基于LabVIEW的动态数据采集.docx

南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学院（系）： 机 电 工 程 系 专 业： 测控技术与仪器专业 学 生： 岳 林 指导教师： 周先辉（博士） 完成日期 2010 年 6 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）动态信号数据采集系统设计Design of Dynamic Signal Sampling System总计：毕业设计（论文）28页表 格：3个插 图：32幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）动态信号数据采集系统设计Design of Dynamic Signal Sampling System学 院（系）： 机电工程系 专 业： 测控技术与仪器 学 生 姓 名： 岳林 学 号： 29106058 指 导 教 师： 周先辉（博士） 评 阅 教 师： 毛翠丽 完 成 日 期： 2010年6月 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology动态信号数据采集系统设计动态信号数据采集系统设计测控技术与仪器专业 岳林摘 要：本文以LabVIEW为开发平台，配以NI公司的6009数据采集卡，构建了振动试验台及螺旋传动效率测试实验台动态信号数据采集系统，实现了对多种参数的实时监测、信号分析与处理、显示和数据保存。其中振动试验台数据采集系统对振动、转速、转子轴心轨迹的检测结果与实验台自带软件保持了一致性，螺旋传动效率测试数据采集系统采用三个传感器分别模拟试验台电机扭矩，螺母反作用力和丝杠转速三个动态信号，所设计的采集系统完成了对三个动态信号的显示、分析和处理，并能动态显示螺旋传动效率。关键字：动态信号；数据采集；LabVIEW；虚拟仪器；测试技术Design of Dynamic Signal Sampling SystemMeasurement，Control Technology and Instrumentations YUE LinAbstract：Based on the development platform of LabVIEW, match with NI company 6009 data acquisition card, constructs the vibration test and screw transmission efficiency test experimental data acquisition system, this paper achieves dynamic signal of various parameters of the real-time monitoring, signal analysis and processing, and data storage. Vibration test data acquisition system for vibration of rotor axis path, speed, and the test results and experimental software maintain consistency cabin. Screw transmission efficiency test data acquisition system uses three sensors which were simulated test motor torque, nut reaction and ball screw speed, the design of three dynamic signal acquisition system for dynamic signal completed three display, analysis and processing, and dynamic display of spiral transmission efficiency.Key word: Dynamic signal data acquisition; LabVIEW; virtual instrument; Testing Technology目 录摘 要：I1 数据采集系统硬件构成11.1 试验台传感器选择11.2信号调理电路21.3数据采集设备21.4计算机以及应用软件42数据采集卡的配置43振动试验台动态信号采集系统设计63.1振动试验台外围电路搭建632具体测试程序的编写73.2.1振动测试程序73.2.2转速测试93.2.3轴心轨迹113.2.4数据存盘123.3整体程序调试124螺旋效率测试实验台数据采集系统设计154.1螺旋传动效率实验台硬件实现154.1.1螺旋传动效率测试系统模拟设计164.2螺母反作用力的动态模拟174.2.1模拟系统的整体设计174.2.2等强度梁的结构和应变计算184.2.3应变片粘贴与桥路连接184.2.4应变测试系统的标定204.2.5模拟系统程序的编写与校验214.3电机扭矩的动态模拟214.3.1双孔梁的应力计算与校验214.3.2数据的采集与具体程序224.4丝杠转速的测量与显示234.5整体程序设计与调试24结束语26参考文献27致谢28II1 数据采集系统硬件构成一个完整的信号测试系统一般由原始信号、信号调理电路、数据采集设备和计算机四个部分构成。如图1-1所示：图1-1：数据采集系统的基本组成但有的时候，自然界中的原始物理信号并非直接可测的电信号，所以，我们通过传感器将这些物理信号转换为数据采集设备可以识别的电压或电流信号。加入信号调理设备是因为某些输入的电信号并不便于直接测量，因此需要信号调理设备对他进行诸如放大、滤波、隔离等处理，使得数据采集设备更便于对该信号进行精确的测量。数据采集设备的作用是将模拟的电信号转换为数字信号送给计算机进行处理，或将计算机编辑好的数字信号转换为模拟信号输出。计算机上安装了驱动和应用软件，方便我们与硬件交互，完成采集任务，并对采集到的数据进行后续的分析和处理。1.1 试验台传感器选择传感器是信息采集的首要部件，是实现数据采集系统搭建的首要环节，对于不同的被测信号选择合适的传感器将起到事半功倍的效果。在振动试验台动态数据采集过程中，使用了三种四个传感器，分别是：光电转速传感器、压电晶体位移传感器、涡流位移传感器以及电阻应变片。在振动试验台数据采集系统中，光电传感器输出电压信号经过LabVIEW程序转变成转速显示在计算机上，压电晶体传感器输出电压信号经过信号调理设备显示波形，两个涡流位移传感器分别测量X轴与Y轴方向上的转动偏差，经过相应的程序绘出李萨茹波形图。在模拟转动试验台数据采集系统中，使用平行双孔梁的弹性应变来模拟点击扭矩，用等强度梁的应变力来模拟螺母反作用力。在转速测量时，选择光电传感器，输出脉冲信号，通过对脉冲计数，可以得到实时的转速值。1.2信号调理电路振动试验台动态数据采集系统中，信号调理设备使用试验台自身的电荷电压放大模块。模拟转动试验台数据采集系统中，信号调理设备使用SA-8型动态应变仪。1.3数据采集设备NI公司6009数据采集卡采用USB接口技术，支持即插即用，驱动程序为自带的DAQ8.7.1。使用数据线即可实现数据采集卡与PC机的链接。6009技术参数如下： 模拟输入：8个单端，4个差分 输入分辨率：差分14位，单端13位 最大采样率：48kb/s 定时精度：100ppm 输入量程：单端-10V10V;差分：-20V20V6009的数据接口如下表所示：表1-1：模拟端子说明表1-2：数字端子说明NI USB-6009随附一个用于模拟信号的可拆卸式螺栓端子连接器和一个用于数字信号的可拆卸式螺栓端子连接器。端子连接器可提供16个连接，使用16AWG至28AWG导线。表1-3详细描述了I/O连接器的可用信号。表1-3：各I/O接口可用信号按照上述表格的的内容进行接线后的NI USB-6009采集卡可以从Measurement & Automation中找到相应的可用设备通道。点击自检按钮，可以查看数据采集卡各通道是否正常工作。在此次课题设计中，使用四个差分接口采集四个动态的模拟信号，对应与接口2、3，5、6,8、9,11、12四对模拟输入通道。1.4计算机以及应用软件LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是美国国家仪器公司（NATIONAL INSTRUMENTS，简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。其编写的程序称为虚拟仪器VI（Virtual Instrument），以.VI后缀。LabVIEW具有强大的图形化编程语言（G语言），可以编写满足任何形式的测试与控制要求的可视化程序。所有的LabVIEW程序都被称为虚拟仪器（vi），因为程序的外观和操作方式都与诸如示波器、万用表等实际仪器类似。LabVIEW包括齐全的用于数据采集、分析、显示、存储数据、调试代码的工具。利用LabVIEW，可以和诸如数据采集设备、图像设备、运动控制设备、等硬件进行通信，也可以和GPIB、PXI、VXI、RS-232、RS-485仪器通信。本课题使用LabVIEW8.5进行相应软件系统地开发，以计算机为硬件平台对采集的动态信号进行显示、分析、处理以及存盘操作。除了LabVIEW8.5专业开发板软件，还需要NI的数据采集设备的硬件驱动软件DAQmx，它提供了一系列的API函数供我们编写数据采集程序时调用。并且，NI也提供了一款配置管理软件Measurement and Automation Explorer，方便与硬件进行交互，并且无需编程就能实现数据采集功能；还能将配置出的数据采集任务导入LabVIEW，自动生成LabVIEW代码。2数据采集卡的配置本课题的难点在于软件实现部分，首先需要使用Measurement & Automation来配置我们的测量任务。在测试数据采集卡与电脑正确连接的前提下，DAQ-mx可以帮助我们识别我们使用的数据采集卡以及自带的驱动程序。在LabVIEW中包含许多的快速VI，可以满足我们的大部分测试需要，其中DAQ Assistance（位于函数面板测量I/O下的DAQmx中）就是专用于数据采集的快速VI。使用它可以免去编写低级程序的麻烦。下面是使用DAQ Assistance配置此次测试任务的具体流程。打开LabVIEW8.5，新建一个VI命名“动态数据采集系统设计”，点击保存。在VI程序框图中找到DAQ Assistance（位于函数面板测量I/O下的DAQmx中）拖入框图中，系统会自动弹出对话框入图2-1所示，选择模拟输出下的电压：图2-1：配置采集任务此时将弹出第二个对话框如图2-2所示，在此我们可以再这个对话框中选择我们使用的数据采集设备6009中的a0，a1，a2，a3四个物理通道完成课题要求的四个传感器数据采集任务。图2-2：选择数据采集物理通道物理通道选择成功后，系统弹出的测试任务配置信息对话框，如图2-3所示，我们选择采集模式为连续采样，输出范围设置-10V10V,采样率设置为2048，采样点数我们选择（每次向计算机buffer中写入的数据点数）100，信号连接方式选择差分，等等。图2-3：采集信息配置对话框所有参数配置完成之后点击运行进行测试，待确定无误后点击确认完成测试任务与数据采集卡的配置。3振动试验台动态信号采集系统设计3.1振动试验台外围电路搭建本课题以北京东方振动和噪声技术研究所开发的振动试验台为基本硬件平台，依靠传感器测量轴承座的振动、电机转速，转轴的轴心轨迹四个动态信号，如图3-1所示，其中1为压电加速度传感器，2为光电转速传感器，3、4为XY轴位移传感器。四个传感器输出的电压信号经过电压电荷放大设备进入数据采集卡，数据采集卡将采集到的模拟信号转换为计算机可以接受的数字信号供给对应程序处理，3,4121：压电加速度传感器；2：光电转速传感器；3，4：涡流位移传感器；图3-1：振动实验台32具体测试程序的编写3.2.1振动测试程序 旋转机械轴承座的波形、振幅和频率是反映旋转机械的重要特征量。通过振动的幅度可以判断设备状态；通过振动的波形可以分析设备的故障；而通过振动的频谱分析是目前最成熟的设备故障诊断技术。拾取振动信号的常用传感器是压电晶体传感器。振动信号经过快速傅里叶变换分解为单一的谐波分量，可以得到振动的频谱。图3-2是系统软件的结构图，如图所示，使用DAQ采集助手和相应的硬件设备，我们将振动信号采进计算机中，通过数字滤波滤除信号中的噪声和不需要的频率成分。为了减少或抑制频率泄露，采用加窗处理。数字滤波DAQ采集得到的信号消除趋势项消除趋势项积分频谱分析加窗积分3-2系统软件结构框图分模块进行加速度变化率的累加，求的当前速度；在进行速度变化率的累加，求得当前位移，积分用“数学积分与微分”函数子面板中的Integral X（t）VI，它的算法是：Yi=16j=1i(Xj-1+4Xj+Xj+1)dt i=1,2,n-1此外，在程序框图中加入FFT（快速傅里叶变换）VI，以求得信号的实时频率谱，方便对信号的分析，此VI位于信号处理信号分析中，具体程序框图如图3-3所示：图3-3：振动测试程序框图图3-3中，使用DAQ助手采集得到压电晶体传感器输出的电压信号，经过一个由布尔控件控制的case结构流入频谱测量快速vi中，在case结构中，设置实现了对信号的滤波功能，虑除了低频干扰噪声，有利于有用信号的提取与处理。DAQ助手的采样频率设置为1000，采样数设置为2000，4秒超时设置，最后用布尔控件控制DAQ助手的启停。在框图中用到的快速VI有:“Filter VI”位于“ExpressSignal Analysis”中，具体配置如图3-4所示：使用巴斯特沃三阶低通滤波器，截止频率60HZ，此外，为信号加hanning窗函数。图3-4：滤波器配置“Spectral measurements VI”位于“ExpressSignal Analysis”中，使用默认配置，对信号进行快速傅里叶变换，提取频率均方根幅值。我们使用while循环和一个case循环控制程序流程，最后将采集的原始信号和频谱波形分别用一个波形显示控件和图表显示控件显示。所得到的结果如图3-5所示：图3-5：振动信号与其频谱3.2.2转速测试本实验台使用一个光电传感器，安放在联轴器轴向位置上，联轴器上有一块光反射片，当轴开始转动时，每转一圈，光电传感器感知一次反射信号，输出一个脉冲信号，于是我们使用LabVIEW编写程序，输出每秒钟出现脉冲的个数就可以计算出轴的具体转速，具体公式如下： r=60mSR r/min;式中：r-转速（转/分）； m-一个采样序列中的脉冲个数； S-一个采样序列中的采样点数； R-采样点数；具体的程序框图见图3-6下：图3-6：转速测试程序框图图3-6中，DAQ助手配置了数据采集卡的诸项参数，光电传感器输出电压信号经过DAQ输出，使用动态数据到双精度一维数组的转换，信号被保存为可以动态显示的一维波形。然后经过脉冲计数快速vi，我们将记录每一个超过1v的电压脉冲尖峰，通过while循环使计数值加1，每秒钟读取2048个数据点，其中脉冲个数是每秒钟的转速值，乘以六十后就是最终的转速。这里要注意的是在设置采样点数时，要确保每一个脉冲都不会漏记，所以进可能的增加每秒钟采样点数，此外还要综合考虑电脑的性能问题，如果过大就会影响程序运行速度。所以这里设置采样点数为2048。在这个程序框图中要使用“threshold peak detector VI”,此VI用来计算脉冲信号峰值大于一定值时的个数，并输出具体数值。位于“signal processsingnal opration”中。运行此程序的结果如图3-7所示：图3-7：转速测量前面板显示3.2.3轴心轨迹转子轴心轨迹是指转子轴心相对于轴承座在与轴线垂直的平面内的运动轨迹。轴心轨迹是表征旋转机械状态的重要特征量，对测得的轴心轨迹的大小、形状、稳定性和旋转等方面进行综合分析，可以判断转子的运行状态是否正常。测量轴心轨迹通常采用两只点涡流传感器，相互垂直安装在转轴的表面附近，对转轴的X、Y两个方向的径向振动位移进行非接触测量，这样在平面坐标上把测量得到的两个位移值描绘出来就可以得到轴心轨迹。具体的程序框图如图3-8下：图3-8：轴心轨迹测试程序框图DAQ Assist使用两个物理通道采集到X、Y两个信号，经过信号拆分函数，分解为两个独立的信号，每个信号减去涡流传感器中存在的间隙电压值8.7后，再乘以灵敏系数0.008m，得到相应的位移信号，最后使用一个捆绑函数，将X、Y信号组合为一个簇，输出到XY波形显示控件中显示实时的轴心轨迹波形。如图3-9：图3-9：轴心轨迹前面板显示3.2.4数据存盘LabVIEW附带大量的数据记录与回放功能函数，供测试系统设计使用，在本课题中，我们需要将测量得到的实时数据保存为excel文件保存在硬盘上，以方 便后续的实验分析，此时就需要使用LabVIEW功能强大的数据记录与回放功能函数。数据的存盘函数在“programmingfile I/O”中。他们不仅可以用于数据文件的操作，还可以满足任何波形文件的操作，所以可以满足我们此次变成需要。在此次测量编程中，我们将用到以下功能函数：“writer to spreadsheet VI”，它的作用是将采集的数据转化为表格模式存放于excel中。3.3整体程序调试完成各个单独传感器的测量后，我们要对四个传感器进行整体的测试，将四个部分整合为一体，在一个主面板中显示。LabVIEW支持多通道并行采集，采集卡6009总共有四个差分节点，所以可以满足我们的需求，在此，我们一次采集四个节点电压信号输出到信号调理电路经过相应的放大调理电路，流入6009数据采集卡中，最后进入pc机。程序框图如图3-10：图3-10：三通道同步测试在这个程序中，我们使用一个while循环控制整个采集过程的运行，另外我们又使用四个内部while循环分别控制DAQ Assistant,振动，转速，轴向位移的运行。在前面板中，我们使用一个tab control控件将三个子面板放入其中，只要我们点击相应的测量任务，就可以是相应的子面板前端显示。在子面板中有三个Boolean控件，分别控制三个子程序的数据存盘，在程序运行中，我们点击一下，便可以保存相应的数据至一个固定的硬盘文件夹中，并转换为电子表格格式，此部分在程序框图中有三个case结构控制，如上面的程序框图所示，在布尔控件为真时，case结构转入TRUE分支运行相应代码。前面板设计如图3-11：图3-11：table容器设计的总体前面板到此为止，整个设计过程结束。再设计中，我们可以将所得数据与试验台自带程序所得进行比较，图3-12是轴心轨迹的实验数据，转速在2000转以下测得的实时数据，图3-13是用保存的电子表格文件复现的轴心轨迹。图3-12：实验台自带软件振动与轴心轨迹实时显示图3-13：测试系统保存的电子表格复现的轴心轨迹经过图3-12与图3-13的比较，可以看出使用LabVIEW构建的动态数据采集显示结果与试验台自带的软件保持了良好的一致性。4螺旋效率测试实验台数据采集系统设计螺旋传动是利用丝杠和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的，它主要用于将旋转运动转变为直线运动，同时传递运动和力。根据效率的计算方法，并结合螺旋传动的形式，特点，运用计算机技术，传感器技术，以及LabVIEW开发平台，设计出了螺旋传动效率测试系统。4.1螺旋传动效率实验台硬件实现螺旋传动效率测试试验台的装置原理图如图4-1所示：测速转盘丝杠螺母可调速电机应变测力系统光电转速测量系统F应变测力系统图4-1：螺旋传动效率实验台硬件框图在图4-1中，丝杠用联轴器和电机连接在一起，电机为整个转动副提供了测试所需的力和运动。电机变速系统实现了丝杠的底高速转换，从而实现在不同转速下丝杠螺母具有不同的反作用力。装置中使用应变测力系统分别对电机扭矩和螺母反作用力进行实时检测，使用光电传感器对电机转速进行测量。螺旋副效率测试时，恒定的轴向力Q施加在螺母的端面，丝杠推动螺母作轴向运动，又应力测试系统测得Rx处螺母的切向力Fx,求得螺母在各测试点处的力矩：Mex=RxFx螺旋副正向传动时，螺母克服轴向力移动，螺旋副的输入力矩为Mex，螺母旋转一周时，螺旋副对应的输入功：Win=Mex2输出功：Wout=Qmp式中：m为被测螺旋副线数；p为螺距；因此，测试系统螺旋传动正向效率为：正=WoutWin=Qmp2RxFx螺旋副逆向移动时，螺母在轴向力的作用下反向移动。此时螺母扭矩为阻力矩。此时，由机械传动效率计算方法可得螺旋副逆向传动时的效率为：逆=WWo=2RxFxQmp4.1.1螺旋传动效率测试系统模拟设计针对螺旋传动效率测试实验台中的电机扭矩，螺母反作用力和丝杠转速三种参数的动态测量与实时检测，数据采集系统采用实验室固定的应变测试模块完成转动试验台电机扭矩的模拟，并用等强度梁的应力测量来模拟转动试验台的螺母反作用力，使用LabVIEW编程处理两路实时并行的信号得到螺旋传动效率试验台上螺母在不同轴向力作用下的传动效率，课题中使用120的四个应变片构成全桥电路，通过应变仪输出给计算机进行相应的计算分析和显示。电机转速使用投射式光电传感器。模拟系统实体结构如图4-2所示，模块1等强度梁的动态载荷力模拟转动实验台螺母阻力，模块2双孔梁的动态载荷力模拟转动试验台的电机扭矩，模块3转动试验台丝杠转速。模块4为NI6009数据采集卡，用以动态采集三个动态的模拟信号并转化为数字信号供给计算机处理和显示。模块5为多通道动态应变仪，为等强度梁的应变桥路配置相关参数。543211：等强度梁；2：双孔梁实验模块；3：转速实验模块；4：NI-6009数据采集卡；5：SA-8动态应变仪图4-2：转动模拟系统4.2螺母反作用力的动态模拟螺母反作用力用等强度梁应力测试（图4-2中模块1）进行实时模拟测量，应变片上下分布，使用502胶水按照规定粘贴与等强度梁中性层的两面，使用SA-8型动态应变仪进行相关的校正平衡控制输出。4.2.1模拟系统的整体设计模拟系统使用四个应变片测量等强度梁在不同载荷下的应力来模拟转动试验台的螺母反作用力的大小，具体的系统设计框图如下：桥盒SA-8型动态应变仪应变桥路LabVIEW信号处理程序电源NI-6009采集卡4-3：螺旋传动效率测试整体设计框图框图中的应变桥路使用四片应变片组成全桥电路，应变规格：型号35，电阻值1200.2，基底纸基。供桥电压使用应变仪输出的4v电压，调节应变仪灵敏度为2档，桥路四个接点分别连接应变仪桥盒的1,2,3,4接口，应变仪输出的电压信号直接用数据采集卡采集入计算机供LabVIEW程序分析处理，实现实时的显示。4.2.2等强度梁的结构和应变计算等强度梁常用于标定应变测试设备和用于测力传感器，由于梁的截面成等腰三角形，当集中力F 作用在三角形顶点时，梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意位置的应变也相等，因此称为等强度梁。等强度梁的各点由于应变相等，故粘贴应变片的位置要求不严格。在粘贴应变片处的应变为 图4-4：等强度梁结构示意图式中各符号意义如图4-4所示：h为梁的厚度，l为应变片到中性层的长度，E为泊松比。等强度梁材料为40Cr合金结构钢，弹性模量的温度系数E为-3.010-44.2.3应变片粘贴与桥路连接应变片是最常用的测力元件。当用应变片测试时，应变片要牢固的粘贴在测试体的表面，测件受力发生变形，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化，因此应变片的粘贴，直接影响后续测试的结果。粘贴之前首先在试件表面的待测点用刮刀仔细地除去漆、电镀层、锈斑、氧化皮、污垢等覆盖层。然后用0或1砂布与应变片粘贴方向成45交叉打磨，打出一些条纹，这样可以加强胶的附着。打磨光滑后用划针或铅笔在打磨处轻轻划坐标线，即贴片方位线。粘贴时，首先应目测检查应变片敏感栅，确定其排列整齐，且引出线牢固，基底与覆盖层之间的胶均匀无气泡。万用表测得应变片的阻值应为1200.5W。用脱脂棉球蘸丙酮等挥发溶剂对贴片表面进行擦洗，一般要擦洗23次，直到棉球没有油污为止。此后，禁止用手触摸和用嘴吹待测表面。 等待丙酮挥发完全后，在待测表面滴一滴502胶水，捏着应变片的引出线，用基底将胶水拖匀并形成一个薄层，轻轻校正应变片的方向，然后用手或其他平整工具从片头到片尾轻轻均匀滚压，把多余的胶水和气泡挤出，保证胶层尽可能地薄而均匀，直到应变片贴住为止。等胶水自然风干后，用电烙铁把应变片的引出线与连接线焊接在一起。用万用表测应变片敏感栅的电阻值，是否有短路和断路现象。用兆欧表测应变片引出线与试件表面的绝缘电阻，绝缘电阻要达50100MW。待确定应变片的绝缘电阻在50100MW之间后，固定应变片到应变仪之间的连接线。并涂上保护层，保护层可用石蜡涂料、环氧树脂等。这主要是防止大气中水分的浸入，或者在特殊条件下防止酸、碱、油等介质的浸入，并且还可防止机械损伤及引出线抖动和固定连接线的作用。图4-5为粘贴好的应变片。图4-5：应变片粘贴实物图电桥电路（图4-6）是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为R1/R1、R2/R2、R3/R3、R4/R4，当使用四个应变片构成全桥电路,且R1=R2=R3=R4=R时， R=4RR图4-6：应变电桥电路示意图4.2.4应变测试系统的标定粘贴好后的应变片当梁受到一定载荷后发生变形时，其阻值也将发生变化，经过上述分析可以得到电桥输出电压和所加的载荷应为线性关系，使用动态应变仪和相应的LabVIEW程序便可以轻松的对应变测试系统进行标定找出输出电压和所加载荷的对应关系，LabVIEW对应的程序框图如图4-7：图4-7：应变标定的vi程序框图程序中，使用读取电子表格函数，从硬盘读取实验获得的砝码重量与输出电压的电子表格文件，然后将文件中的电压和质量拆分为两个独立的一维数组，这两个一维数组分别流向XY图中X和Y输入端口，经过相应的算法得到电压与载荷的关系，也即电压与载荷力曲线图的斜率。结果如图4-7所示。图4-8应变电桥电压与载荷力的标定曲线如图4-8，我们可以的到灵敏系数为0.98267N/V.使用这一灵敏度，我们可以通过采集得到的任意电压信号而得到相应的载荷大小值，从而实现动态载荷力的大小。4.2.5模拟系统程序的编写与校验使用LabVIEW中的采集助手配合相应的硬件可以得到应变改变时的电桥输出电压值，通过对电压值的处理计算就可以得到相应的载荷力，具体的程序框图如图4-9：图4-9：螺母反作用力与扭矩vi程序框图图24中DAQ助手配置数据采集卡6009采集参数，通过硬件实现采集得到实时电压值乘以灵敏系数2.16得到实时的载荷力即螺母阻力。试验台转轴的半径为20mm，所以可以得到螺母反作用力的扭矩。最后使用一个条件结构将数据保存为电子表格格式，以实现数据的共享。4.3电机扭矩的动态模拟电机浮动安装，用双孔梁贴应变片测量其支反力。电机的扭矩使用应变片进行测量，应变片接成全桥电路，电桥输出电压与双孔梁所承载的载荷力呈线性关系，通过对电压的测量和双孔梁灵敏度的标定，可以得到实时的载荷力大小。载荷力与受力点到电机旋转中心距离的乘积就是电机的扭矩。用试验台应变测试模块，平行双孔梁的应变效应以及应变片电桥电路和LabVIEW编写的测试程序，对电机扭矩进行实时测量。4.3.1双孔梁的应力计算与校验双孔梁示意图如图4-10，四个应变片对称分布于梁的上下两面，感应梁受到的载荷力大小。图4-10：双孔梁结构示意图及其标定如同螺母阻力测量，通过如图4-10中校验得到力与电压的变化率之比为4.9N/V。实验模块示意图如图4-11。四个应变片组成全桥电路，通过电位器WD调平电阻，电桥输出经过差分放大器放大放大和相敏检波电路进行波形调制，调制后的波形通过数据采集卡进入LabVIEW中进行后期处理分析和显示。图4-11：双孔梁实验模块放大电路示意图4.3.2数据的采集与具体程序使用DAQmx对数据采集卡进行配置，编写相应的LabVIEW程序对采集到的波形进行分析处理，具体的程序框图如图4-12：图4-12:电机扭矩vi程序框图图4-12中DAQ采集得到的电压值乘以灵敏系数4.9N/V得到载荷力实时信号，电机转动中心到双孔梁测点的半径为250mm，二者的乘积即为电机扭矩，用一个波形图表动态显示电机扭矩的大小，同时用一个布尔控件控制数据的保存和循环的终止。4.4丝杠转速的测量与显示直射式光电转速传感器，利用光电接收端接收到发射端发出的光束时，产生的周期电脉冲信号来动态显示转速的大小，转速与每转脉冲的个数之间的关系可以用下式表示：r=60fn 转/分钟其中其中f：频率，单位HZ；n：每转一周产生脉冲个数。丝杠转速用光电转速实验模块进行模拟。具体的LabVIEW程序如图4-13所示：图4-13：丝杠转速vi程序框图DAQ助手采集得到光电和霍尔两路传感器输出的脉冲信号，经过过峰计数函数的计数，输出频率值，频率值除去买转脉冲个数6，再乘以分度值60秒，得到每秒钟的转速r。最后通过两个波形图表动态显示所得的转速值。由于传感器供电电压为5V，所以过峰值设置为4.5V，其含义即脉冲峰值超过4.5V时计数值加1。通过两路传感器信号处理结果的比较分析，可以发现光电传感器比霍尔传感器灵敏，霍尔传感器转速值在010转之间波动。4.5整体程序设计与调试为了可以在一个前面板中实现显示三路信号的动态变化，往往使用DAQ助手的信号拆分功能，在NI6009的配置中，选择了三路差分信号输入通道，可以一次采集三个传感器的动态信号，分别是转速，螺母阻力，电机扭矩。通过拆分，三路信号顺序输出，用一个while循环控制采集卡的启停，具体的程序框图如图4-14：图4-14：数据采集系统整体vi程序框图图中，三路信号按照各自的处理流程进入一个一维数组之中，我们通过三个条件结构和三个控制按钮控制是否把采集的数据写入电子表格，当点击图4-15的保存按钮时，将会弹出如图4-16的对话框，提示你输入文件名。写入电机扭矩，然后确定。这样我们可以将扭矩的实时数据保存为电子表格文件，这方便的实现了数据的共享问题，使没有装LabVIEW的工程人员也可以使用LabVIEW采集得到的数据。图4-15：转动实验台模拟系统前面板总体程序的前面板图4-15，三个动态信号同时显示，传动效率的实现是通过螺母阻力产生的扭矩值与电机扭矩之比，然后使用传递法实现的。图4-12中螺母阻力输出之后与转轴的半径之积即为螺母反作用力大的扭矩大小 ，同样可以得到电机产生的扭矩大小。于是实现传动效率的动态显示。图4-16三个保存按钮控制程序框图中三个条件结构，当按钮为真时，则执行条件结构中的真分支项。否则写入一个一维数中。图4-16：保存实验数据时对话框结束语本文以LabVIEW软件为平台所开发的动态信号采集系统，可以较方便的对各种传感器输出地电流电压信号进行动态的显示，处理，分析，以及数据保存。通过对两个试验台测试系统地设计及调试，可以发现虚拟仪器在今后测试工程中有着不可取代的作用，使用虚拟仪器技术可以完成任何常规测试无法完成的任务。此测试系统，不仅调高传统试验机的分析功能，还扩大了其应用范围，使其适应现代化的测试要求。课题较好的发挥了LabVIEW的图形化编程语言的优势，程序代码简单直观。通过高亮运行，我们可以清晰地看到数据的流向。课题先以振动实验台为基础，设计一个集四个传感器的动态数据采集显示，以及对信号的滤波，频率转换，尖峰计数等处理。同时与试验台自带软件的相应处理结果相比较，可以看出使用LabVIEW编程实现的动态信号采集系统同样有着较好的采集精度。第二步，在振动实验台采集系统的基础上，设计了螺旋传动效率模拟动态采集系统，以悬臂梁应力测试模拟螺母反作用力，以双孔梁应力测试模拟电机扭矩，以试验台固定模块模拟丝杠转速。此系统较好的复现了转子试验台各项参数的动态采集与显示，同时模拟出螺旋传动效率的实时改变。此外，此系统的设计过程中，应变片的粘贴，硬件电路的搭建，传感器的选择等等对最终的正确显示有着较大的影响。另外，此