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陕西理工学院实验报告第1页共29页第1章传动机械多功能实验台测控软件1.1系统概述“机械设计及理论”省级重点学科的实验室，有一台机械传动试验台。传动机械多功能试验台的结构如下图1.1所示,图中1、11为直流电动机(1为驱动电机,11为发电机),5为被试样机,9为陪试机,3、7为传感器,2、4、6、8和10为联轴器。该系统主要由三部分组成:一是机械传动部分;二是控制部分;三是检测部分。在机械传动部分,驱动电机和发电机是完全相同的直流电动机,被试样机和陪试机的技术参数也完全相同,各部件之间用弹性柱销联轴器联接。控制部分由计算机、PKSF晶闸管整流调速设备及其操作台组成。检测部分由传感器、微机扭矩仪、计算机和打印机组成。图1.1传动机械多功能试验台的结构该试验台采用电封闭功率回收的方法，实验系统的驱动采用直流电机，用直流发电机作为负载，将发电机产生的电能有返回到电动机中，提高了设备的效率。该系统主要用于测试减速机、调速机、连轴器等机械传动部件的性能，主要是效率、温升、振动等。该系统原来用数据采集卡采集、VB编程开发了一套自动测控系统，现该系统已不能正常使用，为了尽快回复该试验台的自动测试功能，本次实验，要求用虚拟仪器开发新的测控系统，完成该试验台自动测控的要求。扭矩、温度测量系统由传感器电路、信号调理电路、数据采集卡及PC机4部分组成。系统基本工作原理：传感器电路将测得到的扭矩、温度信号以电压形式输出到信号调理电路，信号经过调理后输入到数据采集卡进行A/D转换，A/D转换后的数据直接进入微机，再由虚拟仪器系统对数据进行处理和显示。虚拟仪器系统的硬件主要是由个人计算机或者工作站和硬件接口模块组成。其中计算机是主体,主要用来提供实时高效的数据处理性能。硬件接口模块包括仪器硬件和各种通用接口总线,主要用来采集,传输信号。仪器硬件如各种传感器,插入式数据采集卡NI-6024E,信号调理器等,通用接口总线用来把独立的仪器连接到计算机上。目前陕西理工学院实验报告第2页共29页较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统,GPIB一起控制系统,VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。本系统利用扭矩、温度传感器来对扭矩、温度进行数据采集,利用LabVIEW编程来实现传感器与PC机之间的串行通讯以及虚拟面板的设计,最后由PC机显示测量的结果。对扭矩、温度的测量而言,传感器的选择是整个系统的第一步,也直接影响系统性能的重要因素之一。试验台扭矩数据采集部分采用JC型扭矩传感器，如图1.2所示：图1.2JC传感器原理图它由机座、端盖、扭力轴、内齿轮、外齿轮、磁钢、线圈、轴承等组成。内齿轮、磁钢固定在套筒上，线圈固定在端盖上，外齿轮固定在扭力轴上，当内、外齿轮发生相对转动时，由于磁通变化，在线圈中便感应出近似正弦波的感应电势。感应电势的初始相位差是恒定的，设计在大约180°位置上。当加上扭力时，扭力轴发生扭转变形，在弹性范围内，所加的扭矩与机械扭转角成正比，这时讯号的相位差发生变化，通过测量讯号的相位差，就可以测量出轴上的外加转矩。其转速测量精度不低于±0.1%或±0.2%；转矩精度为±0.5%或±1%个字。利用AD590集成温度传感器对温度进行测量。AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。实际上,中国也开发出了同类型的产品SG590。这种器件在被测温度一定时,相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。即使电源在５～１５Ｖ之间变化,其电流只是在１μＡ以下作微小变化。1.2技术方案1.2.1系统框图针对设计要求，结合系统的基本框架，可将整个系统描述为以下方块图1.3陕西理工学院实验报告第3页共29页图1.3系统框图各模块概括解释说明如下：1.传感器负责将温度信号转化为电信号2.信号调理电路将传感器传出的电信号进行限幅，滤波等处理。3.采集模块将模拟的电信号经过采集变为一个个电信号数值。4.数据运算模块将一个个电信号数值转化为对应的一个个扭矩、温度数值，为下一步的处理做好准备。5.数据处理模块主要负责将扭矩、温度数值信号进行滤波，动态显示，保存等。目前我们常用的扭矩、温度测试系统大都是模拟的，其普遍存在测试系统开发周期长、硬件价格昂贵、灵活性差等缺点。我们本次设计的基于LabVIEW的扭矩、温度测试系统就是针对模拟系统存在的问题设计出测试系统开发周期短、价格便宜，而灵活性很强的扭矩、温度测试系统。其灵活性、开发周期、价格便宜可通过如下三方面体现出来：1.我们做好的基于LabVIEW测试系统充分利用了计算机的高速、修改方便、大容量等优点，足以使扭矩、温度测试系统的开发周期大大缩短。2.如果我们不需要这套测试系统了，仅仅需要改变传感器及其配件和发挥我们的想象力设计出各种各样的其他的测试系统。3.由于开发过程中可以省去很多硬件元器件，在不影响性能的情况下，成本也就节约下来了。我们本次设计的目的就是完成灵活性高的，具有多功能的扭矩、温度测试系统，所以我们选择基于LabVIEW的测试系统。具体创新如下：1.在计算机上实现直观的显示扭矩、温度的变化并采集其变化波形；2.把现在所用硬件扭矩仪的精度提高1-2位。3.开辟多通道，达到更优良的测试环境。1.2.2方案分析:1.相关分析法通过对系统输入和输出的相关函数之间的关系进行分析建立系统的数学模型。陕西理工学院实验报告第4页共29页这种方法可以比较有效地克服系统输出中含有的随机噪声给建模带来的困难。适当选择输入，使它与噪声成为统计不相关的，就可通过相关运算把系统的输入输出关系转变为输入自相关和输入输出互相关的关系，从而消除系统噪声的影响，使建模更为容易。2.FFT变换法正弦基函数是微分运算的本征函数,从而使得线性微分方程的求解可以转化为常系数的代数方程的求解.在线性时不变的物理系统内,频率是个不变的性质,从而系统对于复杂激励的响应可以通过组合其对不同频率正弦信号的响应来获取。3.“提取单频信息”子vi法“提取单频信息”子vi法无论从数据稳定性、精度来说都是最好的，故选用“提取单频信息”法进行测量。随测试测量技术的发展，许多需要高精度实时测量的问题变得越来越突出，如加热炉时时温度测量，输油管定点时时压力测量，位移的精确测量等；虚拟仪器技术,就是用户在通用计算机平台上,根据测试任务的需要来定义和设计的测试功能,其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。美国国家仪器公司生产的NI-LabVIEW是目前最为成功,应用最广泛的虚拟仪器软件开发系统。它一种基于G语言的32位编译型图形化编程语言,其图形化界面可以方便的进行虚拟仪器的开发。在现代工业化生产中,需要进行扭矩、温度测量和控制的场合越来越多。测扭矩、温度的方法也是多种多样的。在工业生产中扭矩、温度测量的准确性直接影响产品的质量与生产效益，具有重要意义。随着电子技术的迅速发展，实现扭矩、温度测量的各类传感器层出不穷。目前，国际上新型扭矩、温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，小型、低功耗、高可靠性、低成本的扭矩、温度传感器已经越来越受到关注，并广泛应用于工业控制和自动化测量系统中。虚拟仪器技术充分利用计算机强大的运算处理功能，突破了传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制，它通过交互式图形界面进行系统控制和测量数据显示,并使用框图模块来指定各种功能。采用集成电路扭矩、温度传感器和虚拟仪器可以方便地构建一个扭矩、温度测量系统，且外围电路简单，实现容易，系统硬件维护、功能扩展和软件升级非常方便。1.3虚拟仪器介绍虚拟仪器技术是20世纪90年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物，它在测试测量与控制领域中有重要的位置，并正在成为当今世界流行的仪器构成方案。近十年来，陕西理工学院实验报告第5页共29页随着计算机硬件技术和软件技术的发展，虚拟仪器技术正朝着高性能、多功能、集成化、网络化方向发展;1.3.1虚拟仪器的概念伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器，同时也由单台仪器逐渐发展到亚架式仪器系统、虚拟仪器系统。经剖析不难发现，任何传统仪器无非由以下三大功能块组成，即对被测信号的采集与控制、分析与处理、测得结果的表达与输出。传统仪器的这些功能块都是以硬件(或固化的软件)形式存在的。将一飞速发展的计算机技术与仪器技术有机结合，用计算机的CRT模拟各种仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果:以计算机软件实现各种各样的信号分析、处理，完成多种多样的测试，增强仪器的功能。这些以PC为核心，由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器，被称为虚拟仪器。1986年美国国家仪器公司(NationalInstruments)首先提出了虚拟仪器的概念。所谓虚拟仪器(Virtualinstruments)是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块结合起来，用户可以利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立中(或英)文界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、数据分析、存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器技术利用PC机高速数据采集和处理能力，对被测对象进行数据采集、分析(如叠加、平均、数字滤波等)、存储、显示等。虚拟仪器排除了干扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高了测试精度。虚拟仪器控制功能强，有自动调零、自动调节量程、自动转换极性和自动校准的功能。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕上建立起图形的软面板来代替常规的仪器控制面板。用户通过鼠标或键盘操作软面板来进行操作。操作方便，易于掌握。1.3.2虚拟仪器的产生及特点1.虚拟仪器的产生陕西理工学院实验报告第6页共29页从上世纪30年代至今，电测仪器己走过了半个多世纪的历程，传统硬件化仪器随着科学技术的不断发展，功能变的越来越强大，特别是70年代后期，人们开始将计算机软件技术和总线技术引入某些仪器之中。使这些仪器的功能大大增强，智能化程度得以提高。但随着测试对象的复杂化，测试对个性化的要求越来越高，人们对测试仪器提出了更高更新的要求，这些要求可归纳为:快速响应性:迅速吸收最新技术，不断推出紧跟市场的产品;集成性:一台仪器具备多台传统仪器的功能;开放性:用户可以根据实际需要自己定义、增删仪器的功能;.共享性:互不相同的测试系统可以共享软、硬件资源:鲜明的个性:具有灵活的、独具特色的测试功能及赏心悦目的仪器界面;绿色特色:尽量减少硬件的消耗，节约资源。传统的硬件化仪器是很难满足以上要求，一般来讲，传统测试仪器主要由三个功能模块组成:信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元。这些功能基本上是以硬件或固化的软件形式存在，测试的功能和范围是专用、固定、难以扩展的，因此由这些仪器组成的测试系统互相独立，互不兼容，不能共享软、硬件资源，从而造成资源的浪费。如今，计算机和通信技术的飞速发展对仪器仪表领域形成了强有力的冲击和渗透，因此出现了一种全新的、能够满足上述需求的仪器。虚拟仪器(VirtualInstrument)。虚拟仪器是在日益发展的计算机硬件、软件和总线技术向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术结合的一项新成果，是虚拟现实技术在仪器仪表领域的一个应用。美国国家仪器公司(简称NI公司)在1986年提出虚拟仪器的概念:虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化信号传感器