基于差动螺管式电感传感器虚拟位移计的设计说明

1、基于微分电磁感应传感器的虚拟位移计设计摘要：虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机与仪器的紧密结合是仪器发展的一个重要方向。有两种方法可以将其结合起来。一种方法是把电脑放进仪器里，典型的例子就是智能仪器。另一种方法是将仪器放入计算机中，依靠通用的计算机硬件和操作系统来实现仪器的各种功能。本课程的设计基于差动电磁感应传感器虚拟位移计的设计。其主要内容是在LabVIEW平台上设计虚拟位移计。其功能包括数据采集、数据拟合、数据处理，具有增值报警功能。与以往的方法相比，该方法简单、实用、准确。关键词:微分电感 数据采集 虚拟 位移计超值 报警 曲线 拟合0 前言虚拟仪器是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵

2、活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用。自 1986 年成立以来，世界各地的工程师和科学家在产品设计周期的每个阶段都使用 NI LabVIEW 图形开发工具来提高产品质量、缩短上市时间并提高产品开发和生产效率。使用集成的虚拟仪器环境连接真实世界的信号，分析数据以获得有用的信息，并共享信息结果，有助于在更大范围内提高生产效率。 Virtual Instruments 提供了多种工具来满足我们的任何项目需求。虚拟仪器有四大优势： 1 、高性能； 2、可扩展性强； 3、开发时间少； 4.无缝集成虚拟仪器由硬件设备和接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控

3、功能硬件。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四个部分： 1. 仪表盘控制软件2. 数据分析处理软件 3. 仪器驱动软件 4. 通用I/O接口软件1总体方案设计图1是整体原理框图：差动螺管式电感传感器数据采集阈值比较数据处理差动螺管式电感传感器数据采集阈值比较数据处理曲线拟合曲线拟合图1 虚拟位移计原理框图整个电路的工作原理是进行差动螺线管电感传感器实验，测量相应的数据，然后通过软件程序进行数据采集、曲线拟合、数据处理、阈值比较等主要部分，并模拟实验得到的数据。结合可以得到拟合曲线，可以显示系数的具体值，判断是否超出预设范围。超过则报警，报警灯亮。2硬件设计2.1 差动电磁感应传感器的工作原理：

4、差动螺线管电感传感器是利用初级和次级线圈互感的电感效应来测量的传感器。两个次级线圈的同名端需要连接在一起。连接示波器观察波形，或连接数据采集卡直接采集数据。硬件流程图如图2所示：音频振荡器音频振荡器差动螺管式电感传感器差动螺管式电感传感器数据采集卡示波器数据采集卡示波器电脑电脑图2 硬件流程图硬件设计主要采用差分电磁感应传感器采集数据，音频振荡器给主线圈一个稳定的正弦信号，频率固定在6kHz，然后从示波器读取波形峰峰值，通过音频振荡器。幅度调节旋钮调到2V。此时，通过旋转螺旋测微旋钮，可以从示波器上清楚地读取峰峰值变化，电压和位移变化也会实时显示在虚拟仪器的面板上。3 软件部分3.1数据采集部

5、分数据采集功能设置：图3 数据采集模块设置各参数的设置：Device ID ：表示设备ID，在NI Acquisition Setup Tool中设置。该参数告诉用户使用什么卡，它使捕获VI本身独立于卡类型。在本课中，它设置为 1。Channel ：用于指定数据样本的来源。本课程设计选择通道 3，故设置为 3。采样频率：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 。采样点：每个通道读取的点数，本课设置为默认值-1，-1表示所有点。数据采集主要模块介绍：配置通道功能， AI Config VI：为一组指定的通道配置模拟输入信息，即配置采集卡的硬件，为缓冲的模拟输入分配一

6、个缓冲区。 AI Config VI中还有很多参数是为更高级的应用设置的，一般这些参数可以设置为默认值。任务启动功能， AI Start VI：用于启动模拟输入操作，该VI可以控制数据采集的速率、采样的数量和硬件触发器的使用。读取数据函数， AI Read VI：用于在使用缓冲区的采集操作中读取缓冲区中的数据。它可以控制缓冲区读取的点数，以及读取数据在缓冲区中的位置。在连续采集过程中，可以通过观察扫描积压来调整每次读取的扫描次数，避免缓冲区中的未读数据被覆盖。 .该VI的输出可以是波形数组、数值数组等。清屏功能， AI Clear VI：清除模式输入操作，计算机中分配的缓冲区，释放DAQ卡上的

7、所有资源。数据采集流程图如图4所示。开始开始数据的采集数据的采集数据的读取数据的读取出错出错？出错出错？YY数据停止采集数据停止采集 图4 数据采集流程图DAQ连续模式输入：连续采集就是以一定的速率，以连续扫描的方式采集一个或多个通道的数据。连续采集要求在不间断采集数据的同时，从缓冲区中读取数据，不得有任何遗漏。连续采集需要使用循环缓冲区。对于循环缓冲区，可以在存储数据的同时读取现有数据。使用循环缓冲区时，采集设备在后台连续采集数据，而LabVIEW执行两次数据采集。数据在读取缓冲区数据的时间间隔内进行处理。图5是采集程序框图：AI AI ConfigAI StartAI ReadData P

8、rocess连续或多次采集时，进行循环AI ClearAI Clear图5采集程序框图数据采集程序框图如图6所示。图6 数据采集程序图3.2曲线拟合部分曲线拟合在计算机化测量过程中非常重要，因为可以很容易地获得大量的测量数据。为了充分利用这些数据，减少误差，就需要使用拟合。曲线拟合的实际应用广泛，例如：消除测量噪声；填写缺失样本（例如，一个或多个样本缺失或记录错误）；插值（估计采样点之间的数据）；外推（估计采样范围之外的数据）；基于离散数据对象求解速度轨迹（一阶导数）和加速度轨迹（二阶导数）。一般对于每一种指定类型的曲线拟合，如果没有特殊说明，有两个VI可以使用，一个只返回数据，对数据进行进一

9、步的操作；另一个不仅返回系数，还可以得到对应的拟合曲线和均方误差。实验数据应该是线性的。但是由于传感器的误差和实验者的人为原因，数据结构是非线性的。改变。曲线拟合部分实现数据线性化。曲线拟合流程图如图7所示。开始写入实验数据显示结果类型变换开始写入实验数据显示结果类型变换维数转换维数转换图 7 曲线拟合框图曲线拟合如图8所示：图8 曲线拟合程序图图 9 显示了曲线拟合面板：图 9 曲线拟合面板3.3数据处理部分数据处理流程图如图10所示。数据采集数据采集滤波求平均值计算开始显示结果图10 数据处理流程图由于采集的是一组不稳定的电压值，经过滤波器滤波后取平均值，以降低电压不稳定性。然后根据公式计

10、算位移值。数据处理框图如图 11 所示。图 11数据处理框图3.4阈值比较部分阈值比较流程图如图 12 所示。大于大于2？开始运算结果报警YN小于-2？NY图 12 阈值比较流程图将位移值写入阈值比较程序，大于2mm或小于-2mm报警，LED亮；否则不会报警。阈值比较程序框图如图13所示：图 13 阈值比较框图4.调试与分析4.1 硬件调试：硬件的调试也不是太简单。虽然是传感器实验之一，但在实验过程中并未使用传感器。由于本课程的设计中使用了差动螺线管电感式传感器，因此在进行相关实验和分析之前，有必要先了解传感器。差动螺线管电感传感器由主副线圈组成，包括两个副线圈和一个主线圈，分别称为次级和初级

11、。末端连接在一起。经过多次测量，数据基本符合要求。将采集到的数据输入表格程序，程序会自动拟合一条直线。有些点的位置一开始可能不太准确，但是经过多次实验和调试，大部分数据都可以准确的拟合在曲线上，测试结果也比较符合预期要求。4.2 软件调试：调试软件需要很长时间。软件部分包括数据采集、数据拟合、数据处理和阈值比较。单独调试每个模块并不容易。当所有模块连接在一起时，就会出现各种问题。出乎意料的错误，耐心慢慢的检查每个模块和每一行，终于找到了问题所在。最后，程序可以在最后一次顺利运行。图 14 是主程序面板：图 14 主程序前面板5. 结论和进一步的想法经过两周的课程设计，基本完成了设计的各项要求。

12、但由于差动螺线管感应传感器实验存在一定误差，虽然一般数据准确，但个别采集的数据可能不准确。在条件内容的情况下可以进行一定的改进。主要有以下几种方法： 在测量数据拟合的数据时，可以自动化，使数据更加准确，从而减少曲线拟合带来的误差，进一步提高数据的准确性。其次，本实验拟合的数据需要输入到程序中，可以采用更合适的方法自动采集输入数据，然后进行拟合，这样可以更准确。参考1 胡立夫立秋检测技术综合实验指南。航空航天大学, 2009.92 宋琦，徐涛，胡立夫。虚拟仪器技术实验指南。航空航天大学, 2009.93程谦.使用设计技术的虚拟仪器。国防工业, 20014 新民虚拟仪器和传感器技术。科学，2002

13、5郭慧君，向阳，贾慧钦主编。基于LABVIEW的虚拟仪器设计。电子工业, 20036 于彦光激光自混合干涉理论及其位移测量方法研究。科技大学7 闵，唐小安. LabVIEW及其用于数据采集的虚拟仪器开发环境。计算机工程与设计，2001 年 10 月 8 小红电子秤的设计原理。理工大学学报, 2001 9 祖轩基于应变片传感器的电路设计原理。大学学报，2005课程体验为期两周的课程设计结束了。在这个课程设计中，不仅考验我所学的知识，而且考验一件事如何把握、如何做、如何完成一件事。在设计过程中，我和同学们一起讨论，互相学习，互相监督。学会了合作，学会了谋划，学会了包容，学会了理解。LabVIEW是一个功能强大、方便灵活的集成开发环境，简化了科学计算、过程控制和测试应用，增强了用户构建自己的科学和工程系统的能力。使用 LabVIEW 设计、测试和实施仪器系统可缩短系统开发时间并提高生产力。 LabVIEW，加上数据采集卡，将逐渐成为虚拟仪器技术的行业标准，虚拟仪器的思想将更多地渗透到电子测量仪器和自动化测试技术的未来发展中。通过这个设计，我在很多方面都得到了改进。综合运用本专业所学课程的理论知识进行课程设计，培养和提高我独立解决问题的能力，巩固和拓展LabVI