虛擬儀器在位移測試系統(tǒng)中的應用

摘要：隨著位移測試系統(tǒng)日益復雜的發(fā)展和虛擬儀器的應用擴大化，文中以虛擬儀器作為技術平臺，利用LabVIEW軟件編寫程序，設計液壓系統(tǒng)位移測試系統(tǒng)。介紹測試系統(tǒng)的硬件組成及設計過程，給出其編寫的程序框圖和直觀的前面板圖，系統(tǒng)具有很強的可擴展性，該測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)位移信號的數據采集、傳送、存儲、調用、分析和顯示。并且通過現(xiàn)場試驗表明此系統(tǒng)具有較強的實用性、可靠性和操作方便。能夠滿足教學、工業(yè)的需要。
關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；測試系統(tǒng)；位移

    位移測試技術在工業(yè)生產中有著廣泛的應用。位移檢測是機械量檢測的基礎，將機械量轉化成位移量來檢測是機電一體化技術的重要組成部分之一。對位移的檢測不僅為提高產品質量和生產安全提供了重要數據，同時也為其他參數的檢測提供了基礎。在液壓試驗臺中，傳統(tǒng)的靜態(tài)電液測量控制方式無法滿足現(xiàn)在液壓系統(tǒng)在性能、操作、在線監(jiān)測和故障診斷方面的有求，所以在線監(jiān)測以及分析系統(tǒng)的開發(fā)顯得尤其重要。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、準確以及低事故運行，本文開發(fā)了位移測試系統(tǒng)，能夠實時顯示其位移波形兵，還能夠對其進行信號處理。

1 虛擬儀器及LabVIEW介紹
    虛擬儀器(簡稱VI)由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。
    測試軟件是虛擬儀器的核心。IabVIEW是NI公司推出的一款豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件，為一種圖形化編程語言。利用其強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數據分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。

2 位移測試系統(tǒng)的硬件構成
    本文以液壓試驗臺作為測試平臺，由液壓動力源和電氣控制系統(tǒng)組成。其液壓動力源由動力油泵和動力執(zhí)行裝置油馬達組成。將虛擬儀器與液壓實驗臺相連接，選擇好工況、測點，安裝好位移傳感器，并調試處理好后便可開始采集數據。對液壓試驗臺齒輪泵的軸向位移進行測試。硬件組成如圖1所示。

2．1 傳感器的選擇
    實現(xiàn)位移測量的關鍵是信號的轉換即傳感器的選用。本文針對信息獲取實驗臺液壓回路在正常工況下齒輪泵進行軸向位移信號采集，并對信號進行波形顯示和分析。做出隨時間變化的波形曲線，通過波形顯示和分析結果，從而驗證本位移測試平臺數據顯示程序的正確性和有效性。

    本系統(tǒng)中，位移傳感器選用電渦流位移傳感器CWY-DO-504，量程4 mm，探頭φ14 mm。這是一種將機械位移或振動幅度轉換成電信號輸出的非電量電測裝置。給旋轉軸等轉動體的動態(tài)測量帶來方便，探頭可在水、油等介質中工作。在進行位移測量時，其位移信號的調理采用與之配套的位移信號調理器。本檢測系統(tǒng)可以將位移量轉換成電壓信號供數據采集卡。在執(zhí)行機構帶動位移傳感器運動時可以進行電壓信號的采集，最后通過標定將電壓信號轉換成相應的位移信號，實現(xiàn)位移的測量。其形狀如圖2所示。

2．2 數據采集卡的選擇
    本實驗平臺使用的機箱是NI公司推出的8槽PXI-1050機箱，其工作溫度為0～50℃。集成式信號調理中帶有4個用于SCXI模塊的插槽。具有DC電源和集成式信號調理。4個SCXI插槽將信號調理模塊集成到PXI系統(tǒng)中。本設計中所采用的是NI公司生產的PXI-6251多功能數據采集卡，其主要參數如下：16路模擬輸入通道，16位精度，1．25MS／s采樣率；2路模擬輸出，16位精度，2．8MS／s輸出速度；24路數字I／O，2路定時計數器，滿足位移信號采集的需求，將位移信號轉換為電壓信號輸出。

3 位移測試系統(tǒng)的軟件構成
    模塊化設計數據采集，數據采集模塊的設計對后續(xù)的數據顯示和分析結果以及整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，具有直接影響，本文利用NI公司的DAQ(Data AcQuisition)卡及其驅動程序設計這一模塊，充分利用集成的功能全面的DAQ函數庫和子VI，設計可以實現(xiàn)對數據采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道控制等的數據采集模塊。
3．1 位移測試系統(tǒng)的程序流程
    位移測試系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

3．2 位移測試系統(tǒng)的主控前面板
    位移測試系統(tǒng)的主控前面板如圖4所示。

    在這個位移測試中，前面板可以顯示位移信號的原始波形，還可對位移信號進行求導分析處理，一目了然的顯示出原波形和自相關波形的關鍵信息——有效值、峰峰值和均值。
3．3 位移測試系統(tǒng)的VI設計
    數據存儲與調用。程序設計時，采用數據庫對數據進行存儲、讀取。建立一個Access數據源，通過ADO數據庫訪問技術，充分利用ADO的靈活性，通過編程模型實現(xiàn)對數據庫的操作，執(zhí)行用戶命令，實現(xiàn)對數據的管理。利用ADO技術的LabVIEW數據庫訪問包——LabSQL，用戶可以直接在LabVIEW中以調用子VI的方式實現(xiàn)對數據庫的訪問。數據庫編程如圖5所示。

4 現(xiàn)場試驗
    在對數據進行采集前，要給系統(tǒng)進行調試，保證采集的數據在數據采集卡的規(guī)范范圍內，確保數據采集卡的輸出波形與實際波形相符合，只有達到這個要求才可進行數據采集，保護數據采集卡的安全性。調試好后直接退出，進行數據采集操作。否則要重新調試，直到符合要求方可進行后續(xù)操作。然后將傳感器安裝在齒輪泵的軸向外沿，將采集處理的信號在位移測試系統(tǒng)的前面板上顯示出來，如圖6所示。

    從位移的原波形中可以看到位移信號為一個周期信號，這也可以從自相關圖中判斷出，因為其自相關函數波形不衰減，為同頻率的周期信號。

5 結論
    通過對位移信號的采集和分析，所設計的位移測試系統(tǒng)顯示、分析出來的信號波形與液壓系統(tǒng)的實際運行工況相符合。從而驗證了此開發(fā)平臺的有效性，也為進一步對機器及其零部件的運行情況、在線監(jiān)測、故障診斷提供了一個直觀便捷的分析平臺。