位移測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用方案

摘要：隨著位移測(cè)試系統(tǒng)日益復(fù)雜的發(fā)展和虛擬儀器的應(yīng)用擴(kuò)大化，文中以虛擬儀器作為技術(shù)平臺(tái)，利用LabVIEW軟件編寫程序，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)位移測(cè)試系統(tǒng)。介紹測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成及設(shè)計(jì)過(guò)程，給出其編寫的程序框圖和直觀的前面板圖，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，該測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、傳送、存儲(chǔ)、調(diào)用、分析和顯示。并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性、可靠性和操作方便。能夠滿足教學(xué)、工業(yè)的需要。

位移測(cè)試技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。位移檢測(cè)是機(jī)械量檢測(cè)的基礎(chǔ)，將機(jī)械量轉(zhuǎn)化成位移量來(lái)檢測(cè)是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分之一。對(duì)位移的檢測(cè)不僅為提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全提供了重要數(shù)據(jù)，同時(shí)也為其他參數(shù)的檢測(cè)提供了基礎(chǔ)。在液壓試驗(yàn)臺(tái)中，傳統(tǒng)的靜態(tài)電液測(cè)量控制方式無(wú)法滿足現(xiàn)在液壓系統(tǒng)在性能、操作、在線監(jiān)測(cè)和故障診斷方面的有求，所以在線監(jiān)測(cè)以及分析系統(tǒng)的開發(fā)顯得尤其重要。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確以及低事故運(yùn)行，本文開發(fā)了位移測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)顯示其位移波形兵，還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行信號(hào)處理。

1 虛擬儀器及LabVIEW介紹

虛擬儀器(簡(jiǎn)稱VI)由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。

測(cè)試軟件是虛擬儀器的核心。IabVIEW是NI公司推出的一款豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開發(fā)軟件，為一種圖形化編程語(yǔ)言。利用其強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇所需要的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時(shí)間。

2 位移測(cè)試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本文以液壓試驗(yàn)臺(tái)作為測(cè)試平臺(tái)，由液壓動(dòng)力源和電氣控制系統(tǒng)組成。其液壓動(dòng)力源由動(dòng)力油泵和動(dòng)力執(zhí)行裝置油馬達(dá)組成。將虛擬儀器與液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)相連接，選擇好工況、測(cè)點(diǎn)，安裝好位移傳感器，并調(diào)試處理好后便可開始采集數(shù)據(jù)。對(duì)液壓試驗(yàn)臺(tái)齒輪泵的軸向位移進(jìn)行測(cè)試。硬件組成如圖1所示。

2.1 傳感器的選擇

實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的關(guān)鍵是信號(hào)的轉(zhuǎn)換即傳感器的選用。本文針對(duì)信息獲取實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓回路在正常工況下齒輪泵進(jìn)行軸向位移信號(hào)采集，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行波形顯示和分析。做出隨時(shí)間變化的波形曲線，通過(guò)波形顯示和分析結(jié)果，從而驗(yàn)證本位移測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示程序的正確性和有效性。

本系統(tǒng)中，位移傳感器選用電渦流位移傳感器CWY-DO-504，量程4 mm，探頭φ14 mm。這是一種將機(jī)械位移或振動(dòng)幅度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的非電量電測(cè)裝置。給旋轉(zhuǎn)軸等轉(zhuǎn)動(dòng)體的動(dòng)態(tài)測(cè)量帶來(lái)方便，探頭可在水、油等介質(zhì)中工作。在進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，其位移信號(hào)的調(diào)理采用與之配套的位移信號(hào)調(diào)理器。本檢測(cè)系統(tǒng)可以將位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)供數(shù)據(jù)采集卡。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)位移傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)可以進(jìn)行電壓信號(hào)的采集，最后通過(guò)標(biāo)定將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位移信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。其形狀如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的機(jī)箱是NI公司推出的8槽PXI-1050機(jī)箱，其工作溫度為0～50℃。集成式信號(hào)調(diào)理中帶有4個(gè)用于SCXI模塊的插槽。具有DC電源和集成式信號(hào)調(diào)理。4個(gè)SCXI插槽將信號(hào)調(diào)理模塊集成到PXI系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)中所采用的是NI公司生產(chǎn)的PXI-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡，其主要參數(shù)如下：16路模擬輸入通道，16位精度，1.25MS/s采樣率;2路模擬輸出，16位精度，2.8MS/s輸出速度;24路數(shù)字I/O，2路定時(shí)計(jì)數(shù)器，滿足位移信號(hào)采集的需求，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。

3 位移測(cè)試系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

模塊化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)顯示和分析結(jié)果以及整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，具有直接影響，本文利用NI公司的DAQ(Data AcQuisition)卡及其驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)這一模塊，充分利用集成的功能全面的DAQ函數(shù)庫(kù)和子VI，設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道控制等的數(shù)據(jù)采集模塊。

3.1 位移測(cè)試系統(tǒng)的程序流程

位移測(cè)試系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

3.2 位移測(cè)試系統(tǒng)的主控前面板

位移測(cè)試系統(tǒng)的主控前面板如圖4所示。

在這個(gè)位移測(cè)試中，前面板可以顯示位移信號(hào)的原始波形，還可對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行求導(dǎo)分析處理，一目了然的顯示出原波形和自相關(guān)波形的關(guān)鍵信息——有效值、峰峰值和均值。

3.3 位移測(cè)試系統(tǒng)的VI設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用。程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取。建立一個(gè)Access數(shù)據(jù)源，通過(guò)ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，充分利用ADO的靈活性，通過(guò)編程模型實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，執(zhí)行用戶命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理。利用ADO技術(shù)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)包——LabSQL，用戶可以直接在LabVIEW中以調(diào)用子VI的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。數(shù)據(jù)庫(kù)編程如圖5所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集前，要給系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，保證采集的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)范范圍內(nèi)，確保數(shù)據(jù)采集卡的輸出波形與實(shí)際波形相符合，只有達(dá)到這個(gè)要求才可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保護(hù)數(shù)據(jù)采集卡的安全性。調(diào)試好后直接退出，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作。否則要重新調(diào)試，直到符合要求方可進(jìn)行后續(xù)操作。然后將傳感器安裝在齒輪泵的軸向外沿，將采集處理的信號(hào)在位移測(cè)試系統(tǒng)的前面板上顯示出來(lái)，如圖6所示。

從位移的原波形中可以看到位移信號(hào)為一個(gè)周期信號(hào)，這也可以從自相關(guān)圖中判斷出，因?yàn)槠渥韵嚓P(guān)函數(shù)波形不衰減，為同頻率的周期信號(hào)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)位移信號(hào)的采集和分析，所設(shè)計(jì)的位移測(cè)試系統(tǒng)顯示、分析出來(lái)的信號(hào)波形與液壓系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況相符合。從而驗(yàn)證了此開發(fā)平臺(tái)的有效性，也為進(jìn)一步對(duì)機(jī)器及其零部件的運(yùn)行情況、在線監(jiān)測(cè)、故障診斷提供了一個(gè)直觀便捷的分析平臺(tái)。