基于虚拟仪器技术的速度测量系统设计

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1、基于虚拟仪器技术的速度测量系统设计余光伟1，刘江山1*，范四辈2，毛卫勇1（1. 上海大学机电工程与自动化学院，上海，200072 2. 上海恩坦华汽车门系统有限公司，上海，200131)摘要：为了测量物体移动或者旋转时的速度，本文以虚拟仪器技术为基础，分别以测量汽车门关闭时的速度和电机旋转时的转速为例，利用研华PCI-1711L数据采集卡采集传感器的脉冲信号，利用LabVIEW软件开发了测量速度的程序，测得汽车关门速度和电机转速；本文还利用所开发的系统进行了实验验证，并进行了数据分析。本文给出了一条准确、方便、性价比高的速度测量途径。关键词：虚拟仪器；LabVIEW；脉冲信号；速度测量中图分

2、类号：TH 824；TM306 文献标志码： A 文章编号：Design of Velocity Measurement System Based on Virtual Instrument Technology Yu Guang-wei, Liu Jiang-shan, Fan Si-bei, Mao Wei-yong(1. School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai, 2000722. Shanghai Inteva Automotive Door Systems Co L

3、td, Shanghai, 200131)Abstract: In order to measure the speed of moving or rotating object, based on the virtual instrument technology, the paper takes the measurement of closing car door and rotating motor respectively for example, uses the PCI-1711L data collection card to acquire the pulse signal

4、from sensor, develops the measurement software with LabVIEW to obtain the car door closing speed and motor rotating speed; the paper also uses the developed system to carry out measurement, and gives the result of data analysis. The paper puts forward an accurate, convenient and cost-effective way f

5、or speed measurement.Key words: Virtual instrument; LabVIEW; Pulse signal; Speed measurement引言速度值是衡量运动物体性能的重要参数，而对于两种典型运动（直线运动和旋转运动）速度的测量在现代化工业中较为常用。例如：在汽车制造业中，测量汽车门锁关闭速度等，对于研究汽车性能以及降低噪声十分重要；而在工业控制中转速对电机来说也是一个极为重要的参数3，对电机转速进行测量不仅能够节约能源，提高效率，而且在空载时能够了解电机自身损耗的大小，重载时可及时发现电机是否过载5，并且电机转速的检测对系统的稳态误差及动态响应性

6、能都有着至关重要的影响2。目前，对于直线运动速度一般采用定标杆和秒表计时的方法进行测量，再通过人工计算得出速度值，这种检测检验手段比较落后，人为误差大，测量准确度低；而对于转速的测量最通用的仪器是机械接触式转速计，这种测量装置由于硬件的局限性，功能单一，扩展性差，无分析功能且安全作者简介：刘江山（1986），男，上海大学机械设计及理论专业硕士研究生，主要从事虚拟仪器检测技术以及滚动轴承故障诊断方面的学习和研究。联系电话：18801928160 通讯地址：上海市闸北区延长路149号轴承楼301室 邮箱：liujiangshan86。性差等，不能满足现代测量技术的要求6。随着光电技术以及计算机技术

7、的普及和日趋完善，采用虚拟仪器技术进行非接触式测量速度，显示出了其相对传统硬件仪器的诸多优越性；不仅结构简单，成本低廉，而且具有性能高、扩展性强、开发时间短，数据存储读取方便等优点1。因此，虚拟仪器技术逐渐得到越来越广泛的运用。虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是以PC机为仪器的硬件平台，将测试仪器的功能和面板控件都形成相对应的软件，并以文件的形式存放在软件库中，同时将数据采集板卡插入计算机总线槽内，即可实现数据交换的模块化硬件接口，使仪器测试功能、测试软件和输入计算机内的数据能够在计算机系统管理器的统一指挥和协调下运行。本文利用虚拟仪器技术和NI公司开发的LabVIE

8、W为软件开发平台，采用传感器、PC机和数据采集卡为主的硬件结构，搭建一个基于虚拟仪器的数据采集系统，实现对汽车门关闭速度和电机转速的测量及显示。1 虚拟仪器测速系统原理1.1 汽车门关闭测速系统硬件组成及测试方法在汽车行业中，为了测试汽车车门在一定关门速度下的声音品质表现，改善车门关闭时的噪声，以及研究车门锁闭系统的性能，需要对汽车门关闭时的速度进行测量和分析，根据汽车行业一般测试标准，评价时车门标准关闭速度一般是以1.2m/s进行评价的。最初的测试方法是将U型光电传感器吸附在车身上，将一长70mm宽45mm无开槽的金属测量板吸附在汽车门上；当关闭车门时，金属测量板穿过传感器U型槽产生脉冲信号

9、，然后利用YOKOGAWA公司生产的DL750型示波器，获得一个脉冲信号所经历的时间，用金属测量板的长度除以该时间，即可得到车门关闭的速度。由于此法操作很不方便，费时费力，在计算速度时带有一定的人为误差。改进后的方法是，使用虚拟仪器技术进行自动测量速度；用于产生测量信号的带槽金属测量板如图4所示。汽车门关闭速度测试系统示意图如图1所示。图1汽车门关闭速度测试系统示意图1.2 电机转速测量系统硬件组成及测试方法测量电机转速的方法主要是，测量传感器在电机轴旋转一圈时所产生的脉冲数。根据脉冲信号和标准频率信号之间的相互关系，可将转速测量分为：测频法(M法)、测周期法(T法)和测频率周期法(M/T法)

10、 3，这些方法统称为脉冲计数法，所使用的传感器主要有接近开关、光电耦合器和霍尔元件等。测频法是将传感器测出的脉冲信号经整形放大后送入计数器，然后用定时器在1秒中内得到的计数器值即为电机转速。测周期法是根据传感器测出的两个相邻脉冲的间隔时间来确定被测速度。测频率周期法结合了前两种方法4，通过同时测量检测时间和在此检测时间内传感器发出的脉冲数来确定被测速度。转速的测量精度主要取决于传感器的频响和精度。由于本实验所测电机为74ND06型低速电机，综合考虑各种因素选取测周期法来测试电机转速。此转速测量系统主要由计算机、数据采集卡、传感器（接近开关）等三部分组成，其系统组成如图2所示。图2 电机转速测试

11、系统示意图2虚拟仪器测速系统软件架构及测速原理2.1 虚拟仪器软件系统的架构虚拟仪器的软件系统主要是使本来由硬件实现的仪器功能虚拟化，以便能最大限度地降低成本，增加系统的功能与灵活性，一般包括VISA库、仪器驱动程序、仪器开发软件等三部分。本系统主要以LabVIEW8.5软件为开发平台来开发测量软件。虚拟仪器系统软、硬件关系如图3所示。系统管理虚拟仪器开发软件信号调理DAQA/D卡D/A卡仪器软件系统 虚拟仪器驱动程序DAQ接口 仪器硬件系统 图3 虚拟仪器系统软件、硬件关系图2.2汽车门关闭速度测量原理本测量系统采用带有槽口的测量板，当测量板穿过U型光电传感器即可产生一个完整的脉冲信号，能产

12、生完整脉冲周期的测量板长度为38.7mm（测量板及产生的脉冲信号如图4所示）。将该测量板吸附在车门上，车门关闭时，测量板穿过吸附在车身上的U型传感器，U型槽两端分别有光发生器和接收器并形成严格对中的光轴，当测量板在进入和离开U型槽的瞬间会阻断和接通光轴而产生光信号，然后借助光电元件进一步将光信号转换成高低电平的脉冲信号。本实验用研华PCI-1711L数据采集卡对此脉冲信号进行采集和处理后输入计算机，利用开发的LabVIEW程序，对数据进行分析、显示和存储。车门关闭速度计算公式如式1所示。式1中n为车门关闭时的速度，L为测量板有效长度，t为一个脉冲信号周期所经历的时间，单位为秒。时间t的计算公式

13、如式2所示： （2）式2中N表示脉冲信号的采样点数，40960表示数据采集卡的采样频率。图4 测量板图及产生的脉冲信号图2.3电机转速测量原理当电机以一定的速度转动时，为使传感器能获取电机转动时的脉冲信号，本文采用在电机轴前端固定一金属杆的方法进行测量，将传感器放在距金属杆伸出端前方14mm处；当金属杆随电机旋转时，产生一个短暂的高低电平脉冲信号，电机每旋转一周产生一个脉冲信号，利用研华PCI-1711L数据采集卡对此脉冲信号进行采集并进行A/D转换后输入计算机，利用开发的LabVIEW程序对数据进行分析、显示和存储。电机每转一圈输出1个脉冲波形信号，假定在电机在1s钟内采集到1个脉冲波，那么

14、电机的转速就是60rpm，计算公式如式（3）所示。 （rpm） （3）式3中n为电机转速，T为脉冲信号周期，60表示时间换算成分钟数。3 基于虚拟仪器测速系统的LabVIEW程序设计基于虚拟仪器技术的LabVIEW测速程序主要包括信号采集模块、数据检测模块和数据处理模块等，其程序设计流程图如图5所示。数据检测模块波形检 测原始信号数据保 存数据采 集脉冲信号采集A/D转换公式处 理数值显 示信号采集模块设置参考电平数据处理模块波形显 示采 样设 置图5 虚拟仪器程序设计流程图传感器检测到一个高低电平的脉冲信号后，利用研华PCI-1711L数据采集卡对该信号进行采集并输入计算机，利用所开发的La

15、bVIEW程序获取并显示出该电压信号的波形。可以利用LabVIEW中的Pulse Measurements .vi模块，获取该电压信号的脉冲周期、脉冲持续周期、占空比和测量信息等并显式在程序前面板上。脉冲波形可由测量状态和参考电平确定其位置，并产生测量时间间隔，其中参考电平可指定为状态电平的百分比，其数值不同所测得的精度不同，低状态和高状态分别对应于0和100，本实验使用的低、中和高参考电平分别为40%、50%和60。在实际计算中，脉冲周期即为两次高电平信号上升沿之间的时间间隔，单位为秒。求出脉冲信号的周期后，由程序中的速度计算模块计算速度，然后在程序前面板上以波形图和数值的形式显示速度值。在

16、实际的测试应用中，通常需要将测得的实验数据保存起来以便于以后的研究；所开发的程序可以将测试结果写入到测试数据文件中，存储路径可由使用者自行选择；使用者不需要做大量的数据记录工作，可以随时调出数据进行分析，节省大量人力物力。4 实验结果分析完成硬件试验台搭建和软件编程，设置好数据采集卡的参数后运行程序，开始对信号进行采集、分析和处理；根据要求，车门的关闭速度应为1.20m/s，测量误差为。对于电机转速的测量，所用电机额定转速为95.9r/min，要求测量误差小于4%，所设计的基于虚拟仪器的测速系统的测试精度均能满足要求。另外，在测量电机转速时由于实验条件限制而使电机没有固定，因此电机转动时产生轻

17、微的偏移和振动，故传感器感应脉冲信号时会产生误差，所以在测试时如果将电机固定后再测量效果会更佳。利用虚拟仪器技术测量的汽车门锁关闭速度数据分析见下表1所示，测量电机转速实验数据分析见下表2所示。表1 汽车门锁关闭速度实验数据分析实验次数第1次第2次第3次第4次第5次第6次实验结果（m/s）1.191.211.191.211.201.20表2 电机转速试验数据分析实验次数第1次第2次第3次第4次第5次第6次实验结果（rpm）95.295.595.796.195.695.4在检测过程中不管用什么方法进行检测总是会有误差，所以检测值并不是其真实值。检测值与真实值之间的差距就是评价检测方法的重要指标。

18、为了检验检测方法的准确度，需要求其均值和标准差来进行衡量，计算结果如下所示。对于汽车门锁关闭速度的测试数据，其平均值为，其标准差为；对于电机转速的测试数据，其平均值为，其标准差为。该方法的测量结果准确，精度高，且成本低廉。对于车门速度测量，可测量的最小值可达38.7mm/s，对于电机转速的测量，可测量的最小转速可达1rpm，而测量上限可达很高的值，主要取决于光电传感器的频响和数据采集卡的采样频率。5 结论实验结果表明，基于虚拟仪器和计算机技术的速度测量系统，测试数据稳定性好，数据准确、可靠，可避免人为因素对数据结果的影响。本文设计的虚拟仪器设备也能缩短系统开发周期，降低开发成本，适用于各种测量

19、直线运动速度和转速的场合，为检测速度提供了一条准确、方便的途径。参考文献：1 Jeffrey Travis，Jim Kring.LabVIEW for Everyone:Graphical Programming Made Easy and FunM.3.Prentice Hall，2006.2 吴房胜.电机转速测量器件高精度检测装置的研究D.安徽:安徽理工大学，2010.3 姚伟鹏，韩党群.一种新型电机转仪器的流速测量研究J.设计参考，2008(12).4 鲁进军，梅志千等.电动机的高精度宽范围转速测量方法J.中国电机工程学报，2011(8).5 Pan， Haipeng; Yao， Jun. Motor parameter measurement and testing system based on LabVIEW J.Engineering Index，2012(7).6 何万平，雷小军.基于LabVIEW的速度非接触测量系统J.矿业研究与开发，2010(2).