金平-基于labview的位移測量

1、1.1位移測量的虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行位移測量的虛擬儀器系統(tǒng)組成如圖1所示，圖1中位移傳感器肓 接作用于被測量，按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采用保持、多路復(fù)用和放大。計算機(jī)作為虛擬 儀器載體，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算、存儲和顯示。位移測量程序是在l abv iew平臺上開發(fā)的位移測量虛擬儀器軟件。圖1位移測量的虛擬儀器系統(tǒng)1.2 pc i m io 16e 4數(shù)據(jù)采集卡pc i m 10 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

2、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a6d轉(zhuǎn)換兩部分，即 前向通道，主要性能指標(biāo)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(shè)置):1,2, 5, 10, 20, 50, 100o(4) 量程：分為±10 v和0 10 v兩種。分別對應(yīng)信號為雙極性輸入方 式和單極性輸入方式。(5) 分辨率：12 bo(6) 單通道最大采樣率:5x105次d s。1. 3數(shù)據(jù)采集的信道設(shè)置在多信道數(shù)據(jù)采集或輸出系統(tǒng)屮，必須為數(shù)據(jù)采集設(shè)備指定對某個信道 進(jìn)行操作，這就是信

3、道定址。信道定址通過在數(shù)據(jù)采集vi的信道表參數(shù) channel l ist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 出的順序掃播信道，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m easurement & a utomat ion exp io rer中對信道進(jìn)行設(shè) 置。打開 m easurement &a utomat ion exp io rer 后在 data n eighbo rhood選項上擊右鍵，再由下級菜單上點(diǎn)擊create n ew彈出信道向?qū)В?在他的引導(dǎo)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

4、、使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。在m easurement &a utomat ion exp io rer中設(shè)置的信道名即可寫入信道表參數(shù)channelso信道表可以 是一個信道名，也可以是一個信道名數(shù)組。1.4位移測量前面板的設(shè)計打開前面板窗口，按以下方法與步驟設(shè)計前面板：(1 )控制模板中選擇 classic cont ro is classicn umeric-*m eter,擺 放到前面板中，重復(fù)4次可設(shè)置好4個電壓表，用來顯示采集到的屯壓信 號，顯示值在誤差允許范圍內(nèi)等于傳感器輸出的電壓值。(2 )選擇 classic cont ro is -* classic n umeric

5、ho rizontal po inter slide,擺放到前面板中，在此控件上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選中change to cont ro i,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，位移值使通過電壓與位移的關(guān)系曲線 轉(zhuǎn)換得來。(3)選擇 classic cont ro is-ciassic boo lean-*squarepush but ton 重復(fù) 4次即可。 選擇boo lean->ok but ton,將其按鈕名稱修改為“記錄”即可在前而 板中創(chuàng)建記錄按鈕。 選擇boo lean->stop but ton,這樣停止按鈕己創(chuàng)

6、建好。 選擇n umericn umeric cont ro i,該控件用來寫入記錄文件中第一 列信息。如寫入當(dāng)前日期或記錄次序等。將己放好的控件進(jìn)行編輯，添加文 字說明。labview提供了裝飾前面板上對象的設(shè)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(nèi)， 鼠標(biāo)選取其中任一裝飾板，將這個控件放置于已有的控件z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(biāo)選中該控件，在工具欄 點(diǎn)擊“reorder”，在其下拉菜單中選中“ movetoback”，這時被裝飾控 制覆蓋的其他控件全部可見了。如圖2所示為創(chuàng)建的多通道位移測量儀

7、面 板圖。1.5與前面板對應(yīng)的流程圖窗口的設(shè)計流程圖窗口的設(shè)計是為了前面板控制件、顯示件及按鈕的功能得以實現(xiàn)。11511模擬輸入外部信號(如電容傳感器輸出的電壓) 的引進(jìn)，這里使用了 a i samp le 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m easurement &a utomat ion中創(chuàng)矗好，他們分別對 應(yīng)于通道0, 1,2, 3o samp le輸出端默認(rèn)是輸出波形，這里只需單個數(shù)值, 所以要在其輸出端點(diǎn)擊鼠*示右鍵選select typ

8、e-*scaled v alueo圖2多通道位移測量儀的面板由于電壓信號的閃動性，這里使用for loop循環(huán)結(jié)構(gòu)和取平均值的 模塊（a nalyze -*m athemat ics probability and stat ist ics-m eanlvi）, 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(shè)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(biāo)，在所有應(yīng)在for循環(huán)內(nèi)執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)左上角區(qū)域點(diǎn)擊一下鼠 標(biāo)，然后按住鼠標(biāo)向右下角拖動，盲到虛線框包圍所有應(yīng)在fo r循環(huán)內(nèi)執(zhí) 行的節(jié)點(diǎn)

9、，松開鼠標(biāo)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(qiáng)制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)前執(zhí)行的次 數(shù)。循環(huán)次數(shù)是從0開始計數(shù)的。這里外部設(shè)備是電容式位移傳感器。位 移的范圍是025 mm,每改變015 mm的位移量就測量一次輸出電壓 值。在這之前首先要對位移傳感器進(jìn)行校零，因為當(dāng)位移為零吋，在

10、理想狀 態(tài)下輸出屯壓值應(yīng)該為零，但實際測出的電壓不為零，記下當(dāng)前電壓值（補(bǔ) 償值），在以后測量屮，輸出電壓值都要進(jìn)行補(bǔ)償（即減去補(bǔ)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岀 電壓值；“電壓（理論值）”顯示件用來顯示補(bǔ)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(dāng)前位移值；運(yùn)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(dāng)前位移值與兩種電壓值；“復(fù) 位”按鈕是當(dāng)程序開始運(yùn)行時，對電壓表示值進(jìn)行清零處理；當(dāng)取滿51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(guān)系曲線 的形式顯示在右側(cè)圖表里；“位移與電壓曲線”顯示

11、圖表用來顯示位移與上 述兩種電壓的關(guān)系曲線；數(shù)字顯示件則顯示出具體的函數(shù)關(guān)系。對理想電壓與位移的關(guān)系曲線進(jìn)行分析與處理，將曲線以位移0 315,3152115,2115- 25分為三個區(qū)域。第一區(qū)間和第二區(qū)間近似為 y = kx + b的直線，第三區(qū)間近似為恒值。選擇a nalyze m athemat ics curvef it t ingl iner f itlvi如圖4所示，“y ”接線端連接位移數(shù) 列，“x ”接線端連接理想電壓數(shù)列即可。2. 2.4步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成和應(yīng) 的角位移或線位移的控制電動機(jī)。說通俗點(diǎn)，就是給一個電脈沖，步進(jìn)電 動

12、機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度或者前進(jìn)一步，因此，步進(jìn)電機(jī)也稱脈沖電動機(jī)。步 進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行 控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信 號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，因 此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的角位移或線位移量與電脈沖個數(shù)成 正比，它的轉(zhuǎn)速或線速度與電脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān) 系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化。通過改變脈沖頻率 的高低可以在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，并能進(jìn)行快速啟動、制動 和反轉(zhuǎn)。目前，數(shù)字技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，推動了步進(jìn)電機(jī)的

13、發(fā)展。本設(shè)計針對目前各個領(lǐng)域?qū)ψ詣踊男枰?，采用stc89c51單片機(jī) 與l297, l298n驅(qū)動芯片驅(qū)動多臺步進(jìn)電機(jī)同時獨(dú)立工作，將它應(yīng)用于各 種復(fù)雜的控制領(lǐng)域，能使許多半自動控制的系統(tǒng)完全成為真正的全自動， 特別是用在機(jī)器人等領(lǐng)域，能極大的提高生產(chǎn)力和降低勞動強(qiáng)度。由于步 進(jìn)電機(jī)具有快速啟動、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床，繪圖儀, 打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。本課程設(shè)計根據(jù)各種電機(jī)的性能比較，最終選定步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)， 位橫梁的移動提供驅(qū)動力，實現(xiàn)了彈簧壓力測量系統(tǒng)的自動控制。2. 2. 5壓力傳感器 壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)

14、自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、 軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡單介 紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓 力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、 諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式 壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面 我們主要介紹這類傳感器。在了解壓阻式力傳感器吋，我們首先認(rèn)識一下電阻應(yīng)變片這種元件。 電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器 件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主

15、要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的 是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片 和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在 產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn) 生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。 這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng) 變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是a /d轉(zhuǎn)換和cpu ）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)課程要求，選用壓拉力傳感器，將其應(yīng)用于彈簧壓拉力的測量。2. 2.6配電控制箱配電箱是按按電氣接線要求將開關(guān)設(shè)備、測量儀表、

16、保護(hù)電器和輔助 設(shè)備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上，構(gòu)成低壓配電裝置。正常運(yùn)行 時可借助手動或自動開關(guān)接通或分?jǐn)嚯娐?。故障或不正常運(yùn)行時借助保護(hù) 電器切斷電路或報警。借測量儀表可顯示運(yùn)行中的各種參數(shù)，還可對某些 電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對偏離正常工作狀態(tài)進(jìn)行提示或發(fā)出信號。常用于各 發(fā)、酉己、變電所中。按結(jié)構(gòu)特征和用途分類：（1）固定面板式開關(guān)柜，常稱開關(guān)板或配電屏。它是一種有面板遮攔 的開啟式開關(guān)柜，正面有防護(hù)作用，背面和側(cè)面仍能觸及帶電部分，防護(hù)等級低， 只能用于對供電連續(xù)性和可靠性要求較低的工礦企業(yè)，作變電室集中供電用。（2）防護(hù)式（即封閉式）開關(guān)柜，指除安裝面外，其它所有側(cè)面都被 封閉起

17、來的一種低壓開關(guān)柜。這種柜子的開關(guān)、保護(hù)和監(jiān)測控制等電氣元件，均安裝在 一個用鋼或絕緣材料制成的封閉外殼內(nèi)，可靠墻或離墻安裝。柜內(nèi)每條回路之間可以不加 隔離措施，也可以采用接地的金屬板或絕緣板進(jìn)行隔離。通常門與主開關(guān)操作有機(jī)械聯(lián)鎖。 另外還有防護(hù)式臺型開關(guān)柜（即控制臺），面板上裝有控制、測量、信號等電器。防 護(hù)式開關(guān)柜主要用作工藝現(xiàn)場的配電裝置。（3）抽屜式開關(guān)柜。這類開關(guān)柜釆用鋼板制成封閉外殼，進(jìn)出線回路 的電器元件都安裝在可抽出的抽屜中，構(gòu)成能完成某一類供電任務(wù)的功能單元。功能 單元與母線或電纜之間，用接地的金屬板或塑料制成的功能板隔開，形成母線、功能單 元和電纜三個區(qū)域。每個功能單元之間

18、也有隔離措施。抽屜式開關(guān)柜有較高的可靠性、安 全性和互換性，是比較先進(jìn)的開關(guān)柜，目前生產(chǎn)的開關(guān)柜，多數(shù)是抽屜式開關(guān)柜。它們適 用于要求供電可靠性較高的工礦企業(yè)、高層建筑，作為集中控制的配電中心。(4) 動力、照明配電控制箱。多為封閉式垂直安裝。因使用場合不同, 外殼防護(hù)等級也不同。它們主要作為工礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的配電裝置。根據(jù)課程要求，選擇固定而板式配電箱作為設(shè)備的開啟和運(yùn)行，配電 箱保證了彈簧拉壓力測量系統(tǒng)的安全，方便。2. 2. 7 pc 機(jī)pc機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)：主板、cpu (中央處理器)、主要儲存器(內(nèi)存)、 擴(kuò)充卡(顯示卡 聲卡 網(wǎng)卡等 有些主板可以整合這些)、電源供應(yīng)器、光 驅(qū)、次要儲存器

19、(硬盤)、軟驅(qū)外設(shè)：顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)(音箱、攝像頭，外置調(diào)制解調(diào)器mode m等)。本設(shè)計所需電腦主要用于ni公司的labview的運(yùn)行，和測量結(jié)果的 數(shù)據(jù)分析，所以機(jī)器的配置至少要滿足labview運(yùn)行的建議配置。2. 3彈簧拉壓力系統(tǒng)測量方法(1) 根據(jù)被測彈簧選用相應(yīng)裝夾具和彈簧芯桿，裝好彈簧。(2) 啟動中心計算機(jī)和電控箱，并檢查系統(tǒng)自檢信息。(3) 根據(jù)所測彈簧的種類(拉力或壓力)在電控箱的面板上選擇“進(jìn)”或“退”。(4) 操縱面板上的“進(jìn)”或“退”，將被測彈簧拉(或壓)到相應(yīng)的位置，由光 電編碼器數(shù)表給出位移量，由力傳感器數(shù)顯表給出相應(yīng)的力值。(5) 核對被測彈簧力的預(yù)估值與電控

20、箱面板顯示值是否為有效值，如果為有 效值則向中心計算機(jī)送數(shù)。否則，重測。(6) 按動“送數(shù)”按鈕向中心機(jī)送數(shù)，并檢查回答信號，否則重送。在測量 的過程中，可以根據(jù)具體情況分吋向計算機(jī)送數(shù)，一個彈簧測完后可以獲 得一組力值/位移數(shù)據(jù)。這組數(shù)據(jù)傳遞給計算機(jī)后，計算機(jī)可以給出彈簧力 位移曲線。一根彈簧可重復(fù)測量幾次，求平均值。5. 2力值表設(shè)計木節(jié)利用測試系統(tǒng)中應(yīng)用到的一些功能模塊對labview編程作簡單 的介紹。使用labview開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為vi。 包括三個部分:程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的 前面板。

21、在程序前面板上，輸入量被稱為控制(controls),輸出量被 稱為顯示(工ndicators)0控制和顯示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板 上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。圖 5-1是一個力值表程序的前面板。圖51力值表前面板每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用labview圖形 編程語一言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、 節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳 遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序 控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù) 流動方向。上述力值表程

22、序的框圖程序如圖52所示：圖5-2力值表的程序框圖5. 3力值測量系統(tǒng)的設(shè)計該測量系統(tǒng)是由對力值信號采集采樣、數(shù)據(jù)傳送及轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析與處 理等多個部分組成。其中數(shù)據(jù)分析與處理部分將在第七章詳細(xì)介紹，本章重 點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)接收的界面設(shè)計，主要功能是顯示原始數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于力值隨位移量變化的，對于描述這種曲線，就需要使用xy波形記錄控 件(xy graph),它是labview專門設(shè)計用于描述丫值隨x值變化的曲線。labview推出7. 0以后新增了 xy波形記錄控件的建立模塊，更方便地建 立xy波形記錄控件。本設(shè)計應(yīng)用labview8.6版制作。圖53為力值測量 系統(tǒng)的前面板。該面板直觀的反映岀了了彈簧的力值信號。豳 刨“|厠應(yīng)用程鬲習(xí)|詁臨t暦！西位移量采集圖100.70.80.9x軸