面向多对象测量的虚拟仪器设计开发

林政辉， 王 娟， 王佳伦， 张 香， 姜方昆

(湖州师范学院 工学院, 浙江 湖州 313000)



面向多对象测量的虚拟仪器设计开发

林政辉， 王 娟， 王佳伦， 张 香， 姜方昆

(湖州师范学院 工学院, 浙江 湖州 313000)

位移、温度、应力、振动、计数是机械物理量中五个重要的参数.传统的测量方式需要用不同的检测装置测量不同的物理量，而且精度不高，操作不方便.为此，基于虚拟仪器研制一种包括位移、温度、应力、振动、计数在内的面向多对象的测量分析仪器.系统以LabVIEW为软件开发平台，结合各种传感器、数据采集卡及计算机搭建系统硬件平台，并通过SolidWorks软件完成仪器整体结构图的绘制，实现数据测量功能.实验结果表明，该仪器测量操作方便、精度较高，具有较强的实用性.

多对象； 测量分析； 仪器； LabVIEW

0 引 言

机械是人类社会发展过程中必不可少的工具装置，可以帮助人类降低工作强度和难度.机械研究中会用到很多的物理量，而这些物理量需要靠电信号的转化和传递进行检测.机械装置中比较常用的有温度、位移、应力、振动、计数五个物理量.温度在机械中的运用很多，安全检测及预警几乎都需要检测物体的温度，如液压系统需要油温的检测[1]、高速动车组需要进行轴承温升检测[2]、真空炉需要进行温度测量[3]等.安全检测、误差检测等都需要位移的测量，如液位的检测[4]、车床切削时进给度的位移测量[5]等.拉应力与压应力的运用也非常频繁，如油井的开采[6]、冲床[7]等需要检测油压强，即压应力，轴等的检验需要测量拉压力与压应力[8]等.振动测试在机械中的应用也非常广泛，如发动机的振动[9]、汽车车身振动测量[10].焊缝自动跟踪系统[11]、产品计数[12]、包装机械[13]等经常需要进行有无检测、计数检测和定位检测.

然而，传统的测试方法大都存在成本高、设备复杂，很难对测试结果进行分析，不具有通用性以及调试维护繁琐等特点.虚拟仪器技术的发展和应用为解决此类问题提供了可能性.虚拟仪器技术是现代测试技术和计算机技术相结合的产物，大大突破了传统技术在数据采集、处理、显示等方面的限制，改变了实验测试仪器学习使用的旧观念，可由使用者根据自己的需要选择仪器系统，实现测试目的.本文对机床、液压系统中的温度、位移、压力、振动、计数五个物理量进行研究，研制出一种基于虚拟仪器的面向多对象的测试分析仪器.

1 测试分析仪器的硬件构成

1.1 仪器硬件的总体结构

测试系统框图如图1所示.由温度传感器、位移传感器、应力传感器、振动传感器、光电传感器感知物理量信号并转换成电信号，经过信号调理电路进行放大，输出电压由数据采集卡传回电脑，然后由LabVIEW软件程序进行检测分析，得出实验结果，即温度值、位移量和应力值、振动值和计数值.

数据采集卡使用美国国家仪器National Instruments(NI)公司的USB6008板卡,该板卡可提供8个模拟输入通道，2个模拟输出通道，12个数字输入输出通道，1个32位计数器.该数据采集卡在模拟量输入时，可在单端和差分两种不同模式下工作.在单端模式下，有8个模拟量输入通道且每个通道的模拟电压输入范围为±10 V；在差分模式下，有4个模拟量输入通道且每个通道的模拟电压输入范围最大为±20 V.模拟量输出通道可以产生的电压为0～5 V[14].

后台计算机依托开发的应用测量软件，即LabVIEW软件编制的程序完成信号的采集、数据存储、分析处理、界面显示和人机交互等.

1.2 光电传感器信号调理电路设计

光电传感器信号调理电路如图2所示.该传感器的型号为FC-51，共三个引脚，分别为VCC、GND、OUT，工作电压为3.3～5 V.该传感器有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物时，红外线反射回来被接收管接收.经过比较器电路处理后，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口输出低电平信号，USB6008数据采集卡的PFI0端可以检测到一个脉冲信号，计数1次.该传感器有效距离范围为2～30 cm[15].

当光电传感器未遇到障碍物时，OUT输出为高电平，通过光电耦合器与执行机构的+5 V电源隔离.当光电传感器遇到障碍物时，OUT输出为低电平，发光二极管工作，光敏三极管导通.此信号调理电路有三个作用：①信号传递采取电-光-电的形式，发光部分与受光部分不接触，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰.②抑制噪声能力强.③具有耐用、可靠性高和速度快等优点.

1.3 压力传感器信号调理电路设计

随着社会经济发展，现有的法律、体制、机制对社会上新出现的一些“两童”问题还难以完全适应。从少年司法刑事政策层面上讲，存在的主要问题包括：

压力传感器信号调理电路如图3所示.该传感器为上海帆扬机电有限公司生产，型号为FY212-600B51S32，共三个引脚，分别为VCC、GND、OUT，工作电压为DC24 V，量程范围为0～600 Bar，输出电压为1～5 V，精度为0.5%FS[16].

由于压力传感器的输出电压为1～5 V，而数据采集卡模拟量输入端在单端方式下满量程为0～10 V，因此，需要信号调理电路进行放大.具体做法为：先将1～5 V的电压与1 V的电压源反向叠加，得到0～4 V的电压，再将其放大2.5倍，得到0～10 V的电压，然后与数据采集卡输入电压相匹配.由于没有25 kΩ的标称电阻，所以使用22 kΩ和3 kΩ相串联.

2 测试分析仪器的软件设计

测试软件是基于LabVIEW软件平台开发的，在计算机的控制下通过传感器和数据采集卡完成数据采集，实现数据的分析处理，最终通过软件界面窗口输出检测结果.测试包括位移、温度、应力、振动、计数五大部分.以计数和压力为例，测试软件的前面板如图4所示.

前面板由参数设置、按钮控制和输出显示三个模块组成.

(1) 参数设置即传感器的选择和物理量上下限的设置，如果超出范围，则会报警；

(2) 按钮控制包括启动采集、停止采集等，按下启动按钮，开始采集信号，按下停止按钮，停止信号采集；

(3) 输出显示模块.测量数据的显示有可以采集多个点的图形显示，可显示电压、温度、位移、应力、振动等变化的趋势，并与电压变化趋势相比较；有显示当前值的数值显示，可显示光电传感器的当前读数；还有报警显示，如果温度、位移、应力、振动信号不在设定范围内，就会报警，按钮显示为红色，若按钮显示为绿色，则不报警.

测试流程如图5所示.首先选择传感器，设置上下限的参数，然后按下启动键开始实验，仪器就会自动采集并由LabVIEW软件程序自动分析输出结果，按下停止键停止实验，数据保存后即结束实验.

3 测试分析仪器设计

仪器内部有各个传感器、直流电压各不相同的锂电池及放大电路.各个传感器分布在靠近图6中1侧的仪器内部，且各个传感器的敏感元件伸出在仪器外部.仪器1侧壁上开有9个孔，分别供传感器的敏感元件伸出仪器外，操作人员可以同时检测多个信号，也可以一个一个地检测信号.结构6部分的打开方便了锂电池选择并连入仪器内，必要时还可以修改电路.孔2为充电孔，负责给锂电池充电，通过选择不同直流电压的锂电池给各个传感器及放大电路供电.孔3为连接数据采集卡的孔，数据采集卡连接电脑并由电脑供电，由LabVIEW软件编译的程序进行分析并得出实验结论.结构4为铝型材，仪器底部的结构5为万向轮.仪器具体结构如图6所示.

4 实验研究

4.1 光电传感器计数实验

以光电传感器对硬币进行计数为例，把编号为1～12的12个光电传感器分别接入信号调理电路，再连到数据采集卡上p0.0～p0.7、p1.0～p1.3这12个端口.当遇到硬币(障碍物)时，光电传感器二极管工作发光，继而由数据采集卡传回电脑计数.其中编号1～4的传感器检测1元硬币；编号5～8的传感器检测5角硬币；编号9～12的传感器检测1角硬币.实验结果如表1所示.

表 1 光电传感器计数情况

4.2 压力传感器测量实验

以电液比例溢流阀为例，它是一种用比例电磁铁控制液压系统整体压力，使系统压力与电控信号成比例变化的控制阀.先将系统压力设定为某一压力值，用比例电磁铁输入调节旋钮调节控制电磁铁的电控信号，并从0～5 V进行等间距实验测试.实验结果如表2所示.

表 2 压力传感器测量结果

从表2可以看出，压力测量最大绝对误差为0.25 MPa，在压力传感器的精度范围之内，说明该方法是可行的.当输入电压值超过4.5 V时，由于比例电磁铁达到饱和，当控制电压值增加时，压力值不再增加.

5 结 论

针对传统的测试测量装置精度不高、价格昂贵等缺点，开发了面向多对象的测试分析仪器.本仪器利用虚拟仪器强大的软件开发平台，开发针对温度、位移、应力、振动和光电信号的程序，并结合各个传感器以及数据采集卡，将采集到的信号输入计算机，利用计算机强大的数据分析和处理能力，搭建整个系统软硬件平台，从而实现数据采集、存储、分析处理和人机交互等功能.该测量试验系统操作方便，测量过程直观，很好地克服了传统测量装置精度不高、硬件复杂、操作不便的缺陷.

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[责任编辑 高俊娥]

On the Design and Development of Virtual Instrument for Multi-object Measurement

LIN Zhenghui, WANG Juan, WANG Jialun, ZHANG Xiang, JIANG Fangkun

(School of Engineering, Huzhou University, Huzhou 313000, China)

Displacement, temperature, stress, vibration and counting are five important parameters in mechanical physical quantities. The traditional measurement methods need to use different detection devices to measure different physical quantities, and it usually goes with an inaccurate result and inconvenient operation. Therefore, based on virtual instrument, a multi-object measuring and analyzing instrument including displacement, temperature, stress, vibration and counting is developed. The system takes LabVIEW as software development platform to build a system hardware platform with a variety of sensors, data acquisition card and a computer, and through the SolidWorks software it draws the instrument overall structure which realizes the data measurement function. The experimental results show that the instrument has the advantages of convenient operation, high precision and strong practicability.

multi-object; measurement and analysis; instruments; LabVIEW

2017-04-08

湖州师范学院求真学院“大学生创新创业训练计划”项目(2016-63). 通信作者:王娟，实验师，研究方向：机电一体化技术.E-mail：01955@zjhu.edu.cn

TP212.9

A

1009-1734(2017)04-0026-06