基于LabVIEW的位移测量系统设计

2012-07-04范小兰赵春锋

制造业自动化 2012年15期

范小兰，赵春锋

（上海工程技术大学工程实训中心，上海 201620）

0 引言

位移测量是机械量测量中最常见的一种。常用的小位移测量方法是由传感器感受微小位移，经过信号调理电路转换为模拟量并送到数据采集卡，由计算机对数据进行采集和处理。也可以由单片机系统进行此工作。这两种方法各有缺点：单片机数据处理功能比较弱，而数据采集卡价格贵且需要专业人员进行编程来采集和处理数据。应用美国国家仪器公司（National Instruments，NI）推出的基于“图形”方式的集成化程序开发环境LabVIEW，与NI公司开发的数据采集装置相配合可以使位移测量系统更加简洁、可靠[1,4]。

1 位移测量系统构成

位移测量系统构成如图1所示，整个系统由差动式电感传感器、信号调理电路AD698、LabVIEW软件、计算机、数据采集卡构成。差动式电感传感器感受小位移，信号调理电路AD698将传感器的信号转换为数据采集设备需要的模拟信号，数据采集卡实现对被测信号的模数转换，利用计算机中的LabVIEW软件实现对数据采集卡的数据的采集并利用编写的程序进行数据处理，利用显示器进行波形显示。

2 位移测量系统设计

2.1 差动式电感传感器与由AD698的连接

差动式电感传感器的输出信号必须经过信号调理电路才能转换为仪表或数据采集系统需要的模拟量或数字量。传统的方法是采用分立元件构成差动整流电路和相敏检波电路[2]。这种信号调理电路比较复杂，不易调试，因此我们采用了美国Analog Devices公司生产的差动式电感传感器（LVDT）信号调理系统AD698。

AD698与LVDT配合，能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。只要增加几个外接元件来确定激磁频率和增益，AD698就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号[3]。因此，由其构成信号调理电路非常简单，而且性能可靠。差动式电感传感器与AD698的连接方法如图2所示。

图1 位移测量系统结构

图2 差动式电感传感器与AD698的连接电路

2.2 LabVIEW与数据采集卡的连接

数据采集卡的任务是将测量的信号转换为数字信号。数据采集系统由软件进行控制—获取数据行、分析数据并得出结论。数据采集卡采用NI公司的NI USB-6009低价位多功能数据采集卡。它用于USB，有8路模拟输入通道(14位分辨率，48kS/s) ，2路模拟输出通道(12位分辨率,150 S/s)，12条数字I/O线，32分辨率计数器。本测量平台只利用了其8个模拟通道的其中一个—通道0，即差动式电感传感器采集的微位移量经信号调理电路AD698成为模拟信号后送入NI USB-6009通道0，由LabVIEW中的DAQ助手实现对此通道的数据采集。

2.3 测量界面编辑

2.3.1 前面板设计

图3 用户界面

前面板就是图形化用户界面。该界面可以模拟真实仪器的前面板，用于设置输入数值和观察输出量。前面板界面如图3所示。其中各控件作用如下：开关按钮用来控制测量的起与停；放置三个数值输入控件，分别输入标定值、数据采样率、设定比较初值；放置一波形图表，用来显示被测模拟信号随时间变化的波形；测量结果利用数值显示控件显示；文件路径显示控件，用来确定被测信号转换为位移量后的存放位置。

2.3.2 程序控制

程序框图如图4所示。程序框图与前面板相对应，用图形化编程语言G语言编写。框图是定义虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）功能的图形化源代码。程序框图由节点、端口和数据连线而成。在图中对VI编程就是对输入信息进行运算和处理，最后在前面板上把结果反馈给用户。程序框图中，放置一公式函数，实现被测模拟信号与一常数（即标定值）相乘，得到输出为位移量，存放到指定文件中。程序框图中放置一DAQ Assistant（数据采集助手），其作用是配置数据采集任务，选择模拟信号输入通道、设定输入电压范围、选择采集方式等。

图4 程序框图

至此，切换到前面板，运行程序。可以看到数据被采集回来并在屏幕上显示。当启动开关按钮，开始测量数据。测量数据经过公式处理，由波形图表显示测量信号，由数值显示控件显示测量结果。每隔一定时间将测量数据存入指定文件。按动停止按钮，则测量停止。在此程序框图中，利用编程函数中的数据比较功能找出测量数据的最大值和最小值并求二者的差，测量结果即为传感器感受的最大位移量。