楊立娟, 陳花玲, 王保建, 郭艷婕, 田紹華

(西安交通大學 機械工程學院, 陜西 西安 710049)

測試技術課程是理工院校機械類專業(yè)的專業(yè)核心課程[1-2],實驗是培養(yǎng)學生工程實踐能力的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)專業(yè)工程認證要求,專業(yè)課程綜合實驗量要占實驗總量的75%以上,我院測試技術課程的基礎實驗和綜合實驗各占一半[3],因此須增加綜合實驗項目。轉速是旋轉機械的重要狀態(tài)參數(shù),也是控制系統(tǒng)中對其他參量控制的依據(jù)和基準[4],掌握轉速測量技術對理工科學生來說是很有意義的。轉速測量常用的傳感器類型有電渦流傳感器、磁電式傳感器、編碼器、光電式傳感器、霍爾傳感器等[5-10]。本文基于NI ELVIS II+ 多功能教學平臺,搭建了集成多種傳感器的轉子臺轉速測量實驗臺,基于LabVIEW開發(fā)了轉速測試分析軟件。采用多種傳感器采集同一軸上的轉速信號,經(jīng)過信號調理后,進入軟件進行分析,可以讓學生分析調理電路的作用,掌握不同傳感器的工作原理,對比分析不同傳感器測量轉速的區(qū)別。

1 實驗平臺設計

1.1 平臺整體方案

實驗平臺由小型轉子臺、變速電機、電機控制器、電渦流傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、霍爾傳感器、編碼器、信號調理電路、NI ELVIS II+采集模塊等組成硬件系統(tǒng)和基于LabVIEW開發(fā)的轉速測試分析軟件系統(tǒng)組成,整個系統(tǒng)框圖見圖1,通過該實驗平臺可以實現(xiàn)不同傳感器對轉速信號的采集分析。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

1.2 平臺硬件系統(tǒng)開發(fā)

平臺硬件系統(tǒng)主要包括被測對象的轉子臺、傳感器和信號調理和采集模塊。實驗采用小型轉子臺,上面安裝固定多種轉速測量傳感器,配有變速電機和電機控制器,如圖2所示,通過調整電機控制器,轉子可以實現(xiàn)0～1 500 r/min無級變速的轉動。

圖2 轉子臺布局

平臺的信號調理和采集模塊基于NI ELVIS II+ 多功能教學平臺開發(fā),如圖3所示。采用NI ELVIS II+自帶的信號采集通道,搭載各種信號調理電路進行信號調理。編碼器采集轉速精度高,采用計數(shù)器方式進行信號采集,電渦流傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器、霍爾傳感器采集模擬信號,經(jīng)過信號調理后進行信號采集模塊。信號調理電路包括放大電路、濾波電路和整形電路,分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 信號調理和采集模塊

圖4 放大電路

圖5 濾波電路

圖6 整形電路

1.3 軟件系統(tǒng)開發(fā)

采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺,LabVIEW采用圖形化編程,容易入門,具有豐富的擴展函數(shù)庫和分析子程序[11-12],利用該軟件學生可以方便地編譯軟件,掌握測試技術的本質,鍛煉學生虛擬儀器開發(fā)的能力。轉速測試分析軟件包括采集參數(shù)設置、傳感器采集通道配置、轉速模擬信號采集顯示、轉速計算等,軟件主界面如圖7所示。

圖7 軟件主界面

采集通道根據(jù)硬件中接線方式配置,根據(jù)需要設置采集參數(shù),如圖8所示。輸入配置包括RSE和差分兩種方式,且分別要對應合適的接線方式。選擇RSE方式時,傳感器正負端接模擬采集通道的正端和地端,而差分方式對應傳感器正負端接模擬采集通道的正負端。軟件參數(shù)設置完成后,點擊轉速測試可以進行信號采集,并通過計算得到各個傳感器采集到的轉速值。轉速信號采集程序如圖9所示,轉速計算程序如圖10所示,整個軟件運行流程如圖11所示。

圖8 通道配置及參數(shù)設置程序

圖9 轉速信號采集程序

圖10 轉速計算程序

圖11 軟件運行流程

2 實驗項目

基于多傳感器轉速測量實驗平臺開展測試技術課程綜合實驗,該實驗項目主要包括實驗預習、測試系統(tǒng)方案設計、測試硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)搭建、采集參數(shù)和通道設置、轉速信號測試、修改輸入配置方式和硬件接線方式、轉速信號測試、信號處理分析、撰寫實驗報告和答辯PPT、考核等實驗流程,如圖12所示。

圖12 實驗流程

首先要求學生利用課后時間預習實驗,設計測試系統(tǒng)方案,課上與指導教師討論、修改測試系統(tǒng)方案；根據(jù)系統(tǒng)方案和輸入配置方式搭建硬件系統(tǒng),軟件中空出部分程序,要求學生根據(jù)需求進行軟件編寫。實驗系統(tǒng)搭建完成后,進行信號采集,首先要求學生采集轉子臺在某轉速下,信號調理前和調理后的信號,分析信號調理模塊的作用；然后,通過調整電機控制器調整轉子臺的轉速,要求學生在0～1 500 r/min范圍內,每隔200 r/min進行信號采集,計算出不同傳感器采集的轉速值,進而對比分析不同傳感器的測量轉速的區(qū)別以及隨轉速變化測量精度的變化；之后,在軟件中修改輸入配置方式,據(jù)此修改硬件接線方案；再進行測試分析,對比RSE和差分兩種輸入方式對測試結果的影響。完成實驗后,分析實驗數(shù)據(jù),撰寫實驗報告和PPT,進行現(xiàn)場答辯,完成實驗考核。該實驗項目充分體現(xiàn)以學生為中心,發(fā)揮學生的主觀能動性,發(fā)揮實驗平臺的優(yōu)勢,幫助學生掌握測試技術技能。

3 結語

本文基于NI ELVIS II+多功能教學平臺,搭建了集成多種傳感器的轉子臺轉速測量實驗臺,利用圖形化編程軟件LabVIEW開發(fā)了轉速測試分析軟件,并基于該平臺設計了轉速測試實驗項目。該實驗平臺運用了多種傳感器，并開發(fā)了信號調理電路、信號采集模塊、虛擬儀器、測試信號分析以及測試軟件,通過轉速測試實驗,可以讓學生全面掌握測試技術基本知識,鍛煉學生分析和解決復雜測試問題的能力,培養(yǎng)學生的工程實踐能力。