基于电涡流位移传感器和虚拟仪器技术的微小位移测量

科科 学学 研研 究究 训训 练练 班级 班级 0707 测控技术与仪器测控技术与仪器 2 2 班班 姓名 姓名 龚龚 丹丹 学号 学号 20077002032007700203 2010 11 15 听听 基于电涡流位移传感器和虚拟基于电涡流位移传感器和虚拟 仪器技术的微小位移测量仪器技术的微小位移测量 报告的报告的 体会体会 报告人 要利鑫 报告时间 2010 11 10 1 报告简介 报告简介 报告主题 基于电涡流位移传感器和虚拟仪器技术的微小位移测量 报告人 要利鑫 2 报告内容 报告内容 微小位移量的精确测量是测控工程技术中一个重要的课题 介绍一种针对 具体工程的 基于电涡流位移传感器和虚拟仪器技术的微小位移测量方法 采 用高精度电涡流位移传感器和虚拟仪器技术 合理设计测量机械机构和数据采 集与处理系统 使计算机可以精确测量微小位移量 为准确分析数据结果提供了 有利的先决条件 使测量系统精度大大提高 研究兴趣方向 随着现代科学技术的发展 针对位移特别是微小位移的测量方法越来越多 本研究将针对具体的工程应用 力矩马达参数的测量 设计基于电涡流位移 传感器及虚拟仪器技术的微小位移测量方法 力矩马达是液压舵机的关键部件 其各个特性参数直接反应了它的工作性能 力矩马达特性参数的测量是检验力 矩马达产品质量的重要手段 力矩马达的关键性能指标是电流 位移 微小位 移 曲线 由此曲线数据计算得到的对称度 滞回度等参数 这些参数指示了位 移与相应电流之间的关系 也就决定了电磁阀门开度与电流之间的精确对应程度 因此 微小位移测量精度的高低对力矩马达的生产和应用有着非常重要的影响 传统的力矩马达特性参数测量方法多为通过显微镜下人工读数 然后计算参数 来实现 这种方法由于人工读数的原因造成误差较大且不稳定 测量精度不高 工作效率低下 为了实现力矩马达特性参数的高精度自动测量 设计一种新的 自动测量方法 测量系统主要由以下部分组成 位移传感器 测试平台 包括 马达安装夹具和各种测试机械构件 工控机 数据采集与处理系统等 3 报告内容分析讨论 报告内容分析讨论 虚拟仪器技术及电涡流位移传感器 虚拟仪器技术及电涡流位移传感器 测量系统工作流程如图 1 所示 在微小位移的高精度测量中 测量对误差 和干扰非常严格的要求 因此 设计测量系统的重点及难在于 位移传感器 的选型及测试技术的选择 测系统机械结构的设计 系统要求设计合适的结 构 尽消除测量误差 数据采集与处理 为保证测量的高度 需要对采集到的 数据进行软件滤波处理 为实现微位移的高精度测量 需要适当选择测量系统各组件 其中尤为关 键的是位移传感器的选型和测试技术的选择 开发系统过程中 选择了高精度 非接触式电涡流位移传感器和稳定可靠的虚拟仪器技术 决定测量精度的关键之一是位移传感器的精度 在微小位移测量系统中 接触式的传感器测量时会产生较大的形变误差 在此选择高精度非接触式电涡流 位移传感器 电涡流位移传感器利用涡流效应将位移转换为阻抗的变化 即变 频电流产生高频场 使金属面产生涡流 电涡流反向磁场又影响线圈电感量 电 感量的变化与线圈至金属面间隙有关 故位移变化使电流产生变化 从而获得位 移测量值 本研究所采用的非接触式电涡流位移传感器可以分辨低至 0 8 m 的微小位移 量程是 0 2 mm 并且具有 1 的线性度 为实现高精度测量提 供了有利的前提条件 虚拟仪器 V I virtual instrument 是计算机硬件资源 仪器与测控系统硬 件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合 LabV IEW 是实验室虚拟仪器集 成环境的简称 是美国国家仪器公司 N I 开发的软件产品 其功能强大 应用 便捷 是最成功的虚拟仪器软件 综合系统精度及成本的要求 考虑到需要在软 件系统中做一些必要的数据处理措施 采用基于 LabV IEW 软件平台虚拟仪器技 术开发数据采集与处理系统 测量系统机械结构的设计测量系统机械结构的设计 由于需要精确测量微小位移 所以对测量系统中机械机构的设计和加工要求 非常苛刻 设计和加工上的任何小的误差都会对测量结果造成极大的影响 因 此 在确保以足够高的精度加工马达的安装夹具 测量平台等机械构件的前提 下 合理设计测量机械结构将对最终测量结果起到关键性的影响 电涡流位移 传感器位移探测头为一直径 1 cm 的敏感平面 它对对应的测量基准面的材料和 平面度都有特定要求 测量时 位移传感器探头固定 而固定在力矩马达转轴上 的量杆随着转轴转动 如图 2 所示 当力矩马达加载正电流时 马达转轴逆时 针转动 量杆接近位移传感器探头 加载负电流时 则正好相反 此过程中 测量 基准面随马达力臂作圆弧运动 因而导致了马达通电流后 在非初始位置测量基 准面与位移传感器探测面不平行 因为电涡流位移传感器只能精确测量两平行 面之间的距离 所以此时所测位移值误差较大 引入挠性连接机构 重新设计测 量结构如图 3 所示 采用弹簧支撑代替刚性结构 并辅以固定支架 组成挠性 连接机构 此机构的特点为 允许对垂直方向的受力产生应力作用而发生微小形 变 而在水平方向保持刚性体的特点 不会因受力产生此方向上的形变 挠性连 接机构的这些特点可确保在马达通电流运动过程中 虽然马达力臂仍然作圆弧 运动 但测量基准面在水平方向直线运动 始终与探测面保持平行 而且保证测 量基准面在水平方向上的位移等于马达力臂末端在此方向的位移值 引入挠性连接机构前后位移数据测量结果如表 1 所示 表中位移 0 位移 1 和位移 2 分别为人工测量参考数据 未采用挠性连 接机构和采用挠性连接机构后的相应电流的位移测量值 仅附部分数据 全部数 据由图 4 反映 绘制电流 位移曲线图如图 4 所示 在未采用挠性连接机构 前 绝对值相等的正负电流值所对应的位移值严重不对称 数据明显有误 引入 挠性连接机构之后 所测得数据理想 与参考数据也基本吻合 因此 采用挠性 连接机构意义明显 数据采集与处理数据采集与处理 测量中 系统的数据采集功能由数据采集与处理系统完成 利用虚拟仪器 技术开发的数据采集系统硬件部分包括 DAQ 数据采集 卡和工控计算机 软 件部分在 LabVIEW 环境下开发 包括测量控制与显示 参数设置 数据采集存 储及分析处理和故障检测及报警等功能模块 测量时 利用 LabVIEW 开发的数 据采集与处理系统输出电压信号控制精密电流源 电流源输出恒定电流控制力 矩马达的正反向运动 位移传感器探头根据与被测面的距离产生相应的电涡流 送入位移传感器 传感器转化为电压信号送出 工控机中 利用 LabVIEW 开发 的数据采集系统以设定的采样率控制 DAQ 卡采集此电压信号 然后将所得数 据作数学处理和计算 得到测量结果 软件系统还具备测量记录保存和打印输 出以及测量过程中检测故障并报警等功能 在测量过程中 有效信号为直流量 而在工业现场 不可避免地存在有工频干扰和各种低频交流干扰信号 因此 要 得到准确的测量结果 必须采取经济有效的抗干扰信号措施 虽然在数据采集 卡中已存在硬件模拟滤波电路 但滤波结果并不十分理想 在采集所得数据中 仍然存在一部分干扰信号 要达到高精度测量的要求 在测量系统中进行再次 软件滤波十分必要 在此采用四阶巴特沃斯 Butt worth 滤波器对所采集数据进 行滤波处理 巴特沃斯滤波器传递函数具有如下特点 式中 0 为滤波器截止 频率 四阶巴特沃斯滤波器实现函数为 测量时 干扰信号主要为工频干扰信号和大于 10Hz 的低频干扰信号 有效 信号为直流 采用 LabVIEW 软件中 Butt worth Filter 子 VI 选择采样率为 1000Hz 低通截止频率为 10Hz 滤波结果如图 5 所示 图中数据为力矩马达加 载 50mA 电流时测量系统所测得的位移数据 可以看出经过软件滤波后的数据 大为改善 纹波消除 干扰信号基本得到控制 4 4 报告心得 报告心得 解决上述技术关键点后 将所设计测量系