传感器与检测技术讲义转速测量系统的设计

17章转速测量系统的设计设计任务可以计算布匹的产量，水电发电机叶轮的转速是计算发电机电功率必不行少的数据等。本章将利用光电传感器设计转速测量仪，关于电路的仿真是基于Multisim和LabVIEW这两种软件根底之上的联合仿真Multisim中的主要工作是模拟光电传感器的I/O对光电传感器的输出信号进展滤涉及波形转换处理，使其最终的输出信号为方波；②在LabVIEW中的重要工作是设计转速器，在这一设计上用了两种方案：一是基于功率谱分析Multisim中所选用的电路输出信号的频率与转速的关系为1:1频率。最终在Multisim原有的与LabVIEW的接口模块中插入转速器，然后进展编译，使得LabVIEW中的虚拟仪器能被Multisim调用。通过本设计，需要把握以下内容：能利用光电传感器测量转速的原理，在Multisim中建立光电传感器的模型把握在LabVIEW3种方法生疏光电传感器转速测量的原理电路原理与设计光电测量原理17-1所示。图17-1 光电传感器工作模型在遮光盘的同心圆上均匀分布假设干个通光孔，光电传感器固定在遮光盘工作的位置上，后，通过在固定时间内测量相应的脉冲个数，就可以计算出转速。直流电动机转速的计算公式为0

N) 〔17-1〕nNm为固定时间内测得的脉冲数；T0为固定的时间。仿真模型的建立在Multisim1017-2所示。图17-2 光电传感器仿真电路1由图可以知道，可调电阻RW和VV模拟了电机的可调电压源，功能掌握模块F、压控方波P和压控开关JVD模拟了光电传1图图17-3 压控方波的设置RW变化时，F的输出电压也跟着近似直线的变化，F的方程式是经过测量试验室的转速测量试验的输入电压和输出频率之间的关系用最小而乘法拟合出来的。在此，P的输入电压和输出频率的关系为1:17-3所以通过P模块电压大小的变化转化成了频率的变化，输出的压控方波幅值为±2V，频率依据掌握电压的变化而变化。VD模拟了光电传感器的开关工作特J闭合时〔通光孔通光时〕VD就接通一次。由于这里所设计转速与频率的关系是1:1的关系，所74LS132N除使输出标准的矩形波信号。模型仿真分析下面对图17-2所示的光电传感器仿真模型进展仿真分析。首先对电路进展瞬态分析观7117-4所示，7点的波形为压控方波模块输出波形，转变滑动变阻器的中心抽头的位置可掌握功能掌握模块的输出电压值，从而掌握7点输出方波的频率，方波幅值的范围为2～2V；1点波形为光电耦合器左端的波形。再对电路进展瞬态分析，观看143点的波形，如图17-5所示，其中3点波形为三极管基极的波形，14点为放大电路输出端波形，经晶体管放大电路后，输入、输出波形相位相反。图17-4 电路中7点和1点的仿真波形 图17-5 电路中14点和3点的仿真波形74LS132N14点输出的波形进展整形并反相后，输出波形如图17-6中未标志波形所14点的输出波形。图17-6 输出波形比较LabVIEW333种方法进展具体地说明。功率谱法测量频率功率谱法测频率的设计思路的流程图如图17-7所示。图图17-7 功率谱法流程图1〕频率的测量局部〔图17-8左半局部〕把从Multisim里取出的信号通过ForLoop利用ForLoop对数组的自动索引功能，对于输入波形，每次循环自动读出一个数组波形。接着再取出这个波形的Y值。利用求平均值模块，对Y求平均值。紧接着求取Y与Y的平均值的差，之所以要求取Y与Y的平均值的差是为了防止假设波形的平均值不为零，则有可能在0Hz处消灭功率最大的可能性，这就给功率法测量频率带来了很大误差的可能。而这一个步骤相当于把波形平移使其关于X轴对称，所以能避开这一可能性误差的消灭。利用 BuildWaveform这一节点对原来的波形进展整形这样到了这一步就实现了对原波形的按比缩放及平移，使其关于X轴对称。把整形后的波形通过GetWaveformComponent取出波形的Y值及采样间隔时间。通过功率谱的分析模块和BuildWaveform节点可以求得功率谱波形。由理论可知功率谱波大值所对应的X轴上的值就是所要求的频率，所以利用WaveformMinMax.VI来求取频率，这个模块的工作特点是取出波形的最大/X的值。在这个子VI的设计中要特别留意的是区分率这个参数的设定，由于它是测量频率准确度的打算因数。这个参数的作用相当于A/D转换中的转换位数的作用，数值越大，测量准确值越高越好。当考虑计算速度时要折中考虑。所以应依据具体的需要来调整这个参数。2〕17-8计波形在示波器下的显示状态。它的设计步骤如下所述。建立PropertyNode节点：在后面板空白处单击鼠标右键选择“Functions”/“ApplicationControl”PropertyNodePropertyNodeGraphcharWaveformCharPropertyNode节点的属性为波形图表。添加属性：单击PropertyNode节点，添加需要设计的属性。这里需要留意的是Xscale.ScaleFit1X轴的Xscale.Minimun和的设计才有效。WfchartRefnum节点：用鼠标右键单击PropertyNode节点的“Reference”/“Creat”“ControWfchartRefnum节点。综上所述，功率谱法测频率的整体电路图如图17-8所示。图17-8 功率谱法测频率整体电路时使得频率的计算更快。在这里要特别留意的是，While循环的条件设定只能让它在有限的时间内循环完毕,否则当被Multisim调用时会由于程序在LabVIEW中的死循环而不能到达预期的处理功能。功率谱法测频率的前面板电路图如图17-9所示。图17-9 功率谱法测频率的前面板图中的输入包括：①稳定图形：用来稳定时域波形；②区分率：打算测量的准确度，应依据需要设定；③刷：用来刷功率谱波形；④WFChartRefnum：用来设定时域波形的显示；⑤WFChartRefnum2：用来设定功率谱波形的显示；⑥Analysistype：用来选择多种功能。输出包括：①processedsignal2：功率谱波形的输出；②processedsignal：时域波形的输出端；③Frequency(HZ)：测得频率的输出端。双击右上角图标进展编辑，如图17-10所示子程序的图标，然后进展连接器的定义。用ShowConnectoPatternI/O的端口个数选择连接器窗格类型。此子程序有7个输入，3个输出，把子程序中对应于I/O的元件与连接器的I/O窗格对应关联后，保存子VI。创立成子VI17-10所示。定周法测量频率

图17-10 子VI的图标的时间。它与功率谱法相比，在低频时测量快且准确度高。17-11所示，它的设计思路可以用如图17-12的流程图表示。图17-11 定周法测量频率后面板图17-12 定周法流程图While时，每次的输入与敏感值比较后的结果都会送入移位存放器中,移位存放器保存了当前的CaseStructure执行“True”选项中的内容，即存储跳变时的时间；假设这两个结果一样时说明没有跳变，这时CaseStructure执行“False”选项中的内容〔17-13〔a〕，即保持前一次跳变时的本次设计所承受的计算思想是当需要测量的频率为低频时，选择“analysistype”中的“LowFrequenc”选项LowFrequenc”选框中的连线如图17-1b〕所示，中选择了5的是两个周期的时间，再用0.5除以这个时间就得到了频率；在测量的频率为高频时，选择“analysistype”中的“HighFrequency”选项。其计算高频步骤与低频时相像，只是它又添加〔由于采样频率不够高而引起的。通过观看可觉察，测得的数据平均值更接近被测频率。所以测量高频时使用法呢？那是由于这个子VI是要被Multisim所调用的，而MultisimLabVIEW接口电路的采1%Max_WFTime掌握了显示波形时X轴的最大值。“Fals”页下的程序 “LowFrequenc”页下的程序图17-13 CaseStructure中的“False”和“LowFrequency”页17-14所示，它的I/O端口的意义如下所述。1〕输入刷：该按键只有在“analysistype”为“HighFrequency”时有效，它用于对频率刷SensitiveData：敏感信号，当时域波形的输入大于这个值时表示有一个跳变WFChartRefnum：设计波形显示的输入analysistype：用于选择测量频率的类型timedomain：时域信号的输入稳定波形：用于稳定显示的波形2〕输出MaxWFTime：波形显示的横轴的最大值TriggerNum：已检测的跳变沿的个数processedsignal：时域信号的输出Frequency[HZ]：检测得到的频率Time：实时的时间输出图17-14 定周法VI的前面板图标与连接器的定义与方法一一样，定周法测量频率的子VI17-15所示。定周期法高频改进

图17-15 定周法子VI框图方法三是对方法二在高频局部进展改进的一种方法，但是它也有局限性的一面。17-1617-17所示。在测量高频时方法二承受的是对所测得的多个频率值进展更快和更准确些，必需屡次〔3次以上〕1min才能读数。由于方法二的这个缺乏之处，所以产生了方法三。方法三取消了“刷”这一动转变后，只能停顿运行再重启动。图17-16 方法三的后面板17-18所示，方法三跟方法二前面板的最大不同在于用WantTimeWantTimeRealTime大于这个设定值时，输出的频率为输出所测得的频率。图17-17 方法三与方法二的不同之处 图17-18 方法三的前面板VI17-19所示。三种测量方法的比照〔1〕方法一对于波形的规章性要求不是很严格；而方法二、方法三要求的波形必需是规章的波形。图17-19 方法三子VI

只要采样频率是测量频率的10倍，方法一所测得的频率误差将小于1%；而方法二、1001%的要求。但是有一点必需指出，当采样频率是测量频率的整倍数时，方法二、方法三测量误差接近于0，且它所要求的最低倍频为两倍。这是方法一所不能及的。对于低频的测量，建议使用方法二、方法三；对于高频的测量，建议使用方法一、方法三。当测量要求在线更时，只能选择方法一、方法二。接口的设计与Multisim中虚拟仪器的导入Multisim和LabVIEW的接口电路是由Mutisim所供给的模板。本设计中接口电路的设计与编译分以下几个步骤。把Multisim安装名目下Sampling/LabVIEWInstruments/Templates/Input文件夹复制到另外一个地方。LabVIEW中翻开步骤〔1〕StarterInputInstrument.lvproj工程，如17-20所示。接口电路的设计是在StarterInputInstrument.vit中进展。图17-20 StarterInputInstrument.lvproj工程图翻开StarterInputInstrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理局部，本设计需要在CaseStructure3个状况选框中进展设计。“UpdateData17-21所示。在这个选框中主要工作是调用已经做好的子VI频率计，使其实现所需要的计算频率功能。调用的方式是，在后面板子选框空白处单击鼠标右键单击“Functions”/“SelectaVI”选择需要调用的子VI后，单击“确定”按钮，子VIVI必需留意，它必需在有限的时间内处理完数据并把处理权交出，否则假设在子VI中不断循环，则Multisim只会送一次数据给LabVIEWMultisimMultisimLabVIEWVIProcessedSingal和WaveformChart方式把它们和前面板联系起来。方法是在后面板空白处单击鼠标右键，选择“ApplicationControVIServerReferenc/LineTo/Pane之后，就会消灭前面板中全部的I/O“UpdateDat所以接口局部可直接连接Multisim输出的数据。“SerializeData17-22所示。在这里SamplingRate[HZ]这个节点是通过鼠标右键单击原有的SamplingRate[HZ]节点/Create/PropertyNode/Value而建立的属性节点。在这个子选框中的主要工作是对数据进展平滑化。在LabVIEW保存数据之前需要将数据平化为一个单个的字符串。由于这里的数据只是在LabVIEW中保存的，所以只用FlattentoString节点就可以实现平滑数据了。图17-21 “UpdateData”选框图17-22 “SerializeData”选框“DeserializeData17-23于读取。17-24所示。完成后选择重命名，保存为Proj5.vit。图17-23 “DeserializeData”选框图17-24 接口电路前面板设计编译之前，要对虚拟仪器进展根本信息设置。翻开subVIs下的StarterInputInstrument_multisimInformation.viID一起设为Proj0此模块不需要输出。设置完后另存为Proj5_multisimInformation.vi，留意前半局部的名字和接口程序局部的命名必需全都。翻开BuildSpecificationSourceDistributio在保存名目和支持名目中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如Proj〔.li。同时17-25所示。属性设置完成并保存后，再在“SourceDistribution”上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Build”即可。图17-25 属性设置InputBuild文件夹，翻开后把里面的文件复制到ElectronicsWorkbench\EWB9下的lvinstruments当再翻开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示所设计的模块proj。LabVIEWMultisim的联合仿真LabVIEW中的仪器被导入MultisimMultisimLabVIEW的联合仿真了。在Multisim中的主要工作是模拟、仿真光电传感器的工作特性。在LabVIEW中的工作是测量Multisim输出信号的频率。由于所设计的光电传感器每转一周输出一个周期的波形信号，所以这里所测得的频率也就是光电传感器的转速。联合仿真的电路图如图17-2所示。依据所选的测量方法不同，选择已导入MultisimLabVIEW虚拟仪器。方法一测频率测频率的测量结果见表17-1。表17-1 方法一测量结果输入频率10.2133.17101.65168.62190.61298.27381.57462.36521.30输出频率9.9233.11101.32168.46190.43298.44381.47462.35521.24误 差2.8%0.19%0.32%0.09%0.09%0.06%0.03%0.00%0.01%采样频率100001000010000100001000010000100001000010000方法二测频率测频率的电路图与方法一测频率电路图的不同之处只是在于调用的