基于NI ELVIS II+和LabVIEW的转速测量实验平台开发

杨立娟, 陈花玲, 王保建, 郭艳婕, 田绍华

(西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710049)

测试技术课程是理工院校机械类专业的专业核心课程[1-2],实验是培养学生工程实践能力的重要环节。根据专业工程认证要求,专业课程综合实验量要占实验总量的75%以上,我院测试技术课程的基础实验和综合实验各占一半[3],因此须增加综合实验项目。转速是旋转机械的重要状态参数,也是控制系统中对其他参量控制的依据和基准[4],掌握转速测量技术对理工科学生来说是很有意义的。转速测量常用的传感器类型有电涡流传感器、磁电式传感器、编码器、光电式传感器、霍尔传感器等[5-10]。本文基于NI ELVIS II+ 多功能教学平台,搭建了集成多种传感器的转子台转速测量实验台,基于LabVIEW开发了转速测试分析软件。采用多种传感器采集同一轴上的转速信号,经过信号调理后,进入软件进行分析,可以让学生分析调理电路的作用,掌握不同传感器的工作原理,对比分析不同传感器测量转速的区别。

1 实验平台设计

1.1 平台整体方案

实验平台由小型转子台、变速电机、电机控制器、电涡流传感器、磁电式传感器、光电式传感器、霍尔传感器、编码器、信号调理电路、NI ELVIS II+采集模块等组成硬件系统和基于LabVIEW开发的转速测试分析软件系统组成,整个系统框图见图1,通过该实验平台可以实现不同传感器对转速信号的采集分析。

图1 系统结构框图

1.2 平台硬件系统开发

平台硬件系统主要包括被测对象的转子台、传感器和信号调理和采集模块。实验采用小型转子台,上面安装固定多种转速测量传感器,配有变速电机和电机控制器,如图2所示,通过调整电机控制器,转子可以实现0～1 500 r/min无级变速的转动。

图2 转子台布局

平台的信号调理和采集模块基于NI ELVIS II+ 多功能教学平台开发,如图3所示。采用NI ELVIS II+自带的信号采集通道,搭载各种信号调理电路进行信号调理。编码器采集转速精度高,采用计数器方式进行信号采集,电涡流传感器、磁电式传感器、光电式传感器、霍尔传感器采集模拟信号,经过信号调理后进行信号采集模块。信号调理电路包括放大电路、滤波电路和整形电路,分别如图4、图5、图6所示。

图3 信号调理和采集模块

图4 放大电路

图5 滤波电路

图6 整形电路

1.3 软件系统开发

采用LabVIEW作为软件开发平台,LabVIEW采用图形化编程,容易入门,具有丰富的扩展函数库和分析子程序[11-12],利用该软件学生可以方便地编译软件,掌握测试技术的本质,锻炼学生虚拟仪器开发的能力。转速测试分析软件包括采集参数设置、传感器采集通道配置、转速模拟信号采集显示、转速计算等,软件主界面如图7所示。

图7 软件主界面

采集通道根据硬件中接线方式配置,根据需要设置采集参数,如图8所示。输入配置包括RSE和差分两种方式,且分别要对应合适的接线方式。选择RSE方式时,传感器正负端接模拟采集通道的正端和地端,而差分方式对应传感器正负端接模拟采集通道的正负端。软件参数设置完成后,点击转速测试可以进行信号采集,并通过计算得到各个传感器采集到的转速值。转速信号采集程序如图9所示,转速计算程序如图10所示,整个软件运行流程如图11所示。

图8 通道配置及参数设置程序

图9 转速信号采集程序

图10 转速计算程序

图11 软件运行流程

2 实验项目

基于多传感器转速测量实验平台开展测试技术课程综合实验,该实验项目主要包括实验预习、测试系统方案设计、测试硬件系统和软件系统搭建、采集参数和通道设置、转速信号测试、修改输入配置方式和硬件接线方式、转速信号测试、信号处理分析、撰写实验报告和答辩PPT、考核等实验流程,如图12所示。

图12 实验流程

首先要求学生利用课后时间预习实验,设计测试系统方案,课上与指导教师讨论、修改测试系统方案；根据系统方案和输入配置方式搭建硬件系统,软件中空出部分程序,要求学生根据需求进行软件编写。实验系统搭建完成后,进行信号采集,首先要求学生采集转子台在某转速下,信号调理前和调理后的信号,分析信号调理模块的作用；然后,通过调整电机控制器调整转子台的转速,要求学生在0～1 500 r/min范围内,每隔200 r/min进行信号采集,计算出不同传感器采集的转速值,进而对比分析不同传感器的测量转速的区别以及随转速变化测量精度的变化；之后,在软件中修改输入配置方式,据此修改硬件接线方案；再进行测试分析,对比RSE和差分两种输入方式对测试结果的影响。完成实验后,分析实验数据,撰写实验报告和PPT,进行现场答辩,完成实验考核。该实验项目充分体现以学生为中心,发挥学生的主观能动性,发挥实验平台的优势,帮助学生掌握测试技术技能。

3 结语

本文基于NI ELVIS II+多功能教学平台,搭建了集成多种传感器的转子台转速测量实验台,利用图形化编程软件LabVIEW开发了转速测试分析软件,并基于该平台设计了转速测试实验项目。该实验平台运用了多种传感器，并开发了信号调理电路、信号采集模块、虚拟仪器、测试信号分析以及测试软件,通过转速测试实验,可以让学生全面掌握测试技术基本知识,锻炼学生分析和解决复杂测试问题的能力,培养学生的工程实践能力。