基于电容传感器的虚拟位移计设计刘野

1、沈阳航空航天大学 基于电容传感器的虚拟位移计基于电容传感器的虚拟位移计设计刘 沈阳航空航天大学自动化学院摘要：这次课设的要求是设计了一个虚拟位移计电路，显示位移为X.Xmm，实现数据采集、曲线拟合、数据处理、阈值比较能等功能，主要解决方案是利用电容传感器将被测位移转化成两极板间面积的变化导致电压的变化，将实验得到的数据写入曲线拟合程序得到拟合曲线及其一般方程式y=a*x+b的系数a、b，将采集到的电压数据与系数a、b进行数据处理得到位移值，并判断是否超出预设范围，超出则报警，优点是设计原理简单，便于操作，数据采集率高，测量精确，能准确达到要求的目的。关键词：电容传感器，虚拟位移计，LabVIE

2、W，曲线拟合0. 前言虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需求可以高效地构建起形形色色的测量系统。虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合有两种方式。一种方式是计算机装入仪器，典型例子就是智能化仪器。另一种方式就是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器突破了传统仪器的局限，能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，将许多信号处理的方法方便地应用于测量中，为自动测量和网络化测量创造条件，创造出功能强大的仪器。用户还可以根据自己

3、的需要定义和制造各种仪器。使用不同的传感器和变换器可以测量各种不同的物理量，并将它们转换成电信号，计算机通过数据采集卡获得测量数据，软件则控制着整个测量系统，同时还对原始数据作分析处理，并将最后结果表示成容易理解的方式，例如图表和文件等。本课题要求精确到十分位，测量范围为-2mm到2mm，拟合出位移与电压的关系曲线， 并能设定阈值，具有超值报警功能。1. 总体方案设计整个电路的工作原理是利用电容传感器将被测位移转化成两极板间面积的变化导致电压的变化，将实验得到的数据拟合得到拟合曲线及其一般方程式的系数a、b，同时由PCI-NI6024E数据采集卡将采集到的电压数据与系数a、b进行数据处理得到位

4、移值，并判断是否超出预设范围，超出则报警。虚拟位移计的原理框图如图1所示数据采集阈值比较数据处理电容传感器曲线拟合图1 虚拟位移计的原理框图。2. 硬件设计2.1 电容传感器电路工作原理是利用平板电容C=A/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路使、A、d三个参数中，保持、d不变，而只改变A，将位移转化成面积A来测量对应的电压值，电容传感器将被测位移转化成极板间面积的变化导致电压的变化。工作原理图如图2所示。图2 电容传感器工作原理图2.2 PCI-NI6024E数据采集卡一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入，模拟输出，数字I/O,J计数器/计时器等。数据采集卡都有自己的驱动程序，通过该

5、程序来控制采集卡的硬件操作。当然这个驱动程序是由采集卡的供应商来提供的。NI是美国国家仪器公司的简称，该公司出品的PCI-NI6024E是一块应用在普通个人计算机上，使用内插式PCI插槽的数据采集卡。使用一根Cable连接至CB-68LP这块具有68个接线柱的接线板上，从而达到数据采集卡上的输入输出与CB68LP上一一对应。这68个接线柱中常用的是：68(AI 0+)，67(AI 0 GND)，34(AI 0-)，以上是模拟输入通道一；22(AO 0)；55(AO GND)，以上是模拟输出通道一；52(D I/O 0)，44(D GND)，以上是数字输入输出口的第一位。并且从56到62是没有定

6、义的。PCI-NI6024E的有关技术资料如下：使用的总线：PCI总线模拟输入：16个单端输入通道或8个差分输入通道输入位数：12位输入最大采样率：200kS/s输入电压范围：±0.05到±10V模拟输出：2个通道输出位数：12位输出最大采样率：10kS/s输出电压范围：±10V数字输入输出：8个定时器/计数器：2个 各24位触发方式：数字触发3. 软件设计软件总体设计包括数据采集部分、曲线拟合部分、数据处理部分、阈值比较部分。软件设计总体流程图如图3所示。设置基本参数数据采集曲线拟合数据处理开始结束图3 总体流程图3.1 数据采集部分数据采集流程图如图4所示。开

7、始启动扫描，数据存入缓存从缓存中读取数据N出错？Y停止采集，释放缓存图4 数据采集流程图aWhile循环可以反复执行循环体的程序，直至到达某个边界条件。它有两个端口，左边是已循环次数端口（输出端），右边是条件连线端口（输入端）。它While循环的框图是一个大小可变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为假。While循环中的代码至少执行一次。b当设置一个模拟输入应用时，首先使用的VI是AI Config。AI Config会产生一个taskID和Error cluster（出错信息簇）。所有别的模拟输入VI接受这个taskID以识别操作的设备和通道，并且在操作完成后输出一个ta

8、skID。taskID是一个输入并向另一个模拟输入VI输出，该参数形成了DAQ VI之间的一个关联数据。(1)AI Config.vi对指定的通道设置模拟输入操作，包括硬件、计算机内buffer的分配。(2)AI Start.vi启动带缓冲的模拟输入操作。它控制数据采集速率，采集点的数目，及使用任何硬件触发的选择。(3)AI Read.vi是从被AI Config.vi分配的缓冲读取数据。它能够控制由缓冲读取的点数，读取数据在缓冲中的位置，以及是否返回二进制数或标度的电压数。它的输出是一个二维数组，其中每一列数据对应于通道列表中的一个通道。(4)AI Clear.vi是清除模拟输入操作，清除计

9、算机中分配的缓冲，释放所有DAQ卡的资源，例如计数器等。c.对输入信号的采样率是最重要的参数之一。采样率决定了模数转换（A/D）的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就精确。采样率必须保持一定的值，如果太低，则精确度就很差。根据奈奎斯特抽样定理，要想采样后能够不失真的还原出原信号，则采样频率必须大于两倍的信号最高频率，即最低采样频率必须是信号频率的两倍。平均化噪音将会引起输入信号畸变。噪声可以是计算机外部的或者内部的。要抑制外部噪声，可以使用适当的信号调理电路，也可以增加采样信号点数，再取这些信号的平均值以抑制噪声误差，这误差可以通过乘以一个系数来减小。d.参数设置：de

10、vice：设备号，在NI采集设置工具中设定。该参数告诉用户使用什么卡，它可以使采集VI本身独立于卡的类型。本课设选用NI6024E数据采集卡，所以设定为1。Channels（通道）：用于指定数据样本的信号源。选用的是0号通道故设定为0。Scan rate：指每个通道的扫描速率，即采样频率。采样频率设置为默认值1000Hz。Number of scans to read：每个通道读取的点数，本课设为默认值-1，-1表示所有点。数据采集程序框图如图8示。图5 数据采集程序框图3.2 曲线拟合部分曲线拟合流程图如图9所示。写入实验数据类型变换维数变换送入General Polynomial Fit.

11、vi拟合开始显示结果图6 曲线拟合流程图曲线拟合在计算机化的测量过程中非常重要，因为很容易得到大量的数据。LatVIEW中分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法。通常，对于每种指定类型的曲线拟合，如果没有特殊说明，都存在两种VI可以使用。一种只返回数据，用于对数据的进一步操作；另一种不仅返回系数，还可以得到相应的拟合曲线和均方差。General Polynomial Fit.vi能接受数组形式的输入，同时要求提供与数组Y对应的X数组。观察实验得到的数据是一次线性的，写入表格经Fract/Exp String To Number由字符串变成一个浮点型二维数组，再由Index Array得

12、到两个一维数组分别对应接入General Polynomial Fit.vi的X、Y端子可得到拟合曲线，以及曲线一般式y=a*x+b （1）的系数a，b。另外分别将拟合前和拟合后的两个二维数组经过Bundle打包成簇，然后把多个这样的簇作为元素建立数组，即每个数组元素对应一条曲线。然后接入示波器就能同时显示两条曲线。曲线拟合程序框图如图10示。图7 曲线拟合框图3.3 数据处理部分图11为数据处理流程图。数据采集滤波求平均值代入公式（1）运算开始显示结果图8 数据处理流程图因采集到的是一组极不稳定的电压值，经过滤波器滤波后，再通过Mean.vi来求得平均值，以此来减小电压的不稳定性。再根据公式

13、（1）进行计算得到位移值。数据处理框图如图12示。图9 数据处理框图3.4 阈值比较部分阈值比较流程图如图13所示。大于2？开始运算结果报警YN小于-2？NY图10 阈值比较流程图分支结构有一个或多个子框图，每个子框图都是一个执行分支，每一个执行分支都有自己的分支选择器标签。执行分支结构时，仅有一个子框图或分支被执行。Case结构含有两个或者更多的子程序（Case），执行那一个取决于与选择端子或者选择对象的外部接口相连接的某个整数、布尔数、字符串或者标识的值。必须选择一个默认的Case以处理超出范围的数值，或者直接列出所有可能的输入数值。，各个子程序占有各自的流程框（每次只能看见一个框架），在

14、其上沿中央有相应的子程序标识：True、False或1，2，3。按钮用来改变当前显示的子程序（各子程序是重叠放在屏幕同一位置）。将位移值写入阈值比较程序，大于2或小于-2则报警，LED发光；否则不报警。图15为阈值比较程序框图。 图11 阈值比较程序框图4. 调试分析根据课设要求进行了实物连接并调试，过程如下：（1）按图2连接线路。（2）把PCI-NI6024E卡插入PCI插槽中，将电容传感器输出端Vo与PCI-NI6024E相接。从电容传感器传输过来的数据由PCI-NI6024E采集，然后送给计算机处理。（3）打开编好的LabVIEW程序，设置基本参数。采样频率f=1000Hz，采样点数N=

15、-1，采样通道为第0通道。（4）运行程序，通过图16可以看到，通过LabVIEW程序的控制和处理，采集到的信号、拟合曲线、报警以及位移值，都在窗口被很好且直观的反映出来。图16为主程序前面板。图12 主程序前面板5. 结论及进一步设想根据实验结果显示，本设计基本完成了设计要求，通过现场数据采集得到了整齐的前面板，但是由于电容传感器的输出电压不稳定而PCI-NI6024E数据采集卡采集的数据又比较精确，所以采集到的数据不稳定，可以通过增加滤波器来改善电路的性能。 参考文献1 侯国屏 王坤 叶齐鑫. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计. 电子工业出版社，2003年2 陈敏、汤晓安. 虚拟仪器开

16、发环境LabVIEW及其数据采集. 计算机工程与设计，第22卷第5期，2001年10月3 郭会军、赵向阳、贾惠芹编著. 基于LABVIEW的虚拟仪器设计. 电子工业出版社，20034 汪敏生等译. LabVIEW基础教程. 电子工业出版社，2002年5 禹延光. 激光自混合干涉理论及其位移测量方法的研究. 哈尔滨工业大学,2001年10月课设体会经过这两个星期的课社设，使我对虚拟仪器有了较清晰的认识。通过上学期虚拟仪器课程的学习，知道了虚拟控制平台具有实际仪器的功能，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。随着科技的发展，LabVIEW已被越来越多的

17、人接受。LabVIEW是一个功能强大、方便灵活的集成开发环境，它简化了科学计算、过程控制和测试应用，增强了用户组建自己的科学和工程系统的能力。使用LabVIEW进行仪器系统的设计、测试和实现，可减少系统的开发时间，同时也提高了生产效率。LabVIEW，配上数据采集卡，将逐渐成为虚拟仪器技术的工业标准，虚拟仪器的思想将更多地渗透到未来电子测量仪器和自动化测试技术的发展中。本论文工作是在胡立夫老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、构思到论文研究的细节，都渗透了老师的心血。此次课设是我知道实践出真知，一味学习课本知识使我缺乏创新与动手能力，以前对课本上的知识了解仅在表面的意义，对于内在实际得东西是一点对不了解，在实际若遇到一些与课本上讲的不一样的情况时，完全是束手无策，无法应对。要想真正的学到知识，必须与实践结合起来，才能学以致用。这次课设让我明白这个道理，使我对以后的学习有了新的想法，学习知识不是死记硬背，要多多的思考，要了解