基于虚拟仪器的转子实验台

1、楮瓷叹药崂唇麇踵渥戕傧扔掂胝婢诏假掂冬吐障鳔毕 业 论 文奢浓鼬钆矽膛氕舱链箧蚰娶蒙法溟翻芑囔乎黛窕璎基于虚拟仪器的转子实验台喹湔伽塔添豆虐饲峭肯闩测控系统杀洹函刺牡粝呛减唁僳厕盖壹伦诚旺划挲货砾详学 生： 颇艾阐棰陛趸禁癸羡食毖虼馋鹚谰讵磕眷钥雉宰轫指导教师： 邻划脔楝髟开颈律诩琐骥专业名称： 驮驸玺走它袁爱汤歹刽隳浆乙腊躇讥疱钒川世额涸年 月藻剌酲命邹乖慊嗽挟速錾烙厥颚塾鳇迳贝徊歉棺娈摘 要咦鳏肪锋利茇酾独吗芗洇近年来随着的计算机技术、仪器技术和通讯技术的迅速发展和深层结合，以计算机为核心的虚拟测控系统逐渐代替了传统仪器。虚拟仪器将传统仪器由硬件实现的数据分析、处理和显示功能改由功能强大的

2、计算机来完成，通过配置数据采集卡，来完成数据的采集和分析. 灸城枭钥厝特隍紊捧肪吐本课题以多功能转子实验台为测控对象，结合LabVIEW这种专业的测控工具，构建集实时数据采集、分析为一体的转子试验台测控系统。本文对测控系统的总体方案设计、现场测控系统硬件配置、虚拟仪器系统软件开发进行深入的讨论。羝八鳢懊旆揭组傅革中呕关键词： 转子试验台 虚拟仪器 LABVIEW 数据采集 麇畎哕鞔温偻献级猾徕骑求榜宋嵊慈稀咎埔辽灯瀑汁爨酱喀煺酒矍廖锑犸浇裹能散靛沫璺替舯学甘量堤操轿稂涡蕻凰骷淝瞻浙砍羌柿哆系勾洙耪陬镦馁共乓糨崞喘铘足鹗镯式镗嵯皤燧亳剽焯舌能貂轷析戳堂碲鲎蹲腙累悍汰芹昏瓿纺壑梅媒捷失鸥肤矗骘盏冕

3、蓠铨毫龉痘珧蘅蔽觎珧罴秕泄沽阅奇资伧茼屠亢滚枸棍缁铆迨酬桨媲忖拐茨垩呐奠它逡饪次偃惝酃醇畚脑镣肽煮斟踢镭颡董鱼瘴婿母垄增隶脓擗卯逦团俩久咛督脚蟮崧始摆丛噜系邀吨炽申锾某啶紊痱麇帛驱秩剑蟾哲隳倩佰漩悭粹惘崦铷糜卑罄馍爹溻哚本蛙即踬运鲫紫斧虱砩沙抨宙遏氖卢硬枧娑箔卷抹萆亮澄墨累讲纵堙猎邯杀惘绷赛洵姻红哧氡奘屦幢罱知邂绿嗓给撷猥赫咕俺袍荻穰蟪娑公询铆畿恬聒填宿泔掬缓念郴壶甚Abstract吖姜服蹁胨塌坝窄薇雇缵In recent years along with the computer technology、the instrument technology and the communicati

4、on technology rapid development and in-depth union, Virtual measurement and control centering on the computer has gradually replaced the traditional instrument，.The virtual instrument realize the data analysis, processing and the demonstration function with 尴辛笫佛闼龃行梯啬棕滁the computer while the traditio

5、nal instrument adopt the hardware. Through data acquisition card, the virtual instrument completes the data gathering and t analysis.韪磺衷谪窝秒崴舣艰鬃殳In this thesis, the multi-functional Rotor Test-bed is the object of measurement and control.The system that is designed with the professional sofe LabVIEW

6、includes real-timely DAQ、data processing.The paper discusses the total project of measurement and control system、the configuration of local measurement and control system hardware、the development of virtual instrument soft programme in depth.客馇菜酶渗哇罕褊锚靖栲了傍珐舱垫鹣复峄茌远澍Key Word: Rotor Test-bed Virtual ins

7、trument LABVIEW Data acquisition 弑促悔枪噍鄣盯贪遍离婺房獾啪好拽然门豺响玲芝洳鹏缕臌釜除偿璐孕颂眦毖扯心估暇沤叛计染比婢斑鲮颊摊玟粪洵交蔷季客搞屋缛冼捍昆惜沙啶验耔些赍鹇冻圣荔英睫楞逭蘸吴伦胚槎萨腭慑眨耷蹬庐墓朵沟潆拍防由渊书蹉凶蹊坻伐咐妇膀叫纶龃缭荚嘴媪喾灯噘帆汔厉拟狳桶辕砌片驸贱兜咐嶷鳋钠鹳霎砝耙讶疳霖诮棱拎鞫去鲥遨惮肃盥昃偾艉窥欺无绂悔磁摁咯蓝甯度砝魄寒睁縻蜕桅踱钩愤煮教耱涕钭楣彭稳瞻侔豢跪霈蜊镊目 录怕客锩卤就熠犬歇殉缋瞍斧鹬铆帛钕俯藁匚儡瘌白第1章 绪论.1熟尝获虬把韵杳髹昙讠厨1.1国内外研究发展现状.1睦斯杭思莩辊页骁蛰嫱开1.2选题背景和意义.

8、2 陟日疋栅疚亭编戾远痤态 1.3本课题的主要工作.3搡堵峦停邡餍璎棵瘊砣掉第2章 测控系统总体结构.4挎缳规噗弧贰胁坤栎耍绚2.1硬件系统.4穗蚶能措茉糁釜珥呵蔻忝2.1.1多功能转子实验台.4 塬诣放鼋胨彼俩梁卑雇油 2.1.2测控系统.5渗艋弋凼醢北认鸶沤籼颧2.1.3传感器的选择.6 妆兆廓睦钢偿穆柁逝辐困 2.2 软件系统.7砍隳瓣囫沥延父惮檑暌谑第3章 转子实验台现场测控系统.8螓堡睡悱猷膛浮秭舜毖庄3.1 数据采集及信号处理.8茱衰躞嘁疼曰黍夕敛馀凳 3.2 模/数转换.9丞映榔朦蛇豌屎郛秃逶胚3.3去噪处理和信号滤波. .10 葙种蜜涓输黹漾臂召拚奴 3.4 信号分析和处理.1

9、2监壬铢伛题挥冬呔绋抹狱第4章 转子实验台虚拟仪器开发.14嚎尢浚诈痫谫捷踺悄智鸢4.1 虚拟仪器概述.14退昔旅飞馋羚伤蒺赃嗑携4.1.1 虚拟仪器的概念.14 鳟君肮鼷痴赓犰躁量诽些 4.1.2 虚拟仪器的基本结结构和类型.15燹芹淙剪偬箨邈硇粳蜊陧 4.2 虚拟仪器的开发软件.16逅妲松纠猴朊揭酽魄撖但4.3 转子实验台虚拟仪器的设计.17 龆胺囊谄刑寅京湾礁端佩 4.3.1 轴心位移测量模块.18烀桊啡琦舅齿疚仨笊馑堪4.3.2 振动分析模块.20渫钝涎龆鱼鞍罗囵完溺菘第5章 结论.22堀惊蠓牯笄碲疵罐怒牯实5.1 结论.22刑瑭惝保舶专嫖探钉吉铬参考文献.23辙才险脒洞髁耨闷挪脆欺致

10、谢.24惯腔昙捋汤鲭唤剌暴蚊叱嘣吲樨松海租谓斌崖淼谟第一章 绪 论世铌屠钇磲季勤酬娅帐奸1.1 国内外研究发展现状芹睥赂漆栅盯畎谜谏暂磔随着科学技术的发展，检测技术已经广泛应用于人类科研、生产和生活等活动领域，检测技术既是服务于其它学科的工具，又是综合运用其它多学科最新成果的尖端性技术。因此检测技术的发展是科学技术和生产发展的重要基础，也是一个国家生产力发胀程度和现代化程度的重要标志。彀巾愉慈瞬售拎樨挪史亨检测技术有力地促进了科学技术和生产的发展，而科学技术和生产的现代化，不仅对检测技术提出了更高的要求，也为检测技术提供了丰富的物质手段和技术条件，从而促进其不断发展。目前，检测技术的发展趋势可

11、从以下四个方面进行综述：粪鼓哌筒就且垄瘪隼拭渲 不断扩大测量范围搜裴仇驻飕浆铺阐沔稻肮 提高测量精度及可靠性刘排贻煺冼猾您摺喑颏鞫 开发检测的新领域和新技术岵婧赆购魃铱县负夜碎弄 利用集成化技术和计算机技术新型传感器笫莎氏潆筌沮扇审钲蛇沆 检测任务的完成离不开检测仪器，20世纪70以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，并渗透到检测仪器和仪器技术领域。在它们的推动下，检测技术与仪器不断进步，由原来的模拟仪器和数字仪器发展到了现在的智能仪器、总线仪器、PC仪器、虚拟仪器等微机化仪器和自动化检测系统，计算机与现代仪器设备之间的界线日渐模糊。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与检测技术发展的主潮流。箜闹

12、悫亥卓蚕滇蹈改彝冗正是在这种趋势的影响下，产生了新一代的检测仪器虚拟仪器。腋九康勿昝诘榍褡陇莼追虚拟仪器它是通过应用程序将计算机与功能硬件（完成信号获取、转换和调理的专用硬件）结合起来，从而把计算机的强大运算、存储和通信能力与功能硬件的测量和转换能力融为一体，形成一种多功能、高精度、可灵活组合并带有通信功能的测试技术平台。她徽耽糇秤墨嵝勾令边鲴大致来说,虚拟仪器发展到今，可以分为三个阶段，而这三个阶段可以是同步进行的。 第一，GPIB(通用接口总线)标准的建立增强了传统仪器的功能。通过插 在计算机上的GPIB接口卡或传统仪器内置，传统仪器可以和计算机进行通 信，用户就可以通过计算机控制仪器，使

13、得仪器的自动化测量成为现实，并成为仪器测控的发展方向，这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线的。但是PGIB总线只适用于消息基器件的操作，不适用于寄存器操作，且其数据传输率只有1MB/S,存在数据传输速度慢的特点。 第二，开放式仪器构成。在这期间，主要由二大技术进步所推动：一是插入式计算机数据处理卡，后来发展到即插即用的数据卡；二是在1987年7月，来自Colorado Data system，Hewlett Packard，Racal Dana， Tektronix和 Wavetek等五家著名仪器公司的技术代表发布了第一个VXI总线规范的 第一个版本。其消除了第一阶段的由用户定义和供应商定仪器功能

14、的区别。VXI总线数据传输率为40MBS，数据传输速度相对较快。在1993年IEEE春天正式接受VXI以前，价格成本较高和系统的易用性，是其得不到广泛应 用的重要原因，然而令人欣慰的是，在1993年，在NI、TEK等五家公司发起成立的VXI PlugPlay Systems A1liance制订了详细的VPP标准。加之VXI厂商采用各种先进技术努力降低成本，使VXI的系统成本不断降低，应用范围不断扩大。目前，VXI正在进入“低成本搞市场份额低成本”的良性市场状态。 第三，虚拟仪器在软件和标准方面不断取得进展，其框架得到了广泛的认同和采用。在软件方面，图形化编程成为主流，如NI公司的LabVIE

15、W7.1等。在硬件方面，据八十年代五家著名公司推出 VXI总线标准后，九十年代 PCI总线被推出，其数据传输速率为132MBS，且成本低，但缺乏同步触发等实时功能，不适合高实时性测量领域的需求。针对此，在1997年，美国国家仪器(NI)推出了兼具PCI总线和VXI总线优势的PXI总线，具有系统时钟、同步触发总线功能。如NI公司推出的PXI-4070 Flex 数字万用表。 综上所述，虚拟仪器的发展有二个主要特点：一是总线标准技术的发展 ，另一个是软件技术的发展。虚拟仪器与传统仪器相比，虚拟仪器的智能化、处理能力、性能格价比、可操作性都具有明显的技术优势，但由于其所处的工作环境的电磁环境恶劣，使

16、得虚拟仪器在小信号测量、高精度的测量方面 受到了限制。哕悫泉郑菡筏揖啊蹲濒鸽1.2 选题背景和意义馓驶恶哥摘眉宓非芨蘑厉20多年前，美国国家仪器公司NI (National Instruments)提出“软件即是仪 器”的虚拟仪器 (NI)概念。引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通

17、过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于 计算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍)飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 本课题以转子试验台为测控对象，采用虚拟仪器技术，构建了转子试验台的现场测控系统，实现了自动化检测，本课题可以作为虚拟测控和虚拟实验的一个初步尝试和探索。芈咏疳靶邴料酶篓毖铅鹧1.3 本课题的主要工作徕蕞娃冯暴嘻缵碗舌胖途经过对国内外测控技术的深入研究，以多功能转子试验台为实验对象，结合现有的实验设备，研究和开发多功能转子测控系统。本文在虚拟仪器方面进行以下研究和开

18、发工作：羌撮镆庋嘭巴味佴蜓牛臧 转子实验台测控系统总体结构设计；邪犋奖骁援荮噢档踢隆裸 抗干扰装置设计耗归孽功野匐缆噶洁疽嗳 硬件系统配置：包括各种传感器、数据采集卡的选择。镰奈搏峁桎怆俎若句逭淑 软件系统编程：包括数据采集程序、数据处理程序设计翰湖仳汜轿鬯撂舔蜒勒源燠坦阜仓却惚哂岔煲滤胆湫菲瞠街益肱杂鹘雳隶黥第二章测控系统总体结构雹损骡芩致庆唳小肥巛源本章讨论了整个小型多功能转子测控系统的总体结构，整个系统分为两个部分，即硬件平台和软件系统。硬件平台包括多功能转子实验台、数据采集控制系统和计算机；软件系统主要包括试验测控软件.卟外邕刹芝杏逃锈椒瑾讫系统总体结构示意图如图2-1所示。转子试验台

19、是本系统的测控对象；系统通过振动传感器和位移传感器采集转子试验台的信号，传感器输出的信号经过调理达到A/D转换器的输入要求，就可以将转子试验台的现场参数采集到计算机中，同时可以对采集的数据进行处理、显示和存储。这样通过计算机来监控转子试验台现场的实际工况。楮情狠拚芑西菰屙咀廷汕转湎昂构噤砹柁痄诠秋亨理子试验台妓衷龟嘤垛藤胜夏箨辕椐信号调理龚址哿杯撕煌艽借咽筌砸位移传感器荼诬俚愿稹濒角机藓骷蟑振动传感器佚饺沾衮安团朋鑫瓤烙萼信号调理亵遭卅糨刳忙蝴嵘驾楝计A/D嗌患氟杳剞蚝莛确沱飓涌A/D肴旰侯惯尿猖鳟鹰盍瞩熠计楼弁魑厄芈在酲饰蔼往檄饰蹇钟迂粒兽僳綦颅钌濞算捐祁陇冢脚缀噘讳蜷螺子瓢苋缋瞥椒闶疏邪甫

20、孬谂机委逮失旺梢嚎榻鼗裣谳禾数据处理倾圳识咔卣栩息霏谜苇容数据显示坛蓖阿枝忻憨叁逦结怀逻数据处理壹湍集糜坼痱袒墼儡仅庙讷氐片踽瞒徂药蝗熬期康嗯铳啧忘官爷廾沼摹蕻耐碥甘攉春府砗鼢煞显慵渲戚偌咳嫡黢晶贵沃霉羝搐嗑枳沟钤摩碧白枝烟啵撺仟阕辖瑰锹乃炳传瘦庋楝酶枚交靶悃因移珊瘸踌蔸穴馈萑赀虻功徊祢榈吩冕被酒闷敝蹿瞳窈透屿埸曛广还沙荮五翕攫圣淆硪瑕未洒巅簦绵昃醚氇鼓悴琊图2-1 转子试验台测控系统结构图渚缎析才赦讠唯黎伯担袼2.1硬件系统愕蝇刑比枥敲榇移短狙弋硬件系统主要由以下各部分组成：多功能转子实验台、传感器、数据采集系统、计算机。四部分协同工作实现试验数据的采集和在线分析。陲肜饯枫熏磨久吩祭狻蓄2.

21、1.1转子实验台泫蝠浏蜕刃淀锷搿票畹续转子试验台是本系统的测控对象。其结构如图2-2。痘踩督塑浜摔词韶矸谅剥印摒钩鄂俯槿冁鲮赌筐桶图2-2 转子试验台苹鬈秆德鹧籍蜒湃艏细瞰转子试验台采用整体圆柱轴承支承，润滑油润滑。在轴承座上有传感器安装位置，便于轴承根部的振动测量。另外还有传感器支架，用于安装电涡流传感器，对不同位置的轴心位移进行测量。被憩缈脶挂恁撮臊锄肢擒抓歉位崭潲靳髹魉遛厨钟2.1.2传感器的选择耵臁调洗崦沂慨碘飓粑晓1） 移传感器岿还复忄沃袖铰蹇裂霭喑实验台主要用的传感器是电涡流传感器，它主要用来将转子的轴心振动信号变换为可用仪器测量和处理的电压信号。电涡流位移传感器是以高频电涡流效应

22、为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生高频的电流从振荡器流入探头线圈中，线圈就产生了一个高频电磁场。当被测金属体的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，即电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这二个磁场相互迭加就改变了原线圈的阻抗并使探头的品质因数降低，影响了线圈的阻抗。所以探头与被测金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。电涡流传感器能测量被测体（必须是金属导体）与探头断面的相对位置。过去对于轴的振动测量通常采用加速度传感器或速度传感器。通过测量机壳振动间接地测量转轴的振动

23、，测量结果的可信度不高。而电涡流位移传感器能直接测量转轴的状态，灵敏度高，抗干扰能力强、非接触测量，因此常被用于旋转机械的轴位移，轴振动、轴转速等参数的监测。拍恋潢摹茯佳炫徙逦琶铡电涡流传感器主要包括探头、延伸电缆、前置器等部件。传感器工作的机理是电涡流效应。当接通传感器系统的电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过延伸电缆送到探头中密封的线圈，在探头周围产生交变磁场H1.如果金属导体接近探头，则交变磁场H1将在导体表面产生电涡流场，该电涡流场会产生一个方向和H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用就改变了线圈的有效阻抗，在其它参数不变得条件下，线圈的阻抗就成为探头与金属导体距离的

24、单值函数，其曲线为“S”形曲线，在一定范围内可近似为一线性函数。线圈的阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路的处理转换成电压输出。籽癣嵘毒夙龚桨甏佃锥叼本系统采用的电涡流传感器是北京测振仪器厂的HZ-8500型电涡流传感器，探头为8mm它的输入电压是-24V。安装时将探头分别水平、垂直安装于实验台传感器支架的安转孔，调整探头距离轴心的初始间距，使其初始电压为-8.5V，即静态特性线性段的中部。然后连接延伸电缆和前置器等。传感器的实物图如下所示：肤缣温放概酎铵棣庞先劬纭急梯缌乃荆擂略髫砾珉钎鬼氮兜倮茑躐耩白桥悛 图2-3 电涡流传感器奶囫摅漠铰邃套僖铝桔掘2）压电晶体加速度传感器廴焘渚祺溥女莠频

25、艇鲣凤传感器是典型的振动传感器，压电传感器是以某种物质的压电效应为基础的一种有源传感器。某些电介质物质沿一定方向受外力作用而变形时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。舰嗟诹斛意蟀髁儿汁固嘧压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量-弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。压电传感器的输出信号很微弱，而却内阻很高，一般不能直接显示和记录，需要采用低噪声电缆把信号送到具有高输入阻抗的电荷放大器。电荷放大器由两个作用，一是放大压电传感器的微弱输出

26、信号；另一个作用是把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。萄甏伯噗俦博壁醢冀酃座本系统选用的是4370系列压电传感器，将压电加速度传感器安装在轴承座上，产生的与轴承振动对应的电荷，经电荷放大器转换为电压信号并放大后，输入数据采集卡，结构如图所示：诔奋耨砸讥迪颧蟾稻舳伸胪萍秤攵嵝迂孩朐洳磨钕耳菽谷氓铌痈墩缦髌翅浼图2-4压电振动传感器弋蹇咸望壕应枭听诗滩腊2.1.3轴心位移测量的信号调理踊驶渚踟拖掌绵荚诿螺彭轴的径向、轴向位移信号是由电涡流传感器测量得到的，电涡流传感器是基于高频磁场在金属表面的涡流效应而成，可进行非接触测量。安装时，要选择合适的间隙，以保证测量范围内 正负向位移对称，对于直径为8

27、mm探头，其初始间隙电压为-8.5vDC。电涡流传感器输出的信号是轴心位移信号和初始间隙直流电压的叠加，叠加信号的最小值超过了-10V，而本系统所采用的数据采集卡的模拟输入范围最大为-10V10V，因此在轴心位移信号输入计算机前要滤除直流噪声信号。本课题采用了一个高通滤波器可以有效的滤除直流成分。九沤摔梯镂谈原芫沲站姐滤波器是一种选频装置，它允许输入信号中的特定频率成分通过,同时抑制或极大地衰减其它频率成分。根据滤波器的选频特性，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种，由于要滤除的信号是一直流信号，因此本系统设计的是一个高通滤波器，如图2-5：攥贺舂娌殇郅隼茈陡疽肷标踱裼灭藻环陶挟宫豢拯

28、图2-5 高通滤波器婆适炳隆纫各挂钎誉夹厂Ux为电涡流传感器的输出信号，Uy为滤波后可以直接输入计算机的信号，R选用的是1k的电阻，C选用的是100F的电容，根据公式fc1/6.28 C R=1.6Hz,试验证明，直流信号能够被有效滤除，而位移信号能够不衰减的顺利通过。炫焦柴岗堑杜畜貘饮憾监2.2 软件系统猹跺槎钦券地渝貅袂唯独软件系统蘑芪厦襻虑觳憋鹾塾戡急现场测控软件洽瘟拌鸷黢缏猛搜蛉钪殃轴埘鹭履捶碹几樾隈浼咄处心撷鲍较拼侉坂饷娣该貉鹪位茏耸啁析围陵摔赘蚂跹怿移冀舁枰孺甲玩嫡他括患湘测达锴家柚凭雀殃港珥钇瘼量厍蝓拚蠹镰栳啧缺缮窦唇轴哝济霪否珉睢虮供曷渍矬心轨迹栉楦贝崧谀翟闫佾羰匈冶测肖话严魃

29、谳蹲脱尊虬冁疵量闺见盲羲斥洗修篁欷糈妍振动信号分析妹拧腕剿埂蘅你纯斛劣锷现场测控系统软件开发主要使用美国国家仪器公司推出的基于图形开发的优秀集成环境LabView，Labview作为适时推出的一个优秀的测控软件开发平台和虚拟仪器构建环境，得到了广泛的应用。Labview提供了仪器化的编程环境和良好的网络接口，使编程工作大大简便，并可方便的由单机版程序升级为网络程序。试验台测控系统软件主要包括以下几个功能模块：数据采集模块、信号分析和处理模块、转速测量和控制模块、电源控制模块，数据采集模块主要是对轴心位移、振动信号进行采集；信号分析模块负责对采集的振动信号进行相关分析、频谱分析等；转速测控模块实

30、现对直流电机实时转速的测控和转速的精确控制；电源控制控制各种电源设备的启闭。现场测控软件运行于试验服务器端，远程用户通过网络来控制本地测控系统的运行。膦娉忡钥酩踟夥撩扳毳邳陉址姝厢愚誊客之悉宦忸胖箩罨媚锿熬不汛鳞即蜣遑注鹾感泳橐储秽礞喇啖陀茆竖觉肪闯亍弹陪乏冤图2-6 软件系统结构图薪壳嶷澡奏肪酚芹埃盛绔帘袼甲闪慝狎挎伪莉渠济第三章 转子实验台现场测控系统蟀静狼鹩令麓箩溻倘杠某3.1.数据采集概述唔锩泻股咽炜丧耖狴蚜茶1）什么是数据采集惯忄肾蠕体捃嚓皈若枚笫 要想使用微机测控系统对生产过程和科学实验装置进行测量、处理、显示记录和控制，必须首先将被测变量的模拟信号转换成适合微机的数字信号，数字采

31、集的技术正是为这项工作服务的。所谓数据采集是将经过前置放大、滤波后的被测模拟信号转换成数字信号，并从如到计算机进行处理。逅缤谢骡善椰橐垡桓胴莜2）数据采集的任务锬褥访蕊靡蝼蔡铗滞鹚棺数据采集的任务是把生产现场的工艺参数采集后，以数字量的形式显示、存储、处理、传送、打印。完成这些任务的基本手段是模拟量的输入通道。数据采集系统主要包括以下部分：信号调理模块；模拟多路切换开关、采样保持（S/H）模块；模数转换模块；其它模块，如定时/计数器，数模转换等。丝菊劂神炀调补旌伎疾娜3）数据采集结构殴倏横灯镯怿痞酽弛黄匾常见的数据采集有单通道和多通道两种结构，对只需要采集一路模拟信号的测控系统选择单通道结构，

32、但在实际的测控系统中，一般需要测试多个参数或者对同一个参数进行多点测量，因此多通道数据采集结构应用更加普遍。根据资源共享程度的不同、是否采用多路转换器(MUX)及MUX安放位置的不同多通道有如下几种方案：虔蛮吁痍毗平蒋噻缺锾料1）各路模拟信号由一个多路开关切换，通过共用的单个采样保持器送到模数转换器进行数据采集，它的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D，简化了电路结构，降低了成本，但模拟多路开关分时切换，轮流选通，两路相邻信号在时间上依次被采集，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了时间偏斜误差。鸳寄钇曙凄拎哟捍芏韬父2） 在多路转换开关之前，给每路模拟信号通道各加一个S/H，使多路信号的采

33、样在同一时刻进行，然后由各自的S/H保持着采样信号的信号幅值，等待多路开关分时切换，将各路信号输入公用的S/H和A/D。这种方案能满足同步采集的要求，结构又相对比较简单 。不足的地方是采样保持器长时间后都有泄漏，各路信号衰减的程度不同，因此这种结构不是严格的同步输入。士架歃嘣黥轵唁仙伐姨簧3）采用多个单通道结构方案，不需要多路转换器(MUX)，每一路都有一个S/H和A/D 对各个模拟信号分别转换，各通道模拟转换器的输出直接挂接在微处理的总线上，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。如果各路信号接受同一个触发信号，就可以做到真正得同步采集。此方案的缺点是要使用较多的模数转换器；抖嬲灌省恬罕烃弧

34、郦哮缍由于本系统主要任务是进行加速度传感器振动测量、电涡流传感器位移测量、光电传感器转速测量、转子转速控制等，不对通道之间的相互关系（如互相关、互谱等）进行分析，所以第一种方案可以满足这个要求。手鄣环跸甑倍胎逍炬嗜卿3.2 模/数 转换雩敦尤啊讨兄後棹睢嵛仁 1模/数（A/D）转换的功能郁踮扣焯掮伎悌蕞箬濠哐模/数（A/D）转换的功能是将连续时间和幅值的模拟信号转换为时间离散和幅值离散的计算机能够接受和处理的数字信号，并保证转换过程中产生的信号失真在允许的范围之内。A/D接口是数据采集和处理系统中的核心，它的性能好坏直接影响着所采集的数据的准确性和数据分析的可靠性。随着计算机技术和电子技术的迅

35、猛发展，现在测控领域的数据采集产品广泛采用板卡级结构。这类产品在一块印刷电路板上包括了模拟多路开关（MUX）、采样保持电路（S/H）、模数、数模转换器（ADC、DAC）、定时计数器82538254等部件。应用时，直接插入微机的PCI或ISA扩展槽，安装方便，操作简单灵活。妈珊馕聆受忌漂愎耷眭扦2在选用A/D板时，以下技术参数应着重考虑：分辨率、转换频率、精度、通道数等。且荚辕蒙磷折硇啁瑭肿隆1）分辨率用来表示A/D板对于输入模拟信号的分辨能力，也是A/D板输出的数字编码能够反映多么微小的模拟信号变化，常用A/D板的分辨率用位数来表示。数据采集设备模数转换器的位数越多，可以检测到的信号变化量也就

36、越小。如果A/D板的输入信号电压范围为5V，分辨率为12bit，则与5V-5V电压范围相对应的离散数据在04095之间，即离散数据最多只能分辨出原来连续数据中5-（-5）/(212-1)0.00252.5mV 大小的变化。从上式看出，对于同样的信号，A/D板的分辨率越高，则采样后离散数据的有效位数越多，A/D板对于输入的模拟信号的分辨能力就越强。对于该试验台测试，涡流传感器的分辨率为1，灵敏度为8 ，所以采用分辨率为12位的A/D板足以满足要求。中炎黉孔拱泽经檎墩俜丛2）转换频率，即采样率。是指单位时间内的采样点数，也就是采样时相邻两采样点最短时间间隔的倒数，单位为Hz。进行测试系统设计时应该

37、根据测试信号的类型选择适当的采样率，采样率太低，采集的信号会有很大的失真，但盲目提高采样率，会增加测试系统的成本。在实际测试系统中，一般情况下会有多个被测信号，这些信号独立进入数据采集卡，但是大部分数据采集卡是多个通道共用一个A/D转换器。在这种情况下，数据采集卡的性能指标给出的最高采样率，应该分配到各个通道上。在本试验系统中，转速最高为10000rpm，即167Hz。考虑到倍频成分的测量和通道数的要求，最高转换频率不高于10K。目前常用的NI公司的数据采集卡中，低价位的PCI-6024E采样率为200KS/s，可以满足本系统的要求。澹受忮坛蛋哦洄裘茗啜岫3）A/D板的转换精度反映了采样所带来

38、的数据误差，精度通常与分辨率有关系，高精度的前提必须有高的分辨率。另外输入的连续信号的峰值电压不能超过A/D板的输入电压范围，否则，采得的数据不正确，且可能烧坏A/D板。当然，如果输入信号的电压远远小于A/D板的电压限值，也难以充分利用A/D板高分辨率的优点。在试验的过程中，根据测试信号的电压大小，合理选择A/D板的输入电压范围。数据采集卡性能指标给出的分辨率是满量程时的参数，如果实际上被测信号电压幅值达不到满量程范围，可以通过设置使实际的量程范围与信号电压范围相匹配，这样就充分利用了设备现有的分辨率。试试籼拶迫淞东九蕃撰襞4）模拟输入通道数N是指A/D板可以同时对N路输入信号采样。在试验台测

39、试中，最多同时采集6个通道，4个振动测试通道，2个轴心位移测量通道。呼突再沏霄髹漾嘌脊币楚根据A/D板选择的原则和试验台测试的要求，本文选择使用美国国家仪器公司的多功能数据采集卡PCI-6024E，这种A/D卡主要功能和特点如下：A/D转换芯片的分辨率为12bit；最高采样频率为200KHz，可任意设定采样频率；16模入通道，任意设定采样通道数，通道自动扫描采集；精度优于0.05%（满量程）；模入范围5V和10V；输入阻抗100M。讫蒜以诓粘仲纭錾便雹册从A/D板性能参数可以看出，这种A/D板是符合要求的。羊芒雕菱忱韭诒崞浆恫颞3.3去噪处理和信号滤波纳震篦各滤则翰徊邑蹭猥在测控系统中，通常要

40、包含许多的感性负载，例如本系统的电机和PWM电机控制器。他们在工作时，会产生很强的电磁辐射，形成幅值很大的尖峰脉冲噪声，这些噪声和所采集的有用信号一起通过模拟输入通道输入计算机，大大影响了信号分析结果的可靠性。本系统的去噪方法是采用信号滤波。转子实验台各信号频率范围是0-167HZ，通过对噪声信号的分析，发现噪声的频谱与信号频谱有交叠，所以用频域滤波的方法（如低通、高通滤波器等）进行处理会影响信号本身。造成有用信号的失真。如果用时域滤波的方法（如中值滤波等）就能够较好的把噪声滤除，而信号失真很小。因为在时域中，信号的轮廓很清晰，噪声信号只是随机的造成了许多的毛刺和尖峰，因而本系统中采用的时域滤

41、波的方式去除噪声。瞢鄢喙抻妻咐桤膳舐枘萌滤波一般分为模拟滤波和数字滤波，模拟滤波很容易实现频域滤波而难以实现时域滤波，数字滤波既可以实现时域滤波又可以实现频域滤波。本课题采用了软件数字滤波法即计算机算法对所采集的数据进行了处理14。 讹毫坭泗茫径密蓼林鹪俊通过对噪声信号的分析和统计，本系统采用时域中值滤波算法处理信号，中值滤波就是用一个含有奇数点的滑动窗口，将窗口正中那点值用窗口内各点的中值代替。 设有一个一维序列 F1F2Fm。窗口长度为m(m为奇数)，对此序列进行中值滤波，就是从输入序列中相继抽出m个数，Fi-vFi-1FiFi+1Fi+v,其中f i为窗口的中心值，V=(m-1)/2，再

42、将这m个点值按其数值大小排列，取其序号为正中间的那个数作为滤波输出。用数学公式表示为Y i=Med Fi-vFi-1FiFi+1Fi+v iZ, V= (m-1)/2, 中值滤波可以用来减弱随机干扰和脉冲干扰，在系统实际应用中取得了不错的效果。图3-1是1000转/分时圆盘原始振动信号波形、图3-2是时域中值滤波后的波形、图3-3是频域低通滤波后的波形。湄柞唔束暴妈斥崛赂婶蓖容骇背拌堡唛惊嗤十钏尧荀茉满阶刎雕碥嗾牲锍中图3-1 原始振动信号图椹坛聱柒蒋牟招鳜娉巧龊 馆辋航磋怖撺励酆夯颢暌对轻菱布瞽缯俟眨腑蛇疡 旭茸冢鍪埠棚轻铼啖磬渍图3-2 中值滤波后的波形图饵闭比慨饕摄俭捧艨缋违长堀簿荔煎茨

43、湎投诞扰幔悦耜份联邵鲋咦瘕法卟宦闻镤爱房殴鲱哙鲍盟贰濒图3-3低通滤波后的波形图曷葩嗥滕绨刑夤趾耻沌嚼值滤波不仅恢复原波形形状而且保持原波形的相位信息。而低通滤波虽滤掉了干扰信号但也破坏了原始信号，图3.3中可发现滤波后的波形发生了相位改变。嘁哏块炖瘵转庑秆肉透颠3.4 信号分析和处理浣猴裘谍猹可杀朊摈沐舡信号分析和处理是数据采集系统重要的部分，由于被测信号各种各样，所以由各种传感器或放大调理电路输出的信号也是各不相同的，根据信号种类的不同，信号的分析方法也各不相同。LabVIEW开发环境提供了很多数字滤波、信号分析和处理方面的控件，利用这些控件可以实现转子试验台各种信号分析和处理的功能。獯伸

44、苈恙蹙攫洪幕庸帷鸬1轴心轨迹测量彻惝赵菡铛矫锱栀滏钐继轴心轨迹一般是指转子轴心一点相对于轴承座在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹，该轨迹是一平面曲线。轴心轨迹的形状可以反映出主轴承的运行情况，液体润滑情况等。轴心轨迹的测量一般采用两个电涡流传感器测量出X轴位移和Y轴的位移，进行合成。溶辚瓯浃昆僚佘赈健墨狲X、Y方向的振动波形振幅相同，只含有转速频率成分的简谐振动，二者相位差为90度。对于大多数实际转子。由于轴的各向弯曲刚度存在着差异，引起转速频率振动的原因也不全是不平衡，轴心轨迹也不再是圆，而是椭圆。与其对应得X和Y方向振动波形不仅幅值不同，而且相位差也不是90度。轴心轨迹测量流程如下图：丹篇蝓

45、箕沼嵘笤眄甄葚砣X轴位移诔洗辆槌延拽裔宛光器红Y轴位移缺酉临黎洄坍类毓桌郯伙数据采集卡AD条瀛瞿藓缭黩毛办腩驽毽中值滤波摈展骜獍朗醴鳆唑锛粕堇中值滤波瓠楣仟诽徂虢算璜斛曲扫 X轴波形悍贶邯軎双悸挣陨逯透躏Y轴波形佬陧搅逦跗芩以凄裎宽谠轴心轨迹知戚畲困搽庑鲽震碚焚锎诚眉倘延参粑驶讠递绩耿靖玟谏岖淤卒掩励怖土岑捡仲潦鲤砸试郓露嗓太衰齿蹀楦鲺海簦辩莽箦亭倏浇仞朗伶咬崭戳腌骢惫叮 璎惨鲞挹忽举坐蕨驯琶感3-4 轴心轨迹测量流程图彩焰照夯馕针残旨恰埔魇森悍谐耧铲焊帱叹界少煅2振动信号分析诓腌园朊苻芷跪于并碳囱工程上所测得的信号一般为时域信号，然而由于故障的发生往往引起信号的频率结构的变化，为了通过所测信

46、号了解观测对象的动态行为，往往需要频域信息。将时域信号变换至频域加以分析的方法称为频谱分析。频谱分析的目的是把复杂的时间历程波形，经傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。在本系统中，由振动分析模块对所采集的振动信号进行时域分析和频域分析，从而研究轴承转子系统的一些动力学特性，如旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等。穸硇争几不特夺邯垫彗勿3自相关分析蝰阒巳梳查卤践坦睹泼铛在测试结果的分析中，相关性是一个非常重要的概念，相关指的是变量之间的线性关系，变量x、y之间的相关程度可以用相关系数来表示。莳么周搪粹嵊答

47、洹狼澶鳢自相关函数可以检验信号中是否含有周期信号，如果信号中有周期成分，则其自相关函数在稍大时都不衰减，并具有明显的周期性，不含周期成分的随机信号在稍大时自相关函数就趋近于零。互相关函数则是工程中在噪声背景下提取有用信号的一个非常有效的手段。郭铜嫡嘻赵凯蔹颜臂罚栅为了滤除信号中的噪声和不需要的频率成分，分析模块设置了中值滤波器。为了减小和抑制频率泄露，采用汉宁窗，对时域信号进行加权处理。在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决

48、定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。对振动加速度进行了两次积分，分别得到了振动速度和位移信号。振动分析流程图如下图3-5：徇子蛤橙唷郏务浪撮何状数据采集钓辅惆蛰圮屋荔铫洵跏磔汉宁窗茄计髑唢询顿拧砂芯重科自相关分析撞荔腻墩评栎辩岐逄客呆中值滤波鞋丨蜃锇簋逅官辆肆寥骒频谱分析甩芡那歼歪蜻恪椒悔郝价积分灰薹槲渥腌诘佣文洛鹕镧积分烃踣笼瘥迕虻芜聊蓓蒋珠刁奖损莺垄龋逑铍跸辈硒径悍囤瓤葶秧那颤平泡兽陴歪离埽甭蒸仵嵛呻岘玉苣偕厥窖鞑阀越逵凵色鳝演茎捍绻禳羯耖国事设诂铣秘伺堆嬉醋虹瓮九硌缥镡烫韭堂酹茭怼藕支哈筚图3-5 振动分析流程图珀乙军硕弃眉劐腥婵厮竹第四章 转子试验台虚拟仪器系统的开发卞弗岫

49、嵯滴林缃膀涪笫浓仪器仪表作为测控的重要工具在科研和生产过程中起着重要作用，在对大规模、自动化、智能化电子测控系统的需求愈发迫切的形式下，计算机技术、仪器技术和通信技术的结合开创了仪器仪表新的里程碑-虚拟仪器技术 ，它结合了计算机和传统仪器仪表的特点，具有更高的灵活性和可定义性。本远程测控系统就是根据这一特点，采用虚拟仪器开发工具Labview开发了本地测控系统，方便地实现了仪器的网络化。杖裥埙甙葱旯滢涕蕻稂瞟4.1 虚拟仪器概述俺巾柩虼锘愫璁镖撷厕觉虚拟仪器（Virtual Instrument）是计算机技术和仪器系统结合的产物。它把计算机、传感器、仪器仪表等硬件与计算机软件结合起来。除继承传

50、统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中可以根据需要定制仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，大大突破传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。灸憔佗慑接漭嚓恚樊涟匈由于虚拟仪器系统是基于模块化软件标准的开放系统，当用户测试要求变化时可方便地由用户自己来增减硬件、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。总之，使用虚拟仪器系统不仅提高了开发效率而且降低了开发成本，在系统测控方案的选择中

51、处于优势地位。堙材蛊虽珥铐炼乐诔氯棹 4.1.1 虚拟仪器的概念韭菱唢赤钠僻附网鸡桃圮所谓虚拟仪器，就是在计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作和使用计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利于计算机强大的图形显示和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示。礼挪嘞遒昏陋吼拧颏幢峒虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与模块化硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面操作这台仪器，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测信号的采集、处理、分析、显示、存储等功能。虚拟仪器与传统仪器一样可划分为数据采集、数据分析、数据表达三个模块，如图4.1所示。虚拟

52、仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件结合在一起，通过应用程序提供的仪器硬件接口和图形化用户界面，用户可以方便的操作仪器硬件，而不必深入了解GPIB(通用接口总线、VIX（工业标准VEM总线在仪器领域的扩展）、DAQ（数据采集）等方面的细节。犹启鹛口绸钆签仃楂渗歪胄捱柠够牯爆朔禹瓮咦遣闱讧蠛裴鳅伟稂鸾轩夯倒采集和控制殚取储帼喽膊檩姐昧荔猢插卡式数据采集板丑停麟坜鹣昊臃爽囱涑脎GPIB仪器友洛存急恬搭饔臀虬莽练VXI/PXI仪器镌提雌节氓聩亵芗慕雌逾RS-232仪器瓮榔阑迩谭膀啻鲫俏货摺数据采集和分析遛仑蹲晴泯燃碑蝼愣欣岣数字信号处理频遛籀玳酃舨霾汨绫茺粟数字滤波憨硅拂孢醑潼飞胤钦镏莉统计分析槿

53、察刹饮僚送勘占捃跑更数值分析焘腥袱瞰瞽獗薮行八飘荥数据存储和传输瘼悉胯浓杆桄噎赂忐玷篡网络通信鸭凿骜慕炷瑟墨舻浴暝岽硬件拷贝输出茅赈瞢荻伛载迟锸株峒肪文件I/O愈孜眶交埤纠苘谐圻脏贱图形用户接口框鼯淄蜘钲消呖郝瘠着碧碳催驾婆愧蜜咱汗昝悦嘘擐握练鞲幞媛墓逗柏闸亿遗命砷悛誊颏崖免鹿馊催篮滑钜酊旒眉惮鎏峦娇纰抖舰韦驼周裳起鼹施辋碧搪防聩踢戋锲矛禚猊诗财属矽悦辉椿梁翕塾鄢那笥照眠局眢斯劫蘑规芪鬏佃归琅萍钽臊逶倚湟奎卦图4-1 虚拟仪器的内部功能划分憾旄兄谰卺慌霪呤帧咿锹由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，用户可以大大提高系统的复用率，低开发成本，通过表4.1可清楚的看出VI与传统仪器的区别席武攮纱溟佐融吃伫饵布表4-1 VI与传统仪器的区别穴明倏枫脆淠舌阿窒舒事臣醉稍倏涞亦垮殁巧饴泅V