1、基于电涡流传感器的虚拟式微位移测试仪设计基于电涡流传感器的虚拟式微位移测试仪设计摘 要目前，位移检测系统大都使用传统的测量仪器。其功能大多都是由硬件或固化的软件来实现，而且只能通过厂家定义、设置，其功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能，因此已不能适应现代化监测系统的要求。随着控制理论及电子和计算机技术的高速发展，为适应科研和生产的需求，在检测技术领域出现了许多新的理论、新的技术和新的概念，虚拟仪器由此而生。本系统利用虚拟仪器技术在LabVIEW的平台上开发了一套微小位移检测系统。系统硬件由电涡流传感器、信号调理电路、PCI-6221型数据采集卡及计算机等组成，软件采用LabV
2、IEW进行开发。该系统可实现位移数据采集、显示、存储及回放等功能。 关键词：电涡流传感器；位移检测；LabVIEW；虚拟仪器The virtual test system design of Micro-displacement Based on Eddy current sensorAbstractAt present, most of the displacement control system for detecting the use of traditional measuring instruments. Most of its functions are curable by
3、the hardware or software to achieve, but only through the definition of the manufacturers, set up, its functions and specifications are generally fixed, users can not arbitrarily change its structure and function, it can not meet the modern monitoring system requirements. With the control theory and
4、 electronics and the rapid development of computer technology, to meet the research and production needs in the field of detection of many new theories, new technologies and new concepts, virtual machines for us.This design uses virtual instruments on the platform of LabVIEW to develop a micro-displ
5、acement detection system. System hardware from the eddy current sensor, signal conditioning circuits, PCI-6221 data acquisition card and computer and so on, software developed using LabVIEW. The system can achieve the displacement data acquisition, display, and storage and playback functions.Keyword
6、s: Eddy current sensor; displacement detection; LabVIEW; Virtual Instrument第一章 引 言一.1 研究课题背景及目的传统的位移测量和信号分析处理大多是利用电子仪器来实现的。众所周知，仪器是生产的基础,要保证这些测试系统的质量，就要同时购置多套先进而昂贵的仪器。一个传统的实验要使用多种仪器，而且不同测试系统所用的仪器也不尽相同，这么多的仪器不仅价值昂贵、体积大、占用空间多，而且结构复杂、相互连接十分麻烦、还缺乏友好的人机界面。传统的参数检测系统以硬件为核心，系统体积庞大，功能单一，成本高，调试周期长，运行可靠性受到制约，而
7、且系统的更改、升级都涉及硬件电路和系统结构的改动，不符合现代仪器技术的发展方向。如何利用先进的计算机技术提高效率则成为该领域迫切需要解决的问题。随着电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用,新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化，计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，仪器的结构概念和设计观念等都发生了突破性的变化。在上述背景下,出现了全新概念的仪器虚拟仪器。彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，使测控仪器发生了巨大变革。开发了一种基于虚拟仪器技术的新型参数自动测试系统
8、，主要程序采用了LabVIEW软件开发平台，主要硬件采用美国国家仪器公司的数据采集卡，系统能快速、在线、方便、准确地测试各种参数，做到“软件即仪器”。本课题研究目的是将虚拟仪器技术应用到传感器实验台的硬件驱动、数据采集、结果分析、数据显示、数据输出等，改变了传统的设计方法，实现了对传感器实验台的基于虚拟仪器思想的程控，对虚拟仪器技术在控制领域的应用提供一个全新的开始。并且在通用化的硬件配置下，实验人员利用LABVIEW虚拟仪器开发平台，通过调用控件及相关图标就可以构建高性能的实验仪器，而并不需要使用者具备熟练掌握计算机编程语言和程序设计的知识背景，特别有利于高校实验教师和学生自行设计实现虚拟示
9、波器、虚拟信号发生器、虚拟频谱仪、虚拟积分器和微分器等实验教学用仪器。一.2 本课题的任务本设计是基于电涡流传感器的虚拟式微位移测试系统，被检测的参数是几毫米的位移信号，很小的位移信号需要先进的检测设备才能精确地测量。因此本系统是利用虚拟仪器技术在LabVIEW的平台上设计的位移自动检测系统。本课题的研究内容主要包括以下几个方面： 熟悉位移传感器的种类、结构及工作原理，重点掌握电涡流传感器的结构、原理和特性。设计基于电涡流传感器的虚拟式微位移测试仪的软、硬件。该系统可实现位移数据采集、显示、存储及回放等功能。第二章 微位移检测系统总体方案的确定本系统主要是利用虚拟仪器设计微位移自动检测系统。虚
10、拟仪器技术是20世纪90年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物，它在测试测量与控制领域中占有重要地位 ，并正成为当今世界流行的仪器构成方案。二.1 位移检测系统开发平台二.1.1 虚拟仪器概念伴随着微电子技术，计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器，同时也由单台仪器逐渐发展到叠加式仪器系统、虚拟仪器系统等。1986年美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器的概念。所谓虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块结合起来，用户可以利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立中英文界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控
11、制、数据分析、存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，且用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器技术利用PC机高速数据采集和处理能力，对被测对象进行数据采集、分析、存储、显示等。虚拟仪器排除了干扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高了测试精度。虚拟仪器控制功能强，有自动调零、自动调节量程、自动转换极性和自动校准等功能。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕上建立起图形的软面板来代替常规的仪器控制面板。用户通过鼠标或键盘操作软面板来进行操作，操作方便，易于掌握 。虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器
12、系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物，是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关键。二.1.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号，可分为两类：一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器。最简单的是基于PC总线的插卡式仪器，也包括带GPIB接口和串行接口的仪器；另一类是用于高可靠性的关键任务，如航空、航天、国防等应用的仪器系统，由计算机统一管理、统一操作。软件的功能定义了仪
13、器的功能。因此，虚拟仪器最重要、最核心的技术是虚拟仪器软件开发环境。作为面向仪器的软件环境应具备以下特点：一是软件环境是针对测试工程师而非专业程序员，因此，编程必须简单，易于理解和修改；二是具有强大的人机交互界面设计功能，容易实现模拟仪器面板；三是具有强大的数据分析能力和数据可视化分析能力，提供丰富的仪器总线接口硬件驱动程序。二.1.3 虚拟仪器与传统仪器虚拟仪器与传统仪器相比，在概念和功能上有重大突破。通常，传统仪器在完成某个测试任务时，需要许多仪器，如示波器、电压表、频率分析仪、信号发生器等，对复杂的数字电路系统还需要逻辑分析仪、IC测试仪等。这么多的仪器不仅价格昂贵、体积大、占用空间，而
14、且相互连接起来费事。而虚拟仪器将计算机资源与仪器硬件、DSP技术结合，在系统内共享硬件资源，既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能。它把由厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，用户可根据测试功能的需要，自己设计所需要的仪器系统，只要将具有一种或多种功能的通用模块相结合，并且调用不同功能的软件模块，就能组成不同的仪器功能。将传感器采集的电信号放大和整形后，经A/D变换存入内存，再由计算机软件处理，并显示输出，就可以组成虚拟示波器、虚拟计数器、频谱分析仪、虚拟多用表等。利用DSP及相应的算法，将所生成的数据送入D/A转换器，再经信号调理产生所需的信号，又可构成虚拟仪器信号发
15、生器。当测试要求改变时，只要增加或更改仪器软硬件模块，就可以构成新的仪器，而不必重新购买整台仪器。因此，虚拟仪器充分发挥了计算机的作用，便于与计算机通信相结合来建立计算机网络，组建复杂的测试系统。虚拟仪器与传统仪器的比较如表2.1所示。表2.1 虚拟仪器与传统仪器传统一起虚拟仪器功能有由仪器厂商定义功能由用户自己定义图形界面小、人工读取数据、信息量小界面图形化、计算机读取数据并分析处理数据无法编辑数据可编辑、存储、打印硬件是关键部分软件是关键部分价格昂贵价格低廉、重用性高系统封闭、功能固定、可扩展性差扩展性强、可构成多种仪器技术更新慢技术更新快开发和维护费用高节省开发费用提供有限的连接性与网络
16、周边连接方便由上表可以看出虚拟仪器相对于传统仪器的优点，在实际检测系统中虚拟仪器也表现了它具有优越性的一面。利用传统仪器的位移检测系统原理如图2.2所示。图2.2 传统仪器检测原理图利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测量精度和测量速度、减少了开关和电缆，系统易于扩充、易于修改，使得测试系统体积小、灵活方便、成本低、效率高，成为现代测试系统发展的主流。图2.3为利用虚拟仪器的位移检测系统原理图。图2.3 虚拟仪器检测原理图虚拟仪器软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其它控制部件。用户通过鼠标或键盘操作软面板，检验仪器的通信和操作。在系统集成后，用户不用编写测试程序，即可进行测试、测
17、量，实现了测试的自动化、智能化。二.1.4 虚拟仪器的应用虚拟仪器技术的优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易，转换灵活，因此应用领域十分广阔。目前，国内外有许多部门和公司都在积极地开展这些方面的研究和应用工作。比如，国内许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中，清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测。虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、模拟电路/数字电路测试、现代家用电器测试以及航天、军事、生物医学、工厂测试、电工技术领域等的可移动式现场测试工作中得到应用，且应用领域还将不断拓宽。二.1.5 LabVIEW语言简介LabV
18、IEW的开发环境分为三部分：前面板、框图程序和图标/连接端口。前面板就是图形化的用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。在前面板中，输入量被称为控制，输出量被称为指示，它们通过各种图标如按钮、旋钮、开关、图表等出现在前面板上，模拟真实仪器。框图程序由节点和数据连线组成，它利用图形语言对前面板上的控制对象即输入量和输出量进行控制，节点用来实现函数和功能的调用，数据连线表示程序执行过程的数据流，它定义了程序框图内的数据流动方向。图标/连接端口用于把LabVIEW程序定义为一个子程序，从而实现模块化编程，图标是子程序在其他程序框图中被调用的节点表现形式，连接端口则表示节点数据的输入、输出口。数据分析
19、能力和数据可视化分析能力，提供丰富的仪器总线接口硬件驱动程序。LabVIEW具有三个可移动的图形化工具模板：工具模板、控件模板和功能模板。工具模板提供了用于图形操作的各种工具，比如定位、标注、断点、连线、文字注释等；控件模板提供了前面板编辑所需的图像图标、一些特殊的图形；功能模板则提供了一些基本的数学函数和其他功能函数。这三个模板是LabVIEW编程的主要工具。LabVIEW是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境。它与C、Basic等传统语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。但二者最大区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而L
20、abVIEW使用图形语言，以框图的形式编写程序。NI公司的LabVIEW是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建仪器系统的能力。将LabVIEW与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域。二.2 微位移检测系统总体方案设计本系统主要是在虚拟仪器的平台上设计微位移自动检测系统。其原理图如图2.4所示。图2.4 检测系统原理图首先，传感器采集位移信号，通过信号调理电路板将信号处理，然后通过NI SCC-68接线端子送到数据采集卡，数据采集卡利用LabVIEW软件编写的数据采
21、集程序将数据送入计算机，计算机通过虚拟仪器做的界面可以对采集回来的数据进行同步显示，同时还可以对数据进行存储，以便查看历史记录。第三章 微位移检测系统的硬件配置本设计以一个基于电涡流传感器虚拟式微位移测试仪的系统为例，来解析LABVIEW软件的应用。与常规的电涡流传感器微位移测试仪的系统不同，虚拟式系统的硬件部分是由三大部分组成： 计算机：是整个检测系统的数据采集、数据管理、控制决策中心。 信号检测部分：电涡流传感器负责采集与被测对象之间的位移信号并将其通过信号调理电路模块板处理后，通过数据采集卡送入计算机。 数据采集板部分：包括数据采集板及其配套设施，将采集到的数据进行A/D转换，传送进入计
22、算机，采集到的实时数据可以在计算机上进行显示、存储及打印。虚拟仪器的软件采用LABVIEW设计，它采用数据流程的图形化C语言编程技术，把复杂费时的软件编程简化为菜单提示和图标连接调用，虚拟仪器要完成的工作是接收数据、处理数据并显示数据。虚拟仪器在本设计系统中的任务就是计算机通过与数据采集卡的数据通信，接收数字信号，显示出所测微位移的数值，并将结果输入数据库中加以存储。基于电涡流传感器的虚拟式微位移测试仪硬件系统如图3.1所示，全能满足在实验室中对不同微位移信号精确测量的要求。该系统利用一套硬件设备，使用不同的软件就可以满足各种测量的要求，并具有高精度、高效率和全自动的特点，是现代测量设备发展的
23、方向。图3.1 系统硬件实物图连接三.1 传感器传感器是一种测量装置，它能感受或响应规定的被测量，并按照一定的规律将敏感元件转换来的模拟信号转换成可用的输出信号，以满足信息的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。传感器的好坏直接影响采集数据的精确度，对检测系统有直接的影响。对传感器有如下要求： 准确性。传感器的输出信号必须准确反应其输入量，即被测量变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，且最好是线性关系，即只要被测量的变化对传感器有作用，非被测量则没有作用，真正做到这一点是困难的。一般要求非被测量对传感器的影响很小，可以忽略不计。 稳定性。即传感器的输入输出的单值函数是
24、不随时间变化的，且受外界其他因素的干扰很小，工艺上还能准确地复现。 灵敏性。即要求较小的输入量便可得到较大的输出信号。本设计只是在实验室内做的微位移自动检测系统，选择电涡流传感器作为检测元件，来完成信号的传送。电涡流传感器的最大特点是非接触测量，这是被广泛应用的主要原因，其优点是灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响。因此常被用于对大型旋转机械的轴向位移，胀差，轴振动，轴转速等参数进行长期实时监测。可以分析出设备的工作状况和故障的早期预报，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。根据法拉第电磁感应原理， 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时， 导体内将产生呈涡
25、旋状的感应电流，此电流叫电涡流， 以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生高频的电流从振荡器流入探头线圈中，线圈就产生了一个高频电磁场。当被测金属体的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，即电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这两个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗并使探头的品质因数降低，影响了线圈的阻抗。所以探头与被测金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。原理图如下图3.
26、2所示。图3.2 电涡流原理图在利用电涡流传感器测量位移时，激励线圈与被测金属体之间的距离的变化引起互感M 发生变化，其等效电感L 变化。当线圈与金属体之间的距离比较远时，电涡流对线圈电感的影响可以忽略不计，线圈中电感最大，谐振频率最低，输出最大。随着距离的减小，涡流逐渐增强，线圈的电感减小，从而使谐振频率增高，于是输出电压幅值下降。当距离减小为0时，根据涡流的趋肤效应，输出应该不为0。然而，由于被测物体表面的不平度，常常有一零输出值。电涡流传感器的金属导体可看作一个短路线圈，它与通电扁平线圈磁性相连,当两线圈间的距离变化时，其间的互感量与电感量都要发生变化，由涡流变换器(放大器、检波器、滤波
27、器的组合) 转换为电量输出。测量位移的原理图如图3.3所示。图3.3 测量位移的原理图三.2 信号调理模块信号调理是联系传感器和数据采集模块的桥梁。随着传感器技术的发展，其输出信号的可能性也不断增加，测试系统在信号进入数据采集卡之前所需做的工作也不断增加，信号调理是一个不断更新的环节，所做的工作主要有:信号放大(或衰减)、滤波、线性化等。如图3.4所示，就是本系统的信号调理模块电路图。图3.4 信号调理模块电路图将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。在测微头端部装上金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。将实验模板输出端V0与数显单元输入端
28、Vi相接，数显电压表量程置20V档。用连接导线接入15V直流电源到模板上标有15V的插孔中。由于条件所限，本系统只能接入+12V的电源。开启电源开关，移动检测微头与传感器线圈端部接触，然后记下读数，旋转测微头每隔 0.2mm读一个数据，直到输出几乎不变为止。画出V-X 曲线，根据曲线找出线性区域，计算出电压与位移的函数关系式：V=8.8*(X-3.75)，得出检测的线性位移量程为2mm，输出的电压信号在0V5.5V的范围内。为了能更迅速、精确地将检测的微位移信号送出显示，本设计采取计算机来接受信号，数据采集卡就是将两者连接起来的重要桥梁。三.3 数据采集卡三.3.1 数据采集卡的选用 选择一款
29、合适的数据采集卡，首先要了解数据采集卡的核心部件A/D变换器，此外还应该了解板卡上一些有关部件和一些选用的指标。 (1)数据分辨率和精度 精度和分辨率有所不同，精度除了涉及A/D转换精度外还考虑测试系统各部分误差。采集板卡的分辨率必须大于所要求的测试精度。 (2)最高采样速度 数据采集卡的最高采样速度一般用最高采样频率(Hz)来表示，它表示其单通道采样能使用的最高采样频率，这也就限制了该数据采集卡能够处理信号的最高频率(最高采样频率/2 )。如果要进行多通道采样，则能够达到的采样频率是原最高采样频率除以通道数。 (3)通道数 通道数指能够同时采样的通道数，根据测试任务选择。任务的通道可自行设定
30、，采集任务可以在DAQmx中进行建立。 (4)数据总线接口类型 不同的总线接口类型的数据采集板卡的接口硬件形式不一样，数据传递的规则和数据传递的速度也不一样，PCI总线是台式计算机中目前最通用的总线，而笔记本电脑中常用PXMCIA总线，PXI和VXI总线是比较新兴的高速传输总线。 (5)是否有隔离 好的数据采集板卡每个通道的输入和输出端之间带有隔离放大器。对于工作在强电磁场干扰环境中的数据采集系统，选择具有隔离配置的数据采集板卡才能保证数据采集的可靠性。 (6)板卡本身是否带有微处理器 自身带有微处理器(CPU)的数据采集卡可以当作主机的下位机使用，自行控制采样的进行。 (7)是否有标定功能
31、数据采集卡使用一段时间后，器件值会有变化，基准电压也可能会改变，零点会漂移。对于高精度的数据采集，需要每隔一段时间进行精度标定，好的数据采集卡具有自我标定功能，但价格高很多。 (8)支持的软件驱动程序及软件平台 和数据采集卡的硬件接口类似，买来的数据采集板卡能在什么软件环境中使用，使用起来是否还需要自己编制驱动程序，这也是选择一款数据采集卡很重要的因素。选择数据采集卡的软件除了和现有的测试系统兼容以外，还应考虑其更广泛的兼容性和灵活性，以备在其他测试任务和系统中也能使用。 另外，数据采集卡的选择还有一些常用的指标，如输入电压的最大范围、输入增益的种类、是否有模拟输出、输入触发的类型等。三.3.
32、2 设计所选数据采集卡本设计选择NI公司PCI-6221型数据采集卡。此卡性能适合本设计的采集任务。它属于NI公司M系列16位数采卡产品，具有16个模拟输入通道，2个模拟输出通道，10个数字输出通道，具有从2Hz1MHz范围的数字I/O功能，最大工作速率达到250Ks/s，输入输出电压范围-10V+10V,此外还有37针数据接入端子，32位的计数器和数字触发。数据采集板也称DAQ（Date Acquisition）,由数据采集器、存储单元和控制逻辑等部分组成。其中，数据采集器包括多路开关MUX、测量放大器AMP、数据保持器和A/D转换器等，它负责将多个现场模拟信号采样量化为数字信号，以便送入计算机作进一步分析处理；存储单元包括存储器和数据缓冲器；I/O及控制逻辑用于I/O编码、定时计数、通信及产生数据传输方式控制信号等。数据采集卡有两个主要指标： 采样率 对于数据采集设备来讲,采样率就是进行A/D转换的速率
