0 引言

位移是向量，除了要確定其大小，還要確定其方向，目前測(cè)量位移的方法有測(cè)量速度積分法、回波法、線位移和角位移轉(zhuǎn)換法、位移傳感器法。其中位移傳感器法是目前應(yīng)用最為廣泛的。光柵位移傳感器由光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵、光電檢測(cè)器件等組成，其利用光敏元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，將電壓信號(hào)放大、整形為方波，再由微分電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)辨向電路后送可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，就可得出位移量的大小，位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積。SINO KA-300光柵尺有A相、B相、Z相三路方波信號(hào)（A相和B相信號(hào)周期相同，相位相差90°，A相超前B相表示正向位移，A相滯后B相表示負(fù)向位移，Z信號(hào)可以作為校準(zhǔn)信號(hào)以消除累積誤差），其分辨率為5μm。使用數(shù)據(jù)采集卡（NI PXIe-6341）將光柵尺轉(zhuǎn)換的脈沖信號(hào)送至LabVIEW平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差分析。LabVIEW作為NI虛擬儀器技術(shù)的最重要的部分，集成了GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件與數(shù)據(jù)采集卡通訊功能?？梢赃M(jìn)行儀器面板控制設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析處理、儀器驅(qū)動(dòng)、I/O接口通信，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW圖形化語(yǔ)言使操作界面的設(shè)計(jì)和程序編寫更靈活。

1 檢測(cè)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，將被測(cè)機(jī)器的傳感器和光柵尺同時(shí)固定在導(dǎo)軌上，計(jì)算機(jī)控制電機(jī)，使導(dǎo)軌前后運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，工業(yè)控制器顯示被測(cè)機(jī)器的位移量；LabVIEW操作面板顯示檢測(cè)系統(tǒng)的位移量，然后進(jìn)行分析與數(shù)據(jù)處理。如果沒(méi)有達(dá)到要求，可以將檢測(cè)系統(tǒng)的位移量傳送至工業(yè)控制器，重新對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制。除數(shù)據(jù)采集卡、光柵尺和LabVIEW軟件外，還需控制器和計(jì)算機(jī)顯示屏。這里使用了NI的PXIe-8840控制器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 軟件設(shè)計(jì)

采用LabVIEW作為虛擬儀器的開發(fā)工具需要關(guān)注以下兩個(gè)方面：

1）軟件的前面板（操作界面）的布局。LabVIEW為開發(fā)者提供了大量的前面板控件來(lái)實(shí)現(xiàn)界面的優(yōu)化，同時(shí)也支持開發(fā)者自定義控件，來(lái)滿足自身的特別需要，控件可以根據(jù)需求修改名稱及其他屬性。前面板的設(shè)計(jì)需要符合布局合理、操作方便的設(shè)計(jì)要求。

2）程序框圖的實(shí)現(xiàn)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主要包括以下模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和結(jié)束測(cè)試模塊，如圖2所示。

圖2 程序模塊

下面對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2.1 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊包括創(chuàng)建通道類型、計(jì)數(shù)器、解碼類型、信號(hào)接收DAQmx通道、DAQmx觸發(fā)、單位、初始位置、啟用Z索引等，如圖3所示。其中計(jì)數(shù)器和DAQmx通道（A、B、Z）的選擇要與光柵尺連接在采集卡上的接線端相一致，否則無(wú)法接收信號(hào)；對(duì)信號(hào)邊沿計(jì)數(shù)后，接下來(lái)需要考慮的就是這些數(shù)值應(yīng)如何轉(zhuǎn)換成位置信息，這個(gè)由邊沿?cái)?shù)值轉(zhuǎn)換為位置信息的過(guò)程，取決于所采用的編碼類型。 總共有三種基本的編碼類型：X1、X2和X4，它們測(cè)量的精度依次增高，但是如果有噪聲影響的話，誤差會(huì)相應(yīng)增大。

圖3 參數(shù)設(shè)置模塊

2.2 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理模塊

信號(hào)采集模塊包括DAQmx開始任務(wù)VI（與DAQmx Trigger連接）、DAQmx讀取VI（可以設(shè)置通道和采樣個(gè)數(shù)）、采集停止VI、清除任務(wù)VI。使用事件結(jié)構(gòu)，當(dāng)測(cè)試按鈕狀態(tài)改變時(shí)開始采集，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，簡(jiǎn)易錯(cuò)誤處理器VI將顯示警告；等待時(shí)鐘設(shè)置采集測(cè)試間隔時(shí)間。

數(shù)據(jù)處理模塊包括使用LabVIEW提供的運(yùn)算函數(shù)計(jì)算位移和10次測(cè)試的絕對(duì)誤差平均值，使用反饋函數(shù)實(shí)現(xiàn)位移累加并顯示在圖表中；將檢測(cè)系統(tǒng)位移、被測(cè)工業(yè)控制器位移、誤差和已測(cè)試次數(shù)（與For循環(huán)的i相連）轉(zhuǎn)換為字符串顯示在表格中；條件結(jié)構(gòu)的作用是在已測(cè)試次數(shù)是10的整數(shù)倍時(shí)計(jì)算絕對(duì)誤差平均值；公式VI用于創(chuàng)建校準(zhǔn)后系統(tǒng)檢測(cè)值與真值的關(guān)系式。如圖4所示。

圖4 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理模塊

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

前面板波形表和測(cè)試表格顯示的數(shù)據(jù)不能在測(cè)試完成后保存下來(lái)，LabVIEW提供了MS Office Report VI，其可以在測(cè)試次數(shù)達(dá)到后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在事先建好的Word模板中。如圖5所示，數(shù)據(jù)接線端與測(cè)試表格局部變量輸入端相連。

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

2.4 結(jié)束測(cè)試模塊

測(cè)試完成后，單擊返回位置檢測(cè)主界面按鈕，結(jié)束測(cè)試。如圖6所示，使用了創(chuàng)建路徑函數(shù)、打開及關(guān)閉VI引用和屬性節(jié)點(diǎn)。

圖6 結(jié)束測(cè)試模塊

總結(jié)：參數(shù)設(shè)置模塊、信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊放在For循環(huán)中，測(cè)試次數(shù)與N相連，已測(cè)次數(shù)與i相連；For循環(huán)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和結(jié)束測(cè)試模塊放在While循環(huán)中，使程序連續(xù)運(yùn)行。

3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

在測(cè)試過(guò)程中，有電磁干擾、電機(jī)振動(dòng)等不利因素的影響。為了使測(cè)試更精確，需要對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行抽樣測(cè)試，得到一組真值和測(cè)試值。由于數(shù)據(jù)是離散的，其他未校準(zhǔn)的點(diǎn)不知道其真值，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出他們的關(guān)系式（檢測(cè)系統(tǒng)的值為變量，真值為因變量）。在檢測(cè)工業(yè)控制器位移量時(shí)，就可以求出其他點(diǎn)的真值。

如圖7所示，使用LabVIEW平臺(tái)編寫了曲線擬合程序，采用了線性擬合、多樣式擬合、指數(shù)擬合、冪函數(shù)擬合四種模型，LabVIEW提供了對(duì)應(yīng)的VI，每種模型使用最小二乘、最小絕對(duì)殘差和Bisquare擬合方法。最小二乘法的原理是根據(jù)n個(gè)離散點(diǎn)，擬合出一條曲線y=f（x），每個(gè)點(diǎn)到f（x）的距離的平方和最??；最小絕對(duì)殘差法的原理是根據(jù)n個(gè)離散點(diǎn)，擬合出一條曲線y=f（x），每個(gè)點(diǎn)到f（x）的距離的和最??；Bisquare的原理是利用最小二乘法進(jìn)行迭代，如果前后兩次系數(shù)的相對(duì)差小于容差，輸出最后一次的系數(shù)。將校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)索引數(shù)組函數(shù)轉(zhuǎn)換為向量送入擬合VI，可以得到均方差、擬合數(shù)據(jù)和相應(yīng)關(guān)系式的系數(shù)。

圖7 擬合程序框圖

得出關(guān)系式系數(shù)后，需要將關(guān)系式表示出來(lái)。為了使主VI簡(jiǎn)潔，采用調(diào)用表達(dá)式子VI的方法將關(guān)系式表示出來(lái)，如圖8所示。其中格式化寫入字符串函數(shù)指定了系數(shù)的表達(dá)形式，在事件結(jié)構(gòu)中分別構(gòu)造模型表達(dá)式。

圖8 表達(dá)式子VI

以上工作完成后，將數(shù)據(jù)輸入操作界面，得出擬合結(jié)果。在多項(xiàng)式模式下調(diào)節(jié)階數(shù)使方差最小，得到合適的擬合方程，其他模式不能調(diào)節(jié)階數(shù)。

圖9 擬合前面板

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在測(cè)試前，按表1接線方式將硬件連接起來(lái)，連接線用屏蔽線，需要專用的接線盒將采集卡的接線端引出來(lái)。給檢測(cè)系統(tǒng)和工業(yè)控制器通電，開始進(jìn)行測(cè)試，在操作界面顯示測(cè)試結(jié)果，如圖10所示。

表1 硬件接線方式

圖10 測(cè)試前面板

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于LabVIEW的工業(yè)控制器的位移檢測(cè)方法，利用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡快速采集位移信號(hào)，并通過(guò)LabVIEW圖形化語(yǔ)言設(shè)計(jì)出美觀的操作界面和模塊化的程序。在校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)后，根據(jù)檢測(cè)的誤差大小判斷工業(yè)控制器位移指標(biāo)是否合格。虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，通過(guò)軟件可以方便地增加或減少測(cè)試功能。

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