基于虚拟仪器的转子试验台测控实验系统设计

徐冰，陈俊君（山西大学自动化系，山西太原　030013）



基于虚拟仪器的转子试验台测控实验系统设计

徐冰，陈俊君
（山西大学自动化系，山西太原030013）

摘要：通过虚拟仪器技术设计了测控实验系统。该系统以转子试验台为基础，进行了LabVIEW程序编译，采用了三个模块的程序化设计。系统能够实现虚拟及实测信号的DAQ采集，进行信号及数据的相关处理以及生成实验报告，可以通过网络访问所有软件实验，最终形成一个综合性的功能较全的系统。将系统应用于具体实验中取得了较好的效果，具备较高的通用性、灵活性及扩展性。

关键词：虚拟仪器；转子试验台；LabVIEW；网络访问

0　前言

随着测试技术与计算机技术的迅速发展，这两门学科交叉结合产生了虚拟仪器技术，从而信号测试与各种分析工作只需带上电脑和相应的传感器就可以进行。国内许多公司研制了基于虚拟仪器的实验系统，如浙江高联科技开发有限公司开发的CSY-998传感器实验仪、CSY-2000D型传感器与检测技术实验台等产品。文中的研究以测试技术理论为基础，采用虚拟仪器技术，配以调理电路、多功能数据采集卡，构建了转子试验台的测控实验系统。在此系统上可完成多门专业课程综合实验，并且能够引导使用者将课本所学知识应用到相关测控项目。

1　系统的硬件及软件介绍

系统使用的硬件主要由转子试验台、传感器、调理电路、数据采集卡、计算机组成，它的主要功能是采集被测信号、信号调理和传输测量结果。硬件系统构成框图如图1所示。

图1　硬件系统构成框图

基于本系统可以做很多测控实验，例如速度传感器测量振动、加速度传感器测振动、光电传感器测转速、磁电传感器测转速、电涡流传感器测轴心轨迹、转子动平衡测量等实验项目。其中用到的传感器有：速度传感器、加速度传感器、电涡流传感器、光电传感器、电阻应变片式传感器等。图2为光电传感器实物。这些传感器体积小，方便配合转子试验台使用。

系统的信号采集及信号处理的模块是整个实验的关键环节，涉及到的硬件是数据采集卡。系统是针对普遍性、实时性的教学设计的，在体积、重量、价格等方面有一定的要求。结合上述要求，系统选择的是USB接口的数据采集卡。NI USB-6008携带便捷、价格优势明显，包括8路模拟输入通道，12位分辨率，12条DIO线，2路模拟输出，1个计数器，可用于Windows、Ma⁃cOSX、Linux和Pocket PC操作系统，使用NI DAQmx驱动软件和NI LabVIEW Signal Express交互式数据记录软件，这些条件符合设计要求，因此系统使用NI USB-6008作为采集系统的核心。NI USB-6008多功能数据采集卡实物如图3所示。

图2　光电传感器

系统的软件设计使用的是LabVIEW软件。LabVIEW是一种图形化编程软件，它的每个程序是由前面板和方框图组成的，其中前面板可以模拟传统仪器的操作，方框图通过传递前面板指定的相关指令数据和参数到仪器来执行发生响应的操作[1]。LabVIEW具有友好的用户界面和强大的分析的功能，可以降低购买相关实验设施的成本，能节省仪器设备的经费的投入[2]。同时该软件既可以与NI模块化的硬件相结合，又能与单片机、PLC等各种工业处理器进行实时通信，因此可以应用在许多不同种类的项目中[3]。由于其功能强大的特点，利用LabVIEW软件设计的系统具有较高的扩展性，有利于实验系统信息化的发展。

图3　多功能数据采集卡

2　系统的功能介绍

测控实验系统可做实验很多，这些实验效果各有不同，但是其中大部分实验功能相同，具有通用性，所以系统按主要功能进行模块划分设计，主要包括三大模块：开始模块，实验模块，查询模块。系统结构总体功能图如图4所示。

图4　系统总体功能图

（1）开始模块的功能包括登陆查询和实验项目选择。使用者进入系统界面，可以选择相关项目，有需要的话可以选择帮助选项，进行信息提示，同时可以控制实验的运行，比如暂停项目、退出实验项目。

（2）实验模块属于功能最多，设计最复杂的部分。该模块主要功能有：实验类型选择，可以选择虚拟实验或者实测实验；信号采集，把相应实验采集的信号进行初高级处理；获取和采集的数据进行实时的分析处理、生动直观地显示出运行数据；对保存的相关结果进行数据回放；生成报告，报告的内容是从文件中选择出所需的数据，完成相关的数据和图表填写。

（3）查询模块的功能主要是在客户端电脑上通过网络浏览器就可以进行相关的实验，只要使用者有合法权限就可以进行实验操作、观察实验结果并且可以直接获得实验报告等，即使用者可以完成远程网络访问。

3　系统的功能设计

（1）开始模块采用的是菜单设计，设计过程中使用了菜单编辑器方式，这样设计的软件可靠性好，与普通软件、工具等界面的菜单格式相同，对于使用者接受程度高。进入登录界面可以直接看到相关实验和辅助功能，操作简单明了，便于使用和后续扩展。

（2）实验模块是整体设计的核心部分。进入实验系统首先选择的是实验方式，实测实验或者虚拟实验，这两者区别主要是信号源及信号处理方式不同。系统的根本来源是信号源，实测方式的信息采集是使用试验台及传感器，通过使用数据采集卡来实现。虚拟方式的信息采集不使用这些硬件，只通过软件DAQ实现，不需要人工获取就能为实验提供信号来源。信号处理时实测信号由于来源于数据采集卡采集的实时数据，因此需要编辑程序并且进行DAQ设置。而虚拟信号源是仿真DAQ，在电脑上进行软件模拟就可以，采集的数据以chart的显示模式显示在界面上。图5为信号采集程序。

图5　信号采集程序

系统的数据处理是对数据进行分析和加工的过程，包括对各种原始数据的整理、计算等的加工和处理等。数据分为数值型和非数值型两大类，对于数值型的进行数据分析、程序编译以及各种布尔、数值加减乘除等运算处理。对于非数值型的数据进行FFT变换、波形变换、XY波形合成图等相关功能处理。系统的数据保存能让使用者对数据进行分析，提供了相关信息。数据回放是利用以前所得结果或其他的信息来源方便实现下一次的实验，便于实验相关信息能够循环多次利用。实验报告的生成有助于教学模式，方便察看实验情况及数据处理，信息处理能力等。图6为生成报告程序。

图6　生成报告程序

（3）查询模块的功能主要是实现远程网络访问，利用LabVIEW软件的强大的网络互连特性的优点，可以把LabVIEW的程序(VI)嵌入在HTML网页中，并且实现在互联网上的发布功能[4]。这种功能的实现是使用LabVIEW的远程前面板技术，即VI运行在服务器端，客户端通过网页浏览器与服务器上VI的前面板进行交互，这种方式简单易用，而且对客户端的要求普遍较低[5]。

4　测控实验系统的实际应用

现代企业制度中需随时对机器的运行状态进行监测及诊断，对工作环境进行控制。这些都离不开振动测试。在振动测量时应合理选择测量参数，而振动速度决定了噪声的高低，因此通过速度测量振动是很有必要的[6]。因此通过实验系统设计的速度传感器测量振动实验来举例说明系统功能的实现。

具体实验步骤：打开实验主界面，如图7所示。在主界面上选择相应实验进入具体实验项目，图8是速度传感器测量振动实验界面。启动转子试验台，调整转速。观察并记录得到的振动信号波形和频谱，观察改变转子试验台转速后，振动信号、频谱的变化规律。速度传感器振动测量实验界面功能主要包括采集信号、滤波选择、波形选择、FFT变换、报警信号、振动速度计算、数据保存与读取、实验报告生成。系统的实验都可以进行网络访问，查看相关信息。图9为这个实验的远程网络访问界面。

图7　实验系统主界面

图8　速度传感器测量振动界面

图9　远程网络访问

5　结论

基于虚拟仪器的转子试验台测控实验系统设计完成了整个实验过程。该系统实现了包括虚拟信号及实测信号的采集，对获取的数据的实时分析处理，并能显示出运行数据，生成实验报告，实现了简单的LabVIEW网络连通。基于上述各项功能，实现了一套较完整的综合性的实验系统，比传统的实验系统功能更加强大和完善。经过检验，系统实现的效果较好，通用性强，并且可以在此基础上集成更先进的传感器，完善并开发更多的项目，实现其良好的扩展性。

参考文献：

［1］姚素芬，赵建强，冯超琼.基于LabVIEW传感器实验平台的开发［J］.仪器仪表学报，2005，26（8）：466-467.

［2］傅健，满庆丰，王钢.基于LabVIEW的“测试技术基础”教学实验平台［J］.实验室研究与探索，2010，29（9）：119-121.

［3］许丽川，唐凯飞，梁永春，等.基于LabVlEW的自助实验平台的构想与实践［J］.实验技术与管理，2014，31（5）：150-155.

［4］李国栋，李智，张凤生.基于虚拟仪器的测试技术课程远程综合实验平台研究［J］.中国制造业信息化，2011，40（11）：46-49.

［5］罗文秋，赵四化.基于LabVIEW的“信号与系统”实验平台设计［J］.北京印刷学院学报，2010，18（6）：51-54.

［6］刘延友，徐万和，黄川.多传感器测试系统设计与分析［J］.机械制造与自动化，2014，43（2）：27-31.

(编辑：向飞)

Design of Rotor Test Rig Measurement and Control Experiment System Based on Virtual Instrument

XU Bing，CHEN Jun-jun
（Department of Automation，Shanxi University，Taiyuan 030013，China）

Abstract:Measurement and control experiment system is designed by virtual instrument technology. Based on the rotor test rig，the system is compiled by LabVIEW program，and the program design of three modules is adopted. The system can realize the virtual and real signal throughDAQ acquisition，signal processing and data processing，and generate the experimental report，access to all the software experiment through the network，and ultimately form a comprehensive functional system. The system has been applied in the experiment to obtain the better effect，and has high versatility，flexibility and expansibility.

Key words:virtual instrument；rotor test rig；LabVIEW；network access

作者简介：第一徐冰，女，1988年生，河北秦皇岛人，硕士研究生，助教。研究领域：机械电子。已发表论文2篇。

收稿日期：2015－09－19

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 020

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 ( 2015 ) 11－0073－04