關于振動傳感器信號檢測的虛擬儀器課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1. 概述1</b></p><p>　　1.1 虛擬儀器1</p><p>　　1.1.1 虛擬儀器概念1</p><p>　　1.1.2 虛擬儀器的構成和特點1</p><p>　　1.1.3

2、 虛擬儀器的系統(tǒng)構成2</p><p>　　1.2 設計目的3</p><p>　　1.3 設計要求3</p><p>　　1.4 設計思路3</p><p>　　2. 振動傳感器信號檢測系統(tǒng)的設計4</p><p>　　2.1 振動傳感器信號檢測硬件設計與連接4</p><p>　

3、　2.1.1 SC-3振動傳感器性能與指標4</p><p>　　2.1.2 LabJack U12數(shù)據(jù)采集卡5</p><p>　　2.1.3 檢測系統(tǒng)的連線8</p><p>　　2.2 振動傳感器信號檢測軟件設計9</p><p>　　2.2.1 LabVIEW9</p><p>　　2.2.2 程序設

4、計9</p><p>　　2.3 振動傳感器信號檢測系統(tǒng)的調(diào)試10</p><p><b>　　3. 總結(jié)12</b></p><p>　　4. 參考資料12</p><p><b>　　概述</b></p><p><b>　　1.1 虛擬儀器</b

5、></p><p>　　虛擬儀器技術是20世紀90年代發(fā)展并興起的一項新技術，主要應用于自動測試、過程控制、儀器設計和資料分析等領域，其基本思想就是在測試系統(tǒng)或儀器設計中盡可能地用軟件代替硬件。</p><p>　　1.1.1 虛擬儀器概念</p><p>　　測量儀器發(fā)展至今，大體經(jīng)歷了四代歷程，即模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器。</p

6、><p>　　由于微電子技術、計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術的高度發(fā)展及其在電子測量技術與儀器上的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結(jié)構不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，其中計算機處于核心地位，計算機軟件技術和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個有機整體，導致儀器的結(jié)構、概念和設計觀點等也發(fā)生了突破性的變化。在這種背景下，美國國家儀器公司（Nati

7、onal Instruments）在20世紀80年代最早提出虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念，同時推出了用于虛擬儀器開發(fā)的工程軟件包LabVIEW。NI公司宣稱“The Software is the Instrument”，即“軟件就是儀器”。在這里，計算機是虛擬儀器的核心設備，該儀器的功能是通過軟件仿真實現(xiàn)的。它將傳統(tǒng)儀器由硬件電路實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析處理與顯示功能，改由功能強大的計算機來執(zhí)行，所以計算機是其核心；當

8、計算機與適當?shù)腎/O接口設備配置完畢，虛擬儀器的硬件平臺就被確定，此后軟件就成為儀器的關鍵部分，這也是“軟件就是儀器”之說的來由。這意味著只要按照測量原理</p><p>　　虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進步將產(chǎn)生不可估量的影響。</p><p>　　1.1.2 虛擬儀器的構成和特點</p><p&

9、gt;　　虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于資料分析、過程通信及圖形用戶接口的軟件組成的測控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器也由三大功能塊構成：信號的采集與控制、信號的分析與處理、數(shù)據(jù)結(jié)果的表達與輸出。</p><p>　　與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術具有高效、易用、開放、靈活、技術更新快、功能強大、性價比高、用戶可自定義等諸多優(yōu)點，其優(yōu)勢是顯而易見的，表2-1是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相關性能的對照表。&

10、lt;/p><p>　　表1-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器對照表</p><p>　　1.1.3 虛擬儀器的系統(tǒng)構成</p><p>　　虛擬儀器系統(tǒng)由儀器硬件和應用軟件兩大部分組成，儀器硬件是計算機的外圍部分與計算機構成了虛擬儀器系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是應用軟件的基礎，而應用軟件則賦予系統(tǒng)相關功能。</p><p>　　本次的虛擬儀器課程設計中，我們進行的

11、是振動傳感器的信號檢測，而這一部分信號的檢測與分析在每一個工業(yè)測量與控制的領域中都是最為基礎也是無比重要的一部分，信號檢測的準確與否直接關系到系統(tǒng)的控制精度等一系列的問題，因此，信號的檢測與分析是我們學習中極為重要的一個組成部分。</p><p><b>　　1.2 設計目的</b></p><p>　　了解實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的原理和應用技術</p>

12、<p>　　了解振動傳感器的工作原理</p><p>　　掌握根據(jù)硬件電路設計軟件的方法</p><p>　　熟悉利用LabVIEW進行傳感器輸出信號的采集與分析的方法</p><p><b>　　1.3 設計要求</b></p><p>　　本次課程設計，是以虛擬儀器試驗箱為核心，了解振動傳感器的工作原理，

13、設計振動傳感器的工作狀態(tài)，使用LabVIEW對振動傳感器的輸出信號進行數(shù)據(jù)采集與波形顯示并進行數(shù)據(jù)分析。</p><p><b>　　具體要求：</b></p><p>　　進行硬件元器件的選型</p><p><b>　　實驗平臺的搭建</b></p><p>　　使用LabVIEW對振動傳感器的

14、輸出信號進行數(shù)據(jù)采集</p><p>　　使用LabVIEW對振動傳感器的輸出信號進行波形顯示以及數(shù)據(jù)分析</p><p><b>　　1.4 設計思路</b></p><p>　　本次課程設計中先采用振動傳感器進行數(shù)據(jù)的檢測，再通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集通過USB接口與計算機相連接，最后在計算機中利用LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集以及示波器的顯示功

15、能進行數(shù)據(jù)的顯示。</p><p>　　圖1-4 振動傳感器信號檢測流程</p><p>　　振動傳感器信號檢測系統(tǒng)的設計</p><p>　　本檢測系統(tǒng)分為硬件與軟件兩部分組成，其中硬件部分由振動傳感器SC-3、LabJack U12 多功能數(shù)據(jù)采集控制器以及計算機組成，而軟件部分為在LabVIEW 8.6上的程序設計。</p><p>

16、;　　2.1 振動傳感器信號檢測硬件設計與連接</p><p>　　2.1.1 SC-3振動傳感器性能與指標</p><p>　　這是一種有源的高靈敏度微功耗檢測元件，外型見圖1。它采用1.5v~15v寬電壓范圍供電，在3V時耗電小于150μA，6V時耗電小于300μA。其內(nèi)部除振動傳感元件外，還設有高倍數(shù)的放大電路，故能感應到極微弱的振動信號，并有很大的輸出電壓幅值，能直接觸發(fā)后級電路。

17、</p><p>　　傳感器的體積：12x22x32mm，其輸出信號為連續(xù)的正弦波，幅值大小與震動的強弱有關，屬模擬型傳感器。輸出可用示波器看到，而萬用表無法測出。器件的后面應加入觸發(fā)器或有關電路，否則不能直接推動三極管或其它負載。     它的輸出采用一根雙芯屏蔽線，其中紅色線為電源正極，白色線（或綠色）為信號輸出端，屏蔽線接地（電源負極），使用時應將傳感器用高強度粘接

18、劑或用緊固件固定在被檢測體上。傳感器與被檢測體接觸越緊密，靈敏度越高。應用舉例：    振動式音樂門鈴，見圖2，當來客敲門時，固定在門上的振動傳感器能夠檢測到振動信號，并輸出一電壓脈沖，音樂集成塊會因受到觸發(fā)而工作，并通過三極管V1推動喇叭發(fā)出音樂聲。該音樂門鈴能夠免除門鈴按鈕的安裝問題，既不破壞門的結(jié)構，又降低了安裝的難度。</p><p>　　其它說明： 圖2 1

19、，特別大的聲音信號將對傳感器有影響。 2，增強抗干擾能力請用我廠的SC-1，SC-2型傳感器。3，如調(diào)整靈敏度可選用SC-4震動傳感器。4，傳感器的遠距離設定可選用TXC50系列數(shù)字編碼遙控器。</p><p>　　2.1.2 LabJack U12數(shù)據(jù)采集卡</p><p>　　LabJack U12數(shù)據(jù)采集卡是一個LabJack U12 是美國LabJack公司研發(fā)、生產(chǎn)的，US

20、B接口的、多功能數(shù)據(jù)采集控制器，是目前性價比最高的多功能數(shù)據(jù)采集控制器。它使計算機輕而易舉地和外部物理世界聯(lián)系起來，被廣泛地應用于測試儀器，工業(yè)過程控制，數(shù)據(jù)監(jiān)視等各種數(shù)據(jù)采集和控制場合。它還是一個理想的高校教學和實驗工具。</p><p>　　LabJack U12主要性能和特點如下：</p><p>　?。?）12位、八個單端或四個差動的模擬量輸入 </p><p&

21、gt;　?。?）±10伏的模擬量輸入范圍 </p><p>　?。?）具有可編程放大器，增益為 1，2，4，5，8，10，16 或 20倍 </p><p>　?。?）采樣速率可高達8000赫茲（在短時讀模式下）或 1200赫茲（在連續(xù)讀模式下） </p><p>　?。?）支持軟硬件定時采樣 </p><p>　　（6）支持觸發(fā)采

22、樣 </p><p>　　（7）2個模擬量輸出 </p><p>　?。?）20個數(shù)字輸入輸出口（每個口的速率可達到50赫茲） </p><p>　　（9）1 個32位計數(shù)器 </p><p>　?。?0）具有看門狗定時器功能 </p><p>　?。?2）是個使用方便的PnP USB設備 </p>&l

23、t;p>　?。?3）一個USB口可以連接80個LabJack從而組成龐大系統(tǒng) </p><p>　　（14）百分之百的軟件控制，沒有任何跳線或開關 </p><p>　　（15）不需要外部電源 </p><p>　?。?6）提供完整的驅(qū)動軟件和一些應用軟件 </p><p>　?。?7）包含LabVIEW 和VB程序 </p>

24、;<p>　?。?8）可在視窗操作系統(tǒng) 98SE，ME，2000 或XP上使用 </p><p>　?。?9）詳盡的中英文技術文檔 </p><p>　?。?0）CE認證產(chǎn)品 </p><p>　?。?1）可在工業(yè)溫度范圍內(nèi)使用 </p><p>　?。?2）包括所有連接纜線和接線端口 </p><p>

25、　?。?3）大約尺寸為10cm × 15cm × 3cm </p><p>　　（24）有OEM板，為您的產(chǎn)品提供計算機接口</p><p>　　LabJack U12數(shù)據(jù)采集卡輸入輸出口說明：</p><p>　　模擬輸入：有8個模擬輸入口，可以作為8個單端輸入或4個差動輸入或混合使用。輸入電壓范圍是-10V~+10V。輸入的偏置電流為90微安

26、。差動輸入通道可以使用內(nèi)部的低噪聲、高精度的可編程放大器，放大倍數(shù)可高達20倍。U12有三個工作模式：單點、連續(xù)、和數(shù)據(jù)塊。單點模式中采集速率每通道達50Hz（4個通道），或25Hz（8個通道）；連續(xù)采集的最高采集頻率為1200Hz；數(shù)據(jù)塊采集的最高頻率是8192Hz，每個數(shù)據(jù)塊的大小最大為4096個。在數(shù)據(jù)塊采集模式中您可以讓一個數(shù)字口來接收觸發(fā)信號，該數(shù)字口的狀態(tài)發(fā)生變化可以觸發(fā)快速采集。 </p><p>

27、　　模擬輸出：兩個模擬輸出口有10位的精度，輸出范圍是0V到+5V（或U12 的供電電壓）。它只有單點工作模式，最高輸出速率位50Hz。 </p><p>　　數(shù)字I/O：共有20個數(shù)字I/O口。4個（IO0-IO3）在U12 本體上，它們和模擬輸入一樣可以有三種采集模式，因此可以快速讀取它們的狀態(tài)。其他16個（D0-D15）連接到DB25插座上，使用CB25擴展板可以方便地接線，這些I/O口的驅(qū)動能力較大（25

28、毫安），可以用來直接驅(qū)動一些繼電器或LED燈。它們的輸出最高頻率為50Hz。 </p><p>　　計數(shù)器：一個32位的計數(shù)器，計數(shù)最高頻率為1MHz。讀取速率為50Hz（單點）或300Hz（連續(xù)）. </p><p>　　看門狗：U12有一個看門狗，它用軟件啟用。啟用后如果要禁用，先斷開U12電源，把IO0和STB短接，然后為U12 上電，U12 的LED閃爍后，再把短接線去掉，再次斷電

29、后即可。</p><p>　　圖2-1 LabJack U12 實物圖</p><p>　　2.1.3 檢測系統(tǒng)的連線</p><p>　　SC-3微振動傳感器紅色線為電源正極，白色線為信號輸出端，屏蔽線接地,首先將傳感器的紅色線接到電源的+5V上，將屏蔽接地線用一根導線連接至電源的GND端，上緊螺絲，再將白色的信號輸出線連接至U12 的AI1端口，其次將U12的A

30、I0和GND 端口分別接至電源的+5V和GND端口，再將變壓器的兩個電源輸入接好線，插到電插座上，</p><p>　　至此傳感器等通電，將與U12相連接的USB數(shù)據(jù)線插到計算機的USB端口上，到此，檢測系統(tǒng)的硬件電路連線連接完成。</p><p>　　下面為硬件電路的電路連接的實物圖</p><p>　　圖2-2 硬件電路的電路連接的實物圖</p>

31、<p>　　2.2 振動傳感器信號檢測軟件設計</p><p>　　2.2.1 LabVIEW</p><p>　　LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及

32、使用過程都生動有趣。</p><p>　　圖形化的程序語言，又稱為“Ｇ”語言。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流程圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(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、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。&

33、lt;/p><p>　　2.2.2 程序設計</p><p>　　本次的課程設計中的軟件部分采用LabVIEW語言進行程序的編寫與調(diào)試，程序的運行環(huán)境為LabVIEW 8.6版本。</p><p>　　下面是程序的前面板與框圖：</p><p>　　圖2-3 振動傳感器信號檢測LabVIEW程序前面板</p><p>　　

34、圖2-4 振動傳感器信號檢測LabVIEW程序框圖</p><p>　　2.3 振動傳感器信號檢測系統(tǒng)的調(diào)試</p><p>　　當接通電源后，運行LabVIEW，執(zhí)行該程序VI后，示波器出現(xiàn)波形在3.4附近振動比較平穩(wěn)的波形，如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 無振動信號時電壓曲線圖</p><p>　　當突然猛地敲擊振動傳感器

35、后，原來平穩(wěn)的波形上出現(xiàn)一個變化巨大地振動信號，如圖2-6所示：</p><p>　　圖2-6 有振動信號時電壓曲線圖</p><p>　　當連續(xù)敲擊幾次振動傳感器后，有出現(xiàn)如圖2-7的波形</p><p>　　圖2-7 多次振動信號時電壓曲線圖</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p

36、>　　在這為期一周的課程設計中，通過對振動傳感器信號檢測系統(tǒng)的設計與分析，我清楚地認識到了自己以前僅僅學到的書本上的知識的欠缺與經(jīng)驗的不足，所謂實踐出真知，虛擬儀器本就是一種實踐操作環(huán)節(jié)十分重要的課程，而這次的課設正好彌補了我操作方面的不足，進而更加鞏固了這方面的知識。</p><p>　　課程設計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。尤其是硬件方面的知識，我們更為的稀少，以前的課程中學到

37、的基本都是軟件方面LabVIEW的使用等等，而硬件卻是很少接觸到，因此對于硬件我們是知之甚少。然而我們通過不斷地查閱SC—3振動傳感器和U12的相關資料，對其有了進一步的認識，還有硬件設備與軟件的連接，我們也都出現(xiàn)過問題，但最總都能認真的一一排除予以解決。最終，我們達到了任務書上的要求，完成了本次的虛擬儀器課程設計。</p><p>　　在今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，

38、一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可！</p><p>　　最后感謝本次課程設計中老師與同學們的幫助與指導，使我獲益匪淺！</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>

39、　　[1] 盧央采.虛擬儀器技術的發(fā)展及現(xiàn)狀.自動化儀表[J],22(11),2001:1-3</p><p>　　[2] 何干輝.基于USB總線的虛擬示波器的研究[D],哈爾濱:哈爾濱工程大 學,2007.8</p><p>　　[3] 黃泉水,王國治.基于LabVIEW 的虛擬振動信號分析儀設計.華東船舶工業(yè)學院學報[J],6(1),2004:25-27</p&