換其內(nèi)部電路中的電阻RP，從而改變其內(nèi)部電路的放大倍數(shù)最終達(dá)到期望的靈敏度值。以下是求出RP值的計算：參數(shù)定義：第一次測試時振動傳感器當(dāng)前電阻： Rp1第一次測試得到的振動傳感器靈敏度： 1振動傳感器期望電阻： Rp2期望達(dá)到的靈敏度： 2振動傳感器內(nèi)部放大倍數(shù)率： 計算：第一次測試的靈敏度： （3）期望靈敏度： （4）綜合（3）式（4）式： 化

9、簡： 2.2 軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)基于成熟的PC技術(shù)，架構(gòu)于WINDOWS2000/XP系列操作系統(tǒng)之上，采用LabVIEW7.1+DAQmx開發(fā)。軟件對振動傳感器的測試進(jìn)行過程控制，為試驗用戶提供良好的人機(jī)界面，并顯示測試結(jié)果。軟件流程如圖2所示：圖2 軟件流程圖首先，程序初始化變量“最大靈敏度”、“最小靈敏度”、“平均靈敏度”、“靜態(tài)恒流值”為0，再初始化變量“傳感器編碼”、“環(huán)境溫度”、“傳感器溫度”、“當(dāng)前RP值”、“期望RP值”、“結(jié)論”為空。接著，由多功能采集卡發(fā)生一路頻率為f的正弦信號，經(jīng)過放大后驅(qū)動激振器。當(dāng)激振器振動穩(wěn)定后，程序開始采樣標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測傳感器的振動波形，并將采得的

10、波形通過IIR4階帶通濾波器濾波，得到標(biāo)準(zhǔn)傳感器波形的振幅為UB；被測傳感器波形的振幅為UC。這樣，依據(jù)公式可計算出被測傳感器的靈敏度。程序在此頻率下連續(xù)執(zhí)行30次，再計算30次的平均值。若本次循環(huán)結(jié)束，激勵頻率則增加f后進(jìn)入下一輪循環(huán)，同樣計算30次的平均值作為該頻率下的靈敏度值。如此循環(huán)，直到激振頻率達(dá)到設(shè)定的上限頻率時，結(jié)束循環(huán)。這樣，可得到一個頻率間隔為f的靈敏度序列，計算該序列的平均值作為該被測傳感器總的靈敏度值，并利用這些數(shù)據(jù)繪制整個掃頻區(qū)間的靈敏度曲線。RP值是用來調(diào)節(jié)傳感器靈敏度的一個電阻值，程序根據(jù)總靈敏度和傳感器當(dāng)前的RP值，計算出期望的RP值。最后，程序給出該傳感器是否合

11、格的結(jié)論。用戶軟件的人機(jī)界面使用的都是測試工程師們熟悉的旋鈕、開關(guān)、波形圖等，非常直觀、簡潔。軟件界面分成功能按鈕區(qū)、波形顯示區(qū)和數(shù)據(jù)結(jié)論區(qū)三部分。功能按鈕區(qū)包括五個功能按鈕：“開始測試”按鈕可啟動對傳感器靈敏度的測試；“編碼”按鈕可對傳感器進(jìn)行編碼；“數(shù)據(jù)保存”按鈕可將測試波形和測試數(shù)據(jù)保存；“打印報表”按鈕可將測試結(jié)論打印輸出；“退出測試”按鈕即退出用戶軟件。波形顯示區(qū)可同時顯示兩路波形，分別為標(biāo)準(zhǔn)及待測振動傳感器原始振動波形和待測振動傳感器的靈敏度曲線。結(jié)論數(shù)據(jù)區(qū)包括靈敏度、RP值、測試結(jié)論等。測試界面如圖3所示：圖3 測試界面3 結(jié)束語基于LabVIEW平臺開發(fā)的振動傳感器測試系統(tǒng)集正弦激勵信號輸出、測試數(shù)據(jù)采集、處理和分析為一體，能迅速、準(zhǔn)確的測試出振動傳感器的靈敏度并給出期望RP值。依據(jù)測得的靈敏度值可以判斷被測傳感器是否合格，若不合格則根據(jù)軟件中給出的期望RP值更換傳感器內(nèi)部電阻。現(xiàn)場運(yùn)行情況表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測試結(jié)論真實可靠。未來，市場對測試設(shè)備的要求越來越高：產(chǎn)品設(shè)計周期更短、人機(jī)交互更友好、測試操作更簡單等。而基于虛擬儀器的設(shè)計理念以及LabVIEW簡單的編程環(huán)境使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、模塊化程度高、開發(fā)周期短，成本較低。參考文獻(xiàn)1 宋宇峰. Labview逐步深入與開發(fā)實例M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.