基于NI ELVIS II+和LabVIEW的轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

楊立娟, 陳花玲, 王保建, 郭艷婕, 田紹華

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安 710049)

測(cè)試技術(shù)課程是理工院校機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)核心課程[1-2],實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)專業(yè)工程認(rèn)證要求,專業(yè)課程綜合實(shí)驗(yàn)量要占實(shí)驗(yàn)總量的75%以上,我院測(cè)試技術(shù)課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)各占一半[3],因此須增加綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要狀態(tài)參數(shù),也是控制系統(tǒng)中對(duì)其他參量控制的依據(jù)和基準(zhǔn)[4],掌握轉(zhuǎn)速測(cè)量技術(shù)對(duì)理工科學(xué)生來(lái)說(shuō)是很有意義的。轉(zhuǎn)速測(cè)量常用的傳感器類型有電渦流傳感器、磁電式傳感器、編碼器、光電式傳感器、霍爾傳感器等[5-10]。本文基于NI ELVIS II+ 多功能教學(xué)平臺(tái),搭建了集成多種傳感器的轉(zhuǎn)子臺(tái)轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái),基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)速測(cè)試分析軟件。采用多種傳感器采集同一軸上的轉(zhuǎn)速信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后,進(jìn)入軟件進(jìn)行分析,可以讓學(xué)生分析調(diào)理電路的作用,掌握不同傳感器的工作原理,對(duì)比分析不同傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的區(qū)別。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)整體方案

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由小型轉(zhuǎn)子臺(tái)、變速電機(jī)、電機(jī)控制器、電渦流傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、霍爾傳感器、編碼器、信號(hào)調(diào)理電路、NI ELVIS II+采集模塊等組成硬件系統(tǒng)和基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)速測(cè)試分析軟件系統(tǒng)組成,整個(gè)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1,通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)不同傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 平臺(tái)硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

平臺(tái)硬件系統(tǒng)主要包括被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)子臺(tái)、傳感器和信號(hào)調(diào)理和采集模塊。實(shí)驗(yàn)采用小型轉(zhuǎn)子臺(tái),上面安裝固定多種轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器,配有變速電機(jī)和電機(jī)控制器,如圖2所示,通過(guò)調(diào)整電機(jī)控制器,轉(zhuǎn)子可以實(shí)現(xiàn)0～1 500 r/min無(wú)級(jí)變速的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 轉(zhuǎn)子臺(tái)布局

平臺(tái)的信號(hào)調(diào)理和采集模塊基于NI ELVIS II+ 多功能教學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā),如圖3所示。采用NI ELVIS II+自帶的信號(hào)采集通道,搭載各種信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。編碼器采集轉(zhuǎn)速精度高,采用計(jì)數(shù)器方式進(jìn)行信號(hào)采集,電渦流傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、霍爾傳感器采集模擬信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行信號(hào)采集模塊。信號(hào)調(diào)理電路包括放大電路、濾波電路和整形電路,分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理和采集模塊

圖4 放大電路

圖5 濾波電路

圖6 整形電路

1.3 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

采用LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),LabVIEW采用圖形化編程,容易入門(mén),具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)和分析子程序[11-12],利用該軟件學(xué)生可以方便地編譯軟件,掌握測(cè)試技術(shù)的本質(zhì),鍛煉學(xué)生虛擬儀器開(kāi)發(fā)的能力。轉(zhuǎn)速測(cè)試分析軟件包括采集參數(shù)設(shè)置、傳感器采集通道配置、轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)采集顯示、轉(zhuǎn)速計(jì)算等,軟件主界面如圖7所示。

圖7 軟件主界面

采集通道根據(jù)硬件中接線方式配置,根據(jù)需要設(shè)置采集參數(shù),如圖8所示。輸入配置包括RSE和差分兩種方式,且分別要對(duì)應(yīng)合適的接線方式。選擇RSE方式時(shí),傳感器正負(fù)端接模擬采集通道的正端和地端,而差分方式對(duì)應(yīng)傳感器正負(fù)端接模擬采集通道的正負(fù)端。軟件參數(shù)設(shè)置完成后,點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速測(cè)試可以進(jìn)行信號(hào)采集,并通過(guò)計(jì)算得到各個(gè)傳感器采集到的轉(zhuǎn)速值。轉(zhuǎn)速信號(hào)采集程序如圖9所示,轉(zhuǎn)速計(jì)算程序如圖10所示,整個(gè)軟件運(yùn)行流程如圖11所示。

圖8 通道配置及參數(shù)設(shè)置程序

圖9 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集程序

圖10 轉(zhuǎn)速計(jì)算程序

圖11 軟件運(yùn)行流程

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

基于多傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展測(cè)試技術(shù)課程綜合實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、測(cè)試硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)搭建、采集參數(shù)和通道設(shè)置、轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)試、修改輸入配置方式和硬件接線方式、轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)試、信號(hào)處理分析、撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和答辯PPT、考核等實(shí)驗(yàn)流程,如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)流程

首先要求學(xué)生利用課后時(shí)間預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)方案,課上與指導(dǎo)教師討論、修改測(cè)試系統(tǒng)方案；根據(jù)系統(tǒng)方案和輸入配置方式搭建硬件系統(tǒng),軟件中空出部分程序,要求學(xué)生根據(jù)需求進(jìn)行軟件編寫(xiě)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后,進(jìn)行信號(hào)采集,首先要求學(xué)生采集轉(zhuǎn)子臺(tái)在某轉(zhuǎn)速下,信號(hào)調(diào)理前和調(diào)理后的信號(hào),分析信號(hào)調(diào)理模塊的作用；然后,通過(guò)調(diào)整電機(jī)控制器調(diào)整轉(zhuǎn)子臺(tái)的轉(zhuǎn)速,要求學(xué)生在0～1 500 r/min范圍內(nèi),每隔200 r/min進(jìn)行信號(hào)采集,計(jì)算出不同傳感器采集的轉(zhuǎn)速值,進(jìn)而對(duì)比分析不同傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)速的區(qū)別以及隨轉(zhuǎn)速變化測(cè)量精度的變化；之后,在軟件中修改輸入配置方式,據(jù)此修改硬件接線方案；再進(jìn)行測(cè)試分析,對(duì)比RSE和差分兩種輸入方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。完成實(shí)驗(yàn)后,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和PPT,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯,完成實(shí)驗(yàn)考核。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心,發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),幫助學(xué)生掌握測(cè)試技術(shù)技能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于NI ELVIS II+多功能教學(xué)平臺(tái),搭建了集成多種傳感器的轉(zhuǎn)子臺(tái)轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái),利用圖形化編程軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)速測(cè)試分析軟件,并基于該平臺(tái)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速測(cè)試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)用了多種傳感器，并開(kāi)發(fā)了信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集模塊、虛擬儀器、測(cè)試信號(hào)分析以及測(cè)試軟件,通過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)試實(shí)驗(yàn),可以讓學(xué)生全面掌握測(cè)試技術(shù)基本知識(shí),鍛煉學(xué)生分析和解決復(fù)雜測(cè)試問(wèn)題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。