基于LabVIEW的相位差法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率1.doc-

1、基于LabVIEW 的相位差法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率王永高 薛冬新 宋希庚(大連理工大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所,遼寧 大連 116024摘要:文章利用LabVIEW 虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了采用非接觸方式的相位差法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率系統(tǒng)設(shè)計(jì),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果顯示,實(shí)現(xiàn)了功率信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。 關(guān)鍵詞:LabVIEW 虛擬儀器 相位差 非接觸中圖分類(lèi)號(hào):TP206;TK315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1 引言在工程實(shí)踐中,以往發(fā)動(dòng)機(jī)功率的測(cè)量大都局限于接觸式,需要在回轉(zhuǎn)部分附加許多傳感裝置,例如應(yīng)變片、信號(hào)發(fā)射模塊、滑環(huán)等,如此一來(lái),不僅造成測(cè)量所需的前期準(zhǔn)備工作量較大,而且由于測(cè)量系統(tǒng)的

2、繁瑣性,導(dǎo)致測(cè)量的精度、費(fèi)用等受到較大的影響。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。虛擬儀器是測(cè)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它由計(jì)算機(jī)、相應(yīng)的硬件(如數(shù)據(jù)采集卡、輸入輸出卡等和專(zhuān)用軟件(如LabVIEW 構(gòu)成。LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。LabVIEW 是一種基于圖形編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它與C 、Basic 、Java 等傳統(tǒng)語(yǔ)言最大的區(qū)別在于:傳統(tǒng)編程語(yǔ)

3、言用文本語(yǔ)言編程,而LabVIEW 使用圖形語(yǔ)言(各種圖標(biāo)、圖形符號(hào),連線(xiàn)等,以框圖的形式編寫(xiě)程序。LabVIEW 是專(zhuān)門(mén)進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)工具和設(shè)計(jì)平臺(tái),本文利用LabVIEW 進(jìn)行開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率信號(hào)采集系統(tǒng),可以廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合的發(fā)動(dòng)機(jī)功率測(cè)試,而且具有高精度、高效率、低成本、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì),市場(chǎng)前景十分廣闊,具有較高的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 2 原理發(fā)動(dòng)機(jī)功率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量計(jì)算用到的兩個(gè)獨(dú)立激光束照射到軸上的兩點(diǎn)之間的距離L 是容易測(cè)量的。每束反射光分別照射在各自的傳感器上,其周期性的波形以數(shù)字量存于計(jì)算機(jī)中。在無(wú)載荷情況下,對(duì)傳感器感應(yīng)到的波形進(jìn)行鎖定作為參考相位;隨著

4、載荷的增加,當(dāng)前采集到的波形與先前記錄的波形之間相對(duì)位移角將由于軸的扭轉(zhuǎn)而發(fā)生變化,其變化量正比于軸的扭轉(zhuǎn)角,應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理得到相位扭轉(zhuǎn)角,則扭矩T 即可由下式確定:LGJ T = (1 其中,G -彈性剪切模量;J -極慣性矩;L -兩個(gè)激光點(diǎn)產(chǎn)生的軸段的長(zhǎng)度,G 和J 可以通過(guò)查取相關(guān)手冊(cè)計(jì)算得到。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率P 的計(jì)算,由公式*T P =可得:=LGJ P (2 如果保持轉(zhuǎn)速不變,則由(2可看出P 與成線(xiàn)性關(guān)系,即P 。為了方便討論,這里設(shè)L GJK =,即K 為常數(shù),則表達(dá)式可以記為:=K P (3故在測(cè)量系統(tǒng)中我們只要確定和即可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率P 。在實(shí)際工程測(cè)量時(shí)發(fā)

5、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是可知的,有相應(yīng)指示儀表顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,因此,功率測(cè)量只需測(cè)量軸在扭轉(zhuǎn)前后信號(hào)所產(chǎn)生的相位差即可。3功率測(cè)量系統(tǒng)一個(gè)LabVIEW 程序包括三個(gè)主要部分:前面板、程序框圖、圖標(biāo)/接線(xiàn)端口。前面板是LabVIEW 程序交互式圖形化用戶(hù)界面,用于設(shè)置用戶(hù)輸入和顯示程序輸出,目的是仿真真實(shí)意義的前面板?？驁D程序則是利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上的控制量和指標(biāo)量進(jìn)行控制。圖標(biāo)/接線(xiàn)端口用于把LabVIEW 程序定義成一個(gè)子程序,以便在其它程序中加以調(diào)用,這使得LabVIEW 得以實(shí)現(xiàn)層次化、模塊化編程。LabVIEW 提供了大量的函數(shù)庫(kù)和高級(jí)的分析子VI ,用戶(hù)只需要調(diào)出代表儀器功能、操作、數(shù)據(jù)處理、輸

6、出顯示的圖標(biāo),輸入相關(guān)的配置參數(shù),連接好類(lèi)似數(shù)據(jù)流程的框圖,就完成了全部的編程工作。3.1 功率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率測(cè)量系統(tǒng)由激光發(fā)射器、光電式傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)幾部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。在LabVIEW 中開(kāi)發(fā)的程序稱(chēng)為虛擬儀器VI ,VI 可在LabVIEW 環(huán)境下運(yùn)行,也可以在被編譯成獨(dú)立的可執(zhí)行文件。在LabVIEW 中,通過(guò)把復(fù)雜任務(wù)按功能模塊分解并編制成相應(yīng)的VI ,實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器軟件的層次化和模塊化。 圖1 功率采集系統(tǒng)框圖一個(gè)VI 由兩部分組成:前面板front panel 和流程圖block diagram ,前面板模仿物理儀器與用戶(hù)之間的人機(jī)交互;通過(guò)在

7、流程圖中對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入輸出進(jìn)行指定,完成對(duì)虛擬儀器所有的信號(hào)采集,實(shí)時(shí)顯示。前面板程序用來(lái)提供用戶(hù)與功率顯示儀的接口,它產(chǎn)生一個(gè)友好的用戶(hù)界面,用于顯示測(cè)量的結(jié)果;另一方面,用戶(hù)可以通過(guò)控制前面板上開(kāi)關(guān)和按鈕,模擬傳統(tǒng)儀器的操作,通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器的控制。本文設(shè)計(jì)功率采集系統(tǒng)的前面板如圖2所示,可以實(shí)時(shí)顯示采集到的時(shí)序波形以及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)大小,通過(guò)FFT 我們可以很方便的看出信號(hào)的頻率,另外我們可以看到實(shí)時(shí)顯示的兩列信號(hào)的周期波形。通過(guò)前面板我們可以輸入相應(yīng)的信號(hào)采樣控制信息。流程圖程序是虛擬儀器的圖形化源代碼,與前面板相對(duì)應(yīng),連線(xiàn)表示了信號(hào)的流向,它是利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上控制量

8、和指示量進(jìn)行控制,它使用所見(jiàn)即所得的編程方法,使用戶(hù)有一個(gè)直觀(guān)的印象。功率采集系統(tǒng)流程圖如圖3所示,其中包含了波形采集、波形顯示、信號(hào)FFT 變換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分。波形采集部分,通道數(shù)可以在開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)由用戶(hù)自定義,0通道或1通道或兩通道同時(shí)采集,程序由AI Config 、AI Start 、AI Read 、AI Single Scan 和AI Clear 組成。其中用了Max&Min 與一個(gè)移位寄存器控制對(duì)采樣數(shù)據(jù)的讀取速度;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分由Current VIs Path 、Strip Path 、Build Path 、Open/Creat/Replace File 、Write

9、 File 和Write To Spreadsheet File 組成,另外采用了Format into String 的功能定義了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式,并用Get Data/Time String 功能返回每次測(cè)量的時(shí)間。 圖2 功率采集系統(tǒng)前面板 圖3 功率采集系統(tǒng)程序框圖3.2 數(shù)據(jù)分析處理方法。為了便于特征信號(hào)的提取,測(cè)試功率測(cè)量系統(tǒng)要需測(cè)量軸扭轉(zhuǎn)前后兩束激光信號(hào)產(chǎn)生的相位差前要先在軸上貼一小段反射帶,增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度,信號(hào)在反射帶正對(duì)激光束時(shí)強(qiáng)度最大,產(chǎn)生信號(hào)極值點(diǎn),從采集到的實(shí)時(shí)波形圖上我們可以明顯看出。系統(tǒng)中研究了相位差測(cè)量方法。采用的是譜分析法測(cè)相位,其原理是通過(guò)Amplitude a

10、nd Phase Spectrum 子程序求取兩列信號(hào)的頻域特性,取兩信號(hào)相頻特性曲線(xiàn)中對(duì)應(yīng)于信號(hào)各頻率分量的相位值,再根據(jù)采樣信號(hào)的周期數(shù)用Index Array函數(shù)確定兩個(gè)信號(hào)主頻分量的相位,將其相減即得相位差。為了便于觀(guān)察分析,將測(cè)量相位差數(shù)據(jù)保存在指定文件下,另外為了能夠在試驗(yàn)結(jié)束后再次對(duì)試驗(yàn)中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,程序設(shè)計(jì)將實(shí)時(shí)采集到的時(shí)序波形數(shù)據(jù)也保存到同一文件下,利用所編程序可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放及分析處理等功能。數(shù)據(jù)回放程序前面板及程序框圖如圖4、圖5所示。 圖4 數(shù)據(jù)回放前面板 圖5 數(shù)據(jù)回放程序框圖4 結(jié)論隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的測(cè)試系統(tǒng)必然得到

11、極大的發(fā)展。虛擬儀器設(shè)備及技術(shù)用最小的代價(jià)和最先進(jìn)的技術(shù)滿(mǎn)足了測(cè)試技術(shù)的不斷更新,必將對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響,達(dá)到“軟件即儀器”的效果。本文借助于激光信號(hào),利用Labview虛擬儀器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)硬件與計(jì)算機(jī)軟件的有效結(jié)合,開(kāi)發(fā)出的功率測(cè)量系統(tǒng),可以準(zhǔn)確完成功率信號(hào)采集,達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)控要求,使用簡(jiǎn)單直觀(guān),為采用非接觸的方式測(cè)量剛性轉(zhuǎn)子扭矩提供了一種新的實(shí)際可行的測(cè)試手段。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):將虛擬儀器開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率測(cè)量,開(kāi)發(fā)非接觸式測(cè)試軸功率技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 丁鋒. 利用激光散斑測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率. 遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2004(增刊.2 周井玲吳國(guó)慶. 基于LabVIEW的振

12、動(dòng)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā).微計(jì)算機(jī)信息,2004(09.3 劉倩王玉柱等. 基于LabVIEW的虛擬相位差計(jì)的研制. 微計(jì)算機(jī)信息,2005(04.4 楊樂(lè)平李海濤肖相生等編著. LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社2001.A Phase Difference Method for IC Engine shaft power Measurementbased on LabVIEWWANG Yong-gao XUE Dong-xin SONG Xi-geng(Institute of Internal Combustion Engine, Dalian University of Techno

13、logy, Dalian 116023, China Abstract:This paper introduced a new non-connect method for the IC Engine power measurement based on the LabVIEW developing platform. It could auto-collect the output signals of the IC Engine shaft power, process the data and display the result and realize the real-time co

14、llection of the power signals.Key words: LabVIEW; Virtual Instrument; Signal collection; non-contact基金項(xiàng)目:國(guó)防科工委基金項(xiàng)目(編號(hào):96J23.1.3郵編:116023聯(lián)系地址:遼寧省大連市大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所;作者簡(jiǎn)介:王永高,男,生于1981年12月11日,漢,大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院碩士研究生,研究方向:測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理;郵箱:yonggao1211;導(dǎo)師:薛冬新,女,大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院內(nèi)燃機(jī)研究所主任,副教授;Brief introduction of author: Wang Yong-gao, borned in 11 Dec 1981, master of College of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Direction of re