关于振动传感器信号检测的虚拟仪器课程设计

西安建筑科技大学课程设计（论文）目录1. 概述11.1 虚拟仪器11.1.1 虚拟仪器概念11.1.2 虚拟仪器的构成和特点11.1.3 虚拟仪器的系统构成21.2 设计目的31.3 设计要求31.4 设计思路32. 振动传感器信号检测系统的设计42.1 振动传感器信号检测硬件设计与连接42.1.1 SC-3振动传感器性能与指标42.1.2 LabJack U12数据采集卡52.1.3 检测系统的连线82.2 振动传感器信号检测软件设计92.2.1 LabVIEW92.2.2 程序设计92.3 振动传感器信号检测系统的调试103. 总结124. 参考资料12第 - 1 - 页 共 - 12 - 页西安建筑科技大学课程设计（论文）1. 概述 1.1 虚拟仪器虚拟仪器技术是20世纪90年代发展并兴起的一项新技术，主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和资料分析等领域，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。 1.1.1 虚拟仪器概念 测量仪器发展至今，大体经历了四代历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。由于微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生了突破性的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司（National Instruments）在20世纪80年代最早提出虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包LabVIEW。NI公司宣称“The Software is the Instrument”，即“软件就是仪器”。在这里，计算机是虚拟仪器的核心设备，该仪器的功能是通过软件仿真实现的。它将传统仪器由硬件电路实现的数据分析处理与显示功能，改由功能强大的计算机来执行，所以计算机是其核心；当计算机与适当的I/O接口设备配置完毕，虚拟仪器的硬件平台就被确定，此后软件就成为仪器的关键部分，这也是“软件就是仪器”之说的来由。这意味着只要按照测量原理，采用适当的信号分析技术与处理技术，编制某种测量功能的软件就可构成该种功能的测量仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。 1.1.2 虚拟仪器的构成和特点虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于资料分析、过程通信及图形用户接口的软件组成的测控系统，与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能块构成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、数据结果的表达与输出。与传统仪器相比，虚拟仪器技术具有高效、易用、开放、灵活、技术更新快、功能强大、性价比高、用户可自定义等诸多优点，其优势是显而易见的，表2-1是虚拟仪器与传统仪器相关性能的对照表。表1-1 虚拟仪器与传统仪器对照表传统仪器虚拟仪器仪器功能仪器生产厂商定义由用户定义数据采集分析与显示图形显示界面小、人工读数、信息量少且容易出现读数误差利用计算机强大的图形用户界面（Graphical User Interface,GUI）直接读数，可通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，或通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机，一方面解决了数据的传输问题；另一方面可以充分利用计算机的存储能力，可自动生成测试运行报告，具有完整的时间记录和测试记录，具有高品质的打印功能扩展性扩展性差、系统封闭、功能固定、与其他仪器设备的连接受限制面向应用操作系统结构，基于计算机技术的开放灵活的功能模块，可自定义接口，方便地与网络、外设及其他应用连接，并利用网络进行多用户数据共享数据精确性信号每经过一次硬件处理都会引起误差测量精度高，由于减少了硬件的使用，因而减少了测量误差费用传统仪器价格高，技术更新慢（周期约为5年10年），开发和维护费用高结构简单、成本低廉、一机多用，可自行开发软件，并可重复利用，技术更新快（周期约为1年2年），基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用 1.1.3 虚拟仪器的系统构成虚拟仪器系统由仪器硬件和应用软件两大部分组成，仪器硬件是计算机的外围部分与计算机构成了虚拟仪器系统的硬件环境，是应用软件的基础，而应用软件则赋予系统相关功能。 本次的虚拟仪器课程设计中，我们进行的是振动传感器的信号检测，而这一部分信号的检测与分析在每一个工业测量与控制的领域中都是最为基础也是无比重要的一部分，信号检测的准确与否直接关系到系统的控制精度等一系列的问题，因此，信号的检测与分析是我们学习中极为重要的一个组成部分。1.2 设计目的（1） 了解实验室虚拟仪器集成环境的原理和应用技术（2） 了解振动传感器的工作原理（3） 掌握根据硬件电路设计软件的方法（4） 熟悉利用LabVIEW进行传感器输出信号的采集与分析的方法1.3 设计要求 本次课程设计，是以虚拟仪器试验箱为核心，了解振动传感器的工作原理，设计振动传感器的工作状态，使用LabVIEW对振动传感器的输出信号进行数据采集与波形显示并进行数据分析。具体要求：（1） 进行硬件元器件的选型（2） 实验平台的搭建（3） 使用LabVIEW对振动传感器的输出信号进行数据采集（4） 使用LabVIEW对振动传感器的输出信号进行波形显示以及数据分析1.4 设计思路 本次课程设计中先采用振动传感器进行数据的检测，再通过数据采集卡将数据采集通过USB接口与计算机相连接，最后在计算机中利用LabVIEW中的数据采集以及示波器的显示功能进行数据的显示。 图1-4 振动传感器信号检测流程2. 振动传感器信号检测系统的设计本检测系统分为硬件与软件两部分组成，其中硬件部分由振动传感器SC-3、LabJack U12 多功能数据采集控制器以及计算机组成，而软件部分为在LabVIEW 8.6上的程序设计。2.1 振动传感器信号检测硬件设计与连接2.1.1 SC-3振动传感器性能与指标这是一种有源的高灵敏度微功耗检测元件，外型见图1。它采用1.5v15v宽电压范围供电，在3V时耗电小于150A，6V时耗电小于300A。其内部除振动传感元件外，还设有高倍数的放大电路，故能感应到极微弱的振动信号，并有很大的输出电压幅值，能直接触发后级电路。传感器的体积：12x22x32mm，其输出信号为连续的正弦波，幅值大小与震动的强弱有关，属模拟型传感器。输出可用示波器看到，而万用表无法测出。器件的后面应加入触发器或有关电路，否则不能直接推动三极管或其它负载。 它的输出采用一根双芯屏蔽线，其中红色线为电源正极，白色线（或绿色）为信号输出端，屏蔽线接地（电源负极），使用时应将传感器用高强度粘接剂或用紧固件固定在被检测体上。传感器与被检测体接触越紧密，灵敏度越高。应用举例：振动式音乐门铃，见图2，当来客敲门时，固定在门上的振动传感器能够检测到振动信号，并输出一电压脉冲，音乐集成块会因受到触发而工作，并通过三极管V1推动喇叭发出音乐声。该音乐门铃能够免除门铃按钮的安装问题，既不破坏门的结构，又降低了安装的难度。 其它说明： 图2 1，特别大的声音信号将对传感器有影响。 2，增强抗干扰能力请用我厂的SC-1，SC-2型传感器。3，如调整灵敏度可选用SC-4震动传感器。4，传感器的远距离设定可选用TXC50系列数字编码遥控器。2.1.2 LabJack U12数据采集卡LabJack U12数据采集卡是一个LabJack U12 是美国LabJack公司研发、生产的，USB接口的、多功能数据采集控制器，是目前性价比最高的多功能数据采集控制器。它使计算机轻而易举地和外部物理世界联系起来，被广泛地应用于测试仪器，工业过程控制，数据监视等各种数据采集和控制场合。它还是一个理想的高校教学和实验工具。LabJack U12主要性能和特点如下：（1）12位、八个单端或四个差动的模拟量输入 （2）10伏的模拟量输入范围 （3）具有可编程放大器，增益为 1，2，4，5，8，10，16 或 20倍 （4）采样速率可高达8000赫兹（在短时读模式下）或 1200赫兹（在连续读模式下） （5）支持软硬件定时采样 （6）支持触发采样 （7）2个模拟量输出 （8）20个数字输入输出口（每个口的速率可达到50赫兹） （9）1 个32位计数器 （10）具有看门狗定时器功能 （12）是个使用方便的PnP USB设备 （13）一个USB口可以连接80个LabJack从而组成庞大系统 （14）百分之百的软件控制，没有任何跳线或开关 （15）不需要外部电源 （16）提供完整的驱动软件和一些应用软件 （17）包含LabVIEW 和VB程序 （18）可在视窗操作系统 98SE，ME，2000 或XP上使用 （19）详尽的中英文技术文档 （20）CE认证产品 （21）可在工业温度范围内使用 （22）包括所有连接缆线和接线端口 （23）大约尺寸为10cm 15cm 3cm （24）有OEM板，为您的产品提供计算机接口LabJack U12数据采集卡输入输出口说明：模拟输入：有8个模拟输入口，可以作为8个单端输入或4个差动输入或混合使用。输入电压范围是-10V+10V。输入的偏置电流为90微安。差动输入通道可以使用内部的低噪声、高精度的可编程放大器，放大倍数可高达20倍。U12有三个工作模式：单点、连续、和数据块。单点模式中采集速率每通道达50Hz（4个通道），或25Hz（8个通道）；连续采集的最高采集频率为1200Hz；数据块采集的最高频率是8192Hz，每个数据块的大小最大为4096个。在数据块采集模式中您可以让一个数字口来接收触发信号，该数字口的状态发生变化可以触发快速采集。 模拟输出：两个模拟输出口有10位的精度，输出范围是0V到+5V（或U12 的供电电压）。它只有单点工作模式，最高输出速率位50Hz。 数字I/O：共有20个数字I/O口。4个（IO0-IO3）在U12 本体上，它们和模拟输入一样可以有三种采集模式，因此可以快速读取它们的状态。其他16个（D0-D15）连接到DB25插座上，使用CB25扩展板可以方便地接线，这些I/O口的驱动能力较大（25毫安），可以用来直接驱动一些继电器或LED灯。它们的输出最高频率为50Hz。 计数器：一个32位的计数器，计数最高频率为1MHz。读取速率为50Hz（单点）或300Hz（连续）. 看门狗：U12有一个看门狗，它用软件启用。启用后如果要禁用，先断开U12电源，把IO0和STB短接，然后为U12 上电，U12 的LED闪烁后，再把短接线去掉，再次断电后即可。 图2-1 LabJack U12 实物图2.1.3 检测系统的连线 SC-3微振动传感器红色线为电源正极，白色线为信号输出端，屏蔽线接地,首先将传感器的红色线接到电源的+5V上，将屏蔽接地线用一根导线连接至电源的GND端，上紧螺丝，再将白色的信号输出线连接至U12 的AI1端口，其次将U12的AI0和GND 端口分别接至电源的+5V和GND端口，再将变压器的两个电源输入接好线，插到电插座上，至此传感器等通电，将与U12相连接的USB数据线插到计算机的USB端口上，到此，检测系统的硬件电路连线连接完成。下面为硬件电路的电路连接的实物图图2-2 硬件电路的电路连接的实物图2.2 振动传感器信号检测软件设计2.2.1 LabVIEWLabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。2.2.2 程序设计 本次的课程设计中的软件部分采用LabVIEW语言进行程序的编写与调试，程序的运行环境为LabVIEW 8.6版本。下面是程序的前面板与框图： 图2-3 振动传感器信号检测LabVIEW程序前面板 图2-4 振动传感器信号检测LabVIEW程序框图2.3 振动传感器信号检测系统的调试 当接通电源后，运行LabVIEW，执行该程序VI后，示波器出现波形在3.4附近振动比较平稳的波形，如图2-5所示： 图2-5 无振动信号时电压曲线图 当突然猛地敲击振动传感器后，原来平稳的波形上出现一个变化巨大地振动信号，如图2-6所示： 图2-6 有振动信号时电压曲线图当连续敲击几次振动传感器后，有出现如图2-7的波形 图2-7 多次振动信号时电压曲线图3. 总结在这为期一周的课程设计中，通过对振动传感器信号检测系统的设计与分析，我清楚地认识到了自己以前仅仅学到的书本上的知识的欠缺与经验的不足，所谓实践出真知，虚拟仪器本就是一种实践操作环节十分重要的课程，而这次的课设正好弥补了我操作方面的不足，进而更加巩固了这方面的知识。课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。尤其是硬件方面的知识，我们更为的稀少，以前的课程中学到的基本都是软件方面LabVIEW的使用等等，而硬件却是很少接触到，因此对于硬件我们是知之甚少。然而我们通过不断地查阅SC3振动传感器和U12的相关资料，对其有了进一步的认识，还有硬件设备与软件的连接，我们也都出现过问题，但最总都能认真的一一排除予以解决。最终，我们达到了任务书上的要求，完成了本次的虚拟仪器课程设计。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！最后感谢本次课程设计中老师与同学们的帮助与指导，使我获益匪浅！4. 参考资料1 卢央采.虚拟仪器技术的发展及现状.自动化仪表J,22(11),2001:1-32 何干辉.基于USB总线的虚拟示波器的研究D,哈尔滨:哈尔滨工程大 学,2007.83 黄泉水,王国治.基于LabVIEW 的虚拟振动信号分析仪设计.华东船舶工业学院学报J,6(1),2004:25-27第 - 11 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