蘇永生， 明廷濤， 曲鵬宇

(1.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海 200136)

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·計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用·

基于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

蘇永生1， 明廷濤2， 曲鵬宇1

(1.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海 200136)

在軍用船舶主機(jī)、輔機(jī)以及軸系等重要設(shè)備的故障診斷中，轉(zhuǎn)速測(cè)量扮演著重要的角色，NI在重要機(jī)電設(shè)備的參數(shù)測(cè)量和狀態(tài)評(píng)估方面都提供了非常優(yōu)秀的解決方案。本文基于NI-PXI平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室條件下開發(fā)了電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速測(cè)量和調(diào)試平臺(tái)。針對(duì)霍爾式和光電式兩種常用的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量原理，結(jié)合PXI-6251板卡中的脈沖計(jì)數(shù)以及電壓測(cè)量功能模式，開發(fā)了基于LabVIEW的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)測(cè)量和調(diào)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)保存，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)上述兩型轉(zhuǎn)速傳感器的性能檢驗(yàn)和指標(biāo)評(píng)估。

轉(zhuǎn)速測(cè)量； labVIEW； 單頻信息法； 計(jì)數(shù)器法

0 引 言

旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速是表征機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅描述機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)工況，而且也是控制系統(tǒng)中對(duì)其它參量控制的依據(jù)和基準(zhǔn)。所以對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法開展研究，精確地獲取轉(zhuǎn)速信息具有重要的工程意義，也備受國內(nèi)外同行的關(guān)注[1-11]。中船重工集團(tuán)公司第703研究所的劉孝祖采用最新的光電技術(shù)和接近開關(guān)技術(shù)來設(shè)計(jì)船用智能轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，通過單片機(jī)對(duì)接近開關(guān)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)顯示穩(wěn)定、清晰的轉(zhuǎn)速值，并可以判斷旋轉(zhuǎn)方向。安徽理工大學(xué)的吳房勝采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的高精度測(cè)量。王常江等[12]提出了一種基于磁阻式轉(zhuǎn)速測(cè)量原理的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。鄭哲等[13]以德國晨陽技術(shù)有限公司提供CYGTS104U雙路霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器作為測(cè)量設(shè)備，能夠有效地促進(jìn)轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展。

本文在分析旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速工作原理和測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，搭建了基于LabVIEW軟件平臺(tái)的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。基于脈沖計(jì)數(shù)法和提取單頻信息法兩種轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)了在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)光電式和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量和調(diào)試的平臺(tái)。通過同一軸上兩類傳感器的輸出是否一致來簡易判別其性能指標(biāo)，可以滿足轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試前的調(diào)試目的。

1 轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理和方法

轉(zhuǎn)速測(cè)量原理可分為兩大類[14]：接觸式和非接觸式。一般有離心式、定時(shí)式、磁感應(yīng)式、電動(dòng)式、頻閃式、電子計(jì)數(shù)式。離心式與定時(shí)式通稱為機(jī)械式，屬于接觸式測(cè)量。磁感應(yīng)式與電動(dòng)式通稱為磁電式，磁感應(yīng)式屬于非接觸式測(cè)量，電動(dòng)式屬于接觸式測(cè)量。磁感應(yīng)式一般采用霍爾傳感器和磁阻式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速。電子計(jì)數(shù)式有接觸式和非接觸式兩種，這兩種型式都是使用光電式測(cè)量轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法有很多，主要是對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理的方法不同，一般有計(jì)數(shù)法(包括硬件和軟件)和提取單頻信息法。硬件計(jì)數(shù)法中最常用的有脈沖計(jì)數(shù)法和測(cè)周期法，即計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)進(jìn)而換算出轉(zhuǎn)速；軟件計(jì)數(shù)法是將原始的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，需要找出過零點(diǎn)，最常用的是零點(diǎn)法和插值法；提取單頻信息法則是替代以往的對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，直接對(duì)傳感器輸出的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析求出頻率進(jìn)而換算出轉(zhuǎn)速。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)

霍爾式和光電式轉(zhuǎn)速傳感器因其性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好，目前在測(cè)試中被廣泛使用。本文結(jié)合在轉(zhuǎn)速傳感器調(diào)試中為判斷上述兩種傳感器的性能設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架固定在面板上，電機(jī)可以通過調(diào)速控制器控制開關(guān)和進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，電機(jī)的輸出端裝配一圓柱支點(diǎn)梁結(jié)構(gòu)(有機(jī)玻璃材質(zhì))，霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器和光電式轉(zhuǎn)速傳感器通過支架垂直于轉(zhuǎn)速軸固定，前后位置可以通過螺紋或彈片調(diào)整。與傳感器相對(duì)應(yīng)的磁鋼和感應(yīng)標(biāo)簽按照要求粘貼于旋轉(zhuǎn)軸上。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)即將上述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架按照要求固定，其中傳感器按照相應(yīng)的供電要求進(jìn)行電源匹配，輸出的信號(hào)接到PXI-6251[15]對(duì)應(yīng)的接線端子(2個(gè)計(jì)數(shù)器通道或16個(gè)電壓通道中的任意2個(gè))。軟件系統(tǒng)則是基于LabVIEW平臺(tái)，根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)現(xiàn)的方法(計(jì)數(shù)法和提取單頻信息)設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，完成信號(hào)的檢測(cè)、采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、分析以及轉(zhuǎn)速顯示和保存。

3 基于LabVIEW的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速信號(hào)是經(jīng)過傳感器的信號(hào)調(diào)理電路所產(chǎn)生的有規(guī)律脈沖，針對(duì)本文研究的霍爾式和光電式轉(zhuǎn)速傳感器，經(jīng)各自的信號(hào)調(diào)理電路都產(chǎn)生方波信號(hào)。轉(zhuǎn)速測(cè)量的核心就是獲取這些方波信號(hào)，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集模塊采集，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊生成轉(zhuǎn)速結(jié)果。

首先選擇合適的物理通道，通過數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器所產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行采樣，并以一定形式在界面上顯示出相應(yīng)的波形圖，以判斷輸入信號(hào)的合理性。計(jì)數(shù)器測(cè)量方法是采用在單位時(shí)間內(nèi)的上升沿或下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)的數(shù)值來測(cè)算轉(zhuǎn)速；提取單頻信息法通過設(shè)定一定的采樣率對(duì)通道進(jìn)行電壓脈沖信號(hào)的采集，將其送入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行分析得出轉(zhuǎn)速。

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的主要功能是數(shù)據(jù)采集并經(jīng)處理實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速信號(hào)的波形與轉(zhuǎn)速值并進(jìn)行相應(yīng)的保存，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖3所示。根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試的要求，將軟件分成采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、保存模塊等。采集模塊與數(shù)據(jù)采集卡相連，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，由數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)計(jì)算，同時(shí)顯示模塊將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速及信號(hào)波形顯示出來，最后經(jīng)保存模塊將轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行保存。

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)是使用NI-PXI 6251數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、顯示、分析、調(diào)理和存儲(chǔ)等功能。提取單頻信息測(cè)量選用兩個(gè)電壓端口：通道1，68-67(第一個(gè)編號(hào)是信號(hào)，第二個(gè)編號(hào)是地線，后面相同)；通道2，32-33。計(jì)數(shù)器測(cè)量選用兩個(gè)計(jì)數(shù)器通道：通道1，37-36；通道2，42-44。

為了直觀地描述各個(gè)功能模塊的功能和設(shè)計(jì)方法，對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。圖4給出了基于單頻信息法和計(jì)數(shù)器法轉(zhuǎn)速測(cè)量和調(diào)試系統(tǒng)的前面板，包括了硬件和軟件無縫對(duì)接的物理通道，保存數(shù)據(jù)的相對(duì)路徑，轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示，根據(jù)需要設(shè)計(jì)的采集時(shí)間、保存按鈕以及對(duì)應(yīng)的保存時(shí)間，最終的程序停止按鈕。

(a)基于單頻信息法(b)基于計(jì)數(shù)器法

圖4 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)前面板

3.3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

在軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)上采用LabVIEW中的生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式，該設(shè)計(jì)模式可包括多個(gè)并行循環(huán)，每個(gè)循環(huán)以不同的速率執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)數(shù)據(jù)可用時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。一個(gè)循環(huán)作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的循環(huán)，其他循環(huán)作為消費(fèi)數(shù)據(jù)的循環(huán)。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的循環(huán)控制所有消費(fèi)數(shù)據(jù)的循環(huán)，并且使用通信技術(shù)與它們進(jìn)行通信。即軟件平臺(tái)中的采集模塊完成原始物理信號(hào)進(jìn)入軟件系統(tǒng)，處理模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的計(jì)算，而保存模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)試完畢數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存，它們相互之間不干擾，根據(jù)需求進(jìn)行各自相應(yīng)的循環(huán)。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析

利用LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖然對(duì)象簡單，但其中蘊(yùn)含的思路和方法是貫穿軟、硬件無縫對(duì)接，成功完成測(cè)試任務(wù)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)在相應(yīng)模塊設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)進(jìn)行了思考和實(shí)現(xiàn)。

3.4.1 采集模塊

對(duì)物理通道進(jìn)行選擇時(shí)，對(duì)于電壓信號(hào)的采集，PXI-6251板卡提供的16個(gè)電壓通道可以實(shí)現(xiàn)同步選擇，見圖4(a)和圖5中的采集模塊；而利用計(jì)數(shù)器通道進(jìn)行計(jì)數(shù)功能時(shí)，PXI-6251提供的兩個(gè)計(jì)數(shù)器通道需要分別選擇，見圖4(b)和圖6中的采集模塊。

3.4.2 處理模塊

由于采用了生產(chǎn)/消費(fèi)型的架構(gòu)，采集模塊中的信息通過隊(duì)列屬性傳遞至處理模塊，當(dāng)采集模塊正常執(zhí)行后，它們各自的循環(huán)實(shí)現(xiàn)時(shí)互不干擾。根據(jù)提取單頻信息法和計(jì)數(shù)器法進(jìn)行轉(zhuǎn)速換算方法，實(shí)現(xiàn)各自的轉(zhuǎn)速計(jì)算，具體實(shí)現(xiàn)見圖5和圖6中的處理模塊。在實(shí)際測(cè)試過程中為了減少信號(hào)的干擾，在進(jìn)行單頻信息法測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)峰峰值進(jìn)行了限定(主要考慮采用的霍爾和光電式轉(zhuǎn)速傳感器的實(shí)際輸出的方波約為5 V的電壓量)。而采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，則選用了移位寄存器的功能，簡單而言，就是程序處理后的計(jì)數(shù)和程序處理前的計(jì)數(shù)之差與對(duì)應(yīng)的時(shí)間之差的比值作為單位時(shí)間的計(jì)數(shù)從而來進(jìn)行轉(zhuǎn)速的換算。

3.4.3 保存模塊

同樣采用生產(chǎn)/消費(fèi)型架構(gòu)后，當(dāng)前面兩個(gè)模塊正常執(zhí)行后，將需要保存的數(shù)據(jù)通過隊(duì)列屬性傳遞至保存模塊。在設(shè)計(jì)保存模塊時(shí)，①對(duì)保存的路徑和文件名進(jìn)行了約定，即和程序在同一個(gè)文件夾下，以excel文件形式進(jìn)行保存；②對(duì)數(shù)據(jù)保存所采集的時(shí)間和保存按鈕啟動(dòng)后的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行了同步設(shè)計(jì)，根據(jù)需要完成數(shù)據(jù)的保存，兩種方法采用的思路一致，具體實(shí)現(xiàn)見圖5和圖6中的保存模塊。

3.4.4 出錯(cuò)信息

為了隨時(shí)方便檢查編程過程中的問題而設(shè)計(jì)的，這是軟件自帶的一項(xiàng)輔助功能。在此處加上這一模塊主要是為了檢查程序編寫是否有誤，各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)的傳輸是否順暢，各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置是否合理，這樣就可以通過它來時(shí)刻提醒程序設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題。

4 結(jié) 語

為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量和在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)

圖5 基于單頻信息法的轉(zhuǎn)速測(cè)量程序

圖6 基于計(jì)數(shù)器法的轉(zhuǎn)速測(cè)量程序

轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行快捷的調(diào)試和性能判斷，本文設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和調(diào)試系統(tǒng)?；贚abVIEW軟件平臺(tái)和測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路，在對(duì)人機(jī)交互界面和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)闡述和分析的基礎(chǔ)上，最終編制完成了轉(zhuǎn)速測(cè)量和性能調(diào)試系統(tǒng)。經(jīng)過多個(gè)其它復(fù)雜系統(tǒng)中對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器性能的實(shí)際測(cè)試，快速判斷轉(zhuǎn)速傳感器是否出現(xiàn)異常，該系統(tǒng)能夠較好地完成實(shí)驗(yàn)室條件下轉(zhuǎn)速測(cè)試和傳感器調(diào)試功能。轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的人機(jī)界面簡捷，操作方便，測(cè)試結(jié)果直觀，能自動(dòng)完成轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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Study on the Measurement Method of Axis Rotation Speed Based on LabVIEW

SUYong-sheng1，MINGTing-tao2，QUPeng-yu1

(1. College of Marine Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2. Repairing and Supervising Room of Naval Equipment in the Shanghai Area，Shanghai 200136，China)

The most obvious characteristics of vibration of rotating machinery is the relationship between the vibration frequency and its speed, therefore, it plays an important role in measuring accurate speed of rotating machinery for analyzing vibration, and mastering the running state of the equipment and other aspects. NI provides a very outstanding solution in the parameter measurement and assessment. Based on NI-PXI platform, a platform for rotation speed measurement and debugging of the motor axis was developed under laboratory conditions. According to Holzer and photoelectric two kind principles, combined with the PXI-6251 card in the pulse counting and voltage measurement mode, a rotational speed measurement and debugging system was developed based on LabVIEW. The system realizes the speed dynamic measurement, real-time data acquisition and preservation, and also can achieve the performance test and evaluation of the two type speed sensors.

rotational speed measurement； LabVIEW； pulse counting method； single frequency method

2014-07-03

國家自然科學(xué)基金青年基金(51306205)

蘇永生(1981-)，男，江蘇常熟人，博士，講師，研究方向：艦船動(dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

Tel.：15926460620；E-mail：suyongsheng1981@163.com

TP 311.52

A

1006-7167(2015)01-0103-04