（测试计量技术及仪器专业论文）基于labview的动态回转窑外轮廓激光测量系统的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 回转窑是对各种物料进行锻炼的回转圆筒设备。它广泛应用于黑色冶金、 有色冶金、化工、建材( 水泥) 、非金属矿、耐火材料、造纸等行业。作为关 键性的设备，回转窑正常运转有着重要的意义。回转窑若处于停窑检修状态， 则基本上生产将处于停顿状态，造成重大经济损失。因此，保证回转窑的正常 运作，对于生产厂商的生产状况、经济效益和生产成本是非常重要的，具有重 大的经济意义。在窑的长期生产过程中，有时由于窑体衬砖的脱落引发“红窑” 事故，窑简体会发生永久性径向变形。变形后重新砌上的衬砖粘附性较差，容 易再次脱落，重新引发“红窑 事故，因此回转窑使用厂迫切希望能对运转中 简体和轮带外形偏摆进行测量，以便决定采取相应的修理措施，提高回转窑的 运转率和检修的质量标准。 本文研究分析了回转窑的简体变形的原因以及国内外的回转窑筒体变形测 量的方法，经过分析对比，提出了新的简体变形的测量方法以及新的数据处理 手段，并做了详细的论述。 通过对各种回转窑筒体偏摆测量方法的研究，提出了基于激光位移传感器 j g j 的测量系统的设计方案。j g j 是一种应用在工业中的高性能的综合距离测量 传感器，可以对大距离进行非接触式精确测量。通过对回转窑简体各个截面的 测量，获得截面形状的数据，进行坐标变换后及可显示该截面的截面图和展开 图。将等间距的一系列截面展开图连接起来就可以显示部分简体立体图。该系 统包括结构设计、软件设计以及基于l a b v i e w 的人机界面的编程设计。 对虚拟仪器技术作了较为深入的分析探讨，对数据采集和数据处理做了大 量工作，设计完成了基于l a b v i e w 平台的应用程序的各个模块设计，主要是基 于l a b v i e w 与p c 机的串口通讯模块、数据处理和数据存储等模块，并设计了美 观友好的人机交互界面，使用户能更直观、快捷的看到测量的结果。 本仪器已获得中国实用新型专利，专利号2 0 0 7 2 0 0 8 4 3 8 2 6 ，曾在华新水泥 厂试用，工作良好。系统涉及到光、机、电和计算机软件技术，它弥补了国内 在该领域的不足。 关键词：回转窑，外轮廓，简体变形，l a b v i e w ，激光传感器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o t a r yl 【i l l li st h em a i ne q u i p m e n to ft h es o m ek i n d sm a t e r i a lt o i t sa p p l yi n f e r r o u sm e t a l l u r g y ，c o l o r e dm e t a l l u r g y ，c h e m i c a li n d u s t r y ，b u i l d i n gm a t e r i a l s ( c e m e n t ) ，p r o f e s s i o n sa n ds oo nn o n m e t a l l i f e r o u so r e ，f i r e - p r o o fm a t e r i a l ， p a p e r m a k i n g e t c a st h ec r u c i a le q u i p m e n t ，i th a sv i t a ls i g n i f i c a n c et h a tt h ek i l n k e e p i n gag o o dw o r k i nt h el o n g - t e r mp r o d u c t i o np r o c e s so fk i l n ，s o m e t i m e st h e l i n i n gb r i c ko fk i l nb o d yf a l l so f fa n di n d u c e s “t h er e dk i l n ”a c c i d e n t ，t h ek i l nt u b e h a sp r o d u c e dt h ep e r m a n e n tr a d i a ld i r e c t i o nd i s t o r t i o n t h ec o h e r e n c eo ft h el i n i n g b r i c kw h i c ha r eb u i l ta f t e rt h ed i s t o r t i o ni sb a d i t se a s yt of a l lo f fo n c em o r ea n d i n d u c e “t h er e dk i l n ”t h ea c c i d e n ta g a i n ，t h e r e f o r et h er o t a r yk i l nu s ef a c t o r y e a r n e s t l yh o p et h a tt h e yc a nm e a s u r et h et u b eb o d ya n dt h et u r nb e l tc o n t o u rb e a t si n c a r r i e s ，i no r d e rt ot a k et h ec o r r e s p o n d i n gr e p a i rm e a s u r ea n de n h a n c et h er u n n i n g r a t eo ft h er o t a r yk i l na n dt h eo v e r h a u lq u a l i t ys p e c i f i c a t i o n t h i sa r t i c l es t u d i e sa n da n a l y z e st h er e a s o no ft h ek i l nb o d ya sw e l la st h e s u r v e ym e t h o do fr o t a r yk i l nt u b eb o d yd i s t o r t i o ni nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n c o u n t r y c o n t r a s t i n gt ot h ep r o c e s sa n a l y s i s ，i tp r o p o s e st h em e a s u r i n gt e c h n i q u eo f t h en e wt u b eb o d yd i s t o r t e da sw e l la st h er e c e n td a t ap r o c e s s i n gm e t h o d ，a n dm a k e t h ed e t a i l e de l a b o r a t i o n i tp r o p o s e sd e s i g np r o p o s a lo fm e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hb a s e do nt h el a s e r p o s i t i o nt r a n s m i t t e rj g jt h r o u g ht h es t u d yo fe a c hk i n do fr o t a r yk i l nt u b eb o d y j g j i so n ek i n do fm e a s u r e m e n ts e n s o ra p p l y i n gi nt h eh i g hp e r f o r m a n c ec o m p r e h e n s i v e d i s t a n c ei nt h ei n d u s t r y ，i tc a nc a r r yo nt h en o n - c o n t a c tp r e c i s i o nm e a s u r i n gt ot h e g r e a td i s t a n c e w e c a n g e tt h e d a t a so fs o m es e c t i o n sb y m e a s u r i n g t h e b o d y o ft h e r o t a r yk i l n t h e n ，w ec a ng a i nt h e3 dd r a w i n gb yc o l l e c t i n ga l l t h es e c t i o n s t h i ss y s t e mi n c l u d e ss t r u c t u r a ld e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na sw e l la st h e p r o g r a m m i n gd e s i g nb a s e do nl a b v i e wm a n m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c e w e d e e p l yr e s e a r c ha n da n a l y s et h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，d i dal o to f w o r ki nd a t ac o l l e c t i o n a n dd e s i g n e de a c hm o d u l eo ft h ea p p l i c a t i o nb a s e do n l a b v i e wp l a t f o r m ，g e n e r a l l yi n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o no ft h es c ma n dt h e c o m p u t e rb a s e do nl a b v i e w ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t ai n p u ta n do u t p u te t c w ed e s i g n t h ea r t i s t i ca n df r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ec o n t a c ts u r f a c e ，e n a b l et h eu s e r d i r e c t l ya n dq u i c k l yg e tt h er e s u l t t h ei n s t r u m e n th a sg o tt h eg r a n to fc h i n e s eu t i l i t ym o d e lp a t e n tw h o s en u m b e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 i s2 0 0 7 2 0 0 8 4 3 8 2 6 i th a sp e r f o r m e dw e l li nh u a x i nc e m e n tc o m p a n y o p t i c a l ， m e c h a n i c a l ，e l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rs o f t w a r et e c h n o l o g yh a v eb e e na p l l i e di nt h e i n s t r u m e n t ，w h i c hh a sm a d eu pf o r t h ed o m e s t i cs h o r t a g ei nt h ea r e a k e yw o r d s ：r o t a r yk i l n ，e x t e r i o ro u t l i n e ，b o d yd i s t o r t i o n ，l a b v i e w ， l a s e rs e n s o r i i i 武汉理工大学硕士学位论文 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。据我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名： ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的题目及来源 第1 章绪论 课题题目：基于l a b v l e w 的动态回转窑外轮廓激光测量系统的研制 课题来源：国家建材行业回转窑检测中心项目 1 1 2 课题研究的目的及意义 水泥作为当前国民经济支柱产业之一，在我国国民经济中占据重要地位。 随着我国经济持续的飞速发展，市场对水泥等生产资料的需求越来越大。水泥 生产过程中，熟料的锻烧是最重要的过程，所用的设备水泥工业窑，从立 窑、回转窑到今天新型干法水泥回转窑系统己经发展得较为成熟。 回转窑由于长期处于重载( 2 0 0 0 吨以上) 、窑内高温( 1 4 0 0 - 1 7 0 0 度) 、浓尘 的恶劣环境中，在多支点上日夜不停地连续运转，有时由于窑体衬砖的脱落引 发“红窑”事故，窑筒体会发生永久性径向变形。变形后重新砌上的衬砖粘附 性较差，容易再次脱落，重新引发“红窑”事故，保持回转窑安装和运转中简 体轴线的直线度和截面圆度，可以延长回转窑内衬寿命，减轻不均匀磨损，减 少机械事故，进而保证回转窑长期安全高效运转。但是回转窑属重型热工设备， 在运转过程中，由于基础的不均匀沉陷、托轮轴瓦、托轮、滚圈内外圆的磨损、 垫板间隙的增大，各处温度的差异、内衬剥落后的红窑及生产过程中由于突然 停电，窑体在高温下停止转动等因素，可能使简体产生局部变形或弯曲、甚至 扭曲。当弯曲超过一定极限时，不仅发生歇轮现象，更会使各档托轮受力不均， 磨损加重，导致底座晃动，内衬剥落、大齿圈振动等，致使回转窑无法正常运 转驯。 所以，回转窑使用厂迫切希望能对运转中筒体外轮廓进行测量，以便确定 径向变形位置，从而采取相应的修理措施，提高回转窑的运转率和检修的质量 标准。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外相关技术研究 回转窑的筒体检测技术，国外有的对窑简体旋转中径向偏摆非接触测量的 仪器系统主要由激光测距仪和微机系统组成，造价昂贵，应用受到一定限制陋3 。 仅美国的p h i l l i p s 公司、德国的p o l y s i u s 公司和丹麦的f l s 公司有同类产品， 它们是世界最具实力的回转窑成套设备生产商和维护服务供应商，但产品和服 务报价很高。 而国内对回转窑筒体变形的检测是停窑检测。但停窑测量不仅困难且耗时 长，至少需2 天，水泥生产企业的产值直接损失达8 0 - 2 0 0 万元，严重影响企业 经济效益。近年来，国内虽然有应用超声波测距传感器对回转窑窑体检测的文 章报道，但超声波测距误差一般为0 5 ，测量距离仅为5 m 时，其测量误差就高 达2 5 m m ，不能满足窑体变形检测的基本要求，无法实际应用。 1 3 本文主要研究内容 本文通过研究，设计出一种装置，能在不停窑的情况下，实现对动态回转 窑筒体外轮廓的远距离检测，以替代目前国内所采用的停窑大修、事后检测的 检测方法。通过检测回转窑筒体外轮廓的异常变形，提供精确、直观的数据分 析结果，为筒体修复提供重要数据，以帮助企业更有效的维护窑体，避免停窑 检测、修复的停产损失，提高窑的生产运转率。 1 4 创新点及技术关键 创新点：回转窑外轮廓变形测量方法的创新式设计：通过远距离激光测距传感 器结合无线位置传感器进行远距离动态测量，克服了停窑静态测量的 弊端，并拥有很高的精度。 技术关键：1 、安置激光传感器的机械装置的设计。 2 、回转窑外轮廓展开图的数据采集和三维曲面复现的软件程序的设 计。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章动态回转窑外轮廓测量的原理与方法 2 1 回转窑简体变形原因分析 回转窑外轮廓的主体部分是筒体，而回转窑外轮廓的变形原因非常多，这 里以简体为例，对其变形原因加以分析。回转窑是在高温、多尘、重载的条件 下连续运转，而且回转窑跨度大，是个典型的超静定问题，受力原因十分复杂。 【l 】 2 1 1 窑体简体变形原因分析 回转窑是典型的复杂重载、大扭矩、多支点、变刚性的大型超静定系统， 处在高温、冲击、震动、露天的工作环境，受力十分复杂，变形原因也非常复 杂，总结起来，主要有以下几点： 1 、内衬耐火砖剥落后的红窑，局部的温度过高，各处温度的差异、热胀冷缩使 窑体变形。 2 、轮带内外圆的磨损、垫板间隙的增大也是导致简体变形的原因。 3 、生产过程中由于突然停电，窑体在高温下停止转动等因素。 4 、筒体长、跨距大，加上本身自重，如果在运行中由于托轮基座发生不均匀沉 陷，支撑组件的非均匀磨损容易导致简体变形。 2 1 2 窑口简体变形原因分析 l 、出窑熟料温度高。由于工艺方面决定，出窑熟料温度1 0 0 0 c 左右。窑口筒体 一般是由q 2 3 5 一a 等材料的钢板卷制焊接而成，厚度约为3 0 m m ，高温后表面 氧化，氧化层不断脱落，筒体厚度变薄，削弱了强度，因此容易引起变形。 2 、窑口护板松动。窑口护板是由单排几个个螺栓与窑口简体连接，若螺栓稍有 松动，筒体回转时，护板就会摆动，造成简体圆周局部刚性不同，加速窑口 简体变形。 3 、窑口护板螺栓烧损脱落。因窑口护板螺栓烧损脱落，导致窑口护板脱落，从 而使高温熟料直接冲刷窑口筒体，这时，窑口筒体要同时承受高温、物料磨 损和化学侵蚀的作用，窑口筒体由此加速变形。 4 、窑砖没有紧贴挡砖圈。窑砖砌筑不合理，在砌筑窑衬时，窑砖没有紧贴挡砖 圈，而是紧贴另外的窑砖上，这种挡砖圈起不到应有的作用，因为回转窑向 3 武汉理工大学硕士学位论文 窑口方向倾斜，所以窑衬的力就通过窑砖传递到另外的窑砖，从而施加在窑 口筒体上。久而久之，窑口简体就变成喇叭口。 2 2 动态回转窑外轮廓的测量原理 研制该系统的目的是能直观的看到回转窑外轮廓的每个截面的截面图、展 开图和整个简体的三维展开图。 我们将简体的一周等分成若干份，用传感器对准简体的母线，来采集一周 上每个点距离传感器的数据，然后进行数据处理和坐标变换。建立角度和径向 偏摆的极坐标系，通过坐标变换，将每个点的数据在该坐标系中绘制出来，通 过所绘制出来的曲线来判断简体径向偏摆的情况。如图2 4 为典型的数据获取 方法，测量出l 和l i ，将筒体圆周平分成若干份，算出每一点的极值r i = l l i ( 其中l 等于l i 的平均值加上简体的理论直径) ，就可以画出截面极坐标图， 同时也可以据此画出外轮廓展开图。 1 导轨及俯仰装置2 激光传感器 图2 1 系统测量原理示意图 2 3 动态回转窑外轮廓的测量方法 开始，要求传感器和回转窑中心线平行等距，即安放传感器的导轨与简体 4 武汉理工大学硕士学位论文 的中心线保持平行，传感器到简体中心线的距离为定值。为了确保平行等距， 我们在导轨两端装有标靶，通过经纬仪观测标靶来调整导轨的位置，从而保证 了导轨与回转窑中心线平行等距。 测量时，首先将所测筒体每隔2 0 c m 分成若干个截面，截面数等于简体长度 除以2 0 c m 。再把每个截面按角度分为若干个点，点数等于简体旋转一周所需时 间除以激光传感器连续测量模式下的最小采样时间，该最小时间取决于传感器 和筒体之间的距离，距离越大，时间越大，为了保证精度，同时又不必靠近温 度极高的窑体，测量距离我们一般选取5 m 左右。 开始测量前，变动导轨上俯仰装置的角度，让激光传感器的激光刚好和筒 体下半部分相切，记下角度1 3 ，然后再和简体的上半部分相切，记下角度q ， 计算= ( q + b ) 2 ，让俯仰装置角度为o ，此时激光传感器正好对准简体的中 心线，可以开始测量。 图2 - 2 激光传感器对准回转窑中心线图 首先，用传感器先对简体第一个截面采集其一周上每个点到传感器的距离， 然后再沿着导轨移动传感器2 0 c m 到达第二个截面开始采集数据，依此类推直到 最后一个截面数据采集完为止。 另外，采集每个截面数据的起点要求是一致的，起点信号采用光电开关触 发，每个截面的测量起点在同一条线上。光电开关作为位置传感器，可以标记 回转窑每一圈的起始和结束时刻，和激光传感器配合，获取每一圈上点的数据， 在此条件下将数据都采集完后对数据进行相关处理。即将所有数据放在一个三 维坐标系中，x 坐标可以设置为筒体截面的位置，y 坐标设置为简体上每个截面 上的点对应的角度，z 坐标设置为传感器测量的每个点的距离。这样将所有测量 数据通过相关软件描绘到此三维坐标系中，将构成一个面。我们以简体的平均 半径作为参考，如果筒体表面变形不是很厉害，则比较平滑；如果表面有凸出， 5 武汉理工大学硕士学位论文 那么所描绘的平面也会有凸起；如果表面有凹陷，那么所描绘的平面也会有凹 陷。这样就可以形象地表现了回转窑简体表面凸起和凹陷的位置。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章动态回转窑外轮廓测量系统介绍 3 1 系统简介 本系统由硬件系统和软件系统构成，详细的工作流程图如下图3 1 所示： 图3 - 1 系统工作流程图 光电开关的反射镜片安装在回转窑筒体上，发射器和接收器为一体，固定 不动，回转窑每旋转一周，触发光电开关的脉冲信号，为了连线简便，该信号 经由无线模块通过串口传输至便携式计算机。 激光传感器非接触式的中距离测量其与回转窑外轮廓的距离，它的测量、 数据传输由计算机通过串口控制。 激光传感器所在导轨的位置由经纬仪观测标靶校正。 最后，由计算机处理所采集到的数据，显示回转窑外轮廓的截面图和展开 图。 其中，硬件系统包括机械系统和电路系统。测量示意图如下： 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 激光传感器简介 3 2 1 激光传感器概述 图3 - 2 测量示意图 激光传感器是本测量系统中最重要的装置，也是造价最高的，因此，对它 的选型，显得尤为重要。这里，我们选用欧洲某公司生产的型号为j o j 的产品， 它是一种功能强大的测距设备，它可被集成用于各种工业用途。通过一束激光 反射，使得精确、无接触式长距离测距成为可能。工作示意图如下图3 - 3 所示： 图3 - 3 激光传感器工作示意图 j g j 的主要特点有： 连续采样频率2 5 次秒 测程0 0 5 - 2 0 0 m ，0 0 5 - 5 0 0 m 串行接口( r s 2 3 2 或r s 4 2 2 ) 单根r s 4 2 2 线可连接多达1 0 个模块 范围宽广的供电电压( 9 3 0 v ) ，低温模块( 2 4 3 0 v ) 8 武汉理工大学硕士学位论文 可编程模拟输出( o 4 2 0 m a ) 两个可编程数字输出端( d 0 1 和d 0 2 ) 1 个数字输出错误信号 1 个可编程数字输入信号( d 1 1 ) 用a s c 协议控制外接显示器 d 型接i ：1 和螺旋接线端便于连接 i p 6 5 ( 防止灰尘和水汽浸入) 4 个发光二极管用于显示状态信号 可选：内部加热器，用于零下4 0 。c 以下的操作环境 二等激光( 2 5 0 0 0 h 2 5 。c 电源供点9 3 0 vd c0 5 a 尺寸 1 5 0x8 0x5 5m m 工作温度： 一1 0 oc t o + 5 0 。c 储藏温度 - 4 0 。ct o + 7 0 。c 保护程度i p 6 5 ：i e c 6 0 5 2 9 ( 防水防尘) 重量 6 3 0g 接口 1 个异步串行通讯( r s 2 3 2 r s 4 2 2 ) 3 3 光电开关简介 表3 - 2 激光传感器详细规格 光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变 化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是 电隔离的( 即电缘绝) ，所以它可以在许多场合得到应用。 工作原理：光电开关( 光电传感器) 是光电接近开关的简称，它是利用被 检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物 武汉理工大学硕士学位论文 体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发 射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物 体进行探测。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。 光电开关有很多种，有镜反射式光电开关、漫反射式光电开关、对射式光 电开关、槽式光电开关、光纤式光电开关等。本系统采用的光电开关由南京某 传感器公司生产，它属于镜反射式光电开关，亦集发射器与接收器于一体，光 电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全 阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。原理如下图3 4 ： 团圈 圈恒心歹 图3 - 5 光电开关原理图 在我们以前的现场测量中，开关信号的触发使用的是霍尔开关而不是光电 开关，这样，要求开关必须安装在距离高温的回转窑简体l c m 以内，窑体温度 常常高达两三百度，这给安装带来了极大的不便。笔者曾在现场安装过多次， 超级酷热难耐。使用光电开关后，这一弊端可以得到有效解决，因为该光电开 关的有效作用距离为0 3 m ，完全不必要近距离安装测量支架和开关，只需把粘 有镜面的磁铁放在简体上即可。 该光电开关的工作电压为5 - 3 0 v d c ，额定电流2 0 0 m a ，系统中我们所提供的 5 v 供电电压，经实验良好的正常运行。 3 4 经纬仪简介 激光是一种方向性极强、能量十分集中的光辐射，这对于实现测量过程的 高精度、方便性及自动化是十分有益的。利用激光这一特性，本产品可用于： 可用于较高精度的角度坐标测量和定向准直测量场合，如：大型船舶的制造； 中小型水坝坝体位移测量；重型机器的窗身校正，机件变形测量；港口、桥梁 工程；大型管道、管线的铺设；隧道、井巷工程；高层建筑、大型塔架；飞机 机架安装；天顶方向的垂线测量；水准测量。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 我们选择的是苏一光j 2 2 ，如图3 - 6 ，本产品是在j 2 2 光学经纬仪上引入 半导体激光器，通过望远镜发射。激光束与望远镜视准轴保持同轴、同焦。因 此，本产品除具备光学经纬仪的所有功能外，还提供一条可见的激光束，十分 便利于工程施工。由于半导体激光发射器较气体发生器具有使用寿命长、功耗 小等优点，使得本产品使用两节a a 电池可工作一个工作日。本产品还配置了双 弯管目镜，便于使用者观测天顶方向。若不使用激光，本仪器仍可作一般2 ”光 学经纬仪使用参数如表3 - 3 ； 图3 - 6 苏一光j 2 2 仪器型号1 2j d e 望远镜正像 激光管类型激光二极管 激光波长6 3 5 n m 有效射程( 白天)2 0 0 m 最小调焦距离 2 m 光斑大小5 r e a l 1 0 0 m 用波带片时十字线宽l m m 3 0 m 激光束聚焦时光斑中心不大于5 ” 电源d c 3 v ( 两节5 号电池) 工作温度一1 0 + 4 5 表3 - 3 苏一光j 2 2 参数表 1 3 ：毒 j _ ，jt畏、ji卜f 叠 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 其他设备简介 除了以上主要设备外，系统还有其它一些装置。 3 5 1 无线传输模块 同样为了避开窑体高温，远距离传输信号，我们选用了无线传输模块，因 为该模块仅传输一个开关量的脉冲信号，功能简单典型，市面上此类产品较多， 量产的价格便宜，所以我们购买现有的模块。如果自己设计调试无线通讯电路， 耗费的精力更多，而成本也更高。 3 5 2 电池盒 电池盒内放有充电电池和电路板，外有电源、光电开关、和激光传感器3 个接口，还有1 个电源开关。由于电路并不是非常复杂，没有高频、射频电路， 该测量系统目前还没有量产，所以内部电路没有做成p c b ，而是手工在面包板上 焊接而成。 3 5 2 激光传感器支架 支撑激光传感器的三脚架，还有滑块和俯仰装置等，这部分是购买原材料， 自己加工而成，详见4 1 机械装置的设计。 3 6 系统主要技术特点及参数介绍 3 6 1 仪器的主要参数 仪器的主要参数为： ( 1 ) 激光传感器测量位移范围为：0 5 6 5 m ，测量精度为0 1 5 m m ( 2 ) 连续测量频率为：2 5 次秒 ( 3 ) 仪器工作温度为：一1 0 。- - - + 7 0 。c ( 4 ) 仪器重量为：5 k g ( 5 ) 导轨长度：l m ；导轨倾角最大值：4 5 。 ( 6 ) 激光传感器旋转范围：0 。 - 8 0 。 3 6 2 仪器的主要特点 仪器的主要特点： ( 1 ) 新型j g j 激光位移传感器，光电集成一体化，无需外接控制器，抗异光干扰 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 能力强； ( 2 ) 本系统可适应高温、多尘、恶劣环境； ( 3 ) 基于l a b v l e w 的数据处理，界面直观、友好，既可以查看筒体的截面展开图 也可以查看立体展开图； ( 4 ) 该系统为中距离测量，免去了操作人员受高温的影响。 ( 5 ) 仪器成本低，在1 0 万元以下，国外同类产品非常昂贵，而国内目前没有相 应产品。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章测量系统的硬件设计 41 机械装置的设计 4 1 1 机械装置总体结构 本测量系统的机械装置包括：激光位移传感器、俯仰装雹、滑块、导轨、 升降装置、三角螺旋调平装置、电源盒、三角支架等，实物图如41 所示： 图4 - 1 测量系统机械装置实物图 详细的械装置整体结构图如 图4 - 2 ( 右) 所示： l 激光位移传感器 2 俯仰装置3 滑块4 导轨 5 升降装置6 三角螺旋调平装置 7 电源盒8 三角支架 图4 - 2 机械装置总体结构图( 右) 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 其中，激光位移传感器安装在俯仰装置的一侧，俯仰装置装在滑动座上， 滑动座可以在导轨上滑动和锁紧固定，激光位移传感器的激光轴可以垂直于导 轨作俯仰转动；导轨的一端通过1 个合叶与底座铰链，导轨的另外一端可以由 升降装置垂直升起；升降装置安置在底座上；底座由1 个支架支撑。支撑底座 的支架是带有1 个圆水泡器的3 点螺旋调平机构。 4 1 1 三角旋转调平装置及角度调整螺钉机构 如图4 - 3 所示，导轨的一端通过1 个合叶与底座铰链，导轨的另外一端可 以由升降装置垂直升起；升降装置安置在底座上；底座由1 个支架支撑。支撑 底座的支架是带有1 个圆水泡器的3 点螺旋调平机构。 1 滑轨2 标尺3 升降螺钉装置4 底板5 三角螺旋调平装置6 三脚支架 图4 - 3 三角旋转调平装置及角度调整螺钉 4 1 3 滑块机构 如图4 - 4 a 、4 - 4 b 所示，滑块机构由一块主支撑板和两块侧板组成。主支撑 板背面对称分布共六个滚珠槽，滚珠装于槽中，并通过橡胶皮，螺钉与板面固 定连接。主支撑板在承载与激光传感器连为一体的俯仰装置同时，能保证在导 轨上的方便滑动：主支撑板两侧为有钩型伸出装置的侧板，以保证滑块装置在导 轨滑动时的平稳性其中一块侧板上有锁紧螺钉，以实现滑块在任意位置的定位 锁紧 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 滚珠2 锁紧螺钉3 滑块4 滑轨 图4 - 4 a 滑块机构 图4 4 b 滑块机构 4 1 4 俯仰装置 如图4 - 5 所示，俯仰装置特征是：激光测距传感器的激光线垂直并正交于 俯仰装置的旋转轴线，传感器的激光线可随俯仰装置的旋转轴做3 6 0 度旋转， 并可在任意角度位置上固定；俯仰装置的旋转轴平行于导轨。 1 旋转轴套2 激光测距仪安装板3 刻度盘4 支架 图4 5 俯仰装置 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 电路系统的设计 基本的机械结构设计好后，是供电系统和信号采集、转换、输出功能的设 计。电路系统的框架图如图4 - 6 所示： 图4 6 电路框架图 以上每个模块之间的连接用箭头表示，箭头上有章节编号，将在下面对应 的章节中详细论述。 以下图4 - 7 是电路系统原理图，用p r o t e l 绘n - 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 t r - r a g 量l v c c r l p ，u ，l ，锄! t r l 6d i s c h 7 0 u tt h r e s 6 v c c5 r e s e tc o n t i u 37 8 l 0 5 图4 7 电路原理图 4 2 。1 激光传感器与计算机的连接 c 0 l n l 岛 6 o 2 o 7 _ o m3 o c t se o 9 _ o 哪5 d b 9 9 - - - - - - o r ，2 o l q - - o l o 1 l o 一。 1 2 o 5 0 1 3 6 o c n dl p 0 瑗r7 v o e ；n d1 5 p o w _ e r8 d b l j 无线模块发透接口 无线攥块接收接口 激光传感器为1 5 针d 型接口，我们只用到其中的6 个管脚，其功能分别如 下表4 1 ： 管脚编号标志符 说明 1r r s 2 3 2 接收线路 2t xr s 2 3 2 发送线路 7 ，8p w r+ 9 v + 3 0 v 14 ，15g n d地线 表4 - 1 激光传感器管脚功能表 2 0 口蜒挚哥u山 口妪器碴啦装赫 武汉理工大学硕士学位论文 可以看到，激光传感器的接口分为通信接口和电源接口： l 、激光传感器的通信接口 计算机上的串口是标准的r s 2 3 2 c 接口，因此激光传感器可直接与计算机串 口连接，接法如下图4 - 8 所示： 默认设置 披持率1 9 2 0 0 数据位7 位 停止位1 位 校验倡交验 舌 t x 5 r x 三g r i d o 9 u d - 图4 - 8 激光传感器与计算机的连接 2 、激光传感器的电源接口 因为激光传感器的供电电压为9 v 一3 0 v ，而测量系统要实现便携式功能，我 们设计整个电路系统使用两节9 v 的蓄电池串联供电，即供电电压为1 8 v ，供电 电压直接给激光传感器供电。 需要说明的是，由于激光传感器的功耗相对较大( 标称 o 9 5 r o w ，但工作 状态下实测的功率要大于l m w ) ，每次测量我们带有另外两节充满电的蓄电池备 用。同时，为了节省电源，激光传感器每测量完一次数据，应尽快将激光传感 器关闭或者让其工作在待机状态下。 4 2 2 光电开关与无线发送模块的连接 光电开关的信号输出端需接一上拉电阻，增加驱动能力。否则驱动不够， 即使信号为高，外接输出也会被拉低而不能正常检测到高电平信号。 另外，因为无线模块是相对独立的系统，为了减少干扰，输出信号经光电 隔离t l p 5 2 1 输出给无线发送模块。霍尔传感器的输出信号可触发无线发送模块 的开关量发送。 其中，光电开关和下面所要讲到的m a x 2 3 2 等芯片+ 5 v 的电源供电依靠7 8 l 0 5 完成，输入为蓄电池+ 1 8 v 电压，输出为+ 5 v 。因为7 8 0 5 的功耗较大，虽然7 8 l 0 5 的最大输出电流只有1 0 0 m a ，但经过计算和试验，它在本系统中已经完全足够， 所以没有选用7 8 0 5 而是选用7 8 l 0 5 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 3 无线模块之间的传输 如图4 - 5 ，这部分用虚箭头表示，由模块无线完成，无需线路连接。 4 2 4 无线接收模块与计算机的连接： 1 、延时电路 通过示波器观测，无线接收模块的输出为宽度约为2 0u 秒的连续脉冲信号， 而计算机作为非实时性操作系统，实时性并不强，通过查询方式难以检测到脉 冲，为了提高系统的可靠性，在无线接收模块的输出端加一延时电路，延长脉 冲的宽度。 这里，我们采用基于n e 5 5 5 的延时电路。n e 5 5 5 是一种应用特别广泛作用很 大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。n e 5 5 5 的 作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。用作单 稳类电路时，可起到延时的作用。电路如4 9 所示： i n p u t v c c 5v t o1 5 、，) l o u t p u t 图4 - 9 延时电路 其中，引脚2 的i n p u t 接无线输出模块，引脚3 的o u t p u t 输出脉冲的宽度 近似为t w = 1 1 r a c 。因此，在该延时电路中，输出的脉冲宽度与输入的脉冲宽 度，也就是与无线输出模块的脉冲宽度没有关系，仅与r a 和c 有关。我们设置 r a ：1 0 。k q ，c = l o 。f ，这样输出的脉冲宽度t w = 1 1 r a c = i 1 秒。该时间既远 远小于回转窑转动一周所需的时间，又足够长到能保证计算机能检测到脉冲。 2 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 、t t l 和r s 2 3 2 电平转化电路 经过延时电路，无线输出模块输出了足够长的脉冲，该脉冲最终需要利用 计算机检测。因为脉冲电平为t t l c m o s 电平，而计算机串口为r s 2 3 2 电平，两 者不能直接等效，如表4 - 2 还需要一个t t l c m o s 电平转r s 2 3 2 电平电路。 t t l c m o s 电平r s 2 3 2 电平 逻辑l 5 v一3 一1 5 v 逻辑o o v+ 3 + 1 5 v 表4 - 2t t l c m o s 电平与r s 2 3 2 电平比较 这里，我们采用基于m a x 2 3 2 的转化电路。m a x 2 3 2 产品是由德 州仪器公司( t i ) 推出的一款兼 容r s 2 3 2 标准的芯片。该器件包 含2 驱动器、2 接收器和一个电 压发生器电路提供 t i a e i a 一2 3 2 一f 电平。该器件符 合t i a e i a 一2 3 2 - f 标准，每一个 接收器将t i a e i a 一2 3 2 - f 电平转 换成5 - vt t l c m o s 电平。每一个 发送器将t t l c m o s 电平转换成 t i a e i a 一2 3 2 - f 电平。在本电路 系统中，我们只使用一路发送器， 接7 脚和1 0 脚，电路如右图4 - 1 0 所示： 转化好的r s 2 3 2 电平从 m a x 2 3 2 的第7 脚输出，接向计算 机串口的第8 脚c t s ，c t s 可以用 作串口开关量输入，一旦光电开关 = 图4 - 1 0 电平转化电路 由断开转向闭合，信号经过无线传输后， c t s 信号实现从“o 到“1 触发，从而被被上位机程序捕获。 2 3 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章测量系统的软件设计 5 1 虚拟仪器简介 5 1 1 虚拟仪器概述 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是在以通用计算机为核 心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现 的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系 统硬件平台，就如同使用一台专用电测量仪器。虚拟仪器是一种计算机仪器系 统，它利用p c 机显示器( c r t ) 的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形 式表达输出检测结果，利用p c 机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、 处理，由i 0 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能。 图5 - 1 反映了常见的虚拟仪器方案。 被信 数 数 测号 据 据 对调 米 处 虚拟仪器面板 集 象理理 卡 图5 1 常见的虚拟仪器方案 “虚拟 二字主要包含两方面的含义： 第一、虚拟仪器的面板是虚拟的； 虚拟仪器面板上的各种“控件 与传统仪器面板上的各种“器件 所完成 的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”； 被测信号“输入通道”、“放大倍数 等参数设置：测量结果的“数值显示”、 “波形显示 等。 第二、虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的； 在以p c 机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的测试 功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能，因 此有在硬件平台确定后“软件就是仪器”的说法。它体现了测试技术与计算机 技术深层次的结合。 虚拟仪器最核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技 术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。因此，虚 2 4 武汉理工大学硕士学位论文 拟仪器是受益和依赖于计算机技术的。与传统仪器相比其特点如表5 1 所示。 虚拟仪器传统仪器9 软件使得开发与维护费用降至最低技术更新周期长( ( 5 ”1 年) 技术更新周期短( ( 1 乞2 年)技术更新周期长( ( 5 ”1 ) 年) 关键是软件关键是硬件 价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同步封闭、固定 发展 与网络机其它周边设备方便互联功能单一、互联有限的独立仪器系统 表5 - 1 虚拟仪器与传统仪器比较 5 1 2 虚拟仪器的构成 1 、硬件构成 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： ( 1 ) 计算机：一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。 ( 2 ) i o 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、修匀数转换。可根据 实际情况采用不同的i o 接口硬件设备，如数据采集卡板( d a q ) ，g p i b 总 线仪器、丫双总线仪器模块、串口仪器等。 虚拟仪器的硬件构成方式主要有5 种类型