基于LABVIEW的電渦流接近開關(guān)的金屬物件檢測及計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳軍　武麗　田壯壯　陳瑞霞

摘 要：文章采用電渦流接近開關(guān)作為物料檢測裝置，設(shè)計(jì)了基于LABVIEW開發(fā)平臺(tái)的金屬物料檢測與計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)金屬物料的檢測和計(jì)數(shù)功能。該系統(tǒng)通過電渦流接近開關(guān)檢測金屬物料，并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在LABVIEW軟件上進(jìn)行計(jì)數(shù)顯示和波形顯示。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行檢測進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)方案可行，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，該系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電渦流接近開關(guān)；虛擬儀器；多通道數(shù)據(jù)采集卡

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)越來越廣泛，在自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中對(duì)物料進(jìn)行計(jì)數(shù)的精度和速度要求越來越高，在以往的很多自動(dòng)化生產(chǎn)線計(jì)數(shù)采用接觸式開關(guān)進(jìn)行檢測，但是接觸式開關(guān)具有機(jī)械動(dòng)作，因此有一定的開關(guān)次數(shù)壽命，當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)使用較長時(shí)間后，接觸式開關(guān)會(huì)造成一定的計(jì)數(shù)誤差，從而影響自動(dòng)化生產(chǎn)線的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此隔一定的時(shí)間就需要對(duì)接觸式開關(guān)進(jìn)行更換維護(hù)，增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本和工作量。

基于傳統(tǒng)的接觸式開關(guān)具有一定的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了采用電渦流接近開關(guān)的計(jì)數(shù)系統(tǒng)，電渦流接近開關(guān)能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離，它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。由于電渦流接近開關(guān)是非接觸式開關(guān)，因此開關(guān)不存在機(jī)械動(dòng)作，可以大大地延長開關(guān)的使用壽命，減小了系統(tǒng)維護(hù)成本。在傳統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，引入LABVIEW 虛擬儀器控件，用軟件編寫的界面來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的硬件部分，既方便又經(jīng)濟(jì)。文章在傳統(tǒng)電渦流接近開關(guān)基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，利用美國國家儀器公司（NI）的實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（ LABVIEW） ，設(shè)計(jì)并制作了基于LABVIEW 的計(jì)數(shù)系統(tǒng)。文章介紹了電渦流接近開關(guān)工作原理，LABVIEW的軟件界面以及程序編程。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的測量技術(shù)及儀器，給傳統(tǒng)測量技術(shù)及儀器賦予了新的性能及生命力[1]。

1 電渦流接近開關(guān)的工作原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器[2]。

電渦流接近開關(guān)是一種電渦流式傳感器，由三大部分組成：振蕩電路、振幅檢測電路及放大輸出電路，如圖1。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變的電壓，交變電壓在探頭附近產(chǎn)生交變的的磁場，當(dāng)磁場周圍的結(jié)構(gòu)不變，振蕩器會(huì)輸出一個(gè)比較穩(wěn)定的交變電壓。當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，交變磁場在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路檢測處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，觸發(fā)后級(jí)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式之檢測目的。

按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、 應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。

振蕩電路中的線圈L、C產(chǎn)生一個(gè)高頻磁場。當(dāng)目標(biāo)物接近磁場時(shí)，由于電磁感應(yīng)在目標(biāo)物中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流（渦電流）。隨著目標(biāo)物接近傳感器，感應(yīng)電流增強(qiáng)，引起振蕩電路中的負(fù)載加大，振蕩減弱直至停止，如圖2。傳感器利用振幅檢測電路檢測到振蕩狀態(tài)的變化，并輸出檢測信號(hào)。振幅變化的程度隨目標(biāo)物金屬種類的不同而不同，因此檢測距離也隨目標(biāo)物金屬的種類不同而不同。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由電渦流接近開關(guān)、數(shù)據(jù)采集卡、LABVIEW軟件構(gòu)成，通過電渦流接近開關(guān)檢測金屬物料，并根據(jù)實(shí)際情況輸出相應(yīng)的波形，數(shù)據(jù)采集卡通過輸入端口采集電渦流接近開關(guān)檢測的波形，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口與電腦進(jìn)行通訊，并把采集到的數(shù)據(jù)傳輸給電腦，LABVIEW通過USB接口對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示，并通過USB接口對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，最終完成系統(tǒng)的功能，該系統(tǒng)的功能框圖如圖3所示。

（1）電渦流接近開關(guān)檢測是否有金屬物料經(jīng)過開關(guān)位置，并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出波形，當(dāng)有金屬物料接近時(shí)，傳感器輸出高電平，電壓接近5伏，如果沒有金屬物料接近，則輸出低電平。因此接近開關(guān)輸出是方波信號(hào)，方便后續(xù)的檢測電路進(jìn)行檢測和處理。

（2）數(shù)據(jù)采集卡具有數(shù)字輸入接口和模擬輸入接口，方便處理模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，電渦流接近開關(guān)輸出的是方波信號(hào)，因此本系統(tǒng)采用數(shù)字輸入接口，當(dāng)檢測到輸入端有上升沿，說明有金屬物料經(jīng)過開關(guān)位置，因此該系統(tǒng)只要檢測輸入端的上升沿的個(gè)數(shù)就可以檢測到物料的數(shù)量，數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過USB接口與電腦進(jìn)行通訊，把記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)過USB接口傳輸給電腦進(jìn)行處理，并通過USB接口對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行設(shè)置。

（3）LABVIEW軟件設(shè)計(jì)出操作界面，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的顯示。軟件通過USB對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終顯示在主界面上，界面上主要有如下操作選項(xiàng)：通道選擇、采樣頻率、采樣長度、物件計(jì)數(shù)、檢測狀態(tài)、計(jì)數(shù)清零按鈕、停止按鈕、設(shè)備打開、AI初始化、設(shè)備關(guān)閉、數(shù)據(jù)讀取。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面如圖4所示，左側(cè)為采樣設(shè)置區(qū)域和操作區(qū)域，右側(cè)為硬件工作狀態(tài)，中間為波形顯示區(qū)域，該波形顯示的是物體檢測的狀態(tài)，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為檢測到物體的狀態(tài)，如果檢測到金屬物體，則為高電平，否則為低電平。

（4）LABVIEW對(duì)應(yīng)程序如圖5所示，主要包括三部分：a.數(shù)據(jù)采集：通過USB接口讀取數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)；b.系統(tǒng)設(shè)置：通過USB接口對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的通道進(jìn)行設(shè)置以及采樣設(shè)置；c.計(jì)數(shù)顯示和波形顯示：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理[3]。

3 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)通過軟件的編程和硬件結(jié)合，很好地結(jié)合了軟件的可視化優(yōu)點(diǎn)和編程模塊化的優(yōu)點(diǎn)，在可視化界面上可以顯示檢測狀態(tài)和數(shù)量，能夠適時(shí)地檢測到金屬物體的數(shù)量，并能夠適時(shí)顯示相應(yīng)的工作狀態(tài)。經(jīng)過大量的檢測證明，能夠準(zhǔn)確記錄檢測數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：陳軍（1972-），男，安徽濉溪人，碩士，講師，研究方向：控制工程。