基于虛擬儀器的轉子試驗臺測控實驗系統設計

徐冰，陳俊君（山西大學自動化系，山西太原　030013）

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基于虛擬儀器的轉子試驗臺測控實驗系統設計

徐冰，陳俊君
（山西大學自動化系，山西太原030013）

摘要：通過虛擬儀器技術設計了測控實驗系統。該系統以轉子試驗臺為基礎，進行了LabVIEW程序編譯，采用了三個模塊的程序化設計。系統能夠實現虛擬及實測信號的DAQ采集，進行信號及數據的相關處理以及生成實驗報告，可以通過網絡訪問所有軟件實驗，最終形成一個綜合性的功能較全的系統。將系統應用于具體實驗中取得了較好的效果，具備較高的通用性、靈活性及擴展性。

關鍵詞：虛擬儀器；轉子試驗臺；LabVIEW；網絡訪問

0　前言

隨著測試技術與計算機技術的迅速發展，這兩門學科交叉結合產生了虛擬儀器技術，從而信號測試與各種分析工作只需帶上電腦和相應的傳感器就可以進行。國內許多公司研制了基于虛擬儀器的實驗系統，如浙江高聯科技開發有限公司開發的CSY-998傳感器實驗儀、CSY-2000D型傳感器與檢測技術實驗臺等產品。文中的研究以測試技術理論為基礎，采用虛擬儀器技術，配以調理電路、多功能數據采集卡，構建了轉子試驗臺的測控實驗系統。在此系統上可完成多門專業課程綜合實驗，并且能夠引導使用者將課本所學知識應用到相關測控項目。

1　系統的硬件及軟件介紹

系統使用的硬件主要由轉子試驗臺、傳感器、調理電路、數據采集卡、計算機組成，它的主要功能是采集被測信號、信號調理和傳輸測量結果。硬件系統構成框圖如圖1所示。

圖1　硬件系統構成框圖

基于本系統可以做很多測控實驗，例如速度傳感器測量振動、加速度傳感器測振動、光電傳感器測轉速、磁電傳感器測轉速、電渦流傳感器測軸心軌跡、轉子動平衡測量等實驗項目。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、電阻應變片式傳感器等。圖2為光電傳感器實物。這些傳感器體積小，方便配合轉子試驗臺使用。

系統的信號采集及信號處理的模塊是整個實驗的關鍵環節，涉及到的硬件是數據采集卡。系統是針對普遍性、實時性的教學設計的，在體積、重量、價格等方面有一定的要求。結合上述要求，系統選擇的是USB接口的數據采集卡。NI USB-6008攜帶便捷、價格優勢明顯，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個計數器，可用于Windows、Ma?cOSX、Linux和Pocket PC操作系統，使用NI DAQmx驅動軟件和NI LabVIEW Signal Express交互式數據記錄軟件，這些條件符合設計要求，因此系統使用NI USB-6008作為采集系統的核心。NI USB-6008多功能數據采集卡實物如圖3所示。

圖2　光電傳感器

系統的軟件設計使用的是LabVIEW軟件。LabVIEW是一種圖形化編程軟件，它的每個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儀器的操作，方框圖通過傳遞前面板指定的相關指令數據和參數到儀器來執行發生響應的操作[1]。LabVIEW具有友好的用戶界面和強大的分析的功能，可以降低購買相關實驗設施的成本，能節省儀器設備的經費的投入[2]。同時該軟件既可以與NI模塊化的硬件相結合，又能與單片機、PLC等各種工業處理器進行實時通信，因此可以應用在許多不同種類的項目中[3]。由于其功能強大的特點，利用LabVIEW軟件設計的系統具有較高的擴展性，有利于實驗系統信息化的發展。

圖3　多功能數據采集卡

2　系統的功能介紹

測控實驗系統可做實驗很多，這些實驗效果各有不同，但是其中大部分實驗功能相同，具有通用性，所以系統按主要功能進行模塊劃分設計，主要包括三大模塊：開始模塊，實驗模塊，查詢模塊。系統結構總體功能圖如圖4所示。

圖4　系統總體功能圖

（1）開始模塊的功能包括登陸查詢和實驗項目選擇。使用者進入系統界面，可以選擇相關項目，有需要的話可以選擇幫助選項，進行信息提示，同時可以控制實驗的運行，比如暫停項目、退出實驗項目。

（2）實驗模塊屬于功能最多，設計最復雜的部分。該模塊主要功能有：實驗類型選擇，可以選擇虛擬實驗或者實測實驗；信號采集，把相應實驗采集的信號進行初高級處理；獲取和采集的數據進行實時的分析處理、生動直觀地顯示出運行數據；對保存的相關結果進行數據回放；生成報告，報告的內容是從文件中選擇出所需的數據，完成相關的數據和圖表填寫。

（3）查詢模塊的功能主要是在客戶端電腦上通過網絡瀏覽器就可以進行相關的實驗，只要使用者有合法權限就可以進行實驗操作、觀察實驗結果并且可以直接獲得實驗報告等，即使用者可以完成遠程網絡訪問。

3　系統的功能設計

（1）開始模塊采用的是菜單設計，設計過程中使用了菜單編輯器方式，這樣設計的軟件可靠性好，與普通軟件、工具等界面的菜單格式相同，對于使用者接受程度高。進入登錄界面可以直接看到相關實驗和輔助功能，操作簡單明了，便于使用和后續擴展。

（2）實驗模塊是整體設計的核心部分。進入實驗系統首先選擇的是實驗方式，實測實驗或者虛擬實驗，這兩者區別主要是信號源及信號處理方式不同。系統的根本來源是信號源，實測方式的信息采集是使用試驗臺及傳感器，通過使用數據采集卡來實現。虛擬方式的信息采集不使用這些硬件，只通過軟件DAQ實現，不需要人工獲取就能為實驗提供信號來源。信號處理時實測信號由于來源于數據采集卡采集的實時數據，因此需要編輯程序并且進行DAQ設置。而虛擬信號源是仿真DAQ，在電腦上進行軟件模擬就可以，采集的數據以chart的顯示模式顯示在界面上。圖5為信號采集程序。

圖5　信號采集程序

系統的數據處理是對數據進行分析和加工的過程，包括對各種原始數據的整理、計算等的加工和處理等。數據分為數值型和非數值型兩大類，對于數值型的進行數據分析、程序編譯以及各種布爾、數值加減乘除等運算處理。對于非數值型的數據進行FFT變換、波形變換、XY波形合成圖等相關功能處理。系統的數據保存能讓使用者對數據進行分析，提供了相關信息。數據回放是利用以前所得結果或其他的信息來源方便實現下一次的實驗，便于實驗相關信息能夠循環多次利用。實驗報告的生成有助于教學模式，方便察看實驗情況及數據處理，信息處理能力等。圖6為生成報告程序。

圖6　生成報告程序

（3）查詢模塊的功能主要是實現遠程網絡訪問，利用LabVIEW軟件的強大的網絡互連特性的優點，可以把LabVIEW的程序(VI)嵌入在HTML網頁中，并且實現在互聯網上的發布功能[4]。這種功能的實現是使用LabVIEW的遠程前面板技術，即VI運行在服務器端，客戶端通過網頁瀏覽器與服務器上VI的前面板進行交互，這種方式簡單易用，而且對客戶端的要求普遍較低[5]。

4　測控實驗系統的實際應用

現代企業制度中需隨時對機器的運行狀態進行監測及診斷，對工作環境進行控制。這些都離不開振動測試。在振動測量時應合理選擇測量參數，而振動速度決定了噪聲的高低，因此通過速度測量振動是很有必要的[6]。因此通過實驗系統設計的速度傳感器測量振動實驗來舉例說明系統功能的實現。

具體實驗步驟：打開實驗主界面，如圖7所示。在主界面上選擇相應實驗進入具體實驗項目，圖8是速度傳感器測量振動實驗界面。啟動轉子試驗臺，調整轉速。觀察并記錄得到的振動信號波形和頻譜，觀察改變轉子試驗臺轉速后，振動信號、頻譜的變化規律。速度傳感器振動測量實驗界面功能主要包括采集信號、濾波選擇、波形選擇、FFT變換、報警信號、振動速度計算、數據保存與讀取、實驗報告生成。系統的實驗都可以進行網絡訪問，查看相關信息。圖9為這個實驗的遠程網絡訪問界面。

圖7　實驗系統主界面

圖8　速度傳感器測量振動界面

圖9　遠程網絡訪問

5　結論

基于虛擬儀器的轉子試驗臺測控實驗系統設計完成了整個實驗過程。該系統實現了包括虛擬信號及實測信號的采集，對獲取的數據的實時分析處理，并能顯示出運行數據，生成實驗報告，實現了簡單的LabVIEW網絡連通。基于上述各項功能，實現了一套較完整的綜合性的實驗系統，比傳統的實驗系統功能更加強大和完善。經過檢驗，系統實現的效果較好，通用性強，并且可以在此基礎上集成更先進的傳感器，完善并開發更多的項目，實現其良好的擴展性。

參考文獻：

［1］姚素芬，趙建強，馮超瓊.基于LabVIEW傳感器實驗平臺的開發［J］.儀器儀表學報，2005，26（8）：466-467.

［2］傅健，滿慶豐，王鋼.基于LabVIEW的“測試技術基礎”教學實驗平臺［J］.實驗室研究與探索，2010，29（9）：119-121.

［3］許麗川，唐凱飛，梁永春，等.基于LabVlEW的自助實驗平臺的構想與實踐［J］.實驗技術與管理，2014，31（5）：150-155.

［4］李國棟，李智，張鳳生.基于虛擬儀器的測試技術課程遠程綜合實驗平臺研究［J］.中國制造業信息化，2011，40（11）：46-49.

［5］羅文秋，趙四化.基于LabVIEW的“信號與系統”實驗平臺設計［J］.北京印刷學院學報，2010，18（6）：51-54.

［6］劉延友，徐萬和，黃川.多傳感器測試系統設計與分析［J］.機械制造與自動化，2014，43（2）：27-31.

(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。研究領域：機械電子。已發表論文2篇。

收稿日期：2015－09－19

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

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0073－04