機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 課件 熊詩波 第8、9章 智能儀器與虛擬儀器、位移測量

第8章

智能儀器與虛擬儀器目錄概述智能儀器簡介虛擬儀器與軟件8.18.28.38.1概述

儀器儀表的發(fā)展可以簡單地劃分為三代。第一代為指針式(或模擬式)儀器儀表,如指針式萬用表、功率表等,它們的結(jié)構(gòu)是電磁式的,基于電磁測量原理采用指針來實現(xiàn)最終的測量結(jié)果指示。第二代為數(shù)字式儀器儀表,如數(shù)字電壓表、數(shù)字功率計、數(shù)字頻率計等,它們的基本結(jié)構(gòu)離不開A-D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),并以數(shù)字方式指示或打印測量結(jié)果。第二代儀器響應(yīng)速度較快,測量準(zhǔn)確度較高。第三代就是本書要討論的智能式儀器儀表(簡稱為智能儀器)。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了世界上第一個微處理器芯片。由微處理器芯片所構(gòu)成的微型計算機(簡稱為“微機”),不僅具有計算機通常所具有的運算、判斷、記憶、控制等功能,而且還具有功耗低、體積小、可靠性高、價格低廉等優(yōu)點,因此,微機的發(fā)展非常迅速。隨著微機性能的日益強大,其使用領(lǐng)域也越來越廣泛。

作為微機滲透到儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域并得到充分應(yīng)用的結(jié)果,在該領(lǐng)域出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器——智能儀器,從而開創(chuàng)了儀器儀表的嶄新時代。智能儀器是計算機技術(shù)與測量相結(jié)合的產(chǎn)物,是含有微機或微處理器的測量(或檢測)儀器。由于它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能,具有一定智能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強等),因而被稱為智能儀器。這一觀點已逐漸被國內(nèi)外學(xué)術(shù)界所接受。近年來,智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展。它體現(xiàn)為模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、傳感器融合、機件壽命預(yù)測等,使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。智能儀器的出現(xiàn)對儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實驗研究產(chǎn)生了深遠影響,是儀器設(shè)計的里程碑。8.1概述8.1概述

智能儀器除了在傳統(tǒng)儀器的改進方面取得了巨大的成就外,還開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域,出現(xiàn)了許多新型儀器。近20年來,制造業(yè)(汽車制造,VISI制造,各種電子設(shè)備如計算機、電視機等)的高速發(fā)展,使計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)達到了很高水平,對人類生產(chǎn)力的發(fā)展起到巨大的推動作用。為了對CAM的工作質(zhì)量進行及時監(jiān)督,使成品或半成品的質(zhì)量得到保證,要求實現(xiàn)對整個加工工藝過程中各重要環(huán)節(jié)或工位的在線檢測。因此,在生產(chǎn)線上或檢驗室內(nèi)涌現(xiàn)了大量的應(yīng)用各種計算機輔助測試(ComputerAidedTest,CAT)技術(shù)的儀器。8.1概述

由于微機內(nèi)存容量的不斷增加,工作速度的不斷提高,使其數(shù)據(jù)處理能力有了極大的改善,這樣就可把信號分析技術(shù)引入智能儀器中。這些信號分析往往以數(shù)字濾波或快速傅里葉變換(FFT)為主體,配之以各種不同的分析軟件,如智能化的醫(yī)學(xué)診斷儀及機器故障診斷儀等。這類儀器的進一步發(fā)展就是測試診斷專家系統(tǒng),其社會效益及經(jīng)濟效益都是十分巨大的。

作為智能儀器的重要分支,虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的人機對話界面,模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成,標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分,才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能好、擴展性強、開發(fā)時間少以及出色的集成這四大優(yōu)勢。8.2智能儀器簡介

所謂智能儀器是用以形容新的一代測量儀器,這類儀器儀表中含有微處理器、單片計算機或體積很小的微機,有時亦稱為內(nèi)含微處理器的儀器或基于微機的儀器。這類儀器因為功能豐富又很靈巧,國外書刊中常將其簡稱為智能儀器。智能儀器的出現(xiàn),極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢,迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

智能儀器的工作過程為:傳感器拾取被測參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān);由單片機逐路選通模擬開關(guān)將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器,放大后的信號經(jīng)A-D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號,再送入單片機中;單片機根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算和處理(如非線性校正等);運算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行顯示和打印;同時單片機把運算結(jié)果與存儲于片內(nèi)閃速存儲器(FlashROM)或電可擦除存儲器(E2PROM)內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進行運算比較后,根據(jù)運算結(jié)果和控制要求,輸出相應(yīng)的控制信號(如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等)。此外,智能儀器還可以與微機組成分布式測控系統(tǒng),由單片機作為下位機采集各種測量信號與數(shù)據(jù),將信息傳輸給上位機——PC,由PC進行全局管理。8.2智能儀器簡介

與傳統(tǒng)的儀器儀表相比,智能儀器具有以下功能特點:1)儀器的整個測量過程,如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制器來控制操作,實現(xiàn)了測量過程的全部自動化。2)具有自測功能,包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準(zhǔn)、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行,同時也可在儀器工作中運行,極大地方便了儀器的維護。3)具有數(shù)據(jù)處理功能,這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機或微控制器,使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題,現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如,傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等,而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進行上述測量,而且還具有對測量結(jié)果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能,不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來,也有效地提高了儀器的測量精度。8.2智能儀器簡介4)具有友好的人機對話能力。智能儀器使用鍵盤來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān),操作人員只需通過鍵盤輸入命令,就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時,智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員,使儀器的操作更加方便直觀。5)具有可程控操作能力。一般智能儀器都配有GPIB、RS-232C、RS-485等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口,可以很方便地與微機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng),來完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。

智能儀器和虛擬儀器的區(qū)別在于它們所用的微機是否與儀器測量部分融合在一起,也即采用專門設(shè)計的微處理器、存儲器、接口芯片組成的系統(tǒng),還是用現(xiàn)成的微機配以一定的硬件及儀器測量部分組合而成的系統(tǒng)。8.2智能儀器簡介8.2.1智能儀器的細致分類

從信息學(xué)角度來看,信息系統(tǒng)大致分為三個層次:數(shù)字化、自動化、智能化。含有微機或微處理器的測量(或檢測)儀器,稱為智能儀器,但不同的智能儀器的智能化程度和層次有較大的區(qū)別。圖8-1給出了智能儀器細致分類的示意圖。由圖可知,智能儀器可分成聰敏(Smart)儀器、初級智能(PrimaryIntelligent)儀器、模型化(Model-based)儀器和高級智能(High-levelIntelligent)儀器。這四類儀器以不同的技術(shù)作為支持。這種分類方法具有兼容性、相關(guān)性、方向性的特點。這種細致分類方法是有向的,高一級類別向下兼容,低一級類別向高一級發(fā)展,相近兩類之間有重疊(即交叉)。圖8-1智能儀器的四個層次8.2智能儀器簡介

聰敏儀器是以電子、傳感、測量技術(shù)作為基礎(chǔ)(也可能應(yīng)用計算機技術(shù)和信號處理技術(shù))的。這類儀器的特點是通過巧妙的設(shè)計而獲得某一有特色的功能。聰敏傳感器(SmartSensors)是很典型的例子。在這一類儀器中,雖然可能應(yīng)用計算機技術(shù),但并不強調(diào)這一點。聰敏類是智能儀器分類中最低級的類別。

初級智能儀器除了應(yīng)用電子、傳感、測量技術(shù)外,主要特點是應(yīng)用了計算機及信號處理技術(shù),更嚴(yán)格些講,應(yīng)包括測量數(shù)學(xué)。這類儀器已具有擬人的記憶、存儲、運算、判斷、簡單決策等功能,但沒有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能。初級智能儀器從使用角度看,已有自校準(zhǔn)、自診斷、人機對話等功能。目前絕大多數(shù)智能儀器應(yīng)歸于這一類。8.2智能儀器簡介

模型化儀器是在初級智能儀器基礎(chǔ)上又應(yīng)用了建模技術(shù)和方法,它是以建模的數(shù)學(xué)方法及系統(tǒng)辨識技術(shù)作為支持的。這類儀器可以對被測對象狀態(tài)或行為做出估計,可以建立對環(huán)境、干擾、儀器參數(shù)變化做出自適應(yīng)反應(yīng)的數(shù)學(xué)建模,并對測量誤差(靜態(tài)活動態(tài)誤差)進行補償。模式識別可以作為狀態(tài)估計的方法而得到應(yīng)用。這類儀器應(yīng)具有一定的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力。目前這類儀器的技術(shù)與方法、工程實現(xiàn)問題正在研究。

高級智能儀器是智能儀器的最高級類別。人工智能的應(yīng)用是這類儀器的顯著特征。這類儀器可能是自主測量儀器(AutonomousMeasurementMachine)。人們只要告訴儀器要做什么,而不必告訴它如何做。這類儀器應(yīng)有較強的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織、自決策、自推論的能力,從而使儀器工作在最佳狀態(tài)。8.2智能儀器簡介8.2.2智能儀器的基本結(jié)構(gòu)

從智能儀器發(fā)展的狀況來看,其結(jié)構(gòu)有兩種基本類型,即微機內(nèi)嵌式和微機擴展式。微機內(nèi)嵌式為將單片或多片的微處理器與儀器有機地結(jié)合在一起形成的單機。微處理器在其中起控制和數(shù)據(jù)處理作用。其特點主要是:專用或多功能;采用小型化、便攜式或手持式結(jié)構(gòu);干電池供電;易于密封,適應(yīng)惡劣環(huán)境,成本較低。目前微機內(nèi)嵌式智能儀器在工業(yè)控制、科學(xué)研究、軍工企業(yè)、家用電器等方面廣為應(yīng)用。圖8-2為其結(jié)構(gòu)圖。圖8-2微機內(nèi)嵌式智能儀器的基本結(jié)構(gòu)8.2智能儀器簡介

由圖8-2可知,微機內(nèi)嵌式智能儀器由單片機或DSP等CPU為核心,擴展必要的RAM、EPROM、I/O接口,構(gòu)成“最小系統(tǒng)”,它通過總線及接口電路與輸入通道、輸出通道、儀器面板及儀器內(nèi)存相連。EPROM及RAM組成的儀器內(nèi)存可保存儀器所用的監(jiān)控程序、應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)。中斷申請可使儀器能夠靈活反應(yīng)外部事件。儀器的輸入信號要經(jīng)過輸入通道(預(yù)處理部分)才可以進入微機。輸入通道包括輸入放大器、抗混疊濾波器、多路轉(zhuǎn)換器、采樣/保持器、低通濾波器等部分。儀器的數(shù)字輸出可與LCD等顯示器相接,也可與打字機相接,獲得測量信息。外部接通信接口負責(zé)本儀器與外系統(tǒng)的聯(lián)系。

微機擴展式智能儀器是以個人計算機(PC)為核心的應(yīng)用擴展型測量儀器。由于PC的應(yīng)用已十分普遍,其價格不斷下降,因此從20世紀(jì)80年代起就開始有人給PC配上不同的模擬通道,讓它能夠符合測量儀器的要求,并把它取名為個人計算機儀器(PCI)或稱微機卡式儀器。PCI的優(yōu)點是使用靈活、應(yīng)用范圍廣泛,可以方便地利用PC已有的磁盤、打印機及繪圖儀等獲取硬拷貝。更重要的是PC的數(shù)據(jù)處理功能強,內(nèi)存容量遠大于微機內(nèi)嵌式儀器,因而PCI可以用于復(fù)雜的、高性能的信息處理。此外,還可以利用PC本身已有的各種軟件包,獲得很大的方便。如果將儀器的面板及各種操作按鈕的圖形生成在CRT上就可得到“軟面板”。在軟面板上就可以用鼠標(biāo)或觸摸屏操作PCI。8.2智能儀器簡介

與PCI相配的模擬通道有兩種類型。一種是插卡式,即將所配用的模擬量輸入通道以印制電路板的插板形式直接插入PC箱內(nèi)的空槽中,此法最方便。但空槽有限,很難有大的作為,因而發(fā)展了插件箱式。此法將各種功能插件集中在一個專用的機箱中,機箱備有專用的電源,必要時也可有自己的微機控制器。這種結(jié)構(gòu)適用于多通道、高速數(shù)據(jù)采集或一些特殊要求的儀器。隨著硬件的完善,標(biāo)準(zhǔn)化插件的不斷增多,組成PCI的硬件工作量有可能減小。從虛擬儀器的角度來看,不同的測量儀器,其區(qū)別僅在于應(yīng)用軟件不同。PC是大批量生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品,功能強而價格便宜;個人儀器插件是PC的擴展部件,設(shè)計相對簡便并有各種標(biāo)準(zhǔn)化插件可供選用。因此,在許多場合,采用個人儀器結(jié)構(gòu)的智能儀器比采用內(nèi)嵌式的智能儀器具有更高的性價比,且研制周期短。個人儀器可選用廠商開發(fā)的專用軟件(這種軟件往往比用戶精心開發(fā)的軟件完善得多),即使自行開發(fā)軟件,由于基于PC平臺,因此開發(fā)環(huán)境良好,開發(fā)十分方便。另外,個人儀器可通過CRT向用戶提供功能菜單,用戶可通過鍵盤和鼠標(biāo)進行功能、量程的選擇;個人儀器還可通過CRT顯示數(shù)據(jù),通過高檔打印機打印測試結(jié)果(而顯示和打印的控制軟件也是現(xiàn)成的,不必用戶操心),因此使用十分方便。隨著便攜式PC的廣泛使用,各種便攜式PCI也隨之出現(xiàn),便攜式PCI克服了早期便攜式儀器功能較弱、性能較差的弱點。總之,PCI既能充分運用PC的軟硬件資源,發(fā)揮PC的巨大潛力,又能大大提高設(shè)備的性價比。因此,個人儀器發(fā)展迅速。8.2智能儀器簡介8.2.3智能儀器的主要特點

計算機技術(shù)與測量儀器的結(jié)合產(chǎn)生了智能儀器,它所具有的軟件功能已使儀器呈現(xiàn)出某種智能的作用,其發(fā)展?jié)摿κ志薮?這已被多年來智能儀器發(fā)展的歷史所證實。智能儀器具有以下特點:1.測量過程的軟件控制

測量過程的軟件控制起源于數(shù)字化儀器測量過程的時序控制。20世紀(jì)60年代末,數(shù)字化儀器的自動化程度已經(jīng)很高,如實現(xiàn)自穩(wěn)零放大、自動極性判斷、自動量程切換、自動報警、過載保護、非線性補償、多功能測試、數(shù)百點巡回檢測等。但隨著上述功能的增加,使硬件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,而導(dǎo)致體積及重量增大、成本上升、可靠性降低,給進一步發(fā)展造成很大困難。但當(dāng)引入微機技術(shù),使測量過程改用軟件控制之后,上述困難即得到很好的解決。它不僅簡化了硬件結(jié)構(gòu),縮小了體積及功耗,提高了可靠性,增加了靈活性,而且使儀器的自動化程度更高,如實現(xiàn)人機對話、自檢測、自診斷、自校準(zhǔn)以及CRT顯示及輸出打印和制圖等。這就是人們常說的“以軟件代硬件”的效果。8.2智能儀器簡介

在進行軟件控制時,儀器在CPU的指揮下,按照軟件流程,進行各種轉(zhuǎn)換、邏輯判斷,驅(qū)動某一執(zhí)行元件完成某一動作,使儀器的工作按一定順序進行下去。在這里,基本操作是以軟件形式完成的邏輯轉(zhuǎn)換,它與硬件的工作方式有很大的區(qū)別。軟件轉(zhuǎn)換帶來很大的方便,靈活性很強,當(dāng)需改變功能時,只改變程序即可,并不需要轉(zhuǎn)變硬件結(jié)構(gòu)。隨著微機時鐘頻率的大幅度提高,與全硬件實時控制的差距越來越小。8.2智能儀器簡介2.數(shù)據(jù)處理

對測量數(shù)據(jù)進行存儲及運算的數(shù)據(jù)處理功能是智能儀器的最突出的特點,它主要表現(xiàn)在改善測量的精確度及測量結(jié)果的再加工兩個方面。在提高測量精確度方面,大量的工作是對隨機誤差及系統(tǒng)誤差進行處理。過去傳統(tǒng)的方法是用手工對測量結(jié)果進行事后處理,不僅工作量大,效率低,而且往往會受到一些主觀因素的影響,使處理的結(jié)果不理想。在智能儀器中采用軟件對測量結(jié)果進行及時的、在線的處理可收到很好的效果,不僅方便、快速,而且可以避免主觀因素的影響,使測量的精確度及處理結(jié)果的質(zhì)量都大為提高。由于可以實現(xiàn)多種算法,不僅可實現(xiàn)各種誤差的計算補償,而且使測量儀器中常遇到的諸如非線性校準(zhǔn)等問題也易于解決。

對測量結(jié)果的再加工,可使智能儀器提供更多高質(zhì)量的信息。例如,一些信號分析儀器在微機的控制下,不僅可以實時采集信號的實際波形,在CRT上復(fù)現(xiàn),并可在時間軸上進行展開或壓縮,可對所采集的樣本進行數(shù)字濾波,將淹沒于干擾中的信號提取出來,也可對樣本進行時域的(如相關(guān)分析、卷積、反卷積、傳遞函數(shù)等)或頻域的(如幅值譜、相位譜、功率譜等)分析。這樣就可以從原有的測量結(jié)果中提取更多的信息。這類智能儀器在生物醫(yī)療、語音分析、模式識別和故障診斷等各個方面都有廣泛的應(yīng)用。一臺智能儀器也是信號分析儀器。8.2智能儀器簡介3.多功能化

智能儀器的測量過程、軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能使一機多用的多功能化易于實現(xiàn),從而多功能化成為這類儀器的又一特點。例如,用于電力系統(tǒng)電能管理的一種智能化電力需求分析儀,可以測量單相或三相電源的有功功率、無功功率、視在功率、電能、頻率、各相電壓、電流、功率因數(shù)等,還可測量出電能利用的峰值、峰時、谷值、谷時及各項超界時間,可以預(yù)置用電量需求計劃、自備時鐘及日歷,具有自動記錄、打印、報警及控制等多種功能。這樣多的功能如果不用微機控制,在一臺儀器中是不能實現(xiàn)的。8.3虛擬儀器與軟件20世紀(jì)70年代,隨著微處理器的廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)了以微處理器為核心的智能儀器,它的出現(xiàn)與飛速發(fā)展對于儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實驗研究產(chǎn)生了深遠的影響。但是智能儀器還沒有擺脫獨立使用的模式,對于較為復(fù)雜的、測試參數(shù)較多的場合,使用起來仍不方便,且受到一定的限制。

計算機技術(shù)特別是計算機總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展直接導(dǎo)致了儀器儀表的飛速發(fā)展。為了克服PC插卡式儀器不能熱拔插以及外接式專用PC儀器的吞吐率總受總線速度限制等缺點,出現(xiàn)了“虛擬儀器(VirtualInstrument,VI)”,這種儀器能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用,方便靈活。

測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬儀器系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示完全用微機的軟件來完成。因此,只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件,就可以與微機組成測量儀器。這種基于微機的測量儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中,使用同一個硬件系統(tǒng),只要應(yīng)用不同的軟件編程,就可得到功能完全不同的測量儀器。8.3虛擬儀器與軟件1986年,美國國家儀器公司(NationalInstrumentsCorporation,簡稱NI公司)首先提出了虛擬儀器的概念,認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信以及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng),是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。它充分利用了計算機獨具的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理功能,同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板軟件化,這樣便構(gòu)成了從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器相同,甚至更優(yōu)越的儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器的圖形化數(shù)據(jù)流語言和程序框圖能自然地顯示數(shù)據(jù)流,同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據(jù),能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入。NI公司提出的虛擬儀器概念,引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革,使得計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域,和儀器技術(shù)結(jié)合起來,從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。

虛擬儀器技術(shù)引入到當(dāng)今計算機輔助測試領(lǐng)域,使數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制自動化技術(shù)產(chǎn)生了重大變革。全世界的科學(xué)家和工程師都已經(jīng)認識到:使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機的硬件和軟件技術(shù)來構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng),將會獲得前所未有的工作效率。虛擬儀器的國內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線:一是GPIB→VXI→PXI總線方式(適合大型高精度集成系統(tǒng)),二是微機插卡式→LPT并行口式→串口USB方式→IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1394口方式(適合于普及型的廉價系統(tǒng),具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景)。8.3虛擬儀器與軟件8.3.1虛擬儀器的特點

無論是傳統(tǒng)的還是虛擬的儀器所實現(xiàn)的功能都非常相似,都可以進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析,并且顯示最終數(shù)據(jù)結(jié)果。而虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處,就在于其具有開放性的構(gòu)成方式,即具有靈活性和功能的可重構(gòu)性。

虛擬儀器是用戶根據(jù)需要自己定義、自行組合的。用戶可以靈活地將各種計算機平臺、硬件、軟件和各種附件結(jié)合起來,形成自己所需要的各種特定設(shè)備,可以是一臺數(shù)字多用表,也可以是一臺示波器,還有可能是一臺信號發(fā)生器,或者它同時具有這些設(shè)備的所有功能甚至更多的功能。計算機是構(gòu)建虛擬儀器的基礎(chǔ),對于工業(yè)控制自動化來講,計算機已成為一種功能強大、價格低廉的運行平臺。當(dāng)各種與計算機有關(guān)的新技術(shù)出現(xiàn)時,將同時把虛擬儀器的便攜性和強大的功能推向一個新水平。

同其他技術(shù)相比,虛擬儀器技術(shù)具有以下特點:8.3虛擬儀器與軟件(1)性能好虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點,包括功能卓越的處理器和文件I/O,使用戶在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。此外,不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)了更強大的優(yōu)勢。(2)擴展性強虛擬儀器的軟硬件工具使得人們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。只需更新計算機或測量硬件,就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件升級即可改進整個系統(tǒng)。在利用最新科技時,人們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備。(3)無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜,測量人員通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求,而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)接口,以幫助開發(fā)者輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng),減少了任務(wù)的復(fù)雜性。8.3虛擬儀器與軟件(4)具有良好的人機界面測量結(jié)果是通過由軟件在計算機屏幕上生成的、與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面軟面板來實現(xiàn)的。因此,用戶可根據(jù)自己的愛好,利用PC強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能,通過編制軟件來定義自己所喜愛的面板形式。(5)性價比高在測試精度、速度和可重復(fù)性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)儀器。當(dāng)測試系統(tǒng)需要增加新的測量功能和提高其性能時,用戶只需要增加軟件來執(zhí)行新的功能或增加或更換一個通用模塊即可,亦削減了費用。(6)具有和其他設(shè)備互聯(lián)的能力具有同VXI總線和現(xiàn)場總線等的接口能力。此外,還可將VI接入網(wǎng)絡(luò),如因特網(wǎng)等,以實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。作為新型儀器,VI在諸多方面是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的,這使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在21世紀(jì)初,我國就有50%左右的儀器為虛擬儀器。8.3虛擬儀器與軟件虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比,其優(yōu)勢見表8-1。表8-1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的性能特點比較8.3虛擬儀器與軟件8.3.2虛擬儀器的構(gòu)成方法

從構(gòu)成要素來講,VI是由計算機、應(yīng)用軟件和專用儀器硬件所組成的;從構(gòu)成方式來講,VI有以DAQ板和信號調(diào)理部分為硬件來組成的PC-DAQ測試系統(tǒng),以GPIB、VXI、串行總線、現(xiàn)場總線等標(biāo)準(zhǔn)總線為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等多種形式。無論哪種VI系統(tǒng)都是將硬件儀器搭載到筆記本式計算機、臺式計算機或工作站等各種計算機平臺上,再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。因此VI的發(fā)展已經(jīng)與計算機技術(shù)的發(fā)展完全同步。1.虛擬儀器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機,如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源,是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此,計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展,導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。按照測控功能硬件的不同,VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu),它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、A-D轉(zhuǎn)換。8.3虛擬儀器與軟件

虛擬儀器通常由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成,其結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。

其中,硬件設(shè)備與接口可以是各種以計算機為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線(GeneralPurposeInterfaceBus,GPIB)卡、串行接口卡、VXI總線儀器接口等設(shè)備,或者是其他各種可程控的外置測試設(shè)備;設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序,虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通信;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(yīng)的各種控件。在這些控件中預(yù)先集成了對應(yīng)儀器的程控信息,所以用戶使用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板,就如同操作真實儀器一樣真實、方便。圖8-3虛擬儀器的結(jié)構(gòu)組成8.3虛擬儀器與軟件2.虛擬儀器的軟件系統(tǒng)構(gòu)成

給定計算機運算能力和必要的儀器硬件之后,構(gòu)造和使用VI的關(guān)鍵在于應(yīng)用軟件。NI公司研制的VI軟件開發(fā)平臺提供了測控儀器圖形化編程環(huán)境,在這個軟件環(huán)境中提供了一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程模式,用戶只需連接各個邏輯框即可構(gòu)成程序,利用軟件平臺可大大縮短VI控制軟件的開發(fā)時間,而且,用戶可以建立自己的措施方案。

虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層包括三部分:VISA庫、儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件。(1)VISA庫虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture,VISA),實質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計算機系統(tǒng)之中,執(zhí)行儀器總線的特殊功能,是計算機與儀器之間的軟件層連接,以實現(xiàn)對儀器的程控。它對于儀器驅(qū)動程序開發(fā)者來說是一個個可調(diào)用的操作函數(shù)集。(2)儀器驅(qū)動程序儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動程序,儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。(3)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上,直接面對操作用戶,通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能,來完成自動測試任務(wù)。

虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫大致可分為兩種方式:1)用通用編程軟件進行編寫,主要有Microsoft公司的VisualStudio、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder等。2)用專業(yè)圖形化編程軟件進行開發(fā),如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI以及工控組態(tài)軟件等。

應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號處理的各種功能函數(shù),如頻域分析的功率譜估計、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細化分析等;時域分析的相關(guān)分析、卷積運算、反卷運算、方均根估計、差分積分運算和排序等;以及數(shù)字濾波等。這些功能函數(shù)為用戶進一步擴展虛擬儀器的功能提供了基礎(chǔ)。表8-2為各類虛擬儀器編程軟件的比較。8.3虛擬儀器與軟件8.3虛擬儀器與軟件8.3虛擬儀器與軟件

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,從引進消化國外的虛擬儀器產(chǎn)品開始,虛擬儀器在我國的研究和應(yīng)用都得到長足的發(fā)展:成都電子科技大學(xué)開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的VISA庫;哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系開發(fā)的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺ATS95可以實現(xiàn)對VXI、GPIB等總線接口的控制;成都某研究所在引進PAWS平臺的同時也對面向信號的驅(qū)動器設(shè)計和平臺開發(fā)做了一定研究;吉林大學(xué)構(gòu)建了“圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺”等。但由于我國介入虛擬儀器研究比較晚,在硬件模擬方面沒有上規(guī)模、成系列的產(chǎn)品,導(dǎo)致測試軟件沒有全面發(fā)展,很多關(guān)鍵技術(shù)仍處于起步階段,在驅(qū)動器設(shè)計方面沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)規(guī)范和相關(guān)產(chǎn)品,因此還有很長的路要走。今后國內(nèi)虛擬儀器技術(shù)的研究應(yīng)在以下方面進行努力:①開發(fā)自己的總線控制器,占領(lǐng)虛擬儀器技術(shù)的心臟地帶;②設(shè)計各種儀器模塊產(chǎn)品并形成系列化,降低虛擬儀器系統(tǒng)的集成成本;③設(shè)計完備成熟的VISA庫,把握自己的知識產(chǎn)權(quán);④開展面向信號的驅(qū)動器技術(shù)研究,與國際接軌,深入研究虛擬儀器的核心技術(shù)。8.3虛擬儀器與軟件8.3.3

LabVIEW虛擬儀器軟件及應(yīng)用舉例LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā),類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境,但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼,而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序,產(chǎn)生的程序是框圖形式。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件,可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線,可以通過編程對前面板上的對象進行控制。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序,而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式,程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器,是LabVIEW的程序模塊。使用這種語言編程時,基本上不寫程序代碼,取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念,是一個面向最終用戶的工具。它可以增強構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力,提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時,可以大大提高工作效率。8.3虛擬儀器與軟件1.LabVIEW操作面板簡介

使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序,簡稱為VI。VI包括三部分:程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。(1)程序前面板程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量,用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上,輸入量被稱為控制(Controls),輸出量被稱為顯示(Indicators)?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上,如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等,這使得前面板直觀易懂。圖8-4是一個溫度顯示程序的前面板。圖8-4LabVIEW軟件程序前面板界面8.3虛擬儀器與軟件(2)框圖程序每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫,可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點、圖框和連線所構(gòu)成。其中端口被用來給程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù),節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用,圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令,而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流,定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。上述溫度顯示程序的框圖界面(部分)如圖8-5所示。圖8-5LabVIEW軟件程序框圖界面8.3虛擬儀器與軟件(3)圖標(biāo)/連接器圖標(biāo)/連接器是子VI被其他VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式,而連接器則表示節(jié)點數(shù)據(jù)的輸入/輸出口,就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應(yīng)。一般情況下連接器隱含不顯示,除非用戶選擇打開觀察它。LabVIEW提供了較豐富的控件選項板(對應(yīng)于前面板)和函數(shù)選項板(對應(yīng)于程序框圖),它們均為圖形化模塊,如圖8-6所示。設(shè)計時可隨時拖拽控件或函數(shù),放置在想要的位置,并按照邏輯關(guān)系連線,形成虛擬儀器系統(tǒng)。圖8-6LabVIEW的控件選項板和函數(shù)選項板8.3虛擬儀器與軟件2.數(shù)字信號分析舉例LabVIEW的AdvancedAnalysis軟件庫包括數(shù)值分析、信號處理、曲線擬合以及其他軟件分析功能。該軟件庫是建立虛擬儀器系統(tǒng)的重要工具,除了具有數(shù)學(xué)處理功能外,還具有專為儀器工業(yè)設(shè)計的獨特的信號處理與測量功能。除了AdvancedAnalysis軟件庫,NI公司還提供了一些附加的分析工具庫,借助這些分析軟件包,使LabVIEW具有更強大的分析功能。這些分析工具庫包括:1)聯(lián)合時頻分析(JointTimeFrequencyAnalysis)工具箱:用于分析常規(guī)傅里葉變換不易處理的時—頻特性。2)GMath工具箱:提供了擴展的數(shù)學(xué)功能,如公式分析、求根值、畫輪廓線等。3)數(shù)字濾波器設(shè)計工具箱。

示例:用數(shù)字濾波器消除不需要的頻率分量。

數(shù)字濾波器用于消除不需要的頻率成分,是應(yīng)用最廣泛的信號處理工具之一。兩種數(shù)字濾波器分別是有限脈沖響應(yīng)(FIR)和無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器。FIR濾波器可以看成一般移動平均值,它也可以被設(shè)計成線性相位濾波器。IIR濾波器有很好的幅值響應(yīng),但是無線性相位響應(yīng)。8.3虛擬儀器與軟件

下面的例子使用了中值濾波在噪聲存在時的脈沖分析。這個例子產(chǎn)生了一個被高斯噪聲污染的脈沖,并應(yīng)用中值濾波器。(1)前面板(見圖8-7)1)打開MedianFilter.vi程序。這個程序設(shè)計應(yīng)用中值濾波器,將一個被高斯噪聲污染的脈沖還原。2)轉(zhuǎn)換到框圖程序。(2)框圖程序(見圖8-8)1)驗證主框圖程序,它使用了下面的子程序:MedianFilterVI子程序(在Analysis→Filters子目錄)。在本例中,采用中值濾波器,可通過調(diào)整輸入脈沖寬度、延遲時間、放大倍數(shù)以及高斯噪聲的強弱來驗證濾波效果,并把干擾噪聲與輸出波形在同一屏幕上顯示。2)運行該程序,改變?yōu)V波器不同參數(shù),觀察濾波器的效果。8.3虛擬儀器與軟件圖8-7中值濾波器應(yīng)用前面板8.3虛擬儀器與軟件圖8-8中值濾波器應(yīng)用程序框圖思考題與習(xí)題8-1智能儀器分為哪幾個層次?如何區(qū)分?8-2與傳統(tǒng)儀器相比,智能儀器有哪些主要特點?8-3在儀器開發(fā)中為什么要用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺?請舉例說明其優(yōu)越性。8-4簡述虛擬儀器的軟硬件組成。8-5

LabVIEW軟件開發(fā)平臺有哪些主要特點?簡述采用LabVIEW進行虛擬儀器軟件開發(fā)的方法和步驟。謝謝！第9章

位移測量目錄概述常用的位移傳感器位移測量的應(yīng)用9.19.29.39.1概述

位移測量是線位移和角位移測量的統(tǒng)稱。測量時應(yīng)根據(jù)具體的測量對象,來選擇或設(shè)計測量系統(tǒng)。在組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中,傳感器性能特點的差異對測量的影響最為突出,應(yīng)給予特別注意。表9-1介紹了一些常用的位移傳感器及其性能特點,通過該表可以對位移傳感器有一個總體的了解。

由于在不同場合下對位移測量的精度要求不同,位移參量本身的量值特征、頻率特征不同,自然地形成了多種多樣的位移傳感器及其相應(yīng)的測量電路或系統(tǒng)。9.1概述9.2常用的位移傳感器9.2.1滑線電阻式位移傳感器

滑線電阻式或電位計式位移傳感器的工作原理已在第4章中做了介紹。這里介紹一種測量電路(見圖9-1)。由圖可見,當(dāng)滑動觸點隨被測元件產(chǎn)生位移x或角位移α?xí)r,均可改變觸點與任一接點間的電阻值Rx,且Rx∝x/l,即阻值與位移x(或α)成正比。

圖9-1c為橋式測量電路,供橋電源為具有一定精度的直流穩(wěn)壓電源,電橋的輸出直接用光線示波器顯示。圖9-1滑線電阻式位移傳感器和測量電路9.2常用的位移傳感器

由于電橋必須輸出一定的電流驅(qū)動光線示波器的振子工作,同時又要求輸出在一定的范圍內(nèi)是線性的,因此橋路中接入了電阻R0。為了保證電橋輸出的線性,要求橋臂值的相對改變量ΔR/R控制在10%以下。電阻阻值的大小就是按此條件來選取的,但R0也不宜過大,否則會降低電橋的輸出功率。為了提高電橋的靈敏度,還要求各橋臂的阻值相等,即組成全等臂電橋。電位器RH是用于預(yù)調(diào)平衡的。

滑線電阻的結(jié)構(gòu)形式有纏繞式和單絲式。纏繞式是用電阻絲纏繞在絕緣骨架上制成。骨架的材料常用電木或塑料,其形狀可根據(jù)需要而定。纏繞時應(yīng)保證一定的張力,且纏繞均勻。單絲式是用單根電阻絲張緊后固定在絕緣骨架的槽中而成。除自制的滑線電阻外,可利用現(xiàn)有的產(chǎn)品,如滑線變阻器、多圈電位器等。

滑線電阻式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、輸出大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,但由于觸頭運動時有機械摩擦,其使用壽命受限、分辨率較低、輸出信號噪聲大,故不宜用于頻率較高時的動態(tài)測量。9.2常用的位移傳感器9.2.2應(yīng)變片式位移傳感器

這種傳感器的測量原理是利用一彈性元件把位移量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量,然后用應(yīng)變片、應(yīng)變儀等測量記錄。測量位移的彈性元件和應(yīng)變片的組成,稱為應(yīng)變片式位移傳感器。它的種類也有多種,其差別就在于彈性元件的結(jié)構(gòu)形式。常用的彈性元件有懸臂梁、圓環(huán)和半圓環(huán)等。

圖9-2所示的懸臂梁彈性元件,若在其自由端有位移δ,則梁的表面會產(chǎn)生彎曲應(yīng)變ε,其值與δ成正比。通過圖示的貼片測出應(yīng)變ε,就可測得位移量δ。位移δ與應(yīng)變ε間的關(guān)系隨梁的結(jié)構(gòu)形式不同而異。圖9-2應(yīng)變片式位移傳感器9.2常用的位移傳感器對于等截面梁,貼片處的應(yīng)變ε與位移δ間的關(guān)系為式中

l、h——梁的長度、厚度; x——從自由端到貼片處的距離。若按圖9-2所示的方法貼片和接橋,則位移δ與應(yīng)變儀讀數(shù)的關(guān)系為對于等強度梁,則有

這種測量方法一般只用于小位移δ<250μm的情況。其主要特點是結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、可靠,有較高的測量精度和良好的線性關(guān)系,與之配用的測量電路和儀器也較為成熟。9.2常用的位移傳感器

懸臂梁一般用彈簧鋼或磷銅片制成。梁的尺寸應(yīng)按所測的位移來選擇。給定ε(一般取500~1000),根據(jù)所測位移量δ,就可由式(9-1)或式(9-2)選擇合適的l與h。為了盡量減小對被測對象的影響,設(shè)計彈性梁時,應(yīng)根據(jù)具體情況,將變形梁的剛度限制在一定的范圍。

圖9-3所示的圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件,它在被測位移δ的作用下,會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和應(yīng)變,其應(yīng)變值與位移成正比。圓環(huán)的貼片和接橋如圖9-3a、b所示。半圓環(huán)的貼片、接橋如圖9-3c、d所示。圖9-3圓環(huán)和半圓環(huán)彈性元件及其貼片和接橋9.2常用的位移傳感器

由于這種方法直接測量的位移量較小,為了擴大其量程,可通過一些裝置將小位移進行變換。圖9-4所示就是用一斜面將小位移變換成大位移的裝置。圖9-4擴大位移量程裝置9.2常用的位移傳感器9.2.3差動變壓器式位移傳感器

圖9-5示出了差動變壓器的結(jié)構(gòu)和接線情況,其基本工作原理在前文中已有說明,現(xiàn)就其輸出再做如下分析。圖9-5差動變壓器的組成和接線9.2常用的位移傳感器

設(shè)一次側(cè)、二次側(cè)的互感系數(shù)分別為M1、M2,因互感M是和鐵心的搭接長度Δl成正比的,則兩個二次繞組的感應(yīng)電動勢可表示為e1=K1eΔl1

e2=K2eΔl2式中

K1、K2——比例系數(shù); Δl1、Δl2——鐵心與兩個二次繞組搭接長度的變化量;

e——一次繞組交流電源。

由于結(jié)構(gòu)的對稱性,有K1=K2,Δl1=-Δl2。這樣,W1、W2兩線圈反相串聯(lián)后的總輸出電壓可表示為e0=e1-e2=2KeΔl(9-3)

結(jié)構(gòu)一旦確定,則式(9-3)中的2K為一常數(shù),輸出信號e0是一個交流信號,其幅值與位移Δl成正比,而頻率等于交流電源e的頻率(當(dāng)Δl是常量時)或與之有一定的關(guān)系。

顯然,e0是調(diào)頻輸出,載波是e,調(diào)制信號是位移變化量Δl。差動變壓器也是一種調(diào)制器。對于這樣一個調(diào)制信號,在后續(xù)的測量環(huán)節(jié)中一般要設(shè)置一個典型的測量電路——相敏檢測電路,目的是既能檢測位移的大小,又能分辨位移的方向。

差動變壓器式位移傳感器的測量系統(tǒng)及其組成中各環(huán)節(jié)的工作原理可參閱本書的有關(guān)內(nèi)容。下面再介紹一種可與差動變壓器配用的測量電路——差動整流電路。9.2常用的位移傳感器

如圖9-6所示,差動整流電路與相敏檢測電路的功能基本相同,雖然檢波效率低,但因其測量線路簡單,故用得也很多,差動變壓器的最后輸出一般可用示波器直接顯示。由于示波器振子的內(nèi)阻都很小,當(dāng)差動變壓器的測量電路是電壓輸出時,振子回路應(yīng)接入電阻,以保證線性。

國產(chǎn)的差動變壓器式位移傳感器已有多種,其測量位移范圍有:0~±5mm,0~10mm,…,0~300mm等。

差動變壓器式位移測量系統(tǒng)具有精度較高、性能穩(wěn)定、線性范圍大、輸出大、使用方便等優(yōu)點。由于可動鐵心具有一定的質(zhì)量,系統(tǒng)的動態(tài)特性較差。圖9-6差動變壓器的差動整流電路9.2常用的位移傳感器9.2.4光電脈沖式位移傳感器

光電脈沖式位移傳感器實際上是一個位移-數(shù)字編碼器,工作時可將機械位移轉(zhuǎn)換成定數(shù)量的電脈沖信號輸出,其工作原理如圖9-7所示。

圖9-7a是測量角位移的透射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器。圓盤1與被測軸2一起轉(zhuǎn)動時,照射到光敏二極管4上的光線就會時有時無,通過光敏二極管的光電效應(yīng)以及測量電路的變換就輸出電脈沖;電脈沖的數(shù)目與光線的通斷次數(shù)成正比,根據(jù)脈沖數(shù)目就可測出被測軸的轉(zhuǎn)角。圖9-7光電脈沖式位移傳感器的組成9.2常用的位移傳感器

圖9-7b是測量線位移的反射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器。工作原理與透射式的基本相同,不同點僅在于照射光敏二極管的光是靠反射光。根據(jù)平板5上畫有黑白相間的等距反光條帶,當(dāng)平板與被測件一起運動時,反射到光敏二極管4上的光線就會時有時無,同理就可輸出電脈沖信號,其電脈沖數(shù)目與位移成正比。光電脈沖式位移傳感器的后續(xù)測量電路和顯示記錄裝置如圖9-8的框圖所示。輸出的電脈沖信號用計數(shù)器和數(shù)字打印機打印(計算機處理和顯示)。圖9-8測量電路及其系統(tǒng)組成9.2常用的位移傳感器

用上述方法,無法判斷位移的正負方向,在需要判斷方向的場合,需要多加一個光敏二極管和一套測量電路。兩光敏二極管的裝設(shè)位置如圖9-9所示。采用兩個光敏二極管后,當(dāng)圓盤順時針轉(zhuǎn)動時,光敏二極管2比1先感光;當(dāng)逆時針轉(zhuǎn)動時,光敏二極管1比2先感光;我們可通過光敏二極管感光先后次序的不同,來判斷其轉(zhuǎn)動方向。所以它的測量電路有兩路,經(jīng)邏輯電路對信號做出比較判斷后給出方向信號,其測量線路框圖如圖9-10所示。圖9-9光敏二極管位置示意圖圖9-10判斷位移方向的電路框圖9.2常用的位移傳感器

其輸出信號有方向信號與脈沖信號。當(dāng)用示波器記錄時,可用兩個或三個振子分別記錄方向信號和脈沖信號,處理數(shù)據(jù)時進行加減處理,才得真實位移。用計數(shù)器計數(shù)時,要用可逆計數(shù)器、方向信號(+)、(-)控制計數(shù)器的“加”、“減”法運算、脈沖信號作為計數(shù)器的計數(shù)脈沖,計數(shù)器所記錄的脈沖數(shù)就與實際位移成正比。如再增加脈沖數(shù)-位移轉(zhuǎn)換電路,則可制成各種數(shù)字式儀表,在LED等顯示器上直接讀出待測位移量。

這種測量方法的兩個顯著特征是測量的非接觸和信號的數(shù)字化。由此而帶出來的優(yōu)點是不影響被測對象,易于信號的傳輸和處理,測量裝置的安裝、使用方便,測量范圍大,長度可達數(shù)米,角度可在360°范圍內(nèi)進行測量等。當(dāng)采用普通光源和器件時,分辨率較低,因此這種測量方法常用于精度要求一般的大位移測量和簡易數(shù)控機械系統(tǒng)中。9.3位移傳感器的應(yīng)用9.3.1回轉(zhuǎn)軸徑向運動誤差的測量

回轉(zhuǎn)軸運動誤差是指在回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線偏離理想位置而出現(xiàn)的附加運動。回轉(zhuǎn)軸運動誤差的測量,在機械工程的許多行業(yè)中都是很重要的。無論對于精密機床主軸的運動精確度,還是對于大型、高速機組(例如汽輪機-發(fā)電機組)的安全運行都有重要意義。

運動誤差是回轉(zhuǎn)軸上任何一點發(fā)生與軸線平行的移動和在垂直于軸線的平面內(nèi)的移動。前一種移動稱為該點的端面運動誤差,后一種移動稱為該點的徑向運動誤差。

端面運動誤差因測量點所在半徑位置不同而異,徑向運動誤差則因測量點所在的軸向位置不同而異。所以在討論運動誤差時,應(yīng)指明測量點的位置。

下面介紹徑向運動誤差的常用測量方法。9.3位移傳感器的應(yīng)用

測量一根通用的回轉(zhuǎn)軸的徑向運動誤差時,可將參考坐標(biāo)選在軸承支承孔上。這時運動誤差所表示的是回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線對于支承孔的相對位移,它主要反映軸承的回轉(zhuǎn)質(zhì)量。任意徑向截面上的徑向誤差運動可采用置于x、y方向的兩只位移傳感器來分別檢測徑向運動誤差在x、y方向的分量。在任何時刻兩分量的矢量和就是該時刻徑向運動誤差矢量。這種測量方式稱為雙向測量法(見圖9-11)。圖9-11雙向測量法9.3位移傳感器的應(yīng)用

由于種種原因,有時不必測量總的徑向運動誤差,而只需測量它在某個方向上的分量(例如分析機床主軸的運動誤差對加工形狀的影響就屬于這種情況),則可將一只傳感器置于該方向來檢測。這種方式稱為單向測量法(見圖9-12)。

在測量時,兩種方法都必須利用基準(zhǔn)面來“體現(xiàn)”回轉(zhuǎn)軸線。通常是選用具有高圓度的圓球或圓環(huán)來作為基準(zhǔn)面。直接采用回轉(zhuǎn)軸上的某一回轉(zhuǎn)表面來作為基準(zhǔn)面雖然可行,但由于該表面的形狀誤差不易滿足測量要求,測量精度較差。圖9-12單向測量法9.3位移傳感器的應(yīng)用

實際上,傳感器所檢測到的位移信號是很復(fù)雜的?，F(xiàn)以雙向測量法為例(見圖9-13)來說明其復(fù)雜性。設(shè)O0為理想回轉(zhuǎn)中心,Om為基準(zhǔn)球的幾何中心,Or為瞬時回轉(zhuǎn)中心,e為基準(zhǔn)球的安裝偏心,θ為轉(zhuǎn)角,并令e與x軸平行時θ=0,r(θ)為徑向運動誤差。圖9-13位移信號分析9.3位移傳感器的應(yīng)用

若基準(zhǔn)球半徑Rm遠遠大于偏心e和徑向運動誤差r(θ),則兩傳感器檢測到的位移信號dx和dy分別為dx=ecosθ+rx(θ)+Sx(θ)(9-4)dy=esinθ+ry(θ)+Sy(θ)(9-5)

等號右側(cè)第一、二項分別為偏心e和運動誤差r(θ)在x、y方向上的投影,而第三項則為基準(zhǔn)球上相差90°的兩對應(yīng)點處的形狀誤差。由此可見: