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1、第16章 位移测量系统的设计,16.1 设计要求,1,16.2 电路原理与设计,16.3 LabVIEW显示模块设计,3,16.4 硬件验证与数据采集卡的应用,4,2,16.1设计要求 用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm0.6mm的位移测量仪。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当物体在一对相对的磁铁中水平运动时，在一定的范围内，磁场的大小随位移的变化而发生线性变化，利用此原理可制成位移测量器。通过本设计，要掌握以下内容：,16.1设计要求,16.1设计要求,1）了解霍尔传感器测量位
2、移的原理； 2）掌握霍尔元件的测量电路； 3）测量电路硬件实现后，当输出模拟信号，会用数 据采集卡进行采集； 4）掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理，实现位 移值的显示； 5）了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在Lab- VIEW中编程与处理的不同。,16.2电路原理与设计,图16-1为实际霍尔传感器测量位移的特性。,图16-1 霍尔位移传感器的特性,16.2电路原理与设计,可见在-0.6mm0.6mm之间，电压位移关系近似线性。对实验数据进行拟合，由于实际数据是经过放大后的数据，在拟合前要将数据除以放大倍数。拟合后的数学表达式为： 式中： VH为霍尔元件输出电压，单位为mV； X为
3、被测位移量，单位为mm。 由以上分析可知，霍尔位移传感器只在很小的范围 内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。,16.2电路原理与设计,在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图16-2所示，它的测量范围是-0.6mm0.6mm。V1可模拟位移，压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。,（a） （b） 图16-2 霍尔传感器模型 图中1、2为激励电极；3、4为霍尔电极,16.2电路原理与设计,16.2.2 放大电路设计 霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加放大电路，此处加的是差分放大电路，如图16-3所示。,图16-3 测量电路,16.2电路原理与设计,16.2.3 电
4、路仿真分析 1）交流分析 将图16-3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电压源，设其幅值和相位分别为1V和50Hz，然后对电路进行交流分析，设开始和终止频率分别为1Hz和1MHz，输出节点选择节点12，其它设置按默认设置，仿真结果如图16-4所示，该放大电路的带宽约100KHz。,16.2电路原理与设计,图16-4 交流分析结果,图12-1为 Getting Started窗口,2）傅立叶分析 电路的输入端仍然接上面的交流源，对电路进行傅立叶分析，其设置如图16-5所示，频率分辨率（基本频率）项和采样停止时间项都可通过点击其后的“Estimate”按钮进行估计，输出节点仍然选择12点，分析结
5、果如图16-6所示，由图中表格可知电路的总谐波失真（THD）较小，各次谐波的幅值也非常小。,16.2电路原理与设计,16.2电路原理与设计,图16-5 傅立叶分析设置,图12-2（a）框图面板及函数模板,图16-6 傅立叶分析结果,16.2电路原理与设计,16.2电路原理与设计,3）直流扫描分析 按图16-3所示输入端接霍尔传感器模型，对模拟实际位移量的电压源V1进行直流参数扫描，分析设置如图16-7所示，扫描的范围为-0.6V到0.6V，每0.2V扫描一次，输出节点选择节点12，扫描的结果如图16-8所示，可见在-0.6mm0.6mm位移范围内，电路的输出近似线性。,图12-2（b）前面板及
6、控件模板,16.2电路原理与设计,图16-7 直流扫描分析设置,图16-8 直流扫描分析结果,16.2电路原理与设计,4）传递函数分析 将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源，然后进行传递函数分析，结果如图16-9所示，放大电路的放大倍数约为-4.8倍，电路输入阻抗约为20K，输出阻抗约为0.024。,图16-9传递函数分析结果,16.2电路原理与设计,5）参数扫描分析 滑动变阻器RW1的中心抽头打在中间位置不变，对电阻R3的阻值进行参数扫描，分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。参数扫描的设置如图16-10（a）和（b）所示，要分析的输出变量设为输出节点与两输入节点之差的比值，即
7、放大电路的放大倍数。参数扫描的分析结果如图16-11所示，由于电阻R4为51K，所以当反馈回路上总的电阻和R4的阻值不相等，即参数不对称时，放大倍数并不等于反馈回路总电阻与R1阻值的比值，还和R4有关。,16.2电路原理与设计,（a）分析参数设置,（b）输出变量设置,图16-10 参数分析设置,16.2电路原理与设计,图16-11 参数分析结果,16.2电路原理与设计,6）实验数据处理 电路调好后进行仿真，可得表16-1的实验结果。 表16-1 实验结果,图12-4 图标编辑,用MATLAB进行对表16-1的实验结果拟合后得：,16.3 LabVIEW显示模块设计,16.3.1 位移测量子程序
8、的设计 由上节式16-3可得位移表达式： 根据式16-4可建立一个子VI，具体步骤如下： 从开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW 8.2”， 在Getting Started窗口左边的Files控件里，选择Blank VI建立一个新程序。,16.3 LabVIEW显示模块设计,框图程序的绘制： 为了解决数据转换问题，采用上个设计采用的数据转换的第三种实现方法设计程序框图。用这种方法设计的子程序在接口电路设计时就不用考虑数据转换了。利用For Loop进行两次自动索引，使数据变为单个值显示，这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是，后面的数据通道不能设为自动索引，
9、否则输出将不再是单个数值。图中Input为时域信号采集器，它由控制模板I/O模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层For循环内必须加一个波形元素提取模块把Y值提取出来，否则数据在里层For循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式16-4在里层For循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出为位移值，如图16-12所示。,16.3 LabVIEW显示模块设计,图12-7 连接器和显示器件关联,图16-12程序框图,16.3 LabVIEW显示模块设计,定义图标与连接器 双击右上角图标编辑后如图16-13（a）所示。用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择Sho
10、w Connector，此时连接窗格为默认模式，右键点选一种单输入单输出的模式，左边窗格与时域信号采集器Input相关联，右边窗格与位移显示相关联。关联后的连接器窗格见图16-13（b）。完成上述工作后，将设计好的VI保存。,a） （b） 图16-13 图标与连接器,16.3 LabVIEW显示模块设计,16.3.2 接口电路的设计与编译 关于接口的研究及LabVIEW仪器向Multisim的导入的原理请参照上一章的内容。本设计中接口电路的设计与编译分以下几步： 把Multisim安装目录下SamplingLabVIEW Instru-mentsTemplatesInput文件夹拷贝到另外一个
11、地方。,16.3 LabVIEW显示模块设计,在LabVIEW 中打开步骤中所拷贝的StarterInputI-nstrument .lvproj工程，如图16-14。接口电路的设计是在Starter Input Instrument.vit中进行。 图16-14 StarterInputInstrument .lvproj工程图,16.3 LabVIEW显示模块设计,打开Starter Input Instrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的Update DATA选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中右键点击选择Select a
12、VI，把在LabVIEW完成的子VI添加在Update DAT-A框中即可。子VI输入端Input与Multisim的对仪器的输入端相连，在子VI的输出端点击右键创建位移指示表，如图16-15所示。 程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板如图16-16所示。之后选择重命名，保存为proj4.vit。,16.3 LabVIEW显示模块设计,图16-15 接口部分设计,图16-16 前面板设计,16.3 LabVIEW显示模块设计,编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。打开 subVIs下的Starter Input Instrument_multi
13、simInformation.vi的后面板，如图16-17所示，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标识，如一起设为plotterproj4。同时把输入端口数设为1，因为只有一个电压输入；把输出端口设为0，此模块不需要输出。设置完后另存为proj4_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。,16.3 LabVIEW显示模块设计,图16-17 虚拟仪器基本信息的修改,16.3 LabVIEW显示模块设计,编译属性设置：打开Build Specifications，右键点击Source Distribution，选择属性设置，在保存目录和支持目录
14、中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj4（.lib）。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图16-18所示。属性设置完成并保存后，再在Sour-ce Distribution上点击右键，在弹出的菜单中选择Build即可。,16.3 LabVIEW显示模块设计,图16-18 编译属性设置,16.3 LabVIEW显示模块设计,编译完成后，在Input文件夹下生成一个Build文件夹，打开后把里面的文件复制到National InstrumentsCircuit Design Suite 10.0下的lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开M
15、ultisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示你所设计的模块（plotterproj4），如图16-19。,图16-19 Multisim下LabVIEW仪器菜单,16.3 LabVIEW显示模块设计,霍尔位移测量电路的输出接设计好的显示模块，对电路调零后可得图16-20的部分结果，可见设计结果基本符合要求。,（a）-0.2mm结果 （b）0.4mm结果,图16-20 实验结果,16.4 硬件验证与数据采集卡的应用,16.4.1 硬件连接 霍尔位移传感器的安装如图16-21所示。电路调理部分和上面Multisim仿真的电路相同。,16-21 霍尔传感器安装示意图,16.4 硬件验证与
16、数据采集卡的应用,开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，再调节控制电流使霍尔调理电路输出为零。连接电路输出到数据采集卡NI PCI6014，由于输入信号为接地信号，且输入干扰少，所以采用非参考单端方式在通道0进行信号采集，示意图如图16-22所示，其中V1正极就是霍尔位移测量电路的输出电压，和数据采集卡的通道0相连；负极为地信号，和数据采集卡的AISENSE端相连。,16-22 接地信号的连接,16.4 硬件验证与数据采集卡的应用,16.4.2 软件设计 1）数据采集卡的配置 连接好数据采集卡，并安装硬件驱动程序。打开资源管理程序Measurement AI：包括设备默认的采样范围和信号的连接方式（本设计选择非参考单端方式）; AO：显示系统默认的模拟输出极性Bipolar，双极性表示模拟输出既包含正值也包含负值; Accessory：数据采
