基于LabVIEW的位移測量系統設計

范小蘭，趙春鋒

（上海工程技術大學 工程實訓中心，上海 201620）

0 引言

位移測量是機械量測量中最常見的一種。常用的小位移測量方法是由傳感器感受微小位移，經過信號調理電路轉換為模擬量并送到數據采集卡，由計算機對數據進行采集和處理。也可以由單片機系統進行此工作。這兩種方法各有缺點：單片機數據處理功能比較弱，而數據采集卡價格貴且需要專業人員進行編程來采集和處理數據。應用美國國家儀器公司（National Instruments，NI）推出的基于“圖形”方式的集成化程序開發環境LabVIEW，與NI公司開發的數據采集裝置相配合可以使位移測量系統更加簡潔、可靠[1,4]。

1 位移測量系統構成

位移測量系統構成如圖1所示，整個系統由差動式電感傳感器、信號調理電路AD698、LabVIEW軟件、計算機、數據采集卡構成。差動式電感傳感器感受小位移，信號調理電路AD698將傳感器的信號轉換為數據采集設備需要的模擬信號，數據采集卡實現對被測信號的模數轉換，利用計算機中的LabVIEW軟件實現對數據采集卡的數據的采集并利用編寫的程序進行數據處理，利用顯示器進行波形顯示。

2 位移測量系統設計

2.1 差動式電感傳感器與由AD698的連接

差動式電感傳感器的輸出信號必須經過信號調理電路才能轉換為儀表或數據采集系統需要的模擬量或數字量。傳統的方法是采用分立元件構成差動整流電路和相敏檢波電路[2]。這種信號調理電路比較復雜，不易調試，因此我們采用了美國Analog Devices公司生產的差動式電感傳感器（LVDT）信號調理系統AD698。

AD698與LVDT配合，能夠高精確和高再現性地將LVDT的機械位移轉換成單極性或雙極性的直流電壓。只要增加幾個外接元件來確定激磁頻率和增益，AD698就能把LVDT的次級輸出信號按比例地轉換成直流信號[3]。因此，由其構成信號調理電路非常簡單，而且性能可靠。差動式電感傳感器與AD698的連接方法如圖2所示。

圖1 位移測量系統結構

圖2 差動式電感傳感器與AD698的連接電路

2.2 LabVIEW與數據采集卡的連接

數據采集卡的任務是將測量的信號轉換為數字信號。數據采集系統由軟件進行控制—獲取數據行、分析數據并得出結論。數據采集卡采用NI公司的NI USB-6009低價位多功能數據采集卡。它用于USB，有8路模擬輸入通道(14位分辨率，48kS/s) ，2路模擬輸出通道(12位分辨率,150 S/s)，12條數字I/O線，32分辨率計數器。本測量平臺只利用了其8個模擬通道的其中一個—通道0，即差動式電感傳感器采集的微位移量經信號調理電路AD698成為模擬信號后送入NI USB-6009通道0，由LabVIEW中的DAQ助手實現對此通道的數據采集。

2.3 測量界面編輯

2.3.1 前面板設計

圖3 用戶界面

前面板就是圖形化用戶界面。該界面可以模擬真實儀器的前面板，用于設置輸入數值和觀察輸出量。前面板界面如圖3所示。其中各控件作用如下：開關按鈕用來控制測量的起與停；放置三個數值輸入控件，分別輸入標定值、數據采樣率、設定比較初值；放置一波形圖表，用來顯示被測模擬信號隨時間變化的波形；測量結果利用數值顯示控件顯示；文件路徑顯示控件，用來確定被測信號轉換為位移量后的存放位置。

2.3.2 程序控制

程序框圖如圖4所示。程序框圖與前面板相對應，用圖形化編程語言G語言編寫。框圖是定義虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）功能的圖形化源代碼。程序框圖由節點、端口和數據連線而成。在圖中對VI編程就是對輸入信息進行運算和處理，最后在前面板上把結果反饋給用戶。程序框圖中，放置一公式函數，實現被測模擬信號與一常數（即標定值）相乘，得到輸出為位移量，存放到指定文件中。程序框圖中放置一DAQ Assistant（數據采集助手），其作用是配置數據采集任務，選擇模擬信號輸入通道、設定輸入電壓范圍、選擇采集方式等。

圖4 程序框圖

至此，切換到前面板，運行程序。可以看到數據被采集回來并在屏幕上顯示。當啟動開關按鈕，開始測量數據。測量數據經過公式處理，由波形圖表顯示測量信號，由數值顯示控件顯示測量結果。每隔一定時間將測量數據存入指定文件。按動停止按鈕，則測量停止。在此程序框圖中，利用編程函數中的數據比較功能找出測量數據的最大值和最小值并求二者的差，測量結果即為傳感器感受的最大位移量。

3 結束語

實踐證明，利用虛擬儀器構成的位移測量系統，可以大大減少測量人員的工作量，用很少的硬件就能實現智能化的位移測量。更重要的是，LabVIEW軟件中配有強大的數據處理功能，能夠方便測量人員對測量數據進行復雜的數據處理，能實現單片機等其他系統無法實現的分析功能。

[1] 孫秋野, 柳昂, 王云爽.LabVIEW 8.5快速入門與提高[M].西安: 西安交通大學出版社, 2007.

[2] 段中華, 王中訓, 胡自強.AD698在DGC-6PG/A差動電感式傳感器中的應用[J].現代電子技術, 2008(4): 162-164.

[3] 王敬亭, 廖力清, 凌玉華.AD698型LVDT信號條例電路的原理與應用[J].國外電子元器件.2005(9): 64-71.

[4] 王磊, 陶梅.精通Labview 8.0[M].北京: 電子工業出版社, 2007.