多通道位移测量仪解读

1、传感器技术课程设计课题：多通道位移测距仪班 级 测控 1121学生姓名 丁帅 学号 1121203111指导教师 张青春淮阴工学院电子与电气工程学院班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪多通道位移测量仪摘 要 : 借助于虚拟仪器技术 , 探讨了将虚拟仪器技术应用于位移 测量领域的方法 , 以L abV IEW 为开发平台 , 设计了 一种多通道虚拟位移测量仪 , 界面简单、方便实用 , 解决了多点监 测、实时性等问题。详细叙述了多通道位移测量虚拟仪 器的设计步骤。关键词 : 虚拟仪器技术 ; L abV IEW; DAQ; 多通道 ; 位移测量仪 Des ig in

2、and Research of M ult ichannel D isplacemen tM ea sur ing In strumen t Ba sed on LabVIEWZHAN G Q ingchun, GOU L anlian(Electronic Info rmation Engineering Department, HuaiyinInstitute of Techno logy, Huaian, 223001, Ch ina)Abs tra c t: The method of disp lacement measuring field w ith virtual inst r

3、ument techno logy is discussed by the (V I) techno logy1Avirtual mult ichannel inst rument of disp lacement measurement is desiged by L abV IEW based technique1The simp le interface andmult ichannel disp lacement measuring inst rument1Ke yw o rds: virtual inst rnment techno logy; L abV IEW; DAQ;mult

4、 ichannel; disp lacement measurement inst rument班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪目录第一章课程设计简介 1.1设计目的 1.2设计要求1.3课程设计报告格式第二章绪论位移测量及其传感器简介 国内外位移测量技术简介 第三章 系统方案设计概述系统方案框图 第四章 工作原理检测原理 传感器选择 测量电路介绍 误差分析与修正 第五章 系统软件设计软件设计方法 测试系统流程图 系统软件 第六章 系统调试与验证班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪硬件调试软件（ 程序） 调试 第七章 单片机设计方案简

5、介硬件电路的设计 程序框图设计 程序代码设计 第八章 课程设计体会与总结 附录：1、参考资料2、元器件表 第一章 课程设计简设计目的 通过解决一个实际问题，巩固和加深在传感器技术课程中所 学的理论知识和实验技能， 基本掌握非电量自动检测系统的一般设计 方法，提高自动检测系统的设计和创新实践能力。设计要求1、根据指导老师的要求，按照学号选定相应题号的课题；2、按照课题设计任务和要求， 采用一种或两种方法， 设计某参数 检测系统方案，根据现有实验室条件，对设计系统进行验证调试 或仿真；3、用电路图、框图、表格、文字说明描述系统设计的具体过程；4、对选用的主要元器件（包括集成电路） 、传感器、给出规

6、格型班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪号及技术参数，并附元器件表一份；5、凡是选用的集成电路， 必须画完整的接线图， 并说明各引线的 功能和使用方法，同时应列出功能表。课程设计报告格式(内容)题目1. 系统方案设计概述系统方案框图2. 工作原理检测原理传感器选择测量电路介绍误差分析与修正(1) 系统误差(2) 随机误差系统软件设计(采用单片机、 虚拟仪器设计的系统必须有此内容)软件设计方法测试系统流程图系统软件系统调试与验证课程设计体会与总结班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪附录： 1、参考资料 2 、元器件表第二章 绪论位移测量及其

7、传感器简介 位移是线位移和角位移的统称。位移测量在机械工程中应用很 广，在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位移和位置， 而 且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数的测量，也是以位移测 量为基础的。位移是向量，除了确定其大小之外，还应确定其方向。一般情况 下，应使测量方向与位移方向重合， 这样才能真实地测量出位移量的 大小。如测量方向和位移方向不重合， 则测量结果仅是该位移在测量 方向的分量。针对位移测量的应用场合，可采用不同用途的位移传感器。表1.2-1 中列出了较常见的位移传感器的主要特点和使用性能。表 1.2-1 常用位移传感器一览表型式测量范围精确度直线性特点电阻式滑线式线位移

8、1300mm0.1%0.1%分辨力较好， 可静态或动态 测量。机械结 构不牢固角位移03600.1%0.1%变阻器式线位移11000mm0.5%0.5%结构牢固，寿 命长，但分辨 力差，电噪声 大角位移060r0.5%0.5%6应变式非粘贴的0.15%应变0.1%1%不牢固粘贴的0.3%应 变2%3%使用方便，需温度补偿半导体的0.25%应变2%3%满刻度20%输出幅值大，温度灵敏性高电感式自感式变气隙0.2mm 型1%3%只宜用于微小位移测量螺管型1.52mm测量范围较前 者宽，使用方 便可靠，动态 性能较差特大型3002000mm0.15 %1%差动变压器0.0875m m0.50.5%分

9、辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽涡电流式2.5 250mm1 %3%3%分辨力好，受被测物体材 料、形状、加 工质量影响同步机3600.10.5%可在1200r/min 转班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪77速工作，坚固， 对温度和湿度 不敏感微动同步器101%0.05%非线性误差与变压比和测量范围有关旋转变压器600.1%电容式变面积10-3103 mm0.005%1%受介电常数因 环境温度、湿 度而变化的影 响变间距10-310m m0.1%分辨力很好， 但测量范围很 小，只能在小 范围内近似地 保存线性霍尔元件 1.5mm0.5%结构简单，动态特性好感应 同

10、步直线式10-3104 mm2.5 m250mm模拟和数字混 合测量系统， 数字显示 ( 直 线式感应同步班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪8器旋转式0o3600.5器的分辨力可达 1 m）计量 光 栅长光栅10-3103 mm3m1m同上（长光栅 分辨力可达 1 m）圆光栅0o3600.5”磁尺长磁尺10-3104 mm5m1m测量时工作速度可达12m/min圆磁尺0o3601”角 度 编 码 器接触式0o36010-6r ad分辨力好，可靠性高光电式0o36010-6r ad班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪国内外位移测量技术简介

11、第九届 CIMT2005中国国际机床展览会上展示了当今世界位移测 量技术最新的发展和最新型的位移传感器， 并将数控技术和数控机床 推向更高精度、更高速度、更高可靠、更高效率的发展，也将数显技 术和数显量具推向一个新的高度。第三章 系统方案设计概述班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪借助于虚拟仪器技术 , 探讨了将虚拟仪器技术应用于位移测量 领域的方法 , 以 LabVIEW 为开发平台 , 设计了一种多通道虚拟位移 测量仪 , 界面简单、方便实用 , 解决了多点监测、实时性等问题。详 细叙述了多通道位移测量虚拟仪器的设计步骤。系统方案框图图 3.1 位移测量的虚拟仪

12、器系统第四章 工作原理检测原理进行位移测量的虚拟仪器系统组成如图 2.1 所示 , 图 2.1 中位 移传感器直接作用于被测量 , 按一定规律将被测量转换为电信号输 出。位移传感器为位移信号提供隔离和滤波。数据采集卡 (DAQ ) 对 来自位移传感器电路中输出的电压信号进行模数转换、 采用保持、 多 路复用和放大。 计算机作为虚拟仪器载体 , 对测量数据进行分析、 运 算、存储和显示。位移测量程序是在 LabV IEW 平台上开发的位移测 量虚拟仪器软件。传感器选择方法一：这里外部设备是电容式位移传感器。利用平板电容10班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪CAd和其

13、它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择 、A、 d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数(变 d)，即当可动极板被测量变化移动时， 电容增量为C0 ，这样就可以变成电容式位移传感器。方法二：这里外部设备是电涡流位移传感器。 电涡流位移传感 器与金属导体的电阻率 、磁导率 、励磁频率 f 以及传感器与被测 导体间的距离 x 有关。通以高频电流的线圈产生磁场， 当有导电体接 近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗， 而涡流损耗与导电体离线圈 的距离有关，可以用如下函数表示： Z=F(, , ,f) 。当金属导体 的电阻率 、磁导率 和励磁频率 f 不变时，上式可写成： Z=F(

14、x), 因此当传感器与被测导体间的距离 x发生变化时， 通过测量电路， 可 将 Z 的变化转换为电压 U的变化，这样就达了把位移转换为电量目的。测量电路介绍1)电容式位移传感器的测量电路班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪图 4.4.1 电容式传感器位移实验接线图按图安装示意图将测微头和电容传感器装于电容传感器模板 上，判别 Cx1和 Cx2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移 动时，有正、负输出。不然得调换接头。一般接线：两个静片分别是 1 号和 2 号引线，动极板为三号引线。将电容传感器电容 C1和 C2 的静片接线分别插入电容传感器 实验模板 Cx1、C

15、x2插孔上，动极板连接地插孔。电容传感器实验模板的输出端 V01 与数据采集卡相接 （插入主 控板 Vi 孔）， RW调节到中间位置。接入15 电源，旋动测微头推进电容器动极板位置，每间隔 位移的范围是 0 50 mm, 每改变 0.5 mm 的位移量就测量一次输出 电压值 。误差分析与修正（1） 系统误差电容传感器存在零点漂移， 在这之前首先要对位移传感器进行校 零, 因为当位移为零时 , 在理想状态下输出电压值应该为零 , 但实 际测出的电压不为零 , 记下当前电压值 （补偿值） , 在以后测量中 , 输出电压值都要进行补偿 （ 即减去补偿电压值 ） 就得到了理论电压。 “电压 （测量值）

16、 ”显示件用来直接显示位移传感器的输出电压值 ; “电压（ 理论值） ”显示件用来显示补偿后的电压值。“位移值”数 字控件用来写入位移传感器的当前位移值。 电容传感器易受外界电气12班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪干扰，要求配套仪器的阻抗高，也可能是仪表制造、安装或使用方法 不正确或测量人员的一些不良的读数习惯。 应该加强测量人员的工作 责任心，以及正确安装仪表。电涡流位移传感器可能受到强辐射的电场和磁场的干扰， 可以采 用导电良好的金属材料做成屏蔽层， 利用高频干扰电磁场在屏蔽金属 内产生的涡流， 再利用涡流磁场抵消高频干扰磁场的影响， 从而达到 高频电场干扰

17、的效果。 也可能是温度和湿度的影响， 把某些对温度比 较敏感或电路中关键的元器件和部件， 用导热性能良好的金属材料做 成的屏蔽罩包围起来， 是罩内的温度场趋于均匀和恒定， 而且应避免 将其放在潮湿处。 仪表制造、 安装或使用方法不正确或测量人员的一 些不良的读数习惯。 应该加强测量人员的工作责任心， 以及正确安装 仪表。(2) 随机误差随机误差是由很多复杂因素对测量值得综合影响所造成的， 如零 件的摩擦、间隙，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员的感觉器 官的生理变化等。它不能用修正或采取某种技术措施的方法来消除。 第五章 系统软件设计软件设计方法本文基于 LabVIEW 的虚拟仪器图形化编程

18、语言 , 采用美国 NI 公 司的 PC I M IO 16E 4 型数据采集卡 , 实现对多通道位移量进行自 动检测。虚拟仪器 (Virtual Instrument, V I)是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物 , 是当今计算机辅助测试 (CA T ) 领域的13班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪一项重要技术。 虚拟仪器是计算机硬件资源、 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。测试系统流程图系统软件1) PC I M IO 16E 4 数据采集卡PC I M IO 16E 4 是 N I 6040E 系列数据采集卡之一 , 是一种

19、性能优良、适合 PC 的数据采集卡 , 能够完成信号采集、数字信号的 模拟输出及定时、 计数等功能。信号采集部分包括模拟输入和 A /D 转 换两部分 , 即前向通道 , 主要性能指标如下。 (1) 16 路模拟输入。 (2) 提供 3 种信号输入方式选项 : 单端无参考地输入、单端有参考14班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪地输入及差分输入。 ( 3) 放大器增益 ( 软件设置 ) : 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 。(4) 量程: 分为10 V 和 0 10 V 两种。分别对应信 号为双极性输入方式和单极性输入方式。 (5) 分辨率: 12

20、 b。(6) 单 通道最大采样率 : 5 105 次/ s 。2) 数据采集的信道设置在多信道数据采集或输出系统中 , 必须为数据采集设备指定对 某个信道进行操作 , 这就是信道定址。信道定址通过在数据采集 V I 的信道表参数 Channel List 中写入信道名或信道号实现。在数据采 集过程中按信道表列出的顺序扫描信道 , 在数据输出过程中按信道 表列出的顺序刷新。采用信道名定址首先要在 Measurement & Automat ion Explorer 中对信道进行设置。打开 Measurement &Automat ion Explorer 后在 Data Neighborhood

21、 选项上击右键 , 再由下级菜单上 点击 Create New 弹出信道向导 , 在他的引导下创建一个虚拟信道。 一步步选择信道类型、信道名、传感器类型、信号的单位、使用的数 据采集设备等。在 Measurement &Automat ion Explorer 中设置的 信道名即可写入道表参数 Channels 。信道表可以是一个信道名 , 也 可以是一个信道名数组。位移测量前面板的设计打开前面板窗口 , 按以下方法与步骤设计前面板 :( 1 ) 控制模 板中选择 Classic Controls Classic Numeric Meter, 摆放到前 面板中 , 重复 4 次可设置好 4 个

22、电压表 , 用来显示采集到的电压信 号, 显示值在误差允许范围内等于传感器输出的电压值。 ( 2 ) 选择15班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪Classic Controls Classic Numeric Horizontal Po inter Slide, 摆放到前面板中 , 在此控件上点击鼠标右键 , 选中 Change to Control, 使该控件成为位移显示仪 , 同样方法在前面板中摆放 4 个位移显示仪。位移显示仪用来显示外部位移值使通过电压与位移的 关系曲线转换得来。 (3) 选择 Classic Controls Classic Boo le

23、an Square Push Button 重复 4 次即可。(4) 选择 Boolean OKB utton, 将其按钮名称修改为“记录”即可在前面板中创建记录按钮。 (5) 选 择 Boolean Stop Button, 这样停止按钮已创建好。 (6) 选择 Numeric Numeric Control, 该控件用来写入记录文件中第一列信 息。如写入当前日期或记录次序等。 将已放好的控件进行编辑 , 添加 文字说明。 LabV IEW 提供了装饰前面板上对象的设计工具 , 这些界 面元素对程序不产生影响。所有的装饰元素都存在于装饰子模板 (deco rat ions) 内 , 鼠标选取

24、其中任一装饰板 , 将这个控件放置于 已有的控件之上 , 他会覆盖已有的控件 , 一般都要将他们置于底层。 首先用鼠标选中该控件 , 在工具栏点击“ Reorder ”, 在其下拉菜单 中选中“ Move To Back”, 这时被装饰控制覆盖的其他控件全部可见 了。如图 5.1 所示为创建的多通道位移测量仪面板图。16班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪17班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪图 5.1 多通道位移测量仪的面板与前面板对应的流程图窗口的设计流程图窗口的设计是为 了前面板控制件、显示件及按钮的功能得以实现。1. 模拟输入外

25、部信号 (如电容传感器输出的电压 ) 的引进, 这里使用了 A I Samp le Channel, 如图 3 所示。在 channel (0) 接线端连上一个字 符串常量并写入信道名 disp 0, disp 1, disp 2,disp 3这些信道名首先必须已在 Measurement &Automat ion 中创建好 , 他们分别对 应于通道 0, 1, 2, 3 。 Sample 输出端默认是输出波形 , 这里只需单 个数值 , 所以要在其输出端点击鼠标右键选 Select Type Scaled18班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪Value 。2.

26、循环结构由于电压信号的闪动性 , 这里使用 For Loop 循环结构和取平均 值的模块 (Analyze Mathematics Probability and Statistics M ean1vi) , 即采用取多次数据求平均值的方法得到相对稳定的电 压值。将此电压值连接到电压表显示件上 , 这样就实现了前面板的电 压表的显示功能。在图形代码窗口中设置 For 循环的做法是 , 在函 数子模板中选中 For 循环的小图标 , 在所有应在 For 循环内执行的 节点左上角区域点击一下鼠标 , 然后按住鼠标向右下角拖动 , 直到 虚线框包围所有应在 For 循环内执行的节点 , 松开鼠标后

27、, 就得到 了一个大小和位置满意的 For 循环框。也可以先放好一个 For 循环 框, 再向里面填代码。 For 循环有两个固定的端口。 计数端口是一个 输入端口, 除非使用自动索引功能 , 否则都要在 For 循环框外 , 为 端口连接一个整形数 , 指定循环执行的次数。 如果连接其他类型的数 值 , 自动把他强制转换为最接近的整形数。 对正好在两个数之间的数 则转换为接近的偶数。 循环端口是一个输出端口 , 他输出循环当前执 行的次数。循环次数是从 0 开始计数的。图 5.2 A I Sample Channel求取电压与位移的函数关系 在这之前首先要对位移传感器进行校零 , 因为当位移

28、为零时 , 在19班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪理想状态下输出电压值应该为零 , 但实际测出的电压不为零 , 记下 当前电压值 （补偿值 ） , 在以后测量中 , 输出电压值都要进行补偿 （即减去补偿电压值 ） 就得到了理论电压。 “电压 （测量值） ”显示件 用来直接显示位移传感器的输出电压值 ; “电压（理论值 ） ”显示件 用来显示补偿后的电 压值 ; “位移值”数字控件用来写入位移传感 器的当前位移值 ; 运行时待电压表显示的电压值较稳定时 , 按下“记 录”按钮 , 即可记录下当前位移值与两种电压值 ; “复位”按钮是当 程序开始运行时 , 对电压表

29、示值进行清零处理 ; 当取满 101 个位移 值, 且都记录完成后 , 按下“显示”按钮 , 文件中的数据就会以关系 曲线的形式显示在右侧图表里 ; “位移与电压曲线” 显示图表用来显 示位移与上述两种电压的关系曲线 ; 数字显示件 , 则显示出具体的函 数关系。第六章 系统调试与验证硬件调试用来调试的硬件部分涉及到一个本身含有信号调理 （ 放大、滤波 等） 功能电路的电容式位移传感器和电涡流传感器 , 因为采集信号 放大器增益已经设置为 1, 所以只需在位移传感器与数据采集卡连接 的输出端并接上万用表即可。将万用表调到量程为 20 V 的直流电压 档上, 观测其读数与前面板中的 “电压显示件

30、” 的示值在误差允许范 围内是否一致。软件（ 程序） 调试在完成程序的前面板和代码的设计后 , 需要对程序进行调试。 调20班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪试的过程就是检查程序的运行方式和结果是否与设计要求相一致 , 也是对程序进行语法和逻辑查错的一个过程。 LabVIEW 的程序错误类 型大致可以分为硬件连接错误、 I?O 接口错误、程序结构和逻辑错误。 对于硬件连接错误 , 一般发生在与硬件 ( 数据采集卡和信号调理器 ) 连接和跳线设置上。 I/O 接口错误则表现为 LabVIEW 与外观设备通 信时产生了错误信息 , 如读写不存在的文件等。 程序结构和逻

31、辑错误 则是最常见的错误 , 这里着重介绍这种错误的查找与排除的方法。 利 用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“断点设置”进行程序 调试。(1) 找出语法错误如果存在语法错误 , 则当启动快捷工具栏的 “运行” 按钮时 , 该按钮变成一个折断的箭头 , 程序不能被执行。 单 击该按钮 , 将弹出错误清单窗口 , 窗口中列出错误的项目 , 然后单击 其中任何一个所列出的错误 , 单击“ ShowE rror ”功能按钮 , 则出错 的对象或端口就会变成高亮。在“ Details ”有详细的错误原因 , 也 可以单击“ Help ”功能按钮 , 则将打开帮助窗口 , 窗口中详细说明 了出错原

32、因及解决方法。 (2) 慢速跟踪程序的运行利用快捷工具栏中 的“高亮执行”按钮。单击该按钮 , 按钮图标变成高亮形式 , 再单击 “运行”按钮 , 程序就以较慢的速度运行。 没有被执行的代码灰色显 示, 执行后的代码高亮显示 , 并显示数据流上的数据值。 这样 , 就可 以根据数据流动状态 , 跟踪程序的执行。 (3) 断点与单步执行用工具 模板上的“断点” 工具单击希望设置或者清除断点的地方 , 该处即为 所设置的断点。 (4) 设置探针可以通过设置探针来查看框图程序流流 经某一根连线的数据值。 当探针设置完毕后 , 会出现一个探针显示窗21班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多

33、通道位移测量仪口。该显示窗口中的数据即为该连线上的数据值。 综合运用以上各种 调试 V I 的方法, 用户可以很方便有效地编制出逻辑严谨、结构合 理的 V I, 这种图形化的编程方法以及调试方法可以大大提高用户的 编程效率。第七章 单片机设计方案简介7.1 硬件电路的设计 位移测量设计的整个系统框图如下：光电编码器A相B相四倍频电路CPU数 码 显 示看门狗电路22AT89C51班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪程序框图设计班级：测控 1121姓名：丁帅学号： 11课题：多通道位移测量仪程序代码设计#includeint data k=1;void service_int0() interrupt 0 using 0 k- ;/* 标志位减 1*/TR0=0 ;/* 停止计数 */TH0= -TH0 ;TL0= -TL0 ;/* 把计数器重新复值，此时相当于减计数 */ TR0=1 ;/* 开始计数 */void service_int1() interrupt 2 using 1 k+ ;/* 标志位加 1*/ TR0=0 ;/* 停止计数 */ TH0= -TH0 ;TL0= -TL0 ;/* 把计数器重新复值，此时相当于加计数 */ TR0=1 ;/* 开始计数 */void timer0(void) i