（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的转子实验台远程测控系统.pdf

摘要 远程对象的测控在许多领域已经有了，1 泛的应用，对不宣在现场操作的工程应用系统通过网 络技术和虚拟仪器技术进行远程的测量和控制已成为测控领域的热点。虚拟仪器是仪器技术发展 的新阶段，它是实现远程测控系统的基础和主要手段。i n t e r n e t 在世界范围内的迅猛发展和普及， 为仪器、设备的异地共享提供了新的途径。虚拟仪器技术和网络技术的有机结合，就诞生了一种 新型的测控系统网络测控系统。 本课题咀多功能转子实验台为测控对象，结合l a b v i e w 这种专业的测控工具，构建基于 i n t e r n e t 的集实时数据采集、分析和现场视频监控功能于一体的多功能转子试验台远程测控系 统。本文对远程测控系统的总体方案设计、现场测控系统的配置、虚拟仪器系统软件开发、网络 测控环境的构建及转子实验台视频监控等方面进行了深入的讨论。充分利用l a b v i e w 的强大的网 络通讯功能，采用远程面板技术，构建基于b s 网络模型的远程测控系统。视频监控是远程测控 系统的重要组成部分，数字网络视频监控是视频监控系统的最新发展，采用网络视频服务器，将 转子实验台的影像通过网络传至客户端。通过修改l a b v i e ww e bs e r v e r 创建的h t m l 网页，将测 控系统前面板和视频影像整合到一个页面内，使客户端更加方便、直观地对转子实验台进行远程 测量和控制。本文初步建立了一个网络测控系统，为不同地域的科技人员资源共享提供了新的途 径。 关键词：虚拟仪器 l a b v i e w 转子试验台远程测控视频监控 i l a b s t r a c t m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fr e m o t eo b j e c th a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nm a n yf i e l d s m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o la r ei nv i r t u eo fn e t w o r ka n dv i r t u a li n s t r u m e n ti ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ss y s t e mt h a tl o c a l m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la r en o ts u i t a b l e ，a n di th a sb e c o m eah o t s p o ti nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l f i e l d v i r t u a li n s t r u m e n ti st h en e wp h a s eo fi n s t r u m e n td e v e l o p m e n t i ti st h eb a s ea n dm a i nm e t h o do f r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 t h ef a s td e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no fi n t e r a c ts u p p l yan e w a p p r o a c ht ot h er e m o t es h a r eo ft h ei n s t r u m e n ta n de q u i p m e n t t h ec o m b i n a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t w i t hi n t e m e tp r o d u c e san e wm e t h o do fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r os y s t e m - t b en e t w o r km e a s u r e m e n t a n dc o n t r os y s t e m 。 i n t h i st h e s i s , t h em u l t i - f u n c t i o n a lr o t o rt e s i - b e di st h eo b j e c to fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 t h e s y s t e mt h a ti sd e s i g n e dw i t ht h ep r o f e s s i o n a ls o f e 【j b v i b wi n c l u d e sr e a l - t i m e l yd a q 、d a t a p r o c e s s i n g 、v i d e ow a t c he c t t h ep a p e rd i s c u s s e st h et o t a lp r o j e c to fr e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m 、t h ec o n f i g u r a t i o no fl o c a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 、s o f tp r o g r a m m eo fv i r t u a l i n s t r u m e n t 、t h em e t h o do ft h en e t w o r km e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la n dan e wm e a n so fv i d e ow a r c h s y s t e me t cd e i t a i l y f u l l yu s i n gl a b v i e wp o w e r f u ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n da d o p t i n g r e m o t ep a n e lt e c h n o l o g y , r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h er o t o rt e s t - b e di sc o n c e i v e d b a s e do nb sm o d e l v e d i ow a t c hi sa ni m p o r t a n tp a r to fr e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m d i g i t a la n dn e t w o r kv e d i ow a t c hi st h en e wd e v e l o p m e n to fv e d i ow a t c hs y s t e m a d o p t i n gn e t w o r k v e d i os e r v e r , t h ev e d i oo ft h er o t o rt e s t b e di st r a n s m i t t e dt oc l i e n t st h r o u g h tn e t w o r k t h ef r o n tp a n e l o fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h ev e d i oo ft h er o t o r2 r e s t b e da r ec o n f o r m e di n t oas i n g l e p a g et h r o u g h ta m e n d i n gt h eh t m l f i l ee s t a b l i s h e db yl a b v i e ww e bs e r v e r , i ti sm o r ec o n v e n i n e n t a n di n t u i t i o n i s t i cf o rt h ec l i e n t s t h e p a p e rb u i l d sar e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m p r i m a r i l y , a n di ts u p p l i e san e wf o r mo fr e s o u r c es h a r ea m o n gt h es c i e n t i s ta n dt e c h n i c i a n k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l i l l a b v i e w r o t o r t e s t b e d v i d e ow a t c h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 衅压 时间： 5年f 月fr 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 衅应 瓣 时间：2 4 年s 月f r 日 时间：q 瞄6 年6 月矿日 1 1 国内外研究发展现状 第一章绪论 近年来，随着i n t e r n e t 的广泛应用，计算机技术、信息技术也随之得到了迅猛的发展。 促使与之相关产业也逐渐走向成熟。人们传统的生活方式不仅产生了巨人的改变，同时在工业领 域也引起自动化控制结构的深刻变革。网上图书馆、电子商务和网上虚拟医院已被大家所熟知t 核电站监控、石油输送管道远程监控、电网运行监控和机器人的远程控制等领域得到了广泛的应 用。基于i n t e r n e t 的远程测控系统实现了数据异地共享，具有信息传递快捷和不受时空限制等优 点，推动着测控技术向着网络化、分布性和开放性的方向发展，这种发展趋势使测控系统功能的 扩展更加灵活，性能不断提高，使用更加简便。 远程测控技术的发展历程是与网络通讯和传输技术的发展密切相关的，共经历了三个不同发 展阶段：首先是应用专线的远程测控系统，它们有专用传输控制协议，如r s - - 2 3 2 c 、i e e e 一 4 8 8 ( g p i b 博，并产生了与以上协议相应的专用硬件。显然，这种远程测控体系具有很大的局限 性，不仅需要大量设备和资金投入进行专用网络建设和专用软硬件的配置，整个体系缺乏通用性， 所以没有能够广泛的发展。 第二个阶段是局域网开始出现，并逐步取代专用网络，通用网络协议也相应取代专业网络协 议，t c p d p 基本上成为应用最广泛流行的协议。这种新的网络技术的发展使远程测控整个体系结 构的更加灵活、系统构造的周期缩短、难度降低，这样就使远程测控系统向前迈进了一大步。客 户朋r 务器( c l i e n t s e r v e r ) 珂模式得到广泛的应用，但是，客户服务器模式存在着一个很人的缺 点，就是对用户端的需求较高客户端必须安装、配置和维护本系统专用的客户端软件。在很多 情况下，尤其是客户端软件的安装和配置比较复杂时，一旦软件配置或者安装不正确，就很可能 会使系统无法工作，并且客户端软件的维护和升级不易进行，当服务器端改变时会导致客户端现 有软件不可用。这样就违背了远程测控的开放性和通用性的宗旨 第三个阶段是i n t e m e t 开始山现和并得到广泛的应用，网络技术的飞速发展，给远程测控的 进一步发展提供了技术支持。浏览器币ih 1 t r p 协议在全球范围的得到了广泛应用。原来基于基于 局域网的企业开始使用i n t e r n e t 来构建自己的企业网，下是诞生了一种新型的网络模式浏览器朋 务器( b r o w s e s e r v e r ) 结构，并获得了快速的发展，逐渐取代了c s 结构1 1 j ，b s 结构是由c s 结构变化发展而来的( b r o w s e s e r v e r ) ，只需要一个网络接口和一台安装了浏览器的计算机，用 户就可以通过浏览器实现全球范围内的远程测控。可见基于浏览器的客户端朋务器的通信方式比 c s 结构更为高效，是一个真正开放的系统，为客户朋务器模式的软件安装、配置问题提供了满 意的解决方案。b s 工作模式下，用户只需在客户端装有通用的浏览器，就可以向网络上的某一个 w e b 服务器提出请求。w e b 服务器对用户身份进行验证后，接受用户的请求，执行相应的扩展应 用程序与数据库服务器进行连接擞据库服务器接受w e b 服务器对数据操作请求后，实现用户对 数据查询、更改、更新等功能，把运行结果提交给w e b 服务器。w e b 服务器利用 r m 协议把 运行结果通过主页形式传到客户端，客户机接收传来的主页文件，并把它显示在w e b 浏览器上。 i n t e r n e t 技术和工业控制技术相结合，促使了远程测控技术的飞速发展。远程测控已成为国内 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 外研究的前沿课题，并取得良好的进展。中国科学院等离子体物理研究所的m 二7 超导托卡马克装 置规模大、参数多。整个系统采用不同类型的计算机，操作系统也不同，而且各个子系统的控制计 算机分布在不同的实验现场，相距甚远。实验的特殊性要求控制系统能完成实时控制，而且各功能 子系统间的数据传输量也大。为实现整个系统的实时监控及诊断保护，系统采用了基于交换式快速 以太网的网络技术，利用基于t c p ，i p 协议的s o c k e t 网络编程，不仅实现了数据共享、高速可靠的数 据传输，而且系统具有组网简单、升级方便和高的性能价格比等优点。由西安交通大学开发的基 于i n t e r n e t 的快速成型和快速加工技术，只要用户安装w w w 浏览器，就可以通过h t t p 获得远程 服务部t s b ( t e t e - s e r v i c eb u r e a u ) 在线技术支持和数据交换。比如提供3 dc a d 文件和物理模型， 加工测试数据反馈给t s b 等。1 9 9 8 年，s w i s sf e d e r a l 技术学院的e s a u c y 博士进行了基于i n t e m e t 的移动机器人的远程控制实验【2 i 。 远程测控技术应用在科研教育领域的前景也十分的广阔，建立网络虚拟仪器实验室，进行远 程教育，是教育方法和实验手段的革命性的突破f ”。美国维吉尼亚大学、依阿华州立大学等通过 高速计算机网络，把分布在不同地区的实验室连结起来，促进实验资源的共享；新加坡国立大学 建立了基于网络的远程实验室，用户可以通过浏览器进行异地访问、实验在线图像浏览、通过鼠 标对实验室中相关控制和调节按钮进行远程操作。美国卡耐基一梅隆大学( c a r n e g i em e l l o n u 。i v e r s i t y ) 的虚拟实验，将计算机控制的示波器、函数发生器等设备连接到网络，实现了学生远 程的控制与操作。新加坡国立大学( t h e n a t i o n a l u n i v e r s i t y o f s i n g a p o r e ) 先后实现了频率调制、 示波器、直升机仿真、机器人足球等六个网络虚拟实验，接受了来自几十个国家上万人次的远程 实验访问。在国内，清华大学、西安交通大学、上海交通大学、华中科技大学、北京邮电大学、 北方工业大学和中科院上海原子核研究所等科研单位都进行了很多前期性基础研究工作。东南大 学、重庆大学等高校和一些研究所也都已经开始做这方面的研究工作，借助于现代计算机和网络 技术，研究设备远程控制的关键技术问题，开发远程实验系统，通过网络向全国开放实验室的技 术和设备，最大范围实现实验资源的有效利用和共享1 4 j 。 基于i n t e r n e t 的远程测控技术正在逐渐走向成熟。利用远程测控系统进行监控，它将实现实时 测虽和控制、及时消除隐患、提高系统的可靠性，还可以提高工作人员的效率，节省人力和财力。 另外远程测控系统将与企业网融合在一起，使企业的生产、管理、销售和科研真正实现在一个统一 的大系统中，使企业的内部资源达到摄优配置和外部条件达到最佳利用，在竞争中处于有利位置。 1 2 选题背景和意义 目前我们组建一个性能优异的现场测控系统，是比较容易实现的，虚拟仪器硬件己形成了产 品化，只需根据自己的测试需要进行选择即可。专业测控软件如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 等也 已经推出。但是，现场测控系统必须要有人干预，在许多条件恶劣、有毒、危险以及过于偏僻的 环境中无法解决测控问题。因此，急需一种更好更新的方法来实施测量和控制。 网络化是虚拟仪器技术发展的趋势，虚拟仪器给现场测控技术带来了新的活力，借助计算机 强大的数据处理和图形显示功能，使现场测控系统的开发周期短而功能强大。网络技术迅猛发展 为远程测控技术提供了庞大的网络通信条件和技术基础，使得远程控制和资源共享成为可能。虚 拟技术和网络技术的发展为远程测控技术的发展提供了技术支持，将虚拟技术和网络技术有效结 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 合起来开发远程测控系统是目前人们关注的一个重点和热点。 基于i n t e m e t 的远程测控系统的研究和实现可以为远程监控、远程诊断、远程教育等技术的 发展提供技术基础，本课题可以作为远程测控和远程实验的一个初步的尝试和探索，以便进一步 开展网络远程测控技术和远程实验系统的研究”j 。 1 3 本课题的主要工作 经过对国内外远程测控技术的深入研究，以多功能转子试验台为实验对象，结合现有的实 验设各，研究和开发多功能转子远程测控系统。本文在网络和虚拟仪器方面进行以下研究和开发 工作： 夺 转予实验台远程测控系统总体结构设计： 夺 研究抗干扰的方法、设计信号调理模块； 夺 开发现场测控系统，包括数据采集卡及各传感器的配置、l a b v i e w 平台下数据采集、振 动分析、电机转速测量和控制等； 审 研究网络环境下远程测控系统的实现方法和技术： 夺对转子实验台现场视频监控方案进行研究。 3 第二章远程测控系统总体结构 本章讨论了整个小型多功能转子远程测控系统的总体结构，整个系统分为两个部分，即硬件 平台和软件系统。硬件平台包括多功能转子实验台、直流电机转速控制器、测控系统和现场视频 监控设备；软件系统主要包括现场测控软件、网络测控软件，根据所选网络模型和软件开发平台 的不同各异。 系统总体结构示意图如图2 ，l 所示。转子试验台是本系统的测控对象；系统服务器功能包括 两方面，一方面作为试验服务器连结转子试验台，通过数据采集系统和控制系统完成对试验台的 测控，同时作为w e b 服务器和网络管理服务器，负责网络接入，响应用户的h t t p 请求并建立远 程用户访问试验服务器的通道；云台与摄像头、视频服务器完成视频图像的采集和传输，使用户 能够在远端通过访问视频服务器来监控转子试验台现场的实际工况。 本系统能实现的功能如下： 0 ) 远程数据采集与处理功钱遵过i n t e r n e t 远程对转子试验台艴各种运铃参数进行捡测和 登蛩的处理，为其体实验操作入爨撵供详实薛数瓣，班倭子筏翻分析、了解实验室内转子试验裔 的远行状态，监视舆体实验过程。 远程控制功能实现计算桃的全面控制和管理，用户可蛆远程控制电机转速及各种电源 的关麓，控毒g 试验静嚣始窝结束，不需入戈干预。 ( 3 ) 视频监控均髓远端用户熊够通过澍览器簸控至转予试黢台的现场裰额信号。爱对掌援 现场试验台的运转情况，如身临熊境一样。 蹦2 - 1 转予试验裔远程铡控系统结构闰 d 2 1 硬件系统 硬件系统主要由以f 各部分组成：多功能转子实验台、电机转速控制器、数据采集系统、 现场视频监控系统。四部分协同工作实现试验数据的采集和在线分析、试验台转速的控制和电源 控制、现场工况的视频监控。 2 11 转子实验台 转子试验台是本系统的测控对象。其结构如图2 - 2 。 图2 - 2 转予试验台 转子采用整体圆柱轴承支承，润滑油润滑。程轴承座上有传感器安装位置，便于轴承根部的 摄穆测量。另乡 还鸯砖惑器支桨，蠲予安装电滠滚传慧器，对不鬻位置豹辘，冬髓移避杼涮量。 本系统选用的z l l s 系列多功熊转子试验台，此试验台主要特点是结构紧凑、体积小、运转 方便、演示项目多、测试手段先谶。其结构组成主要有： 1 ) 直流电机( o 至l o o o o 转分) 。 2 ) 疯壅。 3 ) 含油轴承支座4 个。 4 )安装电涡流传感器的支康2 个。 s ) 两种类型的圆盘各1 个，可调节转动不平衡。 转予实验台可突袋静实验瑗瓣警： 1 )非接触测鬣轴心的径向和轴向位移 转速测量和控制 3 )转子结构攫式对临界转遮的影响 转子过晒嚣转速霹，赣懿擞箍及穗霞交豫 5 1 滑动轴承油膜震荡 6 ) 转子现场动平衡 2 ，2 壹滚毫季嚣转速控翱嚣 转子实验台配谶的是直流电机，电机转速由电枢电压决定，用微机实现喜流电机调速十分 方便。本系统中的电机控制采用脉冲宽度调制 10 0 m q 。 从a o 板性能参数可毗看出，这种a o 板是符合要求的。 3 1 3 轴心位移测量的信号调理 轴的径向、轴向位移信号是由电涡流传感器测量得到的，电涡流传感器是基丁高频磁场在金 属表面的涡流效应而成，可进行非接触测量i ”】。安装时，要选择合适的间隙，以保证测量范围内 正负向位移对称，对于直径为8 m m 探头，其初始间隙电压为一8 5 v o c 。电涡流传感器输出的信号 】o 中国农业大学顶士学位论文第三章转子试验台现场测控系统 是轴心位移信号和初始间隙直流电压的叠加，叠加信号的最小值超过了一1 0 v ，而本系统所采用的 数据采集卡的模拟输入范围最大为一1o v l0 v ，因此在轴心位移信号输入计算机前要滤除直流噪 声信号。本课题采用了一个高通滤波器可以有效的滤除直流成分。 滤波器是一种选频装置，它允许输入信号中的特定频率成分通过，同时抑制或极大地衰减其 它频率成分【1 ”。根据滤波器的选频特性，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种，由于 要滤除的信号足一直流信号，因此本系统设计的是一个高通滤波器，如图3 - t ： 图3 1 高通滤波器 u x 为电涡流传感器的输出信号，u y 为滤波后可以直接输入计算机的信号，r 选用的是1 k o 的电阻，c 选用的是1 0 咄f 的电容，根据公式f c i 6 2 8cr = i 6 h z ，试验证明，直流信号能够被 有效滤除，而位移信号能够不衰减的顺利通过。 3 1 4 去噪处理和信号滤波 在测控系统中，谶常要包含许多的感性负载，例如本系统的电机和p w m 电机控制器。他们在 工撵啦，会产生缀强躺电磁辐射，形袋箍嬗很大的尖峰脉冲噪声，这些噪声和所聚集躲有用信号 一起避避模拟输入遁邋输入计算橇，大大影响了僖碍分聿斤结果的霹靠性。本系统的去嗓方法是采 用信号滤波。转子实验台各信号频率范围是0 - 1 6 7 h z ，通过对噪声信号的分析，拨现噪声的频谱 与有用信号的频谱有交叠，所以用频域滤波的方法( 妇低通、高通滤波器等) 进行处理会影响信 号奉巍。造成毒蠲痿号戆失卖。蠡鬃藤鬟重城滤波豹方法( 翔孛毽滤波等) 载麓够较好弱把疆声滤 除，而信号失真很小。因为在时域中，信号的轮廓j 酷清晰，噪声倍号只是随机的造戚了许多的毛 刺和尖峰，因而本系统中采用时域滤波的方式去除噪声。 滤波一簸分为模数滤波秘数字滤波，模掇滤波缀嚣易实现频域滤波琵难墩实现瓣域滤波，数 字滤波既可以实现时域滤波又可敬寰现频域滤波。本谍题采用了较伟数字滤波法即计算机算法对 所采熊的数据进行了处理”。 通过对噪声信号的分析和统计，本系统采用时域巾值滤波算法处理信号，中德滤波就是用一 个含鸯鸯数纛麓浮动褰蠢，将密西曩中弗熹篷嗣密瓣肉番点懿审壤代营。爱舂个一维痔剜 f 1 f 2 f m 。窗口长度为m ( m 为奇数) ，对此序列谶行中值滤波，就是从输入序列中相继抽出m 个数，f i v f i - 1 f i f i + l f i + v ，其中fi 为窗口的中心值，v = ( m - 1 ) 2 ，再将这m 个点值按其数 建大小羲 到，取其痔号为歪中勰豹那个数嚣为滤波翰出。囊数学公式表示为y i = m e d f i v f i - i f i f i + i f i + v iz ，v i ( p 1 ) ，2 ，中值滤波研以用来疆弱随机干扰和脉冲 干扰，往系统实际应阁中取得了不镄的效果。图3 - 1 是10 0 0 转分时圆盘原始振动信号波形、图 3 - 2 是时域中值滤波艏的波形、图3 - 3 是频域低通滤波嚣的波形。 图3 - 2 原始振动信号图 嚣3 _ 3 串壤滤波蓐豹渡形蚕 圈3 _ 4 低通滤波后的波形图 缀甥显孛蓬滤波不馒莰复疆波形澎竣覆显绦拷掇波形麴摆垃傣慰。嚣抵适滤波显滤捧了予拽 信号憾也破坏了原始信号”l ，扶翻3 3 中可发现滤波后的波形发生了相位改变。 3 2 抗干扰技术 在理想情况一1 - ，一令电路或系统韵性能由该蘸路或系统耱雏鞫及掰爝的元器僻静牲能指标来 决定。然而许多场合，用优质元件构成的电路或熏统却达不到额定的性能指标，肖的甚至不能正 常工作。究其原因，常常是噪声干扰造成的i 。所谓噪声是指电路线系统中出现的非期望的电倍 号。礤声对邀路或系统产生静不爨影响嚣之为于撬，在篮溅系统孛，噪声瓣干挽念爱测量撂示产 生误差。 电路或系统中出现的噪声干扰，有的来源于系统的内部，有的来源于系统的外部。例如，电 路元件产生的固有噪声、感性负载切换时产生的噪声干扰及接触噪声等，都是来自于内部的干扰。 放电干扰、射频干扰和工频干扰等来源于系统外部。各种噪声通过各种形式的耦台方式传到接收 电路，便形成了干扰。冈此，为使测控系统正常工作，必须研究抗干扰措施。 3 2 ，1 硬件抗于捷与软件抗干扰 1 ) 几种硬件抗干扰的措施 ( a ) 接地技术地是电路和系统中为各个信号提供参考屯位的一个等电位点或等电位面， 所谓“接地”就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导线连接起来，构成一个基准 电位。为了避免地线公共阻抗的有害耦台，模拟地、数字地、负载地应严格的分开。并且根据测 控系统的需要，来选择系统合适的接地的方式。接地方式分为单点串联接地、单点并联接地和多 点接地。 ( b ) 屏蔽技术在检测仪表或控制系统的工作现场往往存在强电设备，这些设备的磁力线 或电力线会干扰仪表或系统的正常工作，为了防止这种干扰，可利用低电阻的导电材料或高导磁 率的铁磁材料制成容器，对易于受干扰的部分实行屏蔽，以选到阻断或抑制各种场干扰的目的。 ( c ) 跃线传输的干扰抑制在进行测量或控制时，被测对象与测控系统往往相距较远，在 这样长的距离进行信号传输。各种干扰就会产生。为了避免电感耦合造成干扰，一般采用双绞线 传输，同时，用电流传输代替电压传输，也可获得较好的抗干扰能力。 ( d ) 隔离技术隔离技术就是切断噪声源与受扰体之间的噪声通道的技术，其特点就是将 两部分电路的地线系统分隔开来，切断通过阻抗耦合的可能。隔离方式有光电隔离、继电器隔离 及变压器隔离等。 ( e ) 滤波电路滤波是在频域上处理电磁噪声的技术，以达到抑制电磁干扰的目的，采用 高通滤波器滤除低频噪声，采用低通滤波器滤除高频噪声，采用5 0 h z 陷波器滤除工频干扰。 2 ) 软件抗干扰 软件抗干扰是当系统受到干扰后系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪存真的一种辅 助方法。因此软件抗干扰是被动的措施，而硬件抗干扰是主动的措施。软件抗干扰的最根本的前 提条件是：微机系统的硬，l 二部分不会受到损坏，系统的程序及重要常数不会因干扰侵入而变化。 软件抗干扰研究的主要内容：其一是采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声对数据采 集的影响，如数字滤波技术；其二是由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循 环时，采取使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱、“看门狗”技术等。 3 2 2 电机转速测控中的抗干扰 在控制系统中通常包含许多的感性负载，如交、直流继电器、接触器、电磁铁和电机等，它 们都具有较大的自感。当切换这些设备时，由于电磁感应的作用，线圈两端会出现很高的瞬态电 中国农业大学硕士学位论文第三章转 试验台现场羽4 控系统 压，由此会带来一系列的干扰问题。 在本系统中电机及转速控制器只要处于启动状态，光藕输出的脉冲信号便有大量干扰信号， 计数器对干扰脉冲进行计数，造成转速表的指示不能反映实际的转速，同时模拟输出的转速控制 信号上也有很多的尖峰和毛刺，不能正常控制电机转速。经分析本系统的噪声干扰产生的原因主 要是由于地回路的电流迭加在信号中，使信号失去真实性和稳定性，形成干扰电压。当信号源 和系统都接大地时，两者之问就构成了接地环路，两个接地点的电压即地电压经过信号源、连线 电阻、负载电阻产生地环流【1 7 】。 漓除地回路电流的办法是一点按地或使用信号隔离器。一点接地在实际中根难实现，例如育 些仪袭为确保人身安全必须接地；露赌传感器必须接地以获得准确的测量值，再加上机壳和屏蔽 线等迩楚楚存在羲分鑫迄骞藕合，产生交流露疆奄滚。嚣燕，要勰决邂蘧其麓靠磐号隔褰器了。 隔离技术是破坏”地”干扰途径的有效方法，信号隔离器切断地回路电流而使信号线性通过。硬件 上常用光电耦台器件嶷现电一光一电的隔离，它能有效地破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的 隔离。 程计数脉冲输入计数器前先谈剽一个光电耦合器，光藕的输豳蒋连接到计数器。这样就穗 断了计算机系统电路与输入电路电的联系，两电路间的地电位差就不会形成干扰了。以下是光电 耦台器的数字电路。 | t 强3 5 井嚣输 秘蠹嚣越路豹蕊裹 光电精台器由一只发光二极管和一冀光电晶讳沓装在同一个密甜管壳内梅成。发光二极管虢 电信号转换为光信号，光电晶体管孛巴光信号再转换为电信号，输入电路的信号传递是靠光传递。 光电耦台器的输入阻抗很低，而干扰源的内阻一般很大，因此光电耦台器输入端的噪声自然就报 枣，帮使奄霹于撬毫疆麓幅凄较大，毽所能提豢豹缝肇疆枣，黛8 澎残簸弱熬趣浚。嚣两都霞奄 压幅俄很高的干扰，由于没有足够的能量使发光二檄管发光，从而被抑制掉。 【媳机转速控制倍母的模拟输出端也会受到干扰，影响着整个转速测控系统的正常运行。本系 统采羽u 个莹号弼懑器模块，其t 母# 琢理和光电瓣寒器类经；将模掇赣出的窀撬转速控裂痿号 接入隔离模块，隔离模块的输出端接刘电机控制器的输入端。这样虢能有效隔离掉绣回流产生的 噪声对转速控制信号的影响。本系统采用一个t 系列垒隔离信号调理变送模块，输入范围为o 一5 v ， 输出藏獭0 - 5 。结构黼如下3 - 5 ： 1 4 觏砸m 嗽鞋 3 3 微机测控系统 3 3 1 传感器的选择 一“v o m 圈3 - 6 信号隔离模块 本试验台的测试参数有位移、转速、振动。 1 位移传感器 实验台主要用的传感器是电涡流传感器，它主要用来将转子的轴心振动信号变换为可用仪器 测量和处理的电压信号。电涡流传感器能测_ 量被测体( 必须是金属导体) 与探头断面的相对位置。 过去对轴的振动测量通常采用加速度传感器或速度传感器。通过测量机壳振动间接地测量转轴的 振动，测量结果的可信度不高。而电涡流位移传感器能直接测量转轴的状态，灵敏度高，抗干扰 能力强、非接触测量，因此常被用于旋转机械的轴位移，轴振动、轴转速等参数的监测。 电涡流传感器主要包括探头、延伸电缆、前置器等部件。传感器工作的机理是电涡流效应。 当接通传感器系统的电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号该信号通过延伸电缆送到探 头中密封的线圈，在探头周围产生交变磁场h 1 如果金属导体接近探头，则交变磁场h l 将在导体 表面产生电涡流场，该电涡流场会产生一个方向和l 1 相反的交变磁场h 2 。由丁二h 2 的反作用就改 变了线圈的有效阻抗在其它参数不变得条件下，线圈的阻抗就成为探头与金属导体距离的单值 函数，其曲线为s 形曲线，在一定范围内可近似为一线性函数。线圈的阻抗的变化通过封装 在前置器中的电子线路的处理转换成l 乜压输出。 本系统采刷的电涡流传感器是北京测振仪器厂的h z 8 5 0 0 型电涡流传感器，探头为口8 m 它 的输入电压是一2 4 v 。安装时将探头分别水平、垂直安装于实验台传感器支架的安转孔，调整探头 距离轴心的初始间距，使其初始电压为一8 5 v ，即静态特性线性段的中部。然后连接延伸电缆和前 置器等。传感器的实物图如下所示： 图3 _ 7 电涡流传感器 2 振动传感器 压电晶体加速度传感器是典型的振动传感器，压电传感器是以某种物质的压电效应为基础的 中国收业大学硕士学位论文第三章转子试验台现场测控系统 一种有源传感器。某些电介质物质沿一定方向受外力作用而变形时，在它的两个表面会产生符号 相反的电荷：当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应【l ”。 压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量一弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶 体上受到振动作崩力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电 转换的工作原理。压电传感器的输出信号很微弱，而内阻却很高，一般不能直接显示和记录，需 要采用低噪声电缆把信号送到具有高输入阻抗的电荷放大器。电荷放大器由两个作用，一是放大 压电传感器的微弱输山信号；另一个作用是把传感器的高阻抗输山变换成低阻抗输出。 本系统选用的是43 7 0 系列压电传感器，将压电加速度传感器安装在轴承座上，产生的与轴承 振动对应的电荷，经电荷放大器转换为电压信号并放大后，输入数据采集卡，结构如图所示： 围3 - 8 压电擐动传感器 3 光电转速传感器 崴接测量电机转速的方法很多，w 以采用各种光电传感器，搬研以采用霍尔嚣件f 1 9 1 。本系统 采矧巍毫簧惑器米测甏奄撬戆转速。雍予竞奄弱最方法灵薅多撵，霹溅参数众多，一般清琵 叉 具有j # 接触、高精度、高分辨率、黼可靠性和相应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 c c d 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的 应用。 毙电转速簧惑嚣瓣缝丰驽显匿3 一? 。它由莠藐嚣豢、竞源、是敏嚣孛 及缝豫投簿缝成。秀魏嚣 盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过歼孔圆盘和缝隙板照射到光敏冗件上被光敏元 件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一阁，光敏元件输 出静电躲冲个数等，躺盘的开孔数，翅悲，可通过测量光敏元彳牛输如的脉冲频率，键知被测转速， 帮n = f l r ，式中：n 一转速f 一躲狰颧率n 一簿懿拜；l 鼗。 3 3 ，2 转速测羹凡种方法 圈3 - 9 光电转速转感器 谯工程实践中，我们经常会遇到各种需要测掇转速的场合，例如，在发动机、电动机等旋转 设蠢麴试验、运转帮控拳j 孛，常霉黉分踺或连续测磐和显示其转速及辑瞳转速。薅冀一些翔题涂 1 6 了要求能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性要求能测量瞬时转速。因此转速测量方法 转速的测量方法可分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信 号是电压营，而数字式通常采用光电编码器、圆光栅等作为检测元件，得到脉冲信号。随着微型 计算机的广泛应用，智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构，电机的数字式测量方法麻 用越来越广泛。其方法共有三种计数法、计时法和计数计时法。这几种方法均有各自的特点和使 鼢圳i g i l 定时时间至兰。要 计时法是邋避对时钟脉冲妒计数测出相邻两个盘信号间的时阀间隔，存l ，伽l 加妒来计弊转 。! 厂 秸# f 叫嘲蝴嘲和 m 这种方法的特点是不固定定时时闻t ，主要燕设法使m 和1 阍步，从憋数个擞脉冲开始计时， 一t = ：二j 。一墓二二一j * n ( ：二二；二二 一 1 7 中国农业大学硕士学位论文第三章转子试验台现场演描! 系统 p a 控制各计时器的关闭，在t 时间内。实际计数时间t 1 开始于t 上升后第一个盘脉冲的上 升沿，终止于tj 卜降第一个盘脉冲的上升沿，因而得到整数个盘脉冲，消除了1 个脉冲引入的 误差，在t 1 的f 降沿分别读取盘脉冲数和时钟脉冲数，即可求得转速口。 由于本系统电机转速最高能达到10 0 0 0 转分钟，速度很高，所以本系统采用了计数法测速。 3 3 3 计算机控制 实现试验台的异地远程调用必须首先使试验平台的控制完全由计算机来实现，这是实现远程 试验的必备条件。这种控制主要包括两个方面： 1 、试验台的电源控制 试验台电源控制包括灯光电源、电动机电源控制等，通过计算机驱动固态继电器完成。吲态 继电器s s r ( s o l i ds t a t er e l e y s ) 是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件( 如开关三极管、 双向可控硅等半导体器件) 的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端 有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。为实现输入与输出之问的电气 隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信 号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。由于 它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以它较之电磁继电器具有工作可 靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系 列优点。 s s r 按使用场台可以分为交流型和直流型两大类，输出端用功率晶体管作开关元件的固态继 电器成为直流固态继电器，主要用于直流大功率应用场合，输出端用双向可控硅作开关元件的固 态继电器成为交流固态继电器，主要用于交流大功率应用场合。固态继电器工作原理如图3 - 1 1 所示，图中的部件一构成交流s s r 的主体，从整体上看，s s r 只有两个输入端( a 和b ) 及两个 输出端( c 和d ) ，是一种四端器件。工作时只要在a 、b 上加上