（电力电子与电力传动专业论文）多余度线位移传感器自动测试系统的设计与实现.pdf

a b s t r a c t t h en m l t i - r e d u n d a i l c yl i n e a ld i s p l a c e m e n ts e n s o rd e s i 驴e d 、a i l dp r o d u c e db y c e n a i ng r a d u a t es c h o o li sae x a c t i t l l d es e n s o rw i ml l i 曲t e c hc o m e n t 锄d1 1 i 曲p r e c i s i o n i ti st 1 1 ei m p o n a n tp r o d u c t i o no ft l l i s 铲觚l u a t es c h 0 0 1 i ta l s oi sm ec o r ep a no fc e n a i l l i m p o r t a n tm o d e ls t u f ro fo u rc o u l l t l yb e c a u s e “ss e n s o r c o n t e n to ft e c l l i l o l o 戥t l l e m a t e r i a lr e q u e s ta n dc o s ti sh i g l l ，t h ei n d u s 仃yo fm ep r o d u c t i o ni ss t r i c t ，t h eo u t p u ti s b i ga n di th 嬲m 锄y c o n e 1 撕o np 猢e t e r ，t h es y l l t h e s i z e dt e s to ft h e 缸n c t i o ng u i d e l i n e a n dm ec 印a b i l i t yp a r 锄e t e rf o rt h i s1 i n e a ld i s p l a c e m e n ti sv e 巧i m p o r t a n t n o wt l l e s y n n 坞s i z e dt e s tf o rt h i sl i n e a ld i s p l a c e m e n ta d o p tm eh a n d w o r k f 0 rh a l l d w o r k ，n o t 0 n l yw o r k i n gp r o c e d _ u r ei s 如s s y t h ew o r k l o a di sb i g ，b u ta l s o i tr e l a t ew i m w o f 印e 叩1 e sw o r ke x p 舒e n c e ，w o r ke x p e r i e n c e ，w o r kh a b i ta i l dr e s p o n s i b i l i 饥i ns o m e d e g r e e ，j ta l s or e l a t ew i 廿lr a n d o 血c i 够 f o rm e s ec i r c u m s t a n c e s ，t h e s et h e s i sr e s e a r c hd e s i g na i l di m p l yar o b o t i c i z e d t e s t i n gs y s t e mw h i c hh a sh i g he 伍c i e n c y i tu s e sa d v a n c e dd i s t r i b u t e dn e 俩o r kt e s t i n g m e a s u r ea 1 1 du s e sa d v a n c e dd a t ac 0 1 l e c t e de q u i p m e n t ，w m c hi n l p l e m e n ta ui t e m s c o m p u t e ra u t o m a t i z a t i o nt e s to f 廿l et e s t i n gp r o c e s sf o rt h i ss e n s o r t h e s ea u t o m a t i z a t i o n t e s ti n c l u d e ：f i r s t ，i tc a i la u t o m a t i c a l l yc o m p l e t et h eb a s i cc 印a b i h 够t e s tf o rt l l es e n s o r ； s e c o n d ，i ti m p l 锄e n tm a tt h ef o u l - r e d l m d a n c y sf o u rs e n s o r sc a nb et e s t e da tt 1 1 es a m e t i m e ，缸ds r t i c t l ye n s u r ec o h e r e r l c e 内rf b u rp a t h 粕d 1 em e a s u r ep r e c i s i o nr e q u e s t t h e r e i n t o ，i nh a r d w o r k ，n o to n l yi m p l e m e n tb g a s i c 向n c t i o n ，b u ta l s oa d o p tm a i l y 髓t i j 引瑚妇gm e 硒u r ef o rc o n t r o lp c b t h e s ea i l t i - j 卸m l i l l gm e 猫l l r eb r i n gm e a s u r e p 代c i s i o nt 0 豫a c ht e c l l i 】1 0 1 0 9 yr e q u e s t i ns o f 啊o r ku s et h e “丘r s tr e a ds e c o n ds e n d ” d e s i g np r i c i p l e nc a u s em ed a t ac o l l e c t i o nt ob e c o m em o r er 印i d l ya n dm o r ee x a c t a t l a s t ，i tc 趾d i s p l a yd i v e r s 访e dg u i d e l i n ei nc 伽叩u t e r ss c r e e n ，a 1 1 dc o m p u t e rm et e s t r e s u l t ，t l l 吼孤a l y s ed a t a ，p r i n tc h e c kn o t et a b l e f r o mm ep r a c t i c e r e s u l t ，t 量l ei n u l t i - r e 如1 d a n c yl i n e a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r d e s i 印e d b yt l l i sm c s i s ，d i v e r s i f i e d 鲥d e l i n ea c c o r dw i mt e c h n 0 1 0 9 yr e q u e s t 1 h el a s t t e s ts y s t e mo p e r a t es i i n p l y ，r e l i a b l ya n dd u r a b l y i ti si n d i c a t e dt h r o u g l lp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nt l l a tm es y s t e mh a sl l i g l le m c i e n c ya n dg o o dp r a c t i c a b i l i t ) ， k e y w o r d s ：m u l t i - r e d u l l d a n c yl i n e a ld i s p l a c e n l e n ts e n s o r ；a d v a i l c e d d i s t r i b u t e d n e t 、o f kt e s t i n gs y s t e m ；p r e c i s i o n ；a n t i - ja i i i l i n g i i 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了“多余度线位移传感器自动测试系统”的选题背景和研究意义， 以及国内外线位移传感器检测系统的发展情况。 另外，本章总结了论文的完成情况。对作者所做的工作做了汇总。即完成了 多余度线位移传感器自动测试系统的全部自动测试项目，经多次在测试现场进行 检测、调试，并和现场测试人员反复进行沟通、探讨后，修改软硬件设计方案， 使该测试系统使用方便，测试精度达到指标要求，软硬件运行稳定、可靠，抗干 扰能力强，大大提高了工作效率，完全满足生产测试自动化需求，有良好的使用 价值。 1 1 选题及研究背景 该项目来源于某航空研究所。该研究所常年生产各种传感器，主要应用于航 空航天的自动控制领域，是某些武器、飞机实现自动化的关键部件之一。近年来， 随着我国航空事业的快速发展，自动化水平的不断提高，传感器的需求数量越来 越多，质量也要求越来越高，而该所在对生产的各种传感器检测时，依然采用的 是手动操作。手动检测速度慢，质量不可靠，已不能满足当前航空事业的发展需 要。该项目以该所生产的7 种型号的多余度线位移传感器为研究对象，研制并生 产一套计算机自动检测设备，完成该所对这7 种多余度线位移传感器的全自动测 试。 1 2 多余度线位移传感器自动测试系统的研究意义 传感器是人类探知自然界信息的触角。在人类文明的发展历史中，感受、处 理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。近年来迅速发展起来的现代 信息技术的三大技术基础是信息的获取、信息的传输和信息的分析处理，也就是 传感器技术、通信技术和计算机技术。他们分别构成了信息技术系统的“感官”、 “神经”和“大脑”。2 0 世纪7 0 年代以来，由于微电子技术的大力发展与进步， 极大的促进了通信技术和计算机技术的快速发展。与此形成鲜明对比的是，传感 器技术发展十分缓慢，制约了信息技术的发展，被称为信息技术瓶颈。这种发展 不协调的状况以及由此带来的负面影响，在近几年表现的尤为突出，甚至局部出 1 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 现了由于传感器技术发展的滞后，反过来影响、制约了其他相关科学技术的发展 与进步的情况。因此许多国家都把传感器技术列为重点发展的关键技术之一。美 国曾把2 0 世纪8 0 年代看成是传感器技术时代，并列为2 0 世纪9 0 年代2 2 项关键 技术之一；日本把传感器技术列为2 0 世纪8 0 年代1 0 大技术之首。从2 0 世纪8 0 年代中后期开始，我国也把传感器技术列为国家优先发展的技术之一【l j 。 随着传感器的快速发展，如何对传感器进行测试成为首要问题。现在国内外 市场上已有很多传感器检测产品，包括法国d h 精密压力天平、系列标准压力发 生器、压力传感器温度性能检验设备、真空检测系统。针对线位移传感器国外也 有相关全自动测试产品，只要将传感器放置机器上后开动机器即可。研究所为此 也已购置了一台这样的机器，但在使用中发现，由于该所生产的线位移传感器类 型特殊，检测要求高，参数复杂，此设备并不能准确、快速的测量该所的线位移 传感器，该设备也一直闲置。因此，工厂现还保留为手动测试。 由于该所对传感器要求质量较高，所以该传感器的测试性能指标参数繁多， 包括规定点的输出电压、和值电压、输出及输入电流、跟踪误差、交叉干扰等1 4 种参数，且测量精度要求高，一般要求测量误差不超过o 0 2 【2 j 。若是手动测量， 测试流程十分繁琐，以四余度为例，在整个测试过程中测试人员需要完成5 1 个点 的数据测试，并且在每个点都需要进行测试连线的转接四次，在一些特殊点还要 重新接线测量数据，总共下来需要连线转接2 0 0 多次，中间不允许有任何差错， 一旦发生错误，该传感器所有的数据都需要重新测量。最终结果的计算、填表也 是由手动完成，不但工序繁琐、工作量大，而且也与测试人员的工作经验、工作 习惯、责任心有关，在某种程度上还具有一定的随机性与任意性。在目前的情况 下，测量一个这样的四余度传感器需要一个熟练工1 个小时左右。因此，为了提 高生产效率，为了提高测试结果的可信度，设计一套该传感器的检测系统势在必 行。 1 3 论文完成情况 论文从解决实际工程问题的角度出发，查阅大量资料，在基本功能设计完成 之后首先进行实验室模拟仿真，然后多次在工作现场进行现场测试，采集大量数 据，根据现场采集的数据分析现场的干扰源，并多次和现场操作人员交流，以使 该系统适应他们的操作习惯，最终选定设计方案，完成测试系统，并对现场操作 人员进行相关培训后交付现场操作人员使用。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 项目准备阶段 2 0 0 5 年1 0 月拿到项目说明书后，首先了解被测对象的工作原理和基本性能， 为以后的测试系统设计工作打下良好基础。然后对该测试系统将实现的功能按照 项目说明书进行详尽的分析，该测试系统需要测量7 种传感器的1 4 种参数，有些 参数是直接测量，有些需要对测量结果进行计算分析，还有些参数需要画图表示。 针对不同参数的要求要有不同的设计原则。根据测试系统的功能实现要求进行硬 件设备选型，为使系统能有效良好的工作，选用工控机、安捷伦数字万用表、数 字测长仪、打印机各一台。其中安捷伦数字万用表和数字测长仪都是精度很高的 数字设备，能使测试系统的精度得到较高的保障。 1 3 2 项目设计阶段 准备阶段完成后，根据系统功能和性能要求进行了总体方案设计，硬件主要 是系统功能实现的原理设计，软件主要包括人机交互界面设计、单片机控制程序 设计、上位机和各控制模块的通信设计。其中，硬件的难点是系统的硬件抗干扰 设计，该问题直接关系到最终测控系统数据采集的精确度。软件方面由于数字测 长仪及安捷伦数据采集单元这两个设备的资料不全，因此上位机与这两个设备的 通信和数据采集成为难点。 1 3 3 项目修改阶段 初步设计完成后，先进行了实验室仿真测试，根据实验室测试结果，修改相 应软硬件设计。然后到测试现场进行现场测试，采集大量数据，并和现场操作人 员多次交流、协商，了解现行的手动操作，将我们采集到的数据和手动测试的相 比较，发现一系列的问题，这包括：自动测试系统抗干扰的不足引起的误差；项 目说明书中的解释偏差造成的某些参数测量方式有误；自动系统的软硬件在现实 使用中碰到的实际问题。针对以上问题，对系统软硬件做了大量的修改和调整， 使测试系统能在实际应用中良好工作。 1 3 4 项目最终现场调试阶段 修改完成后，再次在现场调试，处理最终的细节问题，这包括：软件打包生 成系统文件、测试系统使用说明书的编写、设备的合理摆放、现场操作人员的相 关培训等收尾工作，最后研究所派相关人员进行验收。 一3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 论文组织结构 本文分为六章。 第一章是绪论部分。该部分首先说明了课题的选题及研究背景，接着讨论了 线位移传感器测控系统的国内外发展情况，指出针对该研究所生产的线位移传感 器，研究其测控系统的现实意义，然后简单说明该项目的完成过程。最后介绍论 文的组织结构。 第二章是系统分析及总体设计部分。该部分首先阐述线位移传感器的基本性 能和工作原理，然后指出该项目要求测试的各项指标及具体测量方法，然后根据 项目要求分析系统的功能要求和性能要求，再根据功能和性能要求，提出两种设 计方案，分析其优缺点，确定其中一种设计方案。 第三章是硬件详细设计部分。该部分首先根据系统设计方案进行硬件选型， 并分析各型号硬件适合该测试系统的优点，然后给出系统硬件总设计框图，然后 具体说明各部分硬件模块的设计方案。最后说明为保证系统能正常运行及采集精 度对电路板进行的抗干扰设计。 第四章是软件详细设计部分。该部分首先说明该测试系统使用的v b 语言和汇 编的优点和特点，然后说明软件各模块的详细设计，主要包括人机交互界面设计、 单片机控制设计、上位机和各控制模块的通信设计以及数据库的建立，以及生成 安装软件包。最后给出系统的一些控制界面截图。 第五章是试验结果分析部分。该部分主要分析了测试系统在测试现场采集的 大量数据，根据数据得出该测试系统的可靠性。主要分析了该测试系统的误差范 围、灵敏度、稳定性和一致性，最后讨论该测试系统的硬件维护问题。 第六章是论文结论与后续工作展望部分。该部分首先总结了该系统的完成情 况，然后阐述了该系统的进一步发展情况，包括增加被测传感器型号和测试速度 进一步提高的发展趋势。 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章功能分析及设计方案 第二章功能分析及设计方案 本章从线位移传感器的基本性能入手，结合项目要求仔细说明各参数的测量 方式，分析系统的功能和性能要求，给出两种设计方案，比较其优缺点，确定最 终设计方案。 2 1 线位移传感器基本性鲥3 1 要想使设计出的测试系统方便可靠，精度要求等各方面指标达到标准，首先 应该对被测对象有简单了解。 2 1 1 传感器的基本概念 传感器是把特定的被测信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装 置。在有些科学领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。它的作用是 用于测量，是以测量为目的的。它随着被测对象的发展、随着科学技术的不断进 步而发展。它是一个完整的测量装置，能把被测非电量转换为与之有确定对应关 系的有用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。传感器 根据使用要求的不同，其组成也不相同，总的说来一般是由敏感元件、传感元件 和其他辅助元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部 分，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。传感元件又称转换元件，它可 以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量。传感元件也可以不直接感 受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。辅助元件主要包括信号 调节与转换电路、辅助电源等辅助元件。 2 1 2 传感器的分类 测试中，应用传感器的种类繁多，不胜枚举。有的传感器可以用于测量多种 参数，而有时对于一种物理量又可用多种不同类型的传感器测量。因此对传感器 分类就有很多方法。 按输入物理量的性质分类可将传感器分为位移传感器、速度传感器、温度传 感器等，它是以输入物理量命名的，比较明确地指出了传感器的用途，以便使用 者选用。按工作原理分类是以传感器对信号转换的作用原理命名的，如应变式传 5 西北工业大学硕士学位论文第二章功能分析及设计方案 感器、电容式传感器、压电式传感器、热点式传感器等，这种分类方法较清楚地 反映出了传感器的工作原理，有利于对传感器的深入研究分析。按能量关系分类， 可将传感器分为能量转换型和能量控制型，其传感器的输出量直接由被测输入量 的能量转换而得。按输出信号的性质分类，可将传感器分为模拟式和数字式传感 器，数字式传感器便于与计算机联网。且抗干扰性较强，如光栅传感器等。按构 成原理不同，可将传感器分为结构型和物性型传感器，结构性传感器是以其转换 元件结构参数的变化实现信号转换的，而物性型是以其转换元件物理特性的变化 而实现信号转换的。按构成传感器的功能材料不同，可将传感器分为半导体传感 器、陶瓷传感器、光纤传感器、高分子薄膜传感器等。 2 1 3 传感器的地位与发展状况 伴随科学技术的飞速发展和工程技术的迫切需求，传感器已愈来愈广泛的应 用于机械工程、航空航天、兵器技术、船舰制造、交通运输、农业工程及生物医 学等各种工程领域和科研工作中。传感器已成为现代科技发展必不可少的测试工 具。现代科技水平的不断发展，为传感器的提高创造了物质条件；反之拥有高水 平的传感器又会促进新科技成果的不断出现和创新。这两者之间相辅相成。 2 1 4 线位移传感器的工作原理 该项目所涉及的线位移传感器是利用线圈电感的改变来实现非电量电测的， 按工作原理分属于电感式传感器中的差动变压器式传感器。它可以把输入的各种 位移量转换成电量输出，能满足信息的远距离传输、记录、显示和控制等方面的 要求。 电感式传感器与其他传感器相比较有如下几个特点：结构简单，工作中没 有活动电接触点，因而，比电位器工作可靠，寿命长。灵敏度高，分辨率高， 能测出0 0 1 啪甚至更小的机械位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度高， 有利于信号的传输与放大。重复性好，线性度优良，在一定位移范围内，输出 特性的线性度好，并且比较稳定。 该项目所涉及的差动变压器式传感器的输出电量为线性变化，所以称之为线 位移传感器，且在其实用中为确保可靠性，所以采用四余度设计。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章功能分析及设计方案 u 图2 1 差动变压器等效电路图 差动变压式传感器中两个次级线圈反向串连，并且在忽略铁损、导磁体磁阻 和线圈分布电容的理想条件下，等效图如图2 1 所示。当初级绕组w l 加以激励电 压u 1 时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组w 2 a 和w 2 b 中便会产生感应电 势e 2 a 和e 2 b 。如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡 位置时，必然会使两互感系数m 1 = m 2 。根据电磁感应原理，将有c 2 a = e 2 b 。由于 变压器两次级绕组反向串联，因而1 1 2 = e 2 a e 2 b = 0 ，即差动变压器输出电压为o 。 当活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，w 2 a 中磁阻将大于w 2 b ，使m l m 2 ， 因而e 2 a 增加，而e 2 b 减小。反之，c 2 a 减小，e 2 b 增加。因为1 1 2 = e 2 a e 2 b ，所以 当e 2 a 、e 2 b 随着衔铁位移x 变化时，u 2 也必将随x 变化。实际上，当衔铁位于 中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位时的输 出电压称为零点残余电压，记做u x ，它的存在使传感器的输出特性不过零点，造 成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电压产生的原因主要是传感器的两 次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。 零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波的产生主要是 传感器的两次级绕组的电器参数，几何尺寸不对称，导致它们的感应电动势幅值 不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵 消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因是由于磁性材料磁化曲线 的非线性( 磁饱和、磁滞) 。零点残余电压一般在几十毫幅以下，在实际使用时应 设法减小u x ，否则将会影响传感器的测量结果。 2 1 5 传感器的标定4 1 标定的概念 新研制或生产得传感器需要对其技术性能进行全面的检定，以确定其基本的 静、动态特性，包括灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度及固有频率等。这个 7 西北工业大学硕士学位论文第二章功能分析及设计方案 问题只靠传感器本身是无法确定的，必须依靠专用的标准设备来确定传感器的输 入一输出转换关系，这个过程就称为标定。简单的说利用标准器具对传感器进行 标度的过程称为标定。具体到线位移传感器来说，我们用专用的标定设备，产生 一个大小已知的电压，作用在传感器上，传感器将输出一个相应的电压信号，这 时，再用精度已知的标准检测设备测量这个电压信号，得到电压信号的大小，由 此得到一组输入一输出关系，这样的一系列过程就是对线位移传感器的标定过程。 如图2 2 所示。 位移信；i 线位移传感器 电压信号 图2 - 2 线位移传感器输入输出关系 2 标定的基本方法 标定的基本方法是，利用标准设备产生已知的非电量( 如标准力、位移、压 力等) ，作为输入量输入到待标定的传感器，然后将得到的传感器的输出量与输入 的标准量作比较，从而得到一系列的标定数据或曲线。例如，线位移传感器，利 用标准设备产生己知大小的标准电压，输入传感器后，得到相应的输出信号，这 样就可以得到其标定曲线，根据标定曲线确定拟合直线，可作为测量的依据。 有时，输入的标准量是由标准传感器检测而得到的，这时的标定实质上是待 标定传感器与标准传感器之间的比较，如图2 3 所示，输入量发生器产生的输出信 号同时作用在标准传感器和待标定的传感器上，根据标准传感器的输出信号可确 定信号的大小，再测出待标定传感器的输出信号，就可得到其标定曲线。 2 图2 3 用标准传感器进行标定的方法 为保证标定的精度和可靠性，在标定过程中应注意这样几个问题：为保证 量值的准确一致，标定应按计量部门规定的规程和管理办法进行，只能用上一级 精度的标准装置来标定下一级精度的传感器。工程测试中所用的传感器，应在 与其使用条件相似的环境下进行标定，以获得较可靠的标定精度。为提高标定 精度，可将传感器与其配用的电缆、滤波器、放大器等测试系统一起标定。有 8 西北工业大学硕士学位论文 第二章功能分析及设计方案 些传感器标定时，应按传感器规定的安装条件进行安装。 3 传感器的静态标定及动态标定 传感器的静态标定主要用于检验、测试传感器的静态特性指标，如静态灵敏 度、非线性、滞后、重复性等。对不同的传感器需要不同的标定设备，即使同一 种传感器，由于精度要求不同，标定设备也不同。例如，力标定设备有测力砝码、 拉式测力计：压力标定设备有活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计等；位移 标定设备有深度尺、千分尺、块规等；温度标定设备有铂电阻温度计、热电偶、 基准光电高温比色仪等。 传感器的动态标定主要用于检验、测试传感器的动态性能，如动态灵敏度、 频率响应和固有频率等。对传感器进行动态标定，需要对它输入一个标准激励信 号，常用的是周期函数中的正弦波以及瞬便函数中的阶跃波。传感器动态标定设 备主要是指动态激振设备，低频下常使用激振器，如电磁振动台、低频回转台、 机械振动台、液压振动台等，一般采用振动台产生简谐振动来作为传感器的输入 量。对某些高频传感器的动态标定，采用正弦激励法标定时，很难产生高频激励 信号，一般采用瞬便函数激励信号，这时就要用基波管来产生激波。 2 2 该测试系统要测量的各种参数及测量方法 针对该项目涉及的七种传感器，按照技术规范书要测得近2 0 种参数，分为以 下几类： 可直接测量得到的包括：激磁电压、激磁频率、电气行程、机械行程、输 出总电压、两绕组输出电压、输入电压、零位电压、输入电流、输出电流。 这些参数直接通过安捷伦表测量、采集，不需要计算，这些直接采集到的数 据是整个测试系统测试的基础，这些参数不但自己被直接用到，并且通过它们计 算其它所有的参数结果。该测试系统最终的实用性、可行性完全由它们决定，所 以这些数据的采集是该测试系统的重点，要通过一切办法来保证这些数据的采集 精度。 需要计算后得到的包括：输入阻抗、输出阻抗、和值电压、交叉干扰、精 度误差、线性误差、比例系数、功率、跟踪误差。 以上这些参数的获取是通过对第一种参数的计算得到的，各参数具体计算方 法如下： 输入阻抗：在电气零位用输入电压除以输入电流 输出阻抗：原边激磁，副边负载开路，在电气行程处测得的输出电压记为u 1 。 原边激磁，副边接入负载，在电气行程处测得的输出电压记为u 2 。负载的阻值记 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章功能分析及设计方案 为z 。则输出阻抗= ( u 1 【j 2 1 ) z 。 和值电压：传感器位于任意位置处，原边激磁，用电压表分别量取传感器输 出两绕组的输出电压，将两电压相加即得传感器的和值电压。 精度误差：原边激磁，副边接入负载，拉动铁芯，找到输出电压为最小的点， 该点即为电气零位，记下该电压值并将长度测量仪清零。从电气零位开始，向一 个方向，按规定的测量点，测得测量点的输出电压值，直至电气行程点。将动铁 芯拉回到电气零位，再向另一个方向，测得测量点的输出电压值，直至另一个电 气行程点。所有这些输出电压值，应在产品技术规范规定的公差范围内。 跟踪误差：该参数主要用于四余度传感器的检测。在任意位移点，任意两通 道之间电压差的最大值与最大位移处的输出最大电压绝对值的比值为跟踪误差。 交叉干扰：该参数主要用于四余度传感器的检测。传感器任意一个通道原边 接激磁电源，其余三个通道原边短接，所有传感器副边接负载电路。三个未接激 磁电源的通道的感应输出电压即为交叉干扰。该项指标是四余度传感器的检测重 点，也是判断该测试系统测量精度高低的重要依据。 线性误差：将各测量点测得的输出电压值( 电气零位的电压除外) ，用产品技 术规范规定的方法处理( 最小二乘法) ，求得该传感器的理论输出特性。在各测量 点，理论输出特性的电压值与实测值之差的绝对值与最大位移处的输出最大电压 绝对值之比，应符合产品技术规范的要求。 功率：将传感器拉动到电气零位上，分别测得每通道的输出电流和输出电压， 输出电压和输出电流相乘即得输出功率。 只需判断正确与否，不需要计算结果的包括：极性 极性：该指标不需要有具体结果，只要判断其大小是否符合要求即可。判断 方法是，传感器激磁，将原边的一头与副边输出端的一头短接，测量原边另外一 头和副边输出端的另外一头的电压，当传感器铁芯缩进时，该电压应小于要求的 数值，若不小于则该传感器不合标准。该项指标是其它所有指标的基础，在测量 其它指标之前应先对该指标进行测量，若该指标不合标准，则其它指标不用再作 测量。 有一些参数需要画图表示，在测量单根传感器时要画出输出电压的公差带， 在测量四余度传感器时要画出四组输出电压的曲线拟合。 对于单根传感器，在规定点的输出电压都有一个允许的误差范围，所有点的 输出电压都应在公差范围以内，为了能清楚的了解各个点的输出电压是否符合标 准，因此把误差带画图表示，把每个测得的输出电压与标准电压相比较，若其差 值在公差带范围内，则说明该点符合要求，若差值落到公差带以外，则说明该传 感器需要重新修改。 对于四余度传感器，最重要的参数是四个传感器的一致程度，为能直观的将 1 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章功能分析及设计方案 此参数表示清楚，则在图中将四个传感器的输出电压分别拟合成直线，若这四条 直线重叠的越好，说明该四余度传感器的四个单根传感器选配的越好。 2 3 功能分析 根据以上对传感器的参数指标的检测要求，该测试系统能够在操作人员手动 移动线位移传感器的前提下实现如下功能： 第一，能实现四余度传感器的四个传感器可同时被测量，并严格保证四通道 的一致性和每一通道的测量精度要求。该功能是该测试系统的基本实现功能。自 动测试系统可以四个通道同时被测量，然后将四个通道的输出电压同时显示在上 位机上，便于同时观察四通道的输出电压是否符合标准。并且，由于自动测试时， 在传感器与数据采集终端之间经过了很多设备、仪器，因此得到的数据肯定有误 差，为了保证测试系统能够正常使用，必须将该误差降低到要求误差以内，该测 试系统才有实用价值。 第二，能自动完成所有的连线转接操作，这包括测试接线正确性检查、选择 负载类型，且自动测量所有调试验收所需的各种电压、电流等数据。这项功能是 自动测试与手动测试最大区别之处。自动测试系统通过使用小型的控制系统，根 据测量要求，自动切换连线，并通过上位机编程实现安捷伦数字万用表所需数据 自动的数据采集，这在手动测量时是不可能达到的。 第三，通过系统采集数据后在上位机屏幕中显示需要观测的各种指标，并且 计算测试结果，然后分析数据，打印验收记录表格。这项功能省去了人工计算过 程，上位机将采集的数据按技术规范计算后打印，大大提高了工作效率。并确保 了计算结果的正确性。 第四，整个试验台操作简便，可靠耐用。该测试系统的设计一定要本着操作 方便、易于掌握、维护简单的原则，这样设计出的测试系统才能最大限度的发挥 作用。 2 4 系统总体设计方案论证 根据以上介绍的参数采集要求和功能描述，该测试系统不仅需要完成各种参 数的测量，同时还需要完成测试不同参数时传感器连线的转接，因此可以算是一 个小型的测控系统。针对这样一个小型测控系统，实现方案有以下两种： 西北工业大学硕士学位论文 第二章功能分析及设计方案 2 4 1 常规实现方案 常规实现方案以一台计算机为中心，配上合适的刖d 采集卡、i ，o 通道控制 卡、继电器卡，以一种集中式的方式来实现，如图2 4 所示。这时，所有的任务执 行、控制都由计算机的c p u 来完成，这样的优点是结构紧凑，外围设备少，价格 比较便宜，但是这样做的缺点也很明显，那就是软件编程复杂，工作量大，故障 后难查出故障原因，系统不宜维护。当系统的数据采集通道较少，采集数据的精 度要求较低，系统任务较简单时，经常会采用此设计方案。 a d 图2 _ 4 集中式控制 2 4 2 分布式网络检测控制方案 i o 另外一种常用的方案是分布式网络检测控制方案，在这种系统中，所有的采集、 控制都由各个不同的智能终端即不同的c p u ，分别自动完成，计算机只负责实现 任务调度和完成与各个智能终端的网络通信。按照这种理念搭建系统快，设计者 任务简单，工作量小，且系统可靠性高。缺点是为保证系统的采集精度，这些智 能终端均要求选用市场上成熟的通用产品，价格较贵。当数据采集精度要求较高， 系统任务较复杂时可采用该设计方案。 2 4 3 方案选择 该项目所设计的测试系统，按照功能要求，要同时测量四个通道，每个通道要 测量5 组电压，2 组电流，且同时要采集传感器的位移量，因此数据采集任务较多。 另外，该系统电压电流数据要求误差不超过o 0 2 ，位移量误差在3 微米以内， 因此测试精度要求较高。分析以上两种设计方案，并结合本系统的测试要求，不 难看出，第二种分布式网络设计方案除过价格问题外，其它各方面均满足该测试 系统的测试要求。而若为了节约资金采用第一种方案，则会大幅度的增加项目设 计周期，耗费大量人力，且测试效果又不能完全保证。因此，综合各方面考虑， 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章功能分析及设计方案 我们选用了第二种设计方案。 根据第二种设计方案，系统总体结构如图2 5 所示： 图2 5 系统结构图 1 3 西北工业大学硕士学位论文 第三章系统硬件实现 第三章系统硬件实现 本章首先根据系统设计方案进行硬件选型，并分析各型号硬件的特点，以及 适合该测试系统的优点，然后给出系统硬件总设计框图，接着具体说明各部分硬 件模块的详细设计方案。最后说明为保证系统能正常运行对系统进行的抗干扰设 计。 3 1 硬件选型分析 根据功能分析、方案选择的要求，首先应该进行系统硬件的选型分析，硬件 选型要本着可靠、实用、经济的原则。经过对系统设计方案的分析，该测试系统 需要以一台计算机为中心，并配有数据采集智能单元、位移测长智能单元、系统 控制智能单元三个智能单元，三个智能单元通过通讯接口实现与上位机的数据传 输，完成系统测试。下面对需要的硬件分别介绍。 3 1 1 上位机 由于该系统要求三个智能单元与上位机通讯，所以上位机要至少配有三个通 讯接口，这三个通讯接口按照智能单元的要求，要么是r s 2 3 2 串行口，要么是 g p m 4 8 8 b 并行口。并行口有一个就可以，串行口则最少要配置三个，因此在满 足普通计算机c p u 要求的基础上，要给上位机配一块有三个串口的板卡。我们选 用了研华1 6 l o a 四端口r s 2 3 2 p c i 通信卡。 3 1 2 数据采集智能单元 对数据采集智能单元的选取是该系统的关键，它关系到该测试系统最终实现 的可靠性，和系统的整体设计流程。根据测量要求，该测试系统共要测得1 8 路电 压，4 路电流，而且精度要保证在o 0 2 以上，所以综合以上问题，我们最终选取 了a 百l e n t 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元，并配有3 4 9 0 1 a 通道多路转换器。 a 垂l e l l t 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元是一种智能仪器，内部装有微处理器，智能 仪器在结构上体现了微机、仪器的一体化，硬件和软件相互融合，这种综合结构 因硬件减少，仪器仪表的体积和重量随之减少，特别是面板上，用键盘接触开关 代替了大多数的开关和控制调节器，使面板简明美观，操作方便。另外，由于这 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章系统硬件实现 种软硬件的结合，还构成了以下几个功能：( 1 ) 能自动修正各类测量误差。在仪 器的误差源中，最主要的有非线性误差、温度误差、零位漂移误差等。( 2 ) 能自 动切换量程，以提高测量精度和读数的分辨率。( 3 ) 能对信号进行复杂的运算和 处理，扩大仪器的功能和提高其性能。( 4 ) 能对仪器仪表本身进行自检和故障监 控。发现故障能及时报警。在一定程度上有容忍错误存在的能力。( 5 ) 具有数据 处理功能。可迅速获得检测结果，并以适当的显示方式输出，从而减轻了操作人 员的劳动强度。由于采用了接口电路，可用于遥控和远距离通信，有利于信息传 输和保存。( 6 ) 具有对外接口电路。可以遥控或接入自动测试系统、微机自动检 测系统中使用。( 7 ) 可编程的能力，由用户需要编程。 针对该测试系统，我们选取的a 百l e i l t 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元和配有的 3 4 9 0 l a 通道多路转换器是将精确的测量能力与灵活的信号连接结合起来的智能仪 器，主要用于生产和开发测试系统。具体将该仪器与本测试系统结合起来有以下 几个特点：( 1 ) a 西l e n t 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元具有准确、稳定和具有噪声抑制 能力的61 2 个数字的数字万用表。该精度完全能满足该测试系统的精度要求。( 2 ) 3 4 9 0 1 a 通道多路转换器共有2 2 个通道，其中2 0 个通道可直接测量电压，另外有 两条带保险丝的通道可供内部数字万用表( 不需要外部分路器) 进行直接、校准 的直流或交流电流测量。其中电压测量通道的数量完全满足测试系统的测量要求， 而电流通道的数量虽然不够，但由于测试系统中电流通道的需求并不是很多，所 以，可以采取简单的继电器转换实现电流数据的采集。( 3 ) a 百l e n t 3 4 9 7 0 a 数据采 集开关单元拥有标准的g p i b ( i e 4 8 8 ) 和r s 一2 3 2 接口，方便上位机的远程控制。 而采用g p i b 4 8 8 可最大限度提高安捷伦表与上位机之间的通信速度。( 4 ) a 西1 e n t 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元还包括一套用于m i c r o s o f tw i n d o w s 的 b e n c h l i n kd a t al o g g e r 程序软件。该软件是基于w i n d 0 w s 的应用程序，通过它可 以很方便地将3 4 9 7 0 a 与p c 机一起使用以收集与分析测量数据。可利用该软件设 置测试，采集和归档测量数据，以及对输入的测量数据执行实时显示和分析。该 软件在进行硬件调试时有很大的用途。( 5 ) a g i l 吼t 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元有独 立的通道配置，可在每个通道上使用定标和报警限功能。报警功能可以在系统数 据采集出现问题的时候报警提示，并且停止数据采集，这样可以避免系统采到错 误数据。( 6 ) a 西l t 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元的前面板上有直观的用户界面，可 从前面板通过旋钮进行快速的通道选择、菜单导航和数据输入。该功能可用来直 接检测某些指标而不用通过上位机显示”。 3 1 3 位移测长智能单元 传感器位移变化采集选用h e i d 刚h a i nn d2 1 1 b 数字测长仪，该数字测长仪通 一1 5 西北工业大学硕士学位论文第三章系统硬件实现 过r s 一2 3 2 直接将位移变化送入上位机。该测长仪的数据采集精度位数是61 2 也 能很好的满足测试要求。 3 1 4 系统控制智能单元 系统控制单元主要功能是实现系统中所有需要转接的连线的自动控制，该控 制单元是由我们自己设计并实现的。为实现系统的控制功能，该单元的c p u 选用 了单片机a t 8 9 c 5 1 。 a r 8 9 c 5 1 采用了哈佛( h a r v a r d ) 结构体系，即数据存储空间与程序存储空间 相互独立的结构体系，用以区分一般通用计算机系统中使用的程序、数据共用一 个空间的冯诺伊曼( v b nn e u m 糊) 结构。采用哈佛结构主要考虑单片机面向测 控对象，通常有大量的控制程序和数量较少的随机数据。将程序和数据分开，使 用较大容量的程序存储器来固化程序代码；使用少容量的数据存储器来存取随机 数据。在哈佛结构中，程序在只读程序器r o m 中运行，不易受外界侵害，可靠性 高。 另外，在单片机专门设计的c p u 系统中指令系统突出了控制功能。大量使 用单字节指令，以提高运行速度和操作效率。在r j s c 结构的单片机中基本上是单 字节指令。丰富的位操作指令，满足了控制要求的位寻址、逻辑位操作、位条 件转移等。有许多满足c p u 对外围电路的直接操作指令，如对片内外数据存储 器的传送指令，对操作管理寄存器的读，写操作等。有丰富的转移指令，包括 有许多无条件转移指令和满足各种操作、运算结果的条件转移指令。 a t 8 9 c 5 1 是现有的发展最完善、最成熟的单片机之一，它功能实现简单、可 靠，设计周期短，抗干扰性强，能用于现场环境较恶劣的系统，性价比较高。虽 然a t 8 9 c 5 1 只有船的程序存储器，1 2 8 b 数据存储器，4 0 个i o 口，但是针对 该测试系统的控制要求，这些资源已经完全能满足要求【8 】。 3 2 系统硬件整体设计 根据上章的功能选型和本章的硬件选型，该测试系统的硬件整体设计框图如 图3 1 所示： 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第三章系统硬件实现 图3 1 硬件系统原理图 3 3 硬件各部分详细设计 系统硬件设计主要是针对控制电路板的设计及制作。控制电路板主要是完成 负载转换、电流表转换、激磁电源短接转换等控制功能