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1、基于差动螺管式电感传感器的虚拟位移计设计沈阳航空航天大学自动化学院摘要：虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是FI前仪器发展的一个重 要方向。这种结合有两种方式。一种方式是计算机装入仪器，典型例子就是智能化仪器。 另一种方式就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。木次课程设计是基于差动螺管式电感传感器的虚拟位移计设计，它的主要内容是 在LabVIEW平台上设计虚拟位移计，其中的功能包括数据的采集、数据的拟合，数据的 处理，以及超值报警功能。相比以前的方法，木方法简单可用，而且比较精确。关键词：差动式电感数据采集虚拟位移计超值报警曲线拟合0前言
2、虚拟仪器就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件來完成各种测试、测量 和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW 图形化开发工具用于产詁设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产站投放市 场的时间，并提高了产甜开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号 相连，分析数据以获取实用信息，共亨信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚 拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项冃需要。虚拟仪器有四大优点1、性能高2、扩展性强3、开发时间少4、无缝集成虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。虚拟仪器的硬件系 统一般
3、分为计算机硬件平台和测控功能硬件。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部 分：1仪器面板控制软件2数据分析处理软件3仪器驱动软件 4通用I/O接 口软件1总体方案设计图1为总体原理框图:图1虚拟位移计的原理框图总体电路的工作原理是进行差动螺管式电感传感器实验，测量出相应的数据，然后经 过软件程序进行数据采集、曲线拟合、数据处理、阈值比较等儿大部分，将实验得到的数 据拟合得到拟合曲线，并且可以显示出系数的具体数值，并判断是否超出预设范弗I,超 出则报警，报警灯亮。2硬件设计2.1差动螺管式电感传感器的工作原理:差动螺管式电感传感器是一种利用主次级线圈互感的电感作用大小来进行测量的传感器，两个副线
4、圈的同名端需要连接在一起，主线圈的一端和次线圈的一端构成输出, 接到示波器观察波形，或者是接到数据采集卡上直接采集数摒。2.2硬件流程图如图2：图2硬件流程图硬件的设计主要利用差动螺管式电感传感器进行数据的采集，音频振荡器给主线圈一 个稳定的正弦信号，频率固定在6kHz,然后从示波器上读取波形的峰峰值，通过音频振荡 器的幅度调节旋钮调节至2V,此吋，旋转螺旋测微计旋钮，可以很清楚的从示波器上读出峰峰值的变化，同吋在虚拟仪器的面板上也会实吋的显示出电压和位移的变化。3软件部分3.1数据采集部分图3为数据采集函数的设置:采样点数|设备号|回采样频率J图3数据采集模块设置各个参数的设置：设备号：代表
5、设备号，在NI采集设置工具中设定。该参数告诉用户使用什么卡，它 可以使采集VT本身独立于卡的类型。本课设中设定为k通道：用于指定数据样本的信号源。本课程设计中选用的是3号通道，故设定为3。 采样频率：指每个通道的扫描速率，即采样频率。采样频率设置为默认值10001阮 采样点数：每个通道读取的点数，本课设为默认值-1, -1表示所有点。数据采集中主要模块的简介：配置通道函数，Al Config VI:为一组指定的通道配置模拟输入信息，即对采集卡进 行硬件配置，并II给缓冲型的模拟输入分配一个缓冲区。AT Config VI 还有很多参数是 为更高级的应用而设立，一般这些参数采用默认值即可。任务开
6、始函数，Al Start VI:用于启动模拟输入操作，这个VT可以控制数据采集的 速率、样本数以及硬件触发器的使用。读取数据函数，Al Read VI:用于在使用缓冲区的采集操作小，读取缓冲区里的数据。它能够控制由缓冲读取的点数，读取数据在缓冲中的位置在连续采集时，可以通过观察scan backlog來调整每次读取的扫描数，以避免缓冲区小未读的数据被覆盖掉。该VT的 输出可以是波形数组、数值数组等。清屏函数，Al Clear VI:清除模入操作、计算机中分配的缓冲、释放所有DAQ卡上的资源。数据采集流程图如图4所示。图4数据采集流程图DAQ连续模入:连续采集是对一个或者多个通道，以一定的速率并
7、以连续扫描的方式采集数据，连续 采集要求在无问断采集数据同时，从缓冲区中无任何遗漏的读取数据。连续采集需要使用到循环缓冲区，对于循环缓冲区，往往其小存放数据的同吋，可以 读取其中已有的数据，使用循环缓冲区时，采集设备在后台连续进行数据采集，而LabVTEW 在两次读取缓冲区数据的时问问隔里对数据进行处理。图5为采集程序框图:图5采集程序框图数据采集稈序图如图6所示。图6数据采集程序图3.2曲线拟合部分曲线拟合(curve fitting)在计算机化的测量过程中非常重要，因为可以很容易得 到大量的测量数据。为了充分利用这些数据，减小误差，就要用到拟合。曲线拟合的实际 应用范围较广，例如：(1)
8、消除测量噪声；（2）填充丢失的采样点（例如，一个或者多个采样点丢失或者记录不正确）；（3）插值（对采样点之间的数据进行估计）；（4）外推（对采样范围之外的数据进行估计）；（5）求解某个基于离散数据对象的速度轨迹（一阶导数）和加速度轨迹（二阶导数）。 通常，对于每种指定类型的曲线拟合，如果没有特殊说明，都存在两种VT可以使用,一种只返回数据，用于对数据的进一步操作；另一种不仅返回系数，还可以得到相应的拟 合曲线和均方差。实验数据本应线性。但由于传感器的误差及实验者的人为原因造成数据结构非线性 化。曲线拟合部分实现数据线性化。曲线拟合流程图如图7所示。图7曲线拟合框图曲线拟合如程序图8：图8曲线拟
9、合程序图图9为曲线拟合而板:曲线扌以台拟合后 Jggj拟合前Ia s _ *b F ii图9曲线拟合面板33数据处理部分数据处理流程图如图10所示。图10因采集到的是一组不稳定的电压值，经过滤波器滤波后，再求得平均值，以此来减小 电丿玉的不稳定性。再根据公式进行计算得到位移值。数据处理框图如图11所示。图11数据处理框图3.4阈值比较部分阈值比较流程图如图12示。图12阈值比较流程图将位移值写入阈值比较程序，大于2mm或小于2mm则报警，LED发光；否则不报阈值比较程序框图如图13所示:F alseF alse A图13阈值比较程序框图4调试与分析4.1硬件的调试：硬件的调试不是太简单，虽然是
10、传感器实验当中的一个，但是在做实验的过程半中并 没有使用到该传感器。因为木次课程设计所使用的是差动螺管式电感传感器，所以首先得 对该传感器有所了解，才能进行相关的实验并分析。差动螺管式电感传感器由主副线圈构 成，其中有两个副线圈和一个主线圈，分别称为次级和原级，在次级标有小黑点的叫做同 名端，实验中，同名端是连接在-起的。经过几次的测量，数据基本符合要求，把采集到 的数据输入到表格程序中，程序自动会拟合出一条直线，刚开始有的点的位置可能不是太 准确，但是经过多次的实验与调试，大多数的数据都能够准确的在所拟合出的曲线上，试 验结果比较符合预期要求。4. 2软件的调试：软件的调试花费吋间比较长，软
11、件部分包括数据采集，数据拟合，数据处理，阈值比 较，单独调试每一个模块就并非易事，把所有的模块都连接到一起就会出现各种各样的意 想不到错误，耐下心来慢慢检查每一个模块和每一根线，终于发现了问题的所在。终于在 最后的吋候程序能够顺利运行了。图M为主程序面板：基丁老动螺管式电感传感器的虚拟位移计设计报大于2 警小于-2 数据采集设备号通道电压1.861000.00位移（mm）14主程序前面板5.结论及进一步设想经过两周的课程设计，基木完成了设计的各种要求，但是由于差动螺管式电感传感器 进行实验吋有一定的误差，所以虽然大体数据准确，个别采集到的数据可能存在不准确情 况，在条件准许的情况下，可以进行一
12、定的改善。主要可能有以下几种方法：测量数据拟合的数据吋可以有针对性的实现自动化，使 数据更加的准确，以减小曲线拟合吋产牛的误差，数据的精度可以有进一步的提高。其次, 木实验拟合的数据需要输入进程序中，可以用更适合的办法让其自动进行数据的采集和输 入，然后进行拟合，可以更加的准确。参考文献1 胡立夫刘利秋检测技术综合实验指导书.沈阳航空航天大学，2009. 92 宋琦徐涛胡立夫虚拟仪器技术实验指导书沈阳航空航天大学，2009. 93 张成乾.虚拟仪器使用设计技术.国防工业出版社，20014 潘新民.虚拟仪器与传感器技术.科学出版社，2002 郭会军、赵向阳、贾惠芹编著.基于LABVTEW的虚拟仪
13、器设计.电子工业出版社，2003 年6 禹延光激光自混合干涉理论及其位移测量方法的研究哈尔滨工业大学7 陈皱、汤晓安.虚拟仪器开发环境LabVTEW及其数据采集.计算机工程与设计，2001年10月8 张晓红.电子秤的设计原理.哈尔滨工业大学学报，20019 杨祖轩.基于应变式传感器的电路设计原理.郑州大学学报，2005课设体会两周的课程设计结朿了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了 我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中和同学 们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了 理解。LabVIEW是一个功能强大、
14、方使灵活的集成开发环境，它简化了科学计算、过程控制 和测试应用，增强了用户组建自己的科学和工程系统的能力。使用LabVIEW进行仪器系统 的设计、测试和实现，可减少系统的开发吋问，同吋也提高了生产效率。LabVIEW,配上 数据采集卡，将逐渐成为虚拟仪器技术的工业标准，虚拟仪器的思想将更多地渗透到未来 电子测量仪器和自动化测试技术的发展中。通过这次这次设计，木人在多方面都有所提高。综合运用本专业所学课程的理论知识 进行一次课程设计从而培养和提高了我独立解决问题的能力，巩固与扩充了 LabVIEW设计 等课程所学的内容，在这次设计过程中，体现出自己单独解决问题的能力以及综合运用知 识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平吋学习的不 足和薄弱环节，从而加以弥补。理论与实践的有效紧密结合使得我对虚拟仪器有了更深入 的了解，这将为以后的学习乃至职业生涯中打下坚固的基础。附录1元件清单使用仪器名称型号个数光电传感器实验仪CSY-998 型_台双踪示波器GDS-806C台数据采集卡PCI-NI6024E个导线若干附录2软件原理图El ,Filter551、EflI!M1iua|r.i）（-| iiiiiii w1SignalPilttrtd SipiuE囹iD_A和山旳 nILf=
