振动测控实验系统论文

振动测控实验系统论文（精选4篇）

振动测控实验系统论文 第1篇

关键词：回转轴,振动测控实验系统

振动问题一直是机械动力学研究的热门话题。转轴是组成回转机器的重要零部件, 既传递弯矩又传递转矩, 容易引起多种振动, 其振动问题是不容忽视的。主轴振动测控实验系统是针对回转轴主动控制而设计的, 是基于LabVIEW的转子测控实验系统。通过在实验系统上运行电磁式控制器和仿真实验, 系统采集主轴振动异常信号, 通过控制装置实现对转子运行的振动故障进行控制操作。

1 主轴振动测控实验系统的组成和原理

主轴振动测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。测试过程中传感器把现场的机组的振动转变成电信号, 然后传输给中间变换装置;中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行计算, 再将处理结果以电信号或数字信号的方式传输给显示记录装置, 最后由显示记录装置将测量结果显示出来, 提供给观察者或其他自动控制装置。主轴控制部分的核心是电磁式制动器。它由将多块小电磁式制动器组合而成, 制动器分别安装在主轴和支座上。整个体系结构分为被测信号、采集卡、主程序三个部分。 (1) 被测信号。回转轴的监控量一般是振动信号、加速度信号、轴心轨迹和转速信号。 (2) 采集卡。采用美国国家仪器公司的PXI-6251综合采集卡。 (3) 主程序。包含采集、分析程序和控制程序。采集、分析程序主要是测量故障信号, 再向控制程序发送控制指令, 最后由控制程序发出模拟控制信号到电磁式制动器, 实现对轴的控制。图1是基于虚拟仪器的测控体系的总体结构图。

2 回转轴振动测控实验系统的硬件参数

一般来说, 振动测试与分析系统由两大部分组成。一部分为传感器测量系统, 它包括各种振动传感器, 温度、压力传感器及其有关测量部。另一部分即为测量数据采集、显示、处理及分析系统, 也就是虚拟仪器的部分。整个测试过程如图2所示。需要说明的是, 无论是何种振动测试分析系统, 模拟式的传感器、信号调理器以及激振系统, 仍然是必不可少的, 在测试系统中, 它们构成了所谓测试前端。转轴测试所需的基本硬件设备包括:多功能转子实验台、加速度传感器、力传感器等。

3 回转轴振动测控实验系统的设计

回转轴实验台是测控对象。采用的实验台是自行设计的转子实验台, 外形尺寸:980200250 (mm) , 主要组成如下: (1) 直流电机:0~10000转/分。 (2) 底座。 (3) 含油轴承支座4个。 (4) 转动轴共有两节组成, 中间有橡皮轴套连接。 (5) 带有滑动轴承的支座一个。 (6) 注油壶一个。通过配置振动、转速、噪声、位移等机械参量测量的传感器, 可对主轴的旋转速度、底座的振动速度、转子实验台运行时的噪声等进行监测。

4 采集系统的硬件组成

本文采用的数据采集卡是NI公司的PXI-6251M系列数据采集卡, 并安装在8槽的PXI-1042高性能机箱的插槽2上。PXI-6251的主要参数:模拟输入16路单端/8路差分, 采样率1.25M, 输入/输出分辨率16位, 最大输入电压范围±10V, 模拟输出2路, 数字IO24路。另外, 和PXI-6251采集卡配套的有附件:SHC68-68-EPM, M系列68针高性能屏蔽电缆, 长度1m;CB-68LP, 68针接线端子板。NI PXI-6251数据采集卡能提供Windows、Linux和Mac OSX系统的驱动支持, 也可以和NI LabVIEW以及NI-DAQmx测量驱动服务软件无缝地结合。由于采用了数据采集卡前端加装一块同步采样保持器, 所以最大采样频率实际达不到1.25MS/s。

5 结语

借鉴磁悬浮控制思想, 本文研制一套集测、诊、控的回转轴主动控制实验系统。并且验证这种电磁式制动器设计的可行性。

参考文献

[1]陈敏, 汤晓安.虚拟仪器软件Labview与数据采集[J].小型微型计算机系统, 2001, 4, 22 (4) :501～503.

振动测控实验系统论文 第2篇

基于ZigBee的精密仪器实验室温湿度测控系统

作者：袁金正 石奋苏

来源：《现代电子技术》2013年第04期

摘 要： 针对精密仪器实验室对温湿度的严格要求，和在控制调节方面的延迟现象，设计了基于ARM和ZigBee的精密仪器实验室温湿度自动测控系统。系统以ZigBee无线传感器网络为温湿度数据来源，以AT91RM9200嵌入式微处理器为中心，使用RS 232C接收接口，通过对GPIO的电压输出控制，从而操纵以继电器为中心的控制电路；系统采用嵌入式Linux为上位机开发平台，使用Qt/E和多线程技术实现了图形用户界面，完成了温湿度的实时显示、查询和设置，根据精密仪器实验室温湿度的变化，系统可以准确地进行自动测控。关键词： 温湿度； ZigBee； GPIO； 精密仪器实验室； RS 232C； 继电器

振动测控实验系统论文 第3篇

船载测控系统由于长时间处于高温、高湿、高盐雾的海上环境,特别是船体振动带来的特殊工作环境,其天线系统经常发生各类故障,故障率普遍高于陆站天线系统。同时,由于目前缺乏有效的天线结构振动监视检测系统,设备故障信息收集不便,检修效率较低,不能满足测量船海上测控任务高可靠性、高实时性的要求。

设计船载测控天线结构振动监测系统是开展基于振动信号频谱进行故障诊断的基础。目前,普遍采用的振动监测平台种类较多,应用场合各异[1],主要具有体积庞大、结构复杂、对操作人员要求高、可移植性差、对环境要求苛刻等特点。因此,现有的振动监测系统很难适用于体积庞大、结构复杂、背景噪声强且工作环境恶劣的船载测控天线系统。因此,设计一种适用于船载测控天线的结构振动监测系统具有重要意义。

1 振动监测系统总体设计

1.1 设计需求

船载测控天线具有体积庞大、结构复杂、工作环境恶劣、干扰噪声强等特点,其振动监测系统要求具备以下特点:

1.1.1 非侵入式检测

天线结构是测量船主战设备的关键部位,客观上禁止振动监测系统对其进行任何形式的结构更改。同时,非侵入式检测能简化系统操作,降低设备布置难度。

1.1.2 远距离传输

由振动传感器输出的检测信号需传输至微机进行信号处理,而传感器自身输出信号较弱,应用环境背景噪声强,要求系统具备信号远距离传输能力。

1.1.3 系统架设灵活

所设计的振动监测系统不但要适用于船载测控天线结构振动检测,还适用于除船载测控天线外的其它应用场合。

1.2 设计方案

基于船载测控天线结构检测系统特殊的设计需求,本文设计了船载测控天线结构振动监测系统设计框图如图1所示。

整个系统包括振动传感器模块、数据采集模块、信号处理及显示模块三大部分。振动传感器感应天线结构的物理振动特征,并按一定规则将其转换为微弱电信号。传感器输出的电信号经前置电路放大、滤波等调理过程,最终转换为能适应远距离传输的信号。数据采集模块接收远距离传输来的信号,并将其还原为电压信号,此后开始A/D转换,并通过USB接口将数字量电信号传输至信号处理及显示模块。信号处理及显示模块利用自身强大的数据处理能力对数据进行分析处理,并执行显示/存储等操作。

2 振动监测系统硬件设计

2.1 振动传感器的选型

振动传感器是振动监测系统的关键技术,系统振动状态信息必须通过其内部信息传感器才能获取。目前可用于振动监测系统的振动传感器主要分为MEMS微传感器、薄膜传感器和光纤传感器等种类[2]。

MEMS微型传感器是随着MEMS (Micro-Electric Mechanical Systems)技术的发展起来的传感器,MEMS传感器的核心技术是微电子机械加工技术,主要包括体硅微机械加工技术、表面硅微加工技术、LIGA技术、激光微加工技术和微型封装技术等,MEMS微传感器具有体积小、质量轻、反应快、灵敏度高及成本低等特点,广泛应用于各个工业领域。此外,MEMS微型传感器输出信号强,对后续信号处理电路要求低,便于系统集成。本文选用MEMS微传感器作为振动监测系统的敏感元件。在选择MEMS微传感器时,还需考虑传感器带宽、测量范围、测量轴向、工作电压等方面因素,表1列出了5款常用的MEMS微传感器典型工作参数。

表1所列的五款MEMS微传感器均满足船载测控天线结构振动检测要求,综合考虑功耗与带宽的要求,本文选择了LIS3L02AL型MEMS微传感器,这是2005年10月由ST(意法半导体)公司推出的模拟输出三轴加速度传感器,采用塑胶LGA(板基网格阵列)封装,具有较高的温度稳定性和高达10 000 g的抗振能力,适用于检测被测结构的运动特征,例如振动和翻滚动作等。

2.2 振动传感器模块设计

加速度传感器是振动监测系统的核心部件,系统中采用LIS3L02AL型加速度传感器作为振动信号的敏感元件,由此进行振动传感器模块设计[3]。振动传感器模块设计包括传感器外围电路设计和前置调理电路设计两部分。

2.2.1 传感器外围电路的设计

为了消除电路板噪声对振动传感器的干扰,传感器供电电源模块的耦合电容(电容:100 nF+10 μF)应尽可能靠近振动传感器。振动传感器外围电路设计方案如图2所示。

振动传感器LIS3L02AL的截止频率是由外部附加电容来实现,截止频率由公式(1)给出,且电容的大小至少为1 nF。选用1 nF的电容,经计算得到传感器的截止频率为1 450 Hz。

$f{}_t=\frac{1.45uF}{C}(1)$

传感器采用标准电源输出芯片(属于前置信号处理电路)供电,模拟量电压输出范围是0～VDD,其中通过选择分压回路的电阻值(R1与R2、R3与R4、R5与R6)可以调节振动传感器输出电压值[4]。

2.2.2 前置调理电路的设计

前置调理电路主要完成对加速度振动传感器输出信号的放大、滤波等操作,前置调理电路设计方案如图3所示。

因加速度振动传感器已集成了信号放大电路,调理电路只设计电压跟随环节,增大输出信号的驱动能力。此外,因电压信号随传输距离的增加衰减剧烈,前置调理电路设计了电流环,将输入电压信号转换为4～20 mA电流,有效增加信号的传输距离。

2.3 数据采集卡设计

数据采集卡是将传感器产生模拟信号转换为数字信号的核心部件[5]。目前,系统开发设计中常根据系统需求采用通用数据采集卡,以利用成熟技术来提高系统的可靠性,缩减开发时间,压缩系统开发成本。表2列出了两款较为典型的数据采集卡工作参数。

根据船载测控天线结构振动监测系统的工作特征要求,本文选择采用NI公司NI6020型数据采集卡作为船载测控天线振动监测系统的数据采集卡,并在数据采集卡前端加设250 Ω标准电阻,以将4～20 mA电流转换为1～5 V电压信号[6]。

3 振动监测系统软件设计

振动监测系统软件分为上位机软件和下位机软件。其中,下位机软件是指数据采集卡中固化软件,无需单独设计开发,因此在进行振动监测系统软件设计时主要是对系统上位机软件进行设计,振动监测系统中上位机软件程序流程如图4所示。

软件开始运行后,首先检测数据采集卡与中心计算机处理系统之间的连接情况,若连接成功,则进入数据采集卡模式设置界面,用户根据实际数据采集需求对数据采集卡采集模式进行设置,设置成功后方可进行数据采集。采集得到的数据包送给上位机软件进行判读处理,剔除坏点数据后显示并存储。

4 结束语

本文通过对船载测控天线结构振动监测系统的研究与开发,提出了一种多节点、远距离结构振动监测系统设计方案,从根本上改变了现有故障诊断处理模式,充分利用新技术为专家判断设备故障提供重要依据。此外,振动监测系统的实现可以将传统的定期维修改变为有目的的视情维修或预知维修,这样不仅节约大量维修费用,而且通过减少不必要的维修次数及时间,可相对增加装备的正常使用时间,增强了船载测控雷达设备的可靠性。

参考文献

[1]陈长征,胡立新,周勃,等.设备振动分析与故障诊断技术.北京:科学出版社,2007:153—154

[2]邢丽娟,杨世忠.压电加速度测量系统的设计.压电与声光,2009;31(2):215—217.

[3]王勇.MEMS技术发展及应用优势.飞航导弹,2011;5:85—89

[4]李剑,张波涛,薛丹丹,等.基于MEMS加速度计的瞬态振动信号采集系统.电子测试,2011;8:88—91

[5]刘钢锋,朱威,邹彤,等.MEMS加速度传感器在强震观测中的应用.大地测量与地球动力学,2011;31:168—170

振动测控实验系统论文 第4篇

1 温度测控系统的硬件结构

温度测控系统基于NI ELVIS多功能教学实验平台构建,NI ELVIS多功能教学实验平台集成了12 种常用的实验室仪器,能够配合图形化系统设计环境Lab VIEW设计新的、针对多种学科的实验室教学及创新实验,为电子电路、信号处理、测试测量、控制和通信等学科课堂和实验室教学提供了领先的教育平台[3]。温度测控系统采用模块化设计,由温度采集、超限报警、温度测控系统前面板及程序框图等模块构成,系统结构框图如图1所示。

1.1 温度采集模块

Lab VIEW编程最小时间单位毫秒级,故不能采用数字温度传感器,这里选用10K热敏电阻,热敏电阻和电阻一样,在有电流通过的时候会产生热量。对于一个设法测试外界温度的热敏电阻而言,这样自发产生的热量可能是一个问题。因此我们应该尽可能减小通过其中的电流,这样外界的温度效应将远远大于电流所产生的热效应[4]。我们在实验中为分压网络加的电压为+5V,而对于10k欧姆的热敏电阻,这个电压为+3V就足够了。因此为了更精确的测量,我们可以将分压网络的外部电压由ELVIS的+5V输出改为VPS+输出,从而为电阻分压网络提供更低的电压。

采用分压法测量热敏电阻的阻值,从而计算对应的温度。在ELVIS的面包板上搭建电路如图2所示。若进行多路温度测控,和此电路类同,本文以双通道温度测控为例,将第二路温度采集电路连接至AI2。

1.2 超限报警模块

温度超限采用LED灯报警,这里采用ELVIS面包板自带LED灯,将DIO0、DIO1分别接LED0、LED1,也可以在面包板上用LED灯自行搭建,但是需注意接入合适限流电阻。

2 软件设计

温度测控系统程序采用NI Lab VIEW 2013 图形化语言进行编写,VI程序主要由前面板和程序框图两部分构成。

2.1 前面板设计

虚拟仪器前面板如同传统仪器的面板,主要用于系统测量数据显示、参数设置、程序运行控制等。温度测控系统前面板用温度计和数值两种显示方式显示两路测量温度,可进行温度阀值设置,同时点亮超限温度通道对应报警灯。按下停止按钮,系统停止运行。温度测控系统前面板如图3所示。

2.2 程序框图设计

虚拟仪器程序框图作用如同传统仪器内部电路,可实现数据采集、分析、处理、存储及显示等。温度测控系统程序框图主要实现了双通道温度采集、温度转换处理、超限报警等功能,如图4所示[5]。

2.2.1 数据采集VI

通过系统自带“DAQmx Creat Virtual Channel.vi”、“DAQmx Read.vi”、“DAQmx Clear Task.vi”函数和及while循环结构实现数据通道设置(AI0、AI1)、数据采集、清除任务,从而实现温度采集,程序框图如图5所示。

2.2.2 信号处理VI

通过NI ELVIS AI通道采集到信号为热敏电阻上电压值,根据图2 所示电路,可通过公式(1)将其转换为电阻值。查阅热敏电阻数据表,通过公式2 可将电阻值转换为对应温度值,对应子VI如图6、图7所示。

2.2.3 超限报警VI

温度测控系统VI将测量温度与阈值的比较,比较结果通过程序界面的布尔型控件输出。同时程序增加了数字信号的硬件输出,比较结果同时控制DIO0、DIO1 管脚的输出,从而可自动根据温度的变化控制LED指示灯的亮灭。

3 结论

基于虚拟实验平台温度测控系统实现了多通道温度采集及温度超限报警,并可实现远距离测控。温度测控系统的实现,验证了虚拟实验平台的可行性,它基于一种全新的实验理念和学科交叉、实验教学资源共享的目的出发,为应用电子技术、通信工程技术、电子信息工程技术、电子测量技术与仪器等专业构建一个公共的实验平台,同时也为各学科、各专业的相互融合提供了一个实验环境,形成满足专业群共性需求与专门化需求的实训体系,实现优质资源的充分利用与高效共享,在改革教学方法、提高教学水平、节约教育投资、共享教育资源等方面具有重要的意义和实用价值。

摘要：为培养学生自主性学习,提高学生实践能力,实现专业群实验教学资源共享,提出了基于虚拟仪器的电子信息综合实验室解决方案。通过基于ELVIS多功能教学实验平台的温度测控系统的设计实施,验证了其可行性,在节约教育投资、共享教育资源等方面具有重要的意义。