《传感器技术》课程设计
课题：多通道位移测量仪
班 级 测控1131 学生姓名 汤莹莹 学号 1131203121 指导教师 张青春
淮阴工学院自动化学院
多通道位移测量仪
1. 系统方案设计
1.1 概述
借助于虚拟仪器技术, 探讨了将虚拟仪器技术应用于位移测量领域的方法, 以LABVIEW 为开发平台, 设计了一种多通道虚拟位移测量仪, 界面简单、方便实用, 解决了多点监测、实时性等问题。详细叙述了多通道位移测量虚拟仪器的设计步骤。
1.2 系统方案框图
图2.1 位移测量的虚拟仪器系统
2. 工作原理
2.1 检测原理
进行位移测量的虚拟仪器系统组成如图2.1 所示, 图2.1中位移传感器直接作用于被测量, 按一定规律将被测量转换为电信号输出。位移传感器为位移信号提供隔离和滤波。数据采集卡(DAQ ) 对来自位移传感器电路中输出的电压信号进行模数转换、采用保持、多路复用和放大。计算机作为虚拟仪器载体, 对测量数据进行分析、运算、存储和显示。位移测量程序是在LABVIEW 平台上开发的位移测量虚拟仪器软件。
2.2 传感器选择
1）方法一：这里外部设备是电容式位移传感器。利用平板电容C ＝εA ／d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数（变d ），即当可动极板被测量变化移动时，电容增量为错误！未找到引用源。C 0错误！未找到引用源。 ，这样就可以变
成电容式位移传感器。
2) 方法二：这里外部设备是电涡流位移传感器。电涡流位移传感器与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、励磁频率f 以及传感器与被测导体间的距离x 有关。通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，可以用如下函数表示：Z=F(ρ, μ, χ, f) 。当金属导体的电阻率ρ、磁导率μ和励磁频率f 不变时，上式可写成：Z=F(x), 因此当传感器与被测导体间的距离x 发生变化时，通过测量电路，可将Z 的变化转换为电压U 的变化，这样就达了把位移转换为电量目的。
2.3 测量电路介绍
1) 电容式位移传感器的测量电路
图2.3.1电容式传感器位移实验接线图
1. 按图2.3.1安装示意图将测微头和电容传感器装于电容传感器模板上，判别Cx1和Cx2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。不然得调换接头。一般接线：两个静片分别是1号和2号引线，动极板为三号引线。
2. 将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上，动极板连接地插孔。
3. 电容传感器实验模板的输出端V01与数据采集卡相接（插入主控板 Vi 孔），RW 调节到中间位置。
4. 接入±15电源，旋动测微头推进电容器动极板位置，每间隔位移的范围是0～ 50 mm, 每改变0.5 mm 的位移量就测量一次输出电压值 。
2) 电涡流位移传感器的测量电路
图2.3.2 电涡流传感器安装示意图
图2.3.3电涡流位移传感器实验接线图
1. 根据图2.3.2安装电涡流传感器。
2. 观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
3. 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。
4. 在测微头端部装上铁质金属圆片, 作为电涡流传感器的被测体。
5. 将实验模板输出端V O 与数据采集卡输入端Vi 相接。数显表量程切换开关
选择电压20V 。
6. 从主控台接入+15V直流电源到实验模板上标有＋15V 的插孔中。
7. 使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，位移的范围是0～ 50 mm, 每改变0.5 mm 的位移量就测量一次输出电压值。
2.4 误差分析与修正
(1)系统误差
电容传感器存在零点漂移，在这之前首先要对位移传感器进行校零, 因为当位移为零时, 在理想状态下输出电压值应该为零, 但实际测出的电压不为零, 记下当前电压值(补偿值) , 在以后测量中, 输出电压值都要进行补偿(即减去补偿电压值) 就得到了理论电压。“电压(测量值) ”显示件用来直接显示位移传感器的输出电压值; “电压(理论值) ”显示件用来显示补偿后的电压值。“位移值”数字控件用来写入位移传感器的当前位移值。电容传感器易受外界电气干扰，要求配套仪器的阻抗高，也可能是仪表制造、安装或使用方法不正确或测量人员的一些不良的读数习惯。应该加强测量人员的工作责任心，以及正确安装仪表。
电涡流位移传感器可能受到强辐射的电场和磁场的干扰，可以采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流，再利用涡流磁场抵消高频干扰磁场的影响，从而达到高频电场干扰的效果。也可能是温度和湿度的影响，把某些对温度比较敏感或电路中关键的元器件和部件，用导热性能良好的金属材料做成的屏蔽罩包围起来，是罩内的温度场趋于均匀和恒定，而且应避免将其放在潮湿处。仪表制造、安装或使用方法不正确或测量人员的一些不良的读数习惯。应该加强测量人员的工作责任心，以及正确安装仪表。
(2)随机误差
随机误差是由很多复杂因素对测量值得综合影响所造成的，如零件的摩擦、
间隙，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员的感觉器官的生理变化等。它不能用修正或采取某种技术措施的方法来消除。
3. 系统软件设计
3.1 软件设计方法
本文基于LABVIEW 的虚拟仪器图形化编程语言, 采用美国NI 公司的PC I M IO 16E 4 型数据采集卡, 实现对多通道位移量进行自动检测。虚拟仪器(Virtual Instrument, V I) 是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物, 是当今计算机辅助测试(CA T ) 领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。
3.2 测试系统流程图
3.3 系统软件
1） PC I M IO 16E 4 数据采集卡
PC I M IO 16E 4 是N I 6040E 系列数据采集卡之一, 是一种性能优良、适合PC 的数据采集卡, 能够完成信号采集、数字信号的模拟输出及定时、计数等功能。信号采集部分包括模拟输入和A /D 转换两部分, 即前向通道, 主要性能指标如下。(1) 16 路模拟输入。(2) 提供3 种信号输入方式选项: 单端无参考地输入、单端有参考地输入及差分输入。( 3) 放大器增益(软件设置) : 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100。（4) 量程: 分为±10 V 和0～ 10 V 两种。分别对应信号为双极性输入方式和单极性输入方式。(5) 分辨率: 12 b 。(6) 单通道最大采样率: 5×105 次/ s。
2） 数据采集的信道设置
在多信道数据采集或输出系统中, 必须为数据采集设备指定对某个信道进行操作, 这就是信道定址。信道定址通过在数据采集V I 的信道表参数Channel List 中写入信道名或信道号实现。在数据采集过程中按信道表列出的顺序扫描信道, 在数据输出过程中按信道表列出的顺序刷新。采用信道名定址首先要在Measurement & Automat ion Explorer 中对信道进行设置。打开Measurement &Automat ion Explorer 后在Data Neighborhood 选项上击右键, 再由下级菜单上点击Create New 弹出信道向导, 在他的引导下创建一个虚拟信道。一步步选择信道类型、信道名、传感器类型、信号的单位、使用的数据采集设备等。在Measurement &Automat ion Explorer 中设置的信道名即可写入道表参数Channels 。信道表可以是一个信道名, 也可以是一个信道名数组。
3） 位移测量前面板的设计
打开前面板窗口, 按以下方法与步骤设计前面板:( 1 ) 控制模板中选择Classic Controls →Classic Numeric→Meter, 摆放到前面板中, 重复4 次可设置好4个电压表, 用来显示采集到的电压信号, 显示值在误差允许范围内等于传感器输出的电压值。( 2 ) 选择Classic Controls → Classic Numeric →Horizontal Po inter Slide, 摆放到前面板中, 在此控件上点击鼠标右键, 选中Change to Control, 使该控件成为位移显示仪, 同样方法在前面板中摆放4个位移显示仪。位移显示仪用来显示外部位移值使通过电压与位移的关系曲线转
换得来。(3) 选择Classic Controls →Classic Boo lean →Square Push Button 重复4 次即可。(4) 选择Boolean →OK Button, 将其按钮名称修改为“记录”即可在前面板中创建记录按钮。(5) 选择Boolean →Stop Button, 这样停止按钮已创建好。(6) 选择Numeric →Numeric Control, 该控件用来写入记录文件中第一列信息。如写入当前日期或记录次序等。将已放好的控件进行编辑, 添加文字说明。LABVIEW 提供了装饰前面板上对象的设计工具, 这些界面元素对程序不产生影响。所有的装饰元素都存在于装饰子模板(deco rat ions) 内, 鼠标选取其中任一装饰板, 将这个控件放置于已有的控件之上, 他会覆盖已有的控件, 一般都要将他们置于底层。首先用鼠标选中该控件, 在工具栏点击“Reorder ”, 在其下拉菜单中选中“Move To Back ”, 这时被装饰控制覆盖的其他控件全部可见了。如图3.1所示为创建的多通道位移测量仪面板图。
图3.1多通道位移测量仪的面板
4） 与前面板对应的流程图窗口的设计流程图窗口的设计是为了前面板控制件、显示件及按钮的功能得以实现。
1. 模拟输入
外部信号(如电容传感器输出的电压) 的引进, 这里使用了A I Sample Channel, 如图3 所示。在channel (0) 接线端连上一个字符串常量并写入信道名disp 0, disp 1, disp 2,disp 3 这些信道名首先必须已在Measurement &Automat ion 中创建好, 他们分别对应于通道0, 1, 2, 3。Sample 输出端默认是输出波形, 这里只需单个数值, 所以要在其输出端点击鼠标右键选Select Type →Scaled Value。
2. 循环结构
由于电压信号的闪动性, 这里使用For Loop 循环结构和取平均值的模块(Analyze →Mathematics →Probability and Statistics→M ean1vi) , 即采用取多次数据求平均值的方法得到相对稳定的电压值。将此电压值连接到电压表显示件上, 这样就实现了前面板的电压表的显示功能。在图形代码窗口中设置For 循环的做法是, 在函数子模板中选中For 循环的小图标, 在所有应在For 循环内执行的节点左上角区域点击一下鼠标, 然后按住鼠标向右下角拖动, 直到虚线框包围所有应在For 循环内执行的节点, 松开鼠标后, 就得到了一个大小和位置满意的For 循环框。也可以先放好一个For 循环框, 再向里面填代码。
For 循环有两个固定的端口。计数端口是一个输入端口, 除非使用自动索引功能, 否则都要在For 循环框外, 为端口连接一个整形数, 指定循环执行的次数。如果连接其他类型的数值, 自动把他强制转换为最接近的整形数。对正好在两个数之间的数, 则转换为接近的偶数。循环端口是一个输出端口, 他输出循环当前执行的次数。循环次数是从0 开始计数的。
图3.2 A I Sample Channel
5) 求取电压与位移的函数关系
在这之前首先要对位移传感器进行校零, 因为当位移为零时, 在理想状态下输出电压值应该为零, 但实际测出的电压不为零, 记下当前电压值(补偿值) , 在以后测量中, 输出电压值都要进行补偿(即减去补偿电压值) 就得到了理论电压。“电压(测量值) ”显示件用来直接显示位移传感器的输出电压值; “电压(理论值) ”显示件用来显示补偿后的电 压值; “位移值”数字控件用来写入位移传感器的当前位移值; 运行时待电压表显示的电压值较稳定时, 按下“记录”按钮, 即可记录下当前位移值与两种电压值; “复位”按钮是当程序开始运行时, 对电压表示值进行清零处理; 当取满101个位移值, 且都记录完成后, 按下“显示”按钮, 文件中的数据就会以关系曲线的形式显示在右侧图表里; “位移与电压曲线”显示图表用来显示位移与上述两种电压的关系曲线; 数字显示件, 则显示出具体的函数关系。
4. 系统调试与验证
4.1 硬件调试
用来调试的硬件部分涉及到一个本身含有信号调理(放大、滤波等) 功能电路的电容式位移传感器和电涡流传感器, 因为采集信号放大器增益已经设置为1, 所以只需在位移传感器与数据采集卡连接的输出端并接上万用表即可。将万用表调到量程为20 V 的直流电压档上, 观测其读数与前面板中的“电压显示件”的示值在误差允许范围内是否一致。
4.2 软件(程序) 调试
在完成程序的前面板和代码的设计后, 需要对程序进行调试。调试的过程就是检查程序的运行方式和结果是否与设计要求相一致, 也是对程序进行语法和逻辑查错的一个过程。LABVIEW 的程序错误类型大致可以分为硬件连接错误、IoO 接口错误、程序结构和逻辑错误。对于硬件连接错误, 一般发生在与硬件(数据采集卡和信号调理器) 连接和跳线设置上。I/O 接口错误则表现为LABVIEW 与外观设备通信时产生了错误信息, 如读写不存在的文件等。程序结构和逻辑错误则是最常见的错误, 这里着重介绍这种错误的查找与排除的方法。利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“断点设置”进行程序调试。(1) 找出语法错误如果存在语法错误, 则当启动快捷工具栏的“运行”按钮时, 该按钮变成一个折断的箭头, 程序不能被执行。单击该按钮, 将弹出错误清单窗口, 窗口中列出错误的项目, 然后单击其中任何一个所列出的错误, 单击“Show Error ”功能按钮, 则出错的对象或端口就会变成高亮。在“Details ”有详细的错误原因, 也可以单击“Help ”功能按钮, 则将打开帮助窗口, 窗口中详细说明了出错原因及解决方法。(2) 慢速跟踪程序的运行利用快捷工具栏中的“高亮执行”按钮。单击该按钮, 按钮图标变成高亮形式, 再单击“运行”按钮, 程序就以较慢的速度运行。没有被执行的代码灰色显示, 执行后的代码高亮显示, 并显示数据流上的数据值。这样, 就可以根据数据流动状态, 跟踪程序的执行。(3) 断点与单步执行用工具模板上的“断点”工具单击希望设置或者清除断点的地方, 该处即为所设置的断点。(4) 设置探针可以通过设置探针来查看框图程序流流经某一根连线的数据值。当探针设置完毕后, 会出现一个探针显示窗口。该显示窗口中的数据即为该连线上的数据值。综合运用以上各种调试V I 的方法, 用户可以很方便有效地编制出逻辑严谨、结构合理的V I, 这种图形化的编程方法以及调试方法可以大大提高用户的编程效率。
5. 课程设计体会与总结
多通道位移测量仪可定时对多点位移量进行分别或同时测量, 可以记录、显示测量的时间和对应的位移, 具有多测点测量和实时性等特点。在记录表格文件中, 可以对数据进行分析与处理, 即可以离线处理数据, 求出位移差量, 可以精确到0.01 mm (与A /D 转换的位数有关) 。还可以以图形的形式直观地显示出位移随时间变化的关系, 位移差随时间变化的关系。这给测试工作带来了很多
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方便, 实现了计算机与测试仪器的一体化。在现场实际应用时, 采用笔记本计算机和带有USB 接口的数据采集器, 可达到较好的效果。
通过这次课程设计，对传感器这门课程的体会又有了很大的提升，同时相信对以后的学习与工作会有更大的帮助。此次课程设计，解决了如何进行以及如何设计多通道位移测量。在设计过程中巩固和加深在传感器技术课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握了如虚拟仪器，电容式位移传感器，电涡流传感器进行位移测量以及其他位移测量的原理和方法，而且随着课程设计的进程对它们有了更加深刻的理解。在理论联系实际的过程中提高了对自动检测系统的设计和创新实践能力。
附录：
1、参考资料
[1 ] Robert H Bishop, 乔瑞萍, 林欣1LabVIEW 6i 实用教程[M ] 1 北京: 电子工业出版社, 2003
[2 ] LABVIEW 611 软件包及有关操作说明手册1
[3 ] 刘君华, 郭会军, 赵向阳, 等1 基于LABVIEW 的虚拟仪器设计[M ] 1 北京: 电子工业出版社, 20031
[4 ] 刘君华, 贾惠芹, 丁晖, 等1 虚拟仪器图形化编程语言LABVIEW 教程[M ] 1 西安: 西安电子科技大学出版社,2001
2、元器件表
1) 电容式位移传感器
2）电涡流位移传感器
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《传感器技术》课程设计
课题：多通道位移测量仪
班 级 测控1131 学生姓名 汤莹莹 学号 1131203121 指导教师 张青春
淮阴工学院自动化学院
多通道位移测量仪
1. 系统方案设计
1.1 概述
借助于虚拟仪器技术, 探讨了将虚拟仪器技术应用于位移测量领域的方法, 以LABVIEW 为开发平台, 设计了一种多通道虚拟位移测量仪, 界面简单、方便实用, 解决了多点监测、实时性等问题。详细叙述了多通道位移测量虚拟仪器的设计步骤。
1.2 系统方案框图
图2.1 位移测量的虚拟仪器系统
2. 工作原理
2.1 检测原理
进行位移测量的虚拟仪器系统组成如图2.1 所示, 图2.1中位移传感器直接作用于被测量, 按一定规律将被测量转换为电信号输出。位移传感器为位移信号提供隔离和滤波。数据采集卡(DAQ ) 对来自位移传感器电路中输出的电压信号进行模数转换、采用保持、多路复用和放大。计算机作为虚拟仪器载体, 对测量数据进行分析、运算、存储和显示。位移测量程序是在LABVIEW 平台上开发的位移测量虚拟仪器软件。
2.2 传感器选择
1）方法一：这里外部设备是电容式位移传感器。利用平板电容C ＝εA ／d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数（变d ），即当可动极板被测量变化移动时，电容增量为错误！未找到引用源。C 0错误！未找到引用源。 ，这样就可以变
成电容式位移传感器。
2) 方法二：这里外部设备是电涡流位移传感器。电涡流位移传感器与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、励磁频率f 以及传感器与被测导体间的距离x 有关。通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，可以用如下函数表示：Z=F(ρ, μ, χ, f) 。当金属导体的电阻率ρ、磁导率μ和励磁频率f 不变时，上式可写成：Z=F(x), 因此当传感器与被测导体间的距离x 发生变化时，通过测量电路，可将Z 的变化转换为电压U 的变化，这样就达了把位移转换为电量目的。
2.3 测量电路介绍
1) 电容式位移传感器的测量电路
图2.3.1电容式传感器位移实验接线图
1. 按图2.3.1安装示意图将测微头和电容传感器装于电容传感器模板上，判别Cx1和Cx2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。不然得调换接头。一般接线：两个静片分别是1号和2号引线，动极板为三号引线。
2. 将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上，动极板连接地插孔。
3. 电容传感器实验模板的输出端V01与数据采集卡相接（插入主控板 Vi 孔），RW 调节到中间位置。
4. 接入±15电源，旋动测微头推进电容器动极板位置，每间隔位移的范围是0～ 50 mm, 每改变0.5 mm 的位移量就测量一次输出电压值 。
2) 电涡流位移传感器的测量电路
图2.3.2 电涡流传感器安装示意图
图2.3.3电涡流位移传感器实验接线图
1. 根据图2.3.2安装电涡流传感器。
2. 观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
3. 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。
4. 在测微头端部装上铁质金属圆片, 作为电涡流传感器的被测体。
5. 将实验模板输出端V O 与数据采集卡输入端Vi 相接。数显表量程切换开关
选择电压20V 。
6. 从主控台接入+15V直流电源到实验模板上标有＋15V 的插孔中。
7. 使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，位移的范围是0～ 50 mm, 每改变0.5 mm 的位移量就测量一次输出电压值。
2.4 误差分析与修正
(1)系统误差
电容传感器存在零点漂移，在这之前首先要对位移传感器进行校零, 因为当位移为零时, 在理想状态下输出电压值应该为零, 但实际测出的电压不为零, 记下当前电压值(补偿值) , 在以后测量中, 输出电压值都要进行补偿(即减去补偿电压值) 就得到了理论电压。“电压(测量值) ”显示件用来直接显示位移传感器的输出电压值; “电压(理论值) ”显示件用来显示补偿后的电压值。“位移值”数字控件用来写入位移传感器的当前位移值。电容传感器易受外界电气干扰，要求配套仪器的阻抗高，也可能是仪表制造、安装或使用方法不正确或测量人员的一些不良的读数习惯。应该加强测量人员的工作责任心，以及正确安装仪表。
电涡流位移传感器可能受到强辐射的电场和磁场的干扰，可以采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流，再利用涡流磁场抵消高频干扰磁场的影响，从而达到高频电场干扰的效果。也可能是温度和湿度的影响，把某些对温度比较敏感或电路中关键的元器件和部件，用导热性能良好的金属材料做成的屏蔽罩包围起来，是罩内的温度场趋于均匀和恒定，而且应避免将其放在潮湿处。仪表制造、安装或使用方法不正确或测量人员的一些不良的读数习惯。应该加强测量人员的工作责任心，以及正确安装仪表。
(2)随机误差
随机误差是由很多复杂因素对测量值得综合影响所造成的，如零件的摩擦、
间隙，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员的感觉器官的生理变化等。它不能用修正或采取某种技术措施的方法来消除。
3. 系统软件设计
3.1 软件设计方法
本文基于LABVIEW 的虚拟仪器图形化编程语言, 采用美国NI 公司的PC I M IO 16E 4 型数据采集卡, 实现对多通道位移量进行自动检测。虚拟仪器(Virtual Instrument, V I) 是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物, 是当今计算机辅助测试(CA T ) 领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。
3.2 测试系统流程图
3.3 系统软件
1） PC I M IO 16E 4 数据采集卡
PC I M IO 16E 4 是N I 6040E 系列数据采集卡之一, 是一种性能优良、适合PC 的数据采集卡, 能够完成信号采集、数字信号的模拟输出及定时、计数等功能。信号采集部分包括模拟输入和A /D 转换两部分, 即前向通道, 主要性能指标如下。(1) 16 路模拟输入。(2) 提供3 种信号输入方式选项: 单端无参考地输入、单端有参考地输入及差分输入。( 3) 放大器增益(软件设置) : 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100。（4) 量程: 分为±10 V 和0～ 10 V 两种。分别对应信号为双极性输入方式和单极性输入方式。(5) 分辨率: 12 b 。(6) 单通道最大采样率: 5×105 次/ s。
2） 数据采集的信道设置
在多信道数据采集或输出系统中, 必须为数据采集设备指定对某个信道进行操作, 这就是信道定址。信道定址通过在数据采集V I 的信道表参数Channel List 中写入信道名或信道号实现。在数据采集过程中按信道表列出的顺序扫描信道, 在数据输出过程中按信道表列出的顺序刷新。采用信道名定址首先要在Measurement & Automat ion Explorer 中对信道进行设置。打开Measurement &Automat ion Explorer 后在Data Neighborhood 选项上击右键, 再由下级菜单上点击Create New 弹出信道向导, 在他的引导下创建一个虚拟信道。一步步选择信道类型、信道名、传感器类型、信号的单位、使用的数据采集设备等。在Measurement &Automat ion Explorer 中设置的信道名即可写入道表参数Channels 。信道表可以是一个信道名, 也可以是一个信道名数组。
3） 位移测量前面板的设计
打开前面板窗口, 按以下方法与步骤设计前面板:( 1 ) 控制模板中选择Classic Controls →Classic Numeric→Meter, 摆放到前面板中, 重复4 次可设置好4个电压表, 用来显示采集到的电压信号, 显示值在误差允许范围内等于传感器输出的电压值。( 2 ) 选择Classic Controls → Classic Numeric →Horizontal Po inter Slide, 摆放到前面板中, 在此控件上点击鼠标右键, 选中Change to Control, 使该控件成为位移显示仪, 同样方法在前面板中摆放4个位移显示仪。位移显示仪用来显示外部位移值使通过电压与位移的关系曲线转
换得来。(3) 选择Classic Controls →Classic Boo lean →Square Push Button 重复4 次即可。(4) 选择Boolean →OK Button, 将其按钮名称修改为“记录”即可在前面板中创建记录按钮。(5) 选择Boolean →Stop Button, 这样停止按钮已创建好。(6) 选择Numeric →Numeric Control, 该控件用来写入记录文件中第一列信息。如写入当前日期或记录次序等。将已放好的控件进行编辑, 添加文字说明。LABVIEW 提供了装饰前面板上对象的设计工具, 这些界面元素对程序不产生影响。所有的装饰元素都存在于装饰子模板(deco rat ions) 内, 鼠标选取其中任一装饰板, 将这个控件放置于已有的控件之上, 他会覆盖已有的控件, 一般都要将他们置于底层。首先用鼠标选中该控件, 在工具栏点击“Reorder ”, 在其下拉菜单中选中“Move To Back ”, 这时被装饰控制覆盖的其他控件全部可见了。如图3.1所示为创建的多通道位移测量仪面板图。
图3.1多通道位移测量仪的面板
4） 与前面板对应的流程图窗口的设计流程图窗口的设计是为了前面板控制件、显示件及按钮的功能得以实现。
1. 模拟输入
外部信号(如电容传感器输出的电压) 的引进, 这里使用了A I Sample Channel, 如图3 所示。在channel (0) 接线端连上一个字符串常量并写入信道名disp 0, disp 1, disp 2,disp 3 这些信道名首先必须已在Measurement &Automat ion 中创建好, 他们分别对应于通道0, 1, 2, 3。Sample 输出端默认是输出波形, 这里只需单个数值, 所以要在其输出端点击鼠标右键选Select Type →Scaled Value。
2. 循环结构
由于电压信号的闪动性, 这里使用For Loop 循环结构和取平均值的模块(Analyze →Mathematics →Probability and Statistics→M ean1vi) , 即采用取多次数据求平均值的方法得到相对稳定的电压值。将此电压值连接到电压表显示件上, 这样就实现了前面板的电压表的显示功能。在图形代码窗口中设置For 循环的做法是, 在函数子模板中选中For 循环的小图标, 在所有应在For 循环内执行的节点左上角区域点击一下鼠标, 然后按住鼠标向右下角拖动, 直到虚线框包围所有应在For 循环内执行的节点, 松开鼠标后, 就得到了一个大小和位置满意的For 循环框。也可以先放好一个For 循环框, 再向里面填代码。
For 循环有两个固定的端口。计数端口是一个输入端口, 除非使用自动索引功能, 否则都要在For 循环框外, 为端口连接一个整形数, 指定循环执行的次数。如果连接其他类型的数值, 自动把他强制转换为最接近的整形数。对正好在两个数之间的数, 则转换为接近的偶数。循环端口是一个输出端口, 他输出循环当前执行的次数。循环次数是从0 开始计数的。
图3.2 A I Sample Channel
5) 求取电压与位移的函数关系
在这之前首先要对位移传感器进行校零, 因为当位移为零时, 在理想状态下输出电压值应该为零, 但实际测出的电压不为零, 记下当前电压值(补偿值) , 在以后测量中, 输出电压值都要进行补偿(即减去补偿电压值) 就得到了理论电压。“电压(测量值) ”显示件用来直接显示位移传感器的输出电压值; “电压(理论值) ”显示件用来显示补偿后的电 压值; “位移值”数字控件用来写入位移传感器的当前位移值; 运行时待电压表显示的电压值较稳定时, 按下“记录”按钮, 即可记录下当前位移值与两种电压值; “复位”按钮是当程序开始运行时, 对电压表示值进行清零处理; 当取满101个位移值, 且都记录完成后, 按下“显示”按钮, 文件中的数据就会以关系曲线的形式显示在右侧图表里; “位移与电压曲线”显示图表用来显示位移与上述两种电压的关系曲线; 数字显示件, 则显示出具体的函数关系。
4. 系统调试与验证
4.1 硬件调试
用来调试的硬件部分涉及到一个本身含有信号调理(放大、滤波等) 功能电路的电容式位移传感器和电涡流传感器, 因为采集信号放大器增益已经设置为1, 所以只需在位移传感器与数据采集卡连接的输出端并接上万用表即可。将万用表调到量程为20 V 的直流电压档上, 观测其读数与前面板中的“电压显示件”的示值在误差允许范围内是否一致。
4.2 软件(程序) 调试
在完成程序的前面板和代码的设计后, 需要对程序进行调试。调试的过程就是检查程序的运行方式和结果是否与设计要求相一致, 也是对程序进行语法和逻辑查错的一个过程。LABVIEW 的程序错误类型大致可以分为硬件连接错误、IoO 接口错误、程序结构和逻辑错误。对于硬件连接错误, 一般发生在与硬件(数据采集卡和信号调理器) 连接和跳线设置上。I/O 接口错误则表现为LABVIEW 与外观设备通信时产生了错误信息, 如读写不存在的文件等。程序结构和逻辑错误则是最常见的错误, 这里着重介绍这种错误的查找与排除的方法。利用快捷工具栏中的“运行”、“高亮执行”、“断点设置”进行程序调试。(1) 找出语法错误如果存在语法错误, 则当启动快捷工具栏的“运行”按钮时, 该按钮变成一个折断的箭头, 程序不能被执行。单击该按钮, 将弹出错误清单窗口, 窗口中列出错误的项目, 然后单击其中任何一个所列出的错误, 单击“Show Error ”功能按钮, 则出错的对象或端口就会变成高亮。在“Details ”有详细的错误原因, 也可以单击“Help ”功能按钮, 则将打开帮助窗口, 窗口中详细说明了出错原因及解决方法。(2) 慢速跟踪程序的运行利用快捷工具栏中的“高亮执行”按钮。单击该按钮, 按钮图标变成高亮形式, 再单击“运行”按钮, 程序就以较慢的速度运行。没有被执行的代码灰色显示, 执行后的代码高亮显示, 并显示数据流上的数据值。这样, 就可以根据数据流动状态, 跟踪程序的执行。(3) 断点与单步执行用工具模板上的“断点”工具单击希望设置或者清除断点的地方, 该处即为所设置的断点。(4) 设置探针可以通过设置探针来查看框图程序流流经某一根连线的数据值。当探针设置完毕后, 会出现一个探针显示窗口。该显示窗口中的数据即为该连线上的数据值。综合运用以上各种调试V I 的方法, 用户可以很方便有效地编制出逻辑严谨、结构合理的V I, 这种图形化的编程方法以及调试方法可以大大提高用户的编程效率。
5. 课程设计体会与总结
多通道位移测量仪可定时对多点位移量进行分别或同时测量, 可以记录、显示测量的时间和对应的位移, 具有多测点测量和实时性等特点。在记录表格文件中, 可以对数据进行分析与处理, 即可以离线处理数据, 求出位移差量, 可以精确到0.01 mm (与A /D 转换的位数有关) 。还可以以图形的形式直观地显示出位移随时间变化的关系, 位移差随时间变化的关系。这给测试工作带来了很多
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方便, 实现了计算机与测试仪器的一体化。在现场实际应用时, 采用笔记本计算机和带有USB 接口的数据采集器, 可达到较好的效果。
通过这次课程设计，对传感器这门课程的体会又有了很大的提升，同时相信对以后的学习与工作会有更大的帮助。此次课程设计，解决了如何进行以及如何设计多通道位移测量。在设计过程中巩固和加深在传感器技术课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握了如虚拟仪器，电容式位移传感器，电涡流传感器进行位移测量以及其他位移测量的原理和方法，而且随着课程设计的进程对它们有了更加深刻的理解。在理论联系实际的过程中提高了对自动检测系统的设计和创新实践能力。
附录：
1、参考资料
[1 ] Robert H Bishop, 乔瑞萍, 林欣1LabVIEW 6i 实用教程[M ] 1 北京: 电子工业出版社, 2003
[2 ] LABVIEW 611 软件包及有关操作说明手册1
[3 ] 刘君华, 郭会军, 赵向阳, 等1 基于LABVIEW 的虚拟仪器设计[M ] 1 北京: 电子工业出版社, 20031
[4 ] 刘君华, 贾惠芹, 丁晖, 等1 虚拟仪器图形化编程语言LABVIEW 教程[M ] 1 西安: 西安电子科技大学出版社,2001
2、元器件表
1) 电容式位移传感器
2）电涡流位移传感器
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