毕业设计论文基于虚拟仪器技术的锭子振动测试系统设计

武汉科技学院2004届毕业设计（论文）武汉科技学院毕 业 设 计 论 文 题目：基于虚拟仪器技术的锭子振动测试系统设计 院 系: 机电工程系 专 业: 姓 名: 指导老师: 2004年 6 月 10 日目 录武汉科技学院毕业设计（论文）任务书4毕业设计（论文）开题报告8摘要12ABSTRACT131概述141.1 纺纱锭子的发展概况 141.2 锭子的结构141. 3锭子的振动162 振动测试系统172.1 锭子振动测试系统应具备的功能172.2 传感器182.2.1 传感器的主要技术指标182.2.2 传感器及其调理电路192.3 虚拟仪器硬件平台192.3.1 虚拟仪器192.3.2 数据采集卡202.3.3 数据采集卡的基本性能指标213 细纱锭子振动测试系统的总体设计223.1 锭子振动测试实验台223.1.1 总体方案233.1.2 升降台233.1.3 锭子安放台233.2 硬件设计233.2.1 传感器的选择233.2.2 数据采集卡的选择263.3 软件设计部分273.3.1 通道选择283.3.2 数据存盘283.3.3波形运算293.3.4 模拟输入模块314 细纱锭子轴心轨迹测量实验324.1 实验及其结果分析324.1.1 实验目的324.1.2 实验原理324.1.3 实验仪器和设备324.1.4 实验步骤及其内容334.1.5 注意事项334.1.6 实验结果分析335 小 结34参考文献35附 录37外文资料 38中文翻译50致 谢58武汉科技学院毕业设计（论文）任务书题目：基于虚拟仪器技术的锭子振动测试系统设计完成期限：2003 年12 月1日至2004 年 6月10日 院系 武汉科技学院 指导教师 梅顺齐 专业班级 机设004班 职 称 教授 学生 陈 小 兰 院（系）主 任 梅顺齐 接受任务日期2003.12.1 批准日期 2003.12.1 一、原始依据（资料）本课题是湖北省省教育厅科研项目之一，是在传统纺纱锭子振动测试系统的基础上进行设计的。锭子是纺纱工业的象征，通常以拥有的细纱锭子数量来衡量纺纱厂的设备规模。锭子的作用是卷绕成形，即将纺成的细纱按一定的成形要求卷绕在筒管上，便于运输储藏和加工。以往的锭子机电测试系统测试采用传统仪器示波器。传统仪器的功能是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。另外，传统仪器的价格昂贵，技术更新慢，开发费用高。本课题采用先进的虚拟仪器技术，在虚拟仪器原理的基础上，利用电涡流传感器测量并转换锭子振动的位移信号，通过数据采集卡采集该信号，在虚拟仪器平台上通过Lab view软件设计虚拟示波器，从而在虚拟示波器上显示出锭子振动的轴心轨迹。虚拟仪器以计算机为中心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示。二、设计（论文）内容和要求锭子振动测试系统是从测试系统的硬件和软件设计来完成的。硬件部分主要是传感器和数据采集卡的选择，软件部分是选用合适的编程语言，完成测试。本课题选的是Lab view软件，在虚拟仪器平台上设计虚拟示波器，从而显示出锭子轴心振动的轨迹。如果时间和条件允许的情况下，进行具体的实验操作。整个设计过程的任务和要求具体如下：1、选择合适的传感器，了解传感器的有关性能，掌握其测试原理。2、选择合适的数据采集卡，了解数据采集卡的性能指标。3、设计合适的测试软件（本课题选的是Lab view软件），熟悉并掌握软件的应用，设计虚拟示波器。4、设计实验台并完成具体实验5、翻译一篇与本论文相关的外文资料，语言文字表达要准确到位。6、论文按院系要求的格式撰写。三、主要参考资料1 陈瑞琪，马泼林，杨正中等纺纱锭子的理论与实践M北京：纺织工业出版社，1990：186192.2 陆再生.棉纺设备M.中国纺织出版社，1996.3 曾光奇，胡均安 工程测试技术基础M. 华中科技大学出版，2002.4 张易知，肖啸 张喜斌 卫跃春等.虚拟仪器的设计与实现M.西安电子科技出版社，2002年.5 应怀樵，刘进明. 微机智能自动化动静态测试分析技术的研究R. 全国八届振动技术会议（1994）. 现代振动与噪声技术.航空工业出版社. 1997年: 33-36.6 秦树人. 虚拟仪器测试仪器从硬件到软件J. 振动、测试与诊断. 2000(1):1-6.四、同组设计者华晓弘设计（论文）进度计划表序号起止日期计划完成内容实际完成内容检查日期检查人签名12003.12春节前收集资料完成开题报告并翻译外文完成计划内容梅顺齐2.2022004.2.202004.3.10选择传感器 并熟悉传感器完成计划内容梅顺齐3.1132004.3.102004.3.30选择数据采集卡并熟悉数据采集卡完成计划内容梅顺齐4.142004.3.302004.4.10选择编程语言熟悉Lab view软件完成计划内容梅顺齐4.1152004.4.102004.4.30初步完成设计并设计实验台完成计划内容梅顺齐5.162004.4.302004.5.20修正论文并通过实验来验证完成计划内容梅顺齐5.2172004.5.202004.6.10完成论文并准备答辩完成计划内容梅顺齐6.1082004.6.102004.6.13准备答辩指导教师批准日期 2003年 12 月 1 日 签名：梅顺齐毕业设计（论文）开题报告课题名称基于虚拟仪器技术的锭子振动测试系统设计院系名称机电工程系专业名称机械设计制造及自动化学生姓名陈小兰指导教师梅顺齐一、课题的意义在纺织行业中，锭子是一个重要的专件，锭子性能的优劣对生产效率和纱线质量具有决定性的影响。由于锭子本身和卷装都存在高速回转时引起剧烈的振动、冲击和噪声，并使其功率及磨损大大增加，最后导致锭子的寿命迅速下降。为了研究和掌握锭子的运动规律，选择合适的结构参数和支承条件，控制其运动稳定性，以达到高速，低噪音，低功率及寿命长的目的，有必要借助各种新的测试手段来研究其振动规律，以改善锭子的振动特性。二、锭子及其振动测试系统的发展状况随着纺织技术的发展，各种新型的纺纱方法不断出现，但传统的环锭纺纱方法在纺织生产中仍然占有很重要的地位。1987年在意大利米兰举行的国际纺织机械展览会（ITMA87）上，世界各国有八家纺织机械制造公司展出了环锭纺纱设备，展出情况表明，环锭纱将仍占主要，环锭纱在高质量和细号纱线市场仍独具特点。在我国到1988年为止，新型纺纱头数约占所有纺纱头数的1%。直到目前为止，环锭纱仍处于统治地位。而在环锭纺纱中又大量使用锭子，所以锭子在纺织工业中仍占有极其重要的地位。罗拉、锭子以及钢零是纺织机械中的重要零部件，也是纺织机械中的容易磨损的零件，锭子却又是最易磨损件，而且关系到纺纱产品的质量。因此，有必要对锭子进行新的研究与开发，改进锭子结构和制造工艺，提高纺纱质量与产量。，5、制造、锭子的改进方向主要是提高其承载能力和减小振动。反映改进优劣的考核指标是：（1）运转速度，国内最高达22000转分左右。国外介绍锭速有的高达30000转分。(2)空锭振幅，国内规定0.08mm，实际国内外均力求控制在0.05mm以内。(3)嗓音，整机噪音的国际标准又85分贝，单锭空锭噪音，当锭速为16000转分时，在距离测头1米测定约在70分贝左右。随着锭速的不断提高，锭子结构的不断改进，由平面轴承的旧式锭子逐步发展到滚柱轴承刚性支承的普通锭子，而当前广泛采用的是弹性支承高速锭子。以往的锭子机电测试系统测试采用传统仪器示波器。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。另外，传统仪器的价格昂贵，技术更新慢，开发费用高。采用VC编程，虽然可以利用其强大的图形功能创建可视化的虚拟仪器前面板，使用先进的DLL和ActiveX实现软件的模块化设计，增强了软件的维护性和扩展性，也提高了开发效率，但用其编程，程序既冗长又复杂可读性和可维护性较差这对于提高设备监测的实时性和有效性、故障诊断的可靠性和准确性是非常不利的。随着现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，出现了虚拟仪化，集成化模块化，参数整定与修改实时化，硬件平台通用化等技术。虚拟仪器技术是90年代发展起来的一项新技术主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域，其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟仪器是现代仪器技术和计算机技术结合的产物。虚拟仪器是在以通用计算机为核心、配置有I/O接口设备的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测控功能由测控软件实现的一种计算机系统。虚拟仪器的关键技术是其总线技术和以图形化编程方法为核心的软件技术。从虚拟仪器的定义来说，它更多地强调软件在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。目前，虚拟仪器的类型主要取决于仪器所采用的接口总线类型。从仪器与计算机采用的总线连接方式的不同，可分为内插卡式和外接机箱式两大类。内插卡式就是将各种数据采集卡插入计算机扩展槽，再加上必要的连接电缆或探头，就可形成一个仪器。外接机箱式采用背板总线结构，所有仪器都连接在总线上或采用外总线方式，用外部主控计算机来实现控制。这种类型的虚拟仪器以VXI仪器为典型代表。无论哪种虚拟仪器，都离不开数据采集硬件的支持。虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种:一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有Lab Windows/CVI、Visual BASIDC/VC+等：一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有Lab VIEW和HP VEE。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。三、研究内容本课题是在传统锭子振动测试的基础上进行设计的，是设计测量高速回转锭子轴心的轨迹的振动测试系统。锭子高速回转时会出现纵向振动和横向振动，纵向振动是指锭子和筒管的上下窜动，而横向振动表现为锭子的摆头。所谓的锭子摆头是只锭端轨迹在水平面内的投影程原形、椭圆形或其他不规则的复合曲线。本课题研究的正是设计这样一个振动测试系统，即通过这个系统测量出高速回转锭子锭端的振幅，在计算机上显示出来。锭子振动测试系统是由传感器、数据采集卡、计算机以及相应的软件组成。锭子机电测试系统测试的软件部分采用LAB VIEW软件。以往的锭子机电测试系统测试都是采用传统仪器示波器。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。本课题在传统锭子振动测试系统的基础上采用先进的虚拟仪器技术，打破了以往只能在实验室里才能完成的实验，实现了脱离实验室的研究目的。四、研究手段与方法对于锭子振动的测试，采用的是先进的虚拟仪器技术。研究方法上，采用精密电涡流传感器测定锭端振动，由传感器调理电路经过放大、滤波之后转换为模拟信号，通过数据采集卡采集该模拟信号，在虚拟示波器上显示出测试的锭端轨迹。五、研究步骤1 收集资料，了解锭子及其振动的原因。2 查阅有关资料，了解传统锭子的振动测试系统，并找出其所存在的缺陷。3 初步拟定本课题的设计方案，包括硬件软件部分的设计和实验台的设计。4 选择合适的传感器及数据采集卡。5 选择合适的Lab view测试软件。6 完成整个设计并进行实验。7 翻译外文资料。8 按照院规定的模板要求撰写说明书。参考文献: 1 陈瑞琪，马泼林，杨正中，等纺纱锭子的理论与实践M北京：纺织工业出版社，1990：186192.2 陆再生. 棉纺设备M.中国纺织出版社,1996. 3 张易知，肖啸 张喜斌 卫跃春等.虚拟仪器的设计与实现M.西安电子科技出版社，2002年.4 曾光奇 ,胡均安. 工程测试技术基础M. 华中科技大学出版社,2002.5 应怀樵 虚拟仪器与PC卡泰技术的现状与发展J. 计算机自动测量与控制.2000(4).6 秦树人 虚拟仪器测试仪器从硬件到软件J. 振动、测试与诊断. 2000(3).7 黄晓晴，于盛林.基于PXI的虚拟测试系统教学实验平台J.南京航空航天大学自动化学院,2003,25(4):70-87.8 张文苑，秦志英.虚拟式振动测试系统的研发和应用J.2003(8)：68-70.9 武新华，欧阳运芳.混合编程方法在振动信号分析中的应用J. 哈尔滨工业大学能源学院，2002，44（3）：173-175.10 黄晓晴，于盛林.基于PXI的虚拟测试系统教学实验平台J.南京航空航天大学自动化学院,2003,25(4):70-87.摘 要在纺织行业中，锭子是一个重要的专件，锭子性能的优劣对生产效率和纱线质量具有决定性的影响。在使用过程中，锭子高速旋转，极小的加工误差或变形都可能引起强烈的振动。过大的振动是导致锭子不能正常工作的主要原因之一。以往的锭子机电测试系统测试采用传统仪器示波器。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。本课题采用先进的虚拟仪器技术，在虚拟仪器原理的基础上，分析测试高速回转的细纱锭子的振幅和轴心的轨迹。虚拟仪器主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域，其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟仪器以计算机为中心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示。本课题利用电涡流传感器测量并转换锭子振动的位移信号，通过数据采集卡采集该信号，在虚拟仪器平台上通过虚拟示波器显示出锭子振动的轴心轨迹。关键词：锭子；振动；测试；虚拟仪器；数据采集ABSTRACTIn textile industry, spindle is an especially important component, the performance of spindle has decisive influence on the efficiency of production and the quality of yarn. While working, spindle rotates at a high speed, little processing error or out of shape might cause strong vibration extremely. Too big vibration is the main reason that causes spindles unable to work normally. In the past, the testing electro-mechanics system of spindle adopts the traditional instrument oscillograph. Functions of the traditional instruments are all realized through the hardware circuit or the solidification software, and are given definitely by the instrument manufacturer, and the function and scale are generally all regular, users are unable to change their structure and function at will. This subject adopts advanced virtual instrument technology, and mainly on the basis of virtual instrument principal, analyses and tests high-speed spun yarn spindle amplitude and orbit of its axis. The virtual instrument applies in many fields, such as automatical test, process control, instrument design and data analysis, etc. Its mainly basic thought is to replace the hardware with the software as much as possible in design of the test system or the instrument, namely the software is an instrument .The virtual instrument regards computer as the center, fully utilizes the strong figure interface of computer and data process ability, and offers analysis and display for the measured data. This subject utilizes electric whirlpool spread sense device to change spindle displacement signal of vibration, acquiring this signal through data collecting card and demonstrating spindle axis orbit of vibration through virtual oscillograph at virtual instrument platform.Keywords: spindle; vibration; testing; virtual instrument; data acquisition1 概述1.1 纺纱锭子的发展概况在纺织工业中，锭子是纺纱工业的象征，通常以拥有的细纱锭子数量来衡量纺纱厂的设备规模。锭子的作用是卷绕成形，即将纺成的细纱按一定的成形要求卷绕在筒管上，便于运输储藏和加工。 随着纺织技术的发展，各种新型的纺纱方法不断出现，但传统的环锭纺纱方法在纺织生产中仍然占有很重要的地位。1987年在意大利米兰举行的国际纺织机械展览会（ITMA87）上，世界各国有八家纺织机械制造公司展出了环锭纺纱设备，展出情况表明，环锭纱将仍占主要，环锭纱在高质量和细号纱线市场仍独具特点。在我国到1988年为止，新型纺纱头数约占所有纺纱头数的1%。直到目前为止，环锭纱仍处于统治地位。而在环锭纺纱中又大量使用锭子，所以锭子在纺织工业中仍占有极其重要的地位。罗拉、锭子以及钢零是纺织机械中的重要零部件，也是纺织机械中的容易磨损的零件，锭子却又是最易磨损件，而且关系到纺纱产品的质量。因此，有必要对锭子进行新的研究与开发，改进锭子结构和制造工艺，提高纺纱质量与产量。Dl200型高速锭子，就是针对上述锭子的缺陷而设计的新型锭子，即分离式弹性支承锭子，由于它上下支承分离，且上支承压配于锭脚内，就减小了受外力干扰而产生的浮动。另外它的下支承具有适当的弹性，使锭子在高速回转时能自调中心，从而消除了自激振动，吸振卷簧借助油的粘性阻尼来吸收能量，故能非常有效地减小振幅，使锭尖磨损得到改善，适应了高速的要求。经验证明Dl200型合离式锭子能适应高速，减少跳管，降低细纱断头，已为我国棉纺细纱提高劳动生产率起了一定的作用，但从生产实践及对棉纱的质量和产量提出了更高的要求来看，也反应出它还存在着一定的缺陷，如轴承寿命短，耐磨性能不理想、维护保养工作量大，大纱承裁能力差等。锭子的改进方向主要是提高其承载能力和减小振动。反映改进优劣的考核指标是：（1）运转速度，国内最高达22000转分左右。国外介绍锭速有的高达30000转分。(2)空锭振幅，国内规定0.08mm，实际国内外均力求控制在0.05mm以内。(3)嗓音，整机噪音的国际标准又85分贝，单锭空锭噪音，当锭速为16000转分时，在距离测头1米测定约在70分贝左右。随着锭速的不断提高，锭子结构的不断改进，由平面轴承的旧式锭子逐步发展到滚柱轴承刚性支承的普通锭子，而当前广泛采用的是弹性支承高速锭子。1.2 锭子的结构锭子是由锭杆、锭盘、锭胆、锭脚和锭钩组成，如下图1-1所示。 锭杆作为高速回轴要求精度很高，坚韧而有弹性，其弯曲偏心必须控制在允许范围内。在锭杆全长上共有四个锥度，上锥度用来插放筒管，所以这部分的直径和锥度大小，既要有足够的摩搽力来带动筒管，又要使拔管方便。锥度太大时筒管插不牢，太小时则拔管困难。锭杆的轴承档（与滚柱轴承配合）为圆柱体。锭杆次下锥度和下锥度用以保证在锭子转动时，润滑油能适量上升而润滑上轴承。锭杆底部做成60的锥形，锭尖有一很小的圆球面，使其承受轴向载荷时减少磨损。锭盘紧套于锭杆中部，是锭子的传动件，由铸铁制造呈钟鼓形。锭胆是锭杆的支承。本实验采用的是分离式锭胆结构。它的上支承由上轴承连同轴承座压配在锭脚中，锭底装配在中心套筒内，借弹簧元件组合装在锭脚内。这种结构形式可以减少上轴承座受外力干扰而产生浮动，减少了锭胆与锭脚间隙而造成的振动。锭脚是整个锭子的支座，并兼作贮油装置。锭钩是由一个铁钩和铁板组成的，其作用是防止高速运转的锭子上跳，并可防止拔管时将锭杆拔出锭脚。 1-锭杆 2-上支承 3-锭脚 4-弹性圈 5-中心套管 6-卷簧7-锭底 8-隔离圈 图1-1 锭子1.3锭子的振动锭子高速回转时会出现纵向振动和横向振动，纵向振动是指锭子和筒管的上下窜动，而横向振动表现为锭子的摆头。所谓的锭子摆头是指锭端轨迹在水平面内的投影程圆形、椭圆形或其他不规则的复合曲线。横向振动实质是三种振动现象的复合，即自然振动、强迫振动和自激振动。自然振动是由于锭子受到锭带接头或外界突然的作用力冲击而产生的振动，其出现无一定规律，但有一定频率，并由于外界阻尼作用而逐渐消失。强迫振动是由于锭盘偏心、锭杆弯曲、筒管偏心等造成的振动，是由于周期性干扰力而引起的一种周期性振动，其频率与锭速相同，一般情况下随锭速增大而增大。引起自激振动的能量是由系统本身产生或控制，当运动停止时，引起振动的能量也就消失。这种振动频率低于强迫振动频率，并接近于第一临界转速频率。强迫振动频率就是锭子的自转转速，自激振动就是绕锭子旋转中心轴线的兜圈子运动称为进动。产生进动的速度大约8000转分左右，在高速时进动的方向与锭子旋转的方向相同，在低速时进动的方向与锭速旋转的方向相反，自激振动是研究锭子振动的主要对象。棉纺细纱锭子的锭速一般为8000转/分-16000转/分，在适当的工艺条件和质量优良的筒管配合下, 锭速可达到18000转/分。观察锭子的振动轨迹，当仅有强迫振动时锭端的轨迹是一个简单的椭圆。如在强迫振动之外伴有自激振动，锭端的轨迹是两种不同频率振动组成的复合曲线。它的高频部分是强迫振动，低频部分是自激振动。当锭速恰是自激振动频率的整数倍时，锭端的轨迹为稳定的带内环的外摆线。如下图1-2所示，外摆线环数K（K=n锭/n自激-1）不同时的带内环的外摆线。当K不是整数倍时，锭端的轨迹并不封闭。在自激振动的情况下，锭子振动的振幅较仅有强迫振动时为大。 K=4 K=3 K=2 图 1-2 带内环的外摆线下图1-3是两种型号锭子振动的轨迹。不同型号在不同的转速下有不同的轨迹。 型号D3203 型号HA25锭速2960转/分 锭速8090转/分负载加偏心0.15mm 负载加偏心0.15mm图1-3 锭子的振动轨迹 现有的高速锭子一般都采用弹性锭胆及油膜阻尼吸振，速度愈高，阻尼作用愈强，运动也愈稳定，此时的轨迹就会呈现稳定的圆形或椭圆。反之，如运动不稳定，出现自激振动或分谐共振，则振动轨迹就呈现不稳定的内或外摆线图形。 减小锭盘纱管的偏心，锭子安装的歪斜度,控制纺纱横向卷绕张力都可减小锭子的强迫振动及自激振动. 研究锭子就是研究锭子的振动。振程值是影响纺纱质量的重要指标，是制造厂的出厂标准，也是使用厂的失效标准。锭子的外部持性固然很重要，但这是在一种特定的条件下振程值才能改善，如果不掌握内在特性，锭子在使用上将受到限制，如在临界转速附近工作，锭杆太细等，即使外部特性掌握得很好，也将使振程值增加。由于锭子本身和卷装都存在高速回转时引起剧烈的振动、冲击和噪声，并使其功率及磨损大大增加，最后导致锭子的寿命迅速下降。为了研究和掌握锭子的运动规律，选择合适的结构参数和支承条件，控制其运动稳定性，以达到高速，低噪音，低功率及寿命长的目的，有必要借助各种新的测试手段来研究其振动规律，以改善锭子的振动特性。本课题设计的目的主要是研究设计测试锭子的振动系统的方案。 2 振动测试系统振动测试系统是由传感器、数据采集卡、计算机以及相应的软件组成。锭子机电测试系统测试的软件部分采用LAB VIEW软件。整个测量系统由两大部分构成：传感器及其调理电路和虚拟仪器平台。2.1 锭子测试系统应具备的功能 随着计算机与数字信号处理技术的高速发展，基于计算机的测试技术在各个行业都得到了广泛的应用。为了方便、有效地对锭子的振动特性进行测试、分析，并给出一个符合实际的评价，锭子测试系统应具有以下功能：1. 数据采集与存贮。振动数据的采集是锭子振动特性分析与故障诊断的第一步。根据不同的测试目的与要求选用不同的传感器，采用不同的采样频率，这就要求系统具有可调节采样频率的功能。另外，不同的分析方法对采样方式有不同的要求，因而，系统应该具有可选择的连续采集和单次采集功能。为了随后处理方便，应采用不同的格式对数据加以存贮。2. 信号处理。根据锭子振动信号的特点，采用不同的信号处理方法，提取可以反映锭子状态的数字化特征。 3. 信号显示。对信号在时域或频域采用不同的分辨率和放大倍数进行显示。 2.2 传感器传感器完成信号的获得，它将被测参量转换成相应的可用输出信号。被测参量可以是各种非电气参量，如压力、温度、加速度等，也可以是电气量，如电力输电线路电网电压及电流等。高压电网通过高压互传感器将电网高压变为100V，通过电流互传感器将电网大电流变为5A电流后再用采用电压、电流传感器或变送器将100V、5V分别转换成5V低电压送到虚拟仪器。2.2.1 传感器的主要技术指标1、 精确度精确度是指精密度和准确度二者意义的总和。在工程测试中，为表示仪器测量结果的可靠程度，引入表示仪器精确度程度等级的概念精确度等级，用A表示。A以系列百分比数值表示。A通常是仪器在规定工作条件下其最大允许误差y相对于仪器示值全程（FS）的百分数，表示为： A%=y*100%/yFS （2-1）式中：y可以是仪器的非线性、重复性、回滞等各单向的最大误差值。2、 输入/输出特性1） 灵敏度（S）灵敏度表示传感器在稳定工作时输出增量对输入增量的比值，即 S=Y/X （2-2） S用输出、输入量的实际单位表示（如mV/mm）。分辨率也是表示输入/输出关系特性的指标之一。2） 线性度线性传感器测出的输入/输出曲线与某一规定直线的不吻合程度，称为非线性误差或线性度。在输出特性曲线与规定直线间，垂直方向上的最大偏差相对于最大输出的百分数，即为非先行误差E，表示为 E=Lmax/YFS （2-3）3）回滞回滞是指输入量在进程和回程时输入与输出的关系特性不一致的程度。4）量程量程是指传感器测量信号的上、下限值范围。3、 稳定性稳定性是指在工作条件不变的情况下，传感器工作性能在规定时间内保持不变的能力。4、 动态特性1） 频响频响是指传感器在保持各项性能指标的情况下，工作的最高频率。2） 稳定时间稳定时间是指从输入信号阶跃变化起，到输出信号进入并不再超过对最终稳态值Ys规定的允许误差区时的时间间隔。5、 可靠性可靠性表示对于规定条件，在规定时间内完成所要求功能的能力。2.2.2 传感器及其调理电路只有那些数值大小合适的电压信号可以直接进入虚拟仪器平台外，大多数被测信号要经由传感器及其调理电路才能进入虚拟仪器系统，也可以说虚拟仪器的输入信号大多数来自传感器及其调理电路。来自传感器的输出信号通常是含有微弱信号或者是非电压信号，如电流、电荷、电参量（电阻、电容、电感等）信号，故调理电路的基本作用有三个：1） 放大。将微弱电压信号放大。 2） 转换。将非电压输出信号转换为电压信号。 3） 滤波。滤除高频干扰，限制信号的最高频率fmax，避免产生混淆。2.3 虚拟仪器平台虚拟仪器平台包括硬件和软件平台。下面分别介绍一下硬件和软件平台。虚拟仪器的硬件平台由PC计算机与数据采集卡（DAQ）组成。软件平台是指所选的测试软件。本课题选的是Lab view 软件。2.3.1 虚拟仪器以往的锭子机电测试系统测试采用传统仪器示波器。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。另外，传统仪器的价格昂贵，技术更新慢，开发费用高。采用VC编程，虽然可以利用其强大的图形功能创建可视化的虚拟仪器前面板，使用先进的DLL和ActiveX实现软件的模块化设计，增强了软件的维护性和扩展性，也提高了开发效率，但用其编程，程序既冗长又复杂可读性和可维护性较差这对于提高设备监测的实时性和有效性、故障诊断的可靠性和准确性是非常不利的。随着现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，出现了虚拟仪化，集成化模块化，参数整定与修改实时化，硬件平台通用化等技术。虚拟仪器技术是90年代发展起来的一项新技术主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域，其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟仪器是现代仪器技术和计算机技术结合的产物。虚拟仪器是在以通用计算机为核心、配置有I/O接口设备的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测控功能由测控软件实现的一种计算机系统。虚拟仪器的关键技术是其总线技术和以图形化编程方法为核心的软件技术。从虚拟仪器的定义来说，它更多地强调软件在仪器中的应用，但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。目前，虚拟仪器的类型主要取决于仪器所采用的接口总线类型。从仪器与计算机采用的总线连接方式的不同，可分为内插卡式和外接机箱式两大类。内插卡式就是将各种数据采集卡插入计算机扩展槽，再加上必要的连接电缆或探头，就可形成一个仪器。外接机箱式采用背板总线结构，所有仪器都连接在总线上或采用外总线方式，用外部主控计算机来实现控制。这种类型的虚拟仪器以VXI仪器为典型代表。无论哪种虚拟仪器，都离不开数据采集硬件的支持。虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种:一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有Lab Windows/CVI、Visual BASIDC/VC+等：一种是基于图形化语言的软件开发环境，常用的有Lab VIEW和HP VEE。其中图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。因此本实验锭子机电测试系统测试部分的虚拟示波器采用LAB VIEW软件。2.3.2 数据采集卡被测信号的实时采集，要使用数据采集卡。下面框图说明了被测信号的实时采集原理。计算机显示波形数据采集卡被测信号图2-1 被测信号实时采集框图如上图所示，计算机对采集卡发出指令，启动数据采集卡，采集卡将模拟信号转换为数字信号，计算机对采集的信号数据进行存储、处理和显示。数据采集卡（DAQ卡）由以下几个部分组成：1） 多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。2） 放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大（或衰减）至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。3） 采样/保持器。取出待测信号在某一瞬间的值（即实现信号的时间离散化），并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样/保持器。4） A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。2.3.3 数据采集卡的基本性能指标1 模拟信号输入部分 1）模拟输入通道数。该参数表明数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。 2）信号的输入方式。一般待采集信号的输入方式有： 单端输入：即信号的其中一个端子接地。 差动输入：即信号两端均浮地。 单极性：信号幅值范围为0，A，A为信号最大幅值。 双极性：信号幅值为-A，A。 3）模拟信号的输入范围（量程）一般根据信号输入特性的不同（单极性输入还是双极性输入）有不同的输入范围。 4）放大器增益。 5）模拟输入阻抗。2 A/D转换部分1）采样速率。指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数，是数据采集卡的重要技术指标。由采样定理，为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复原输入信号，必须使采样频率fs至少为输入信号最高有效频率fmax的两倍，否则会出现频率混淆误差。实际系统中，为了保证数据采样精度，一般有下列关系： fs=（7-10）fmaxN （2-4）式中：N为多通道数据系统的通道数；fs为采样频率；fmax为信号最高有效频率。2）位数b。是指A/D转换器输出二进制数的位数。当输入电压由U=0增至满量程值U=UH时，一个八位（b=8）A/D的数字输出由八个“0”变为八个“1”，共计变化2b个状态，故A/D转换器产生一个最低有效数字量的输出改变量，相应的输入量Umin=1LSB=q可由下式计算：1LBS=q=UH/2b （2-5）式中q为量化值；UHA， 为满量程输入电压，通常等于A/D转换器的电源电压。3）分辨率与分辨力。指数据采集卡可分辨的输入信号最小变化量。分辨率一般以A/D转换器输出的二进制数或BCD码位数表示。分辨力为1LBS（最低有效位数）。精度。一般用量化误差表示，量化误差e为LBS/2。3 D/A模数转换器部分1）分辨率。指当输入数字发生单位码变化即1LBS时，所对应输出模拟量的变化量。通常用D/A转换器的转换位数b表示。2）标称满量程。指相当于数字量标称值2b的模拟输出量。3) 响应时间。指数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内（LBS/2）所经历的时间。3 细纱锭子振动系统的总体设计 虚拟仪器平台离不开硬件和软件的支持。锭子振动测试系统是设计硬件部分和软件部分的。3.1 锭子振动测试实验台锭子振动测试实验台是由升降台、锭子、锭子安放台、带轮以及蜗杆蜗轮等组成。其总体设计外观图详见附录的图纸。图3-1 轴心轨迹测量总框图3.1.1 总体方案传感器装在升降台上。升降台由蜗轮蜗杆，齿轮圆柱导杆来实现工作台的上下移动。从而来实现测量锭子不同部位的轴心运动轨迹，以达到测量振动的目的。锭子装在锭子安放台上。带轮带动锭子做10000r/min转动。3.1.2 升降台升降台由蜗轮蜗杆，齿轮圆柱导杆来实现其上下移动，从而来实现测量锭子不同部位的轴心运动轨迹，达到测量锭子振动轨迹的目的。3.1.3 锭子安放台 将锭子安放于锭子安放台上，以实现其无干扰的振动，便于其轴心轨迹的测量和分析。3.2 硬件设计硬件电路主要由传感器、接收电路、CPU及其放大电路和数据采集卡电路组成。传感器、接收电路用于检测锭子振动值，CPU及其放大电路和数据采集卡电路采集各传感器的输出信号并显示出来。硬件方面的设计是传感器和数据采集卡的选择。3.2.1 传感器的选择传统测量位移的传感器有以下几种：电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电涡流传感器、光电传感器以及光纤传感器等。电阻式传感器的动态特性受运动部件质量的限制，只能测量频率较低的位移信号，而且测量的位移较小。电感式传感器输出功率较大，测量的动态范围受铁芯运动部分质量-弹簧特性和电源激励频率的限制，常用于静态和低频率信号的测量。电容式传感器结构简单，可靠，灵敏度高，动态特性好，能实现非接触测量。但由于连接导线的寄生电容影响，其测量的精度不高。光电传感器测量的范围、测量的精度、灵敏度都能满足各种要求，但是受到光的影响，稳定性不够高。锭子的振动属于微幅振动，要求较高的测量精度和灵敏度。如果用接触式测振仪，则由于传感器与振动体直接接触，就会影响到锭杆的正常运动，从而使测定结果失真。非接触性传感器中，如电感式，电容式，由于电气元件的精度及外界干扰的影响，使调整及操作不便，测量结果也不稳定，效果不好。本实验所选的是电涡流式位移振动传感器。由于涡流检测不需要改变试件的形状，也不会影响试件的使用性能，因此，是一种无损地评定试件有关性能和发现试件有无缺损等的检测方法。电涡流传感器就是能静态和动态地非接触，高线性度，高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它能够准确地测量被测物体与探头之间的静态和动态距离变化。下面将详细介绍电涡流传感器的一些参数及使用。1、基本组成电涡流传感器主要是由探头、延伸电缆和前置器三部分组成。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。下面是前置器的主要性能指标。如下表3-1所示：表3-1 前置器的主要性能指标输出特性输出电压供电电压单向比例电压负（正）2V18V15V单向比例限幅负（正）1V5V15V双向比例电压8V8V15V 2、用途与特点电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移、振动传感器。可对进入尤其测量范围内的金属物体的运动参数进行精密地非接触测量。用于机械中的振动和位移、转子与机壳的热膨胀量的长期监测；生产线的在线自动监测和自动控制；科学研究中的多种微小距离和微小运动的测量等。 3、工作原理 电涡流传感器利用金属的电涡流效应，电涡流产生一个交变磁场，根据楞次定律，其方向与线圈原磁场方向相反，因此这两个磁场相互叠加，改变了原线圈的阻抗。线圈阻抗的变化即与电涡流效应有关又与静磁学效应有关、即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。电涡流传感器正是利用这个定律将传感器与被测金属导体之间距离的变化转换成线圈品质因数、等效阻抗和等效电感三个参数的变化。在通过测量、检波、校正等电路变为线性电压（电流）的变化。由于涡流是电磁感应产生的，在检测时，不必要求在线圈和试件之间充填满合剂，从而容易实现自动化检验。4、主要参数电涡流传感器主要是由探头、延伸电缆和前置器三部分组成，如上图2所示。它的一些主要性能参数如下表3-2所示：表3-2 ST-1-03型号的电涡流传感器的主要性能参数探头直径线性量程线性区电压中点电压灵敏度分辨率稳定度线性度3mm1mm-2V-12V-7V10mV/m0.10.05%1.5%5、安装方法被测物体的表面要光滑、平坦。非钢材被测体和小于三倍传感器直径的被测表面影响传感器输出特性。传感器出厂时使用45#钢标定，被测对象不符合规定时应重新标定（型号不同的钢材灵敏度误差小于10%）。应当保持传感器探头周围有足够的空间，在3倍探头直径范围内，不应由金属体，传感器安装应远离转动体台阶面，这样可避免周围金属结构的干扰，准确测量振动值。传感器可在有酸碱腐蚀的环境中使用。 安装两个邻近传感器时应保证传感头之间有足够的距离以防止交叉失真（如图a），一般应保留40mm的间隙。在径向轴承附近安装传感器时（如图b），传感器中心线与轴承座表面的距离应大于三倍传感头直径，同时避免把传感器安装在不显示任何振动的结点上（如图c）。 (a) (b) (c)图3-3 涡流传感器的安装3.2.2 数据采集卡的选择本课题选用的是DYPCI2003数据采集卡。PCI2003卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，主要应用于电子产品质量检测，信号采集，过程控制，伺服控制等场合。它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。PCI2003板上装有12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器。为用户提供了8 双/16 单的模拟输入通道和2 路模拟输出通道。输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度。程控增益可选择1、2、4、8（PGA203）或1、10、100、1000（PGA202）倍，A/D转换器输入信号范围:5V、10V、010V，D/A转换器输入信号范围:5V、10V、010V。它的主要性能指标如下：1. PCI局部总线性能PCI总线宽度32位，同步工作频率可达到33MHz，最高传输速率为132MB/S。使用方便，能够实现自动配置，实现设备的即插即用。可靠性高,标准中考虑了负载容限，即使扩展卡超过了负载的最大值，系统也能正常工作。PCI提供的数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。2. 模拟信号输入部分模拟通道输入数: 16路单端或8路双端输入。模拟输入阻抗: 100M模拟输入共模电压范围：2V程控放大器增益范围： 1、2、4、8（PGA203）或1、10、100、1000倍（PGA202）放大器建立时间： 2us放大器增益误差性： 0.05%3. A/D转换电路部分 A/D分辨率：12Bit(4096) 非线性误