基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐冰，陳俊君（山西大學(xué)自動(dòng)化系，山西太原　030013）

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基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐冰，陳俊君
（山西大學(xué)自動(dòng)化系，山西太原030013）

摘要：通過虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了LabVIEW程序編譯，采用了三個(gè)模塊的程序化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬及實(shí)測(cè)信號(hào)的DAQ采集，進(jìn)行信號(hào)及數(shù)據(jù)的相關(guān)處理以及生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問所有軟件實(shí)驗(yàn)，最終形成一個(gè)綜合性的功能較全的系統(tǒng)。將系統(tǒng)應(yīng)用于具體實(shí)驗(yàn)中取得了較好的效果，具備較高的通用性、靈活性及擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)；LabVIEW；網(wǎng)絡(luò)訪問

0　前言

隨著測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，這兩門學(xué)科交叉結(jié)合產(chǎn)生了虛擬儀器技術(shù)，從而信號(hào)測(cè)試與各種分析工作只需帶上電腦和相應(yīng)的傳感器就可以進(jìn)行。國(guó)內(nèi)許多公司研制了基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如浙江高聯(lián)科技開發(fā)有限公司開發(fā)的CSY-998傳感器實(shí)驗(yàn)儀、CSY-2000D型傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)等產(chǎn)品。文中的研究以測(cè)試技術(shù)理論為基礎(chǔ)，采用虛擬儀器技術(shù)，配以調(diào)理電路、多功能數(shù)據(jù)采集卡，構(gòu)建了轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)上可完成多門專業(yè)課程綜合實(shí)驗(yàn)，并且能夠引導(dǎo)使用者將課本所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到相關(guān)測(cè)控項(xiàng)目。

1　系統(tǒng)的硬件及軟件介紹

系統(tǒng)使用的硬件主要由轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)、傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)組成，它的主要功能是采集被測(cè)信號(hào)、信號(hào)調(diào)理和傳輸測(cè)量結(jié)果。硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖

基于本系統(tǒng)可以做很多測(cè)控實(shí)驗(yàn)，例如速度傳感器測(cè)量振動(dòng)、加速度傳感器測(cè)振動(dòng)、光電傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速、磁電傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速、電渦流傳感器測(cè)軸心軌跡、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)量等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中用到的傳感器有：速度傳感器、加速度傳感器、電渦流傳感器、光電傳感器、電阻應(yīng)變片式傳感器等。圖2為光電傳感器實(shí)物。這些傳感器體積小，方便配合轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)使用。

系統(tǒng)的信號(hào)采集及信號(hào)處理的模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及到的硬件是數(shù)據(jù)采集卡。系統(tǒng)是針對(duì)普遍性、實(shí)時(shí)性的教學(xué)設(shè)計(jì)的，在體積、重量、價(jià)格等方面有一定的要求。結(jié)合上述要求，系統(tǒng)選擇的是USB接口的數(shù)據(jù)采集卡。NI USB-6008攜帶便捷、價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，包括8路模擬輸入通道，12位分辨率，12條DIO線，2路模擬輸出，1個(gè)計(jì)數(shù)器，可用于Windows、Ma?cOSX、Linux和Pocket PC操作系統(tǒng)，使用NI DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件和NI LabVIEW Signal Express交互式數(shù)據(jù)記錄軟件，這些條件符合設(shè)計(jì)要求，因此系統(tǒng)使用NI USB-6008作為采集系統(tǒng)的核心。NI USB-6008多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)物如圖3所示。

圖2　光電傳感器

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用的是LabVIEW軟件。LabVIEW是一種圖形化編程軟件，它的每個(gè)程序是由前面板和方框圖組成的，其中前面板可以模擬傳統(tǒng)儀器的操作，方框圖通過傳遞前面板指定的相關(guān)指令數(shù)據(jù)和參數(shù)到儀器來執(zhí)行發(fā)生響應(yīng)的操作[1]。LabVIEW具有友好的用戶界面和強(qiáng)大的分析的功能，可以降低購買相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的成本，能節(jié)省儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)的投入[2]。同時(shí)該軟件既可以與NI模塊化的硬件相結(jié)合，又能與單片機(jī)、PLC等各種工業(yè)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，因此可以應(yīng)用在許多不同種類的項(xiàng)目中[3]。由于其功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的擴(kuò)展性，有利于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)信息化的發(fā)展。

圖3　多功能數(shù)據(jù)采集卡

2　系統(tǒng)的功能介紹

測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可做實(shí)驗(yàn)很多，這些實(shí)驗(yàn)效果各有不同，但是其中大部分實(shí)驗(yàn)功能相同，具有通用性，所以系統(tǒng)按主要功能進(jìn)行模塊劃分設(shè)計(jì)，主要包括三大模塊：開始模塊，實(shí)驗(yàn)?zāi)K，查詢模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體功能圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)總體功能圖

（1）開始模塊的功能包括登陸查詢和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇。使用者進(jìn)入系統(tǒng)界面，可以選擇相關(guān)項(xiàng)目，有需要的話可以選擇幫助選項(xiàng)，進(jìn)行信息提示，同時(shí)可以控制實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行，比如暫停項(xiàng)目、退出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)K屬于功能最多，設(shè)計(jì)最復(fù)雜的部分。該模塊主要功能有：實(shí)驗(yàn)類型選擇，可以選擇虛擬實(shí)驗(yàn)或者實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)；信號(hào)采集，把相應(yīng)實(shí)驗(yàn)采集的信號(hào)進(jìn)行初高級(jí)處理；獲取和采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理、生動(dòng)直觀地顯示出運(yùn)行數(shù)據(jù)；對(duì)保存的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)回放；生成報(bào)告，報(bào)告的內(nèi)容是從文件中選擇出所需的數(shù)據(jù)，完成相關(guān)的數(shù)據(jù)和圖表填寫。

（3）查詢模塊的功能主要是在客戶端電腦上通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可以進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，只要使用者有合法權(quán)限就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果并且可以直接獲得實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，即使用者可以完成遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問。

3　系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

（1）開始模塊采用的是菜單設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中使用了菜單編輯器方式，這樣設(shè)計(jì)的軟件可靠性好，與普通軟件、工具等界面的菜單格式相同，對(duì)于使用者接受程度高。進(jìn)入登錄界面可以直接看到相關(guān)實(shí)驗(yàn)和輔助功能，操作簡(jiǎn)單明了，便于使用和后續(xù)擴(kuò)展。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)K是整體設(shè)計(jì)的核心部分。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先選擇的是實(shí)驗(yàn)方式，實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)或者虛擬實(shí)驗(yàn)，這兩者區(qū)別主要是信號(hào)源及信號(hào)處理方式不同。系統(tǒng)的根本來源是信號(hào)源，實(shí)測(cè)方式的信息采集是使用試驗(yàn)臺(tái)及傳感器，通過使用數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)。虛擬方式的信息采集不使用這些硬件，只通過軟件DAQ實(shí)現(xiàn)，不需要人工獲取就能為實(shí)驗(yàn)提供信號(hào)來源。信號(hào)處理時(shí)實(shí)測(cè)信號(hào)由于來源于數(shù)據(jù)采集卡采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此需要編輯程序并且進(jìn)行DAQ設(shè)置。而虛擬信號(hào)源是仿真DAQ，在電腦上進(jìn)行軟件模擬就可以，采集的數(shù)據(jù)以chart的顯示模式顯示在界面上。圖5為信號(hào)采集程序。

圖5　信號(hào)采集程序

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和加工的過程，包括對(duì)各種原始數(shù)據(jù)的整理、計(jì)算等的加工和處理等。數(shù)據(jù)分為數(shù)值型和非數(shù)值型兩大類，對(duì)于數(shù)值型的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、程序編譯以及各種布爾、數(shù)值加減乘除等運(yùn)算處理。對(duì)于非數(shù)值型的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換、波形變換、XY波形合成圖等相關(guān)功能處理。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存能讓使用者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供了相關(guān)信息。數(shù)據(jù)回放是利用以前所得結(jié)果或其他的信息來源方便實(shí)現(xiàn)下一次的實(shí)驗(yàn)，便于實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息能夠循環(huán)多次利用。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成有助于教學(xué)模式，方便察看實(shí)驗(yàn)情況及數(shù)據(jù)處理，信息處理能力等。圖6為生成報(bào)告程序。

圖6　生成報(bào)告程序

（3）查詢模塊的功能主要是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問，利用LabVIEW軟件的強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)互連特性的優(yōu)點(diǎn)，可以把LabVIEW的程序(VI)嵌入在HTML網(wǎng)頁中，并且實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)布功能[4]。這種功能的實(shí)現(xiàn)是使用LabVIEW的遠(yuǎn)程前面板技術(shù)，即VI運(yùn)行在服務(wù)器端，客戶端通過網(wǎng)頁瀏覽器與服務(wù)器上VI的前面板進(jìn)行交互，這種方式簡(jiǎn)單易用，而且對(duì)客戶端的要求普遍較低[5]。

4　測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)代企業(yè)制度中需隨時(shí)對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及診斷，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行控制。這些都離不開振動(dòng)測(cè)試。在振動(dòng)測(cè)量時(shí)應(yīng)合理選擇測(cè)量參數(shù)，而振動(dòng)速度決定了噪聲的高低，因此通過速度測(cè)量振動(dòng)是很有必要的[6]。因此通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速度傳感器測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)來舉例說明系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

具體實(shí)驗(yàn)步驟：打開實(shí)驗(yàn)主界面，如圖7所示。在主界面上選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)入具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，圖8是速度傳感器測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)界面。啟動(dòng)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)整轉(zhuǎn)速。觀察并記錄得到的振動(dòng)信號(hào)波形和頻譜，觀察改變轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速后，振動(dòng)信號(hào)、頻譜的變化規(guī)律。速度傳感器振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)界面功能主要包括采集信號(hào)、濾波選擇、波形選擇、FFT變換、報(bào)警信號(hào)、振動(dòng)速度計(jì)算、數(shù)據(jù)保存與讀取、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)都可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問，查看相關(guān)信息。圖9為這個(gè)實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問界面。

圖7　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面

圖8　速度傳感器測(cè)量振動(dòng)界面

圖9　遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問

5　結(jié)論

基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了包括虛擬信號(hào)及實(shí)測(cè)信號(hào)的采集，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理，并能顯示出運(yùn)行數(shù)據(jù)，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的LabVIEW網(wǎng)絡(luò)連通?；谏鲜龈黜?xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了一套較完整的綜合性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大和完善。經(jīng)過檢驗(yàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效果較好，通用性強(qiáng)，并且可以在此基礎(chǔ)上集成更先進(jìn)的傳感器，完善并開發(fā)更多的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)其良好的擴(kuò)展性。

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(編輯：向飛)

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

作者簡(jiǎn)介：第一徐冰，女，1988年生，河北秦皇島人，碩士研究生，助教。研究領(lǐng)域：機(jī)械電子。已發(fā)表論文2篇。

收稿日期：2015－09－19

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

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－9492 ( 2015 ) 11－0073－04