基于LabVIEW的振动传感器灵敏度校准.doc

基于LabVIEW的振动传感器灵敏度校准李小文 (株洲南车时代电气股份有限公司 技术中心，湖南株洲 412001) 摘要：介绍了对振动传感器灵敏度进行正弦激励校准的系统组成及工作原理；讨论了基于LabVIEW的振动传感器灵敏度校准的系统设计与实现方法。经过试验及现场使用证实：系统工作稳定可靠，为振动传感器灵敏度的校准提供了技术手段。关键词： LabVIEW；振动传感器；灵敏度；校准Calibration of Vibration Transducers Sensitivity by LabVIEWLI Xiao-wen(Technology Center, Zhuzhou CSR Times 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 and 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 引言随着列车的不断提速和全周转公里的增加，机车走行部状态监测及故障诊断系统（以下简称“故障诊断系统”）作为行车安全的重要保障，不可或缺。而故障诊断系统完全依靠安装在机车轴承上的振动传感器获取振动信息，然后再对其进行处理、分析，所以，各振动传感器灵敏度的一致性显得尤为重要。由于生产工艺上的差异，生产出来的振动传感器其灵敏度不可能完全一致，这就需要对生产的每一个振动传感器进行灵敏度校准，通过改变振动传感器内部电路的放大倍数使其灵敏度均达到同一范围。系统是基于虚拟仪器的理念设计的；软件是基于LabVIEW开发的。虚拟仪器是用计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用户可以根据需要定义并实现传统仪器的功能。在这种模式下，传统的硬件设计不再是系统的主体，性能改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要增添新的仪器设备。因此，系统具有开发周期短、成本低、维护简单、可移植性强等特点。1 系统组成系统硬件由工业控制计算机（以下简称“工控机”）、NI 6221多功能数据采集卡、信号调理板、激振器、功率放大器、电荷放大器、标准传感器、支撑螺杆、接插件及连接线组成。系统软件是基于NI公司的Labview开发的用户软件。1.1 系统框图图1 系统框图1.2 系统原理本系统采用正弦激励二次校准法对振动传感器的灵敏度进行校准，其设计原理如下： 1）通过工控机的用户软件向多功能数据采集卡发出正弦信号输出指令，多功能数据采集卡便会给功率放大器提供一组一定频率、一定幅值的正弦信号。功率放大器对此信号进行放大后驱动激振器，使其产生机械振动。标准传感器和待测传感器通过支撑螺杆固定在激振器上，所以当激振器启振时，会对标准传感器和待测传感器产生同一轴线上大小相等的振动冲击。需要特别说明的是：支撑螺杆的使用在系统中显得非常重要，因为它可以使标准传感器和待测传感器受到的振动的方向在同一轴线上。 2）标准传感器和待测传感器受到正弦激励后会产生相应的电信号：标准传感器产生电荷信号；待测传感器产生电流信号。标准传感器的电荷信号输入到电荷放大器进行处理，经过电信号转换、放大后输出电压信号；待测传感器的电流信号输入到信号调理板进行处理，经过电信号转换、放大、带通滤波后输出电压信号。3）通过多功能数据采集卡将经电荷放大器和信号调理板处理后的信号采集入工控机。最后，用户软件将采集的数据进行软件滤波、计算、分析得出结论。2 系统设计 系统设计包括硬件设计、参数计算、软件设计三部分。由于此系统是基于虚拟仪器的设计理念，所以，硬件部分相对简单，不再嗷述；而参数计算和软件设计部分非常关键，下面将重点介绍。2.1 参数计算1）灵敏度的计算 系统对标准传感器与待测传感器施加同样正弦激励，通过比较得出待测传感器的灵敏度。以下是求出灵敏度的计算：参数定义：工控机采集到标准传感器一路的电压有效值：VB （v）工控机采集到被测传感器一路的电压有效值：VC （v）振动台面产生的振动加速度： g （g）标准传感器的灵敏度： B （PC/g）被测传感器的灵敏度： C （A/g）电荷放大器的转换综合放大倍数： KB信号调理板的转换综合放大倍数： KC计算：标准传感器一路： （1）被测传感器一路： （2）综合（1）式（2）式可得： 化简： 2）期望电阻RP的计算 系统通过计算得到当前的灵敏度值，但要将待测传感器的灵敏度标定到一个特定的值则需要通过更换其内部电路中的电阻RP，从而改变其内部电路的放大倍数最终达到期望的灵敏度值。以下是求出RP值的计算：参数定义：第一次测试时振动传感器当前电阻： Rp1第一次测试得到的振动传感器灵敏度： 1振动传感器期望电阻： Rp2期望达到的灵敏度： 2振动传感器内部放大倍数率： 计算：第一次测试的灵敏度： （3）期望灵敏度： （4）综合（3）式（4）式： 化简： 2.2 软件设计软件系统基于成熟的PC技术，架构于WINDOWS2000/XP系列操作系统之上，采用LabVIEW7.1+DAQmx开发。软件对振动传感器的测试进行过程控制，为试验用户提供良好的人机界面，并显示测试结果。软件流程如图2所示：图2 软件流程图首先，程序初始化变量“最大灵敏度”、“最小灵敏度”、“平均灵敏度”、“静态恒流值”为0，再初始化变量“传感器编码”、“环境温度”、“传感器温度”、“当前RP值”、“期望RP值”、“结论”为空。接着，由多功能采集卡发生一路频率为f的正弦信号，经过放大后驱动激振器。当激振器振动稳定后，程序开始采样标准传感器和被测传感器的振动波形，并将采得的波形通过IIR4阶带通滤波器滤波，得到标准传感器波形的振幅为UB；被测传感器波形的振幅为UC。这样，依据公式可计算出被测传感器的灵敏度。程序在此频率下连续执行30次，再计算30次的平均值。若本次循环结束，激励频率则增加f后进入下一轮循环，同样计算30次的平均值作为该频率下的灵敏度值。如此循环，直到激振频率达到设定的上限频率时，结束循环。这样，可得到一个频率间隔为f的灵敏度序列，计算该序列的平均值作为该被测传感器总的灵敏度值，并利用这些数据绘制整个扫频区间的灵敏度曲线。RP值是用来调节传感器灵敏度的一个电阻值，程序根据总灵敏度和传感器当前的RP值，计算出期望的RP值。最后，程序给出该传感器是否合格的结论。用户软件的人机界面使用的都是测试工程师们熟悉的旋钮、开关、波形图等，非常直观、简洁。软件界面分成功能按钮区、波形显示区和数据结论区三部分。功能按钮区包括五个功能按钮：“开始测试”按钮可启动对传感器灵敏度的测试；“编码”按钮可对传感器进行编码；“数据保存”按钮可将测试波形和测试数据保存；“打印报表”按钮可将测试结论打印输出；“退出测试”按钮即退出用户软件。波形显示区可同时显示两路波形，分别为标准及待测振动传感器原始振动波形和待测振动传感器的灵敏度曲线。结论数据区包括灵敏度、RP值、测试结论等。测试界面如图3所示：图3 测试界面3 结束语基于LabVIEW平台开发的振动传感器测试系统集正弦激励信号输出、测试数据采集、处理和分析为一体，能迅速、准确的测试出振动传感器的灵敏度并给出期望RP值。依据测得的灵敏度值可以判断被测传感器是否合格，若不合格则根据软件中给出的期望RP值更换传感器内部电阻。现场运行情况表明：系统运行稳定，测试结论真实可靠。未来，市场对测试设备的要求越来越高：产品设计周期更短、人机交互更友好、测试操作更简单等。而基于虚拟仪器的设计理念以及LabVIEW简单的编程环境使系统结构简单、模块化程度高、开发周期短，成本较低。参考文献1 宋宇峰. Labview逐步深入与开发实例M.北京:机械工业出版社,2003.2 样乐平，李海涛，肖相生. LabVIEW程序设计与应用M.北京: