氫冷凝器的頻率測量

1、1. 前言在現(xiàn)在的工業(yè)行業(yè)中，制冷系統(tǒng)扮演了越來越重要的角色，因此對(duì)制冷系統(tǒng)的研究 也就越來越迫切。一般制冷機(jī)的制冷原理壓縮機(jī)的作用是把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的 蒸汽，使蒸汽的體積減小，壓力升高。壓縮機(jī)吸入從蒸發(fā)器出來的較低壓力的工質(zhì)蒸汽， 使之壓力升高后送入冷凝器， 在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后，成為壓力較低的液體后，送 入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為壓力較低的蒸汽，從而完成制冷循環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)的機(jī)件，能將管子中的熱量，以很快的方式，傳到管子附近的空氣， 大部分的汽車置于水箱前方。把氣體或蒸氣轉(zhuǎn)變成液體的裝置。在蒸餾過程中，把 蒸氣轉(zhuǎn)變成液態(tài)的裝置稱為冷凝器。所有的

2、冷凝器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而 運(yùn)轉(zhuǎn)的。對(duì)某些應(yīng)用來說，氣體必須通過一根長長的管子（通常盤成螺線管），以 便讓熱量散失到四周的空氣中，銅之類的導(dǎo)熱金屬常用于輸送蒸氣。為提高冷凝器 的效率經(jīng)常在管道上附加散熱片以加速散熱。散熱片是用良導(dǎo)熱金屬制成的平板。 這類冷凝器一般還要用風(fēng)機(jī)迫使空氣經(jīng)過散熱片并把熱帶走。而在制冷系統(tǒng)中冷凝器的頻率對(duì)整個(gè)制冷過程有著重要的意義。在變頻空調(diào)系 統(tǒng)中，通常利用壓縮機(jī)頻率直接控制室溫。對(duì)于已匹配完畢的空調(diào)系統(tǒng)，其室內(nèi)外熱交 換器的容量范圍已經(jīng)確定。在室內(nèi)外熱交換器的容量和環(huán)境工況一定的條件下，當(dāng)壓縮 機(jī)的頻率上升時(shí)，制冷循環(huán)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度明顯上升與下降，其

3、壓縮比增大，容 積效率有一定程度的降低；蒸發(fā)溫度下降，導(dǎo)致吸氣比容增大。但由于轉(zhuǎn)速提高對(duì)制冷 劑循環(huán)量的影響大于由壓縮比造成的負(fù)面影響，所以空調(diào)系統(tǒng)的制冷量、冷凝負(fù)荷和功 率都顯著提高，其能效比將隨頻率的升高先迅速上升，在一定頻率達(dá)到最大值，然后緩 慢下降。因此本次設(shè)計(jì)針對(duì)對(duì)冷凝器的頻率測試做研究，將壓縮機(jī)的發(fā)出的震動(dòng)信號(hào)通過壓 力傳感器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣、濾波、FFT運(yùn)算、自功率譜及互功率譜進(jìn) 行計(jì)算來對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析研究2. 方案選擇2.1 方案一：在此方案中，我們是將壓縮機(jī)發(fā)出的震動(dòng)信號(hào)通過壓力傳感器來得出電信號(hào)；再讓 其通過電荷放大器，得到與振動(dòng)信號(hào)成相應(yīng)比例的電壓信號(hào)；之

4、后對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行 采樣及濾波電路處理；最后將此信號(hào)通過帶有顯示模塊的單片機(jī)或DSP 系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行FFT自功率譜及互功率譜運(yùn)算，得出頻率的峰值并進(jìn)行顯示。方案一的方案模塊圖（圖 2.1 ）如下：圖 2.1 方案一2.2 方案二：在這一方案中，在硬件部分與方案一相同，在對(duì)信號(hào)的處理部分，我們在這里選擇基于LABVIEW平臺(tái)的處理方式，它可以節(jié)約很多的硬件資源。其具體的方案是：壓縮機(jī) 發(fā)出的震動(dòng)信號(hào)通過壓力傳感器來得出電信號(hào)；信號(hào)通過壓電傳感器得到電信號(hào)；將此 信號(hào)通過電荷放大器得到放大的電壓信號(hào)；將放大的電壓信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入基于 LABVIEW勺平臺(tái)，在這一過程中，需要進(jìn)行采樣、通道選擇

5、、加窗等一系列的操作；再在 LABVIEW勺軟件平臺(tái)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波；最后再在 LABVIEWP臺(tái)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT 自功率譜、互功率譜運(yùn)算。方案二的方案模塊圖（圖2.2 ）如下：圖 2.2 方案二2.3 方案比較在兩個(gè)方案中，硬件部分采用相同的處理方式，而在對(duì)信號(hào)的運(yùn)算處理部分：方案 一選擇的是單片機(jī)或 DSP系統(tǒng)來處理；方案二選擇的是基于 LABVIEW產(chǎn)臺(tái)的處理方式， 我們考慮到在設(shè)計(jì)過程中節(jié)約成本的理念，并且虛擬儀器在以后的工業(yè)控制中也會(huì)扮演 越來越重要的角色，其美觀的界面，豐富的處理函數(shù)必將使其取代繁雜的硬件設(shè)施，所 以最后我們選擇了方案二來進(jìn)行此次設(shè)計(jì)。3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1

6、 冷凝器介紹一般制冷機(jī)的制冷原理壓縮機(jī)的作用是把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的蒸汽， 使蒸汽的體積減小，壓力升高。壓縮機(jī)吸入從蒸發(fā)器出來的較低壓力的工質(zhì)蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝器，在 冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后，成為壓力較低的液體后，送入蒸發(fā) 器，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為壓力較低的蒸汽，從而完成制冷循環(huán)。 . 蒸汽壓縮式制冷原理 單級(jí)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，是由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥四個(gè)基本部件 組成。它們之間用管道依次連接，形成一個(gè)密閉的系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流 動(dòng)，發(fā)生狀態(tài)變化，與外界進(jìn)行熱量交換。其工作過程如圖 1 所示。 . 制冷系統(tǒng)的基本原理 液體

7、制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻的物體熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽、被壓 縮機(jī)吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷卻介質(zhì)（ 水或空氣 ） 放熱，冷凝為高壓液體、經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流為低壓低溫的制冷劑、再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化， 達(dá)到循環(huán)制冷的目的。這樣，制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流四個(gè)基本過 程完成一個(gè)制冷循環(huán)。 . 在制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥是制冷系統(tǒng)中必不可少的四大 件，這當(dāng)中蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備。制冷劑在其中吸收被冷卻物體的熱量實(shí)現(xiàn)制冷。 壓縮機(jī)是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放出熱量的設(shè)備， 將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)功所轉(zhuǎn)

8、化的熱量一起傳遞給冷卻介質(zhì)帶走。節(jié)流閥對(duì) 制冷劑起節(jié)流降壓作用、同時(shí)控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的數(shù)量，并將系統(tǒng)分 為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩大部分。實(shí)際制冷系統(tǒng)中，除上述四大件之外，常常有一些輔助設(shè) 備，如電磁閥、分配器、干燥器、集熱器、易熔塞、壓力控制器等部件組成，它們是為 了提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，可靠性和安全性而設(shè)置的。 .制冷系統(tǒng)主要部件構(gòu)成 空調(diào)機(jī)根據(jù)冷凝形式可分為：水冷式和空冷式兩種，根據(jù)使用目的可分為單冷式和制冷制暖式兩種，不論是哪一種型式的構(gòu)成，都是由以下的主要部件組合而成的制冷系統(tǒng)主要部件有壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥 （或毛細(xì)管、過冷卻控制閥 ） 、 四通閥、復(fù)式閥、單向閥、電磁

9、閥、壓力開關(guān)、熔塞、輸出壓力調(diào)節(jié)閥、壓力控制器、 貯液罐、熱交換器、集熱器、過濾器、干燥器、自動(dòng)開閉器、截止閥、注液塞以及其它 部件組成。電氣系統(tǒng)主要部件有電機(jī) （ 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等用 ） 、操作開關(guān)、電磁接觸器、連鎖繼電 器、過電流繼電器、熱動(dòng)過電流繼電器、溫度調(diào)節(jié)器、濕度調(diào)節(jié)器、溫度開關(guān) （ 除霜、防 止結(jié)凍等用 ） 。壓縮機(jī)曲軸箱加熱器，斷水繼電器，電腦板及其它部件組成。控制系統(tǒng)由多個(gè)控制器件組成，它們是： 制冷劑控制器：膨脹閥、毛細(xì)管等。 制冷劑回路控制器：四通閥、單向閥、復(fù)式閥、電磁閥。 制冷劑壓力控制器：壓力開閉器、輸出壓力調(diào)節(jié)閥、壓力控制器。 電機(jī)保護(hù)器：過電流繼電器、熱動(dòng)過電流繼

10、電器、溫度繼電器。 溫度調(diào)節(jié)器： 溫度位式調(diào)節(jié)器、溫度比例調(diào)節(jié)器。 濕度調(diào)節(jié)器：濕度位式調(diào)節(jié)器。 除霜控制器：除霜溫度開關(guān)、除霜時(shí)間繼電器、各種溫度開關(guān)。 冷卻水控制：斷水繼電器、水量調(diào)節(jié)閥、水泵等。報(bào)警控制：超溫報(bào)警、超濕報(bào)警、欠壓報(bào)警及火警報(bào)警、煙霧報(bào)警等。 其它控制：室內(nèi)風(fēng)機(jī)調(diào)速控制器、室外風(fēng)機(jī)調(diào)速控制器等。 . 常用制冷劑及其性質(zhì) 制冷劑的種類較多，現(xiàn)就氟里昂 12和 22 作簡要介紹：a. 氟里昂12（CF2CI2）代號(hào)R12氟里昂12是一種無色、無臭、透明、幾乎無毒性的制冷劑，但空氣中含量超過 80%時(shí)會(huì)引起人的窒息。 氟里昂 1 2不會(huì)燃燒也不會(huì)爆炸， 當(dāng) 與明火接觸或溫度達(dá)到4

11、00C以上時(shí)，能分解出對(duì)人體有害的氟化氫、氯化氫和光氣（CoCI2） 。 R12 是應(yīng)用較廣泛的中溫制冷劑， 適用于中小型制冷系統(tǒng)， 如電冰箱、 冰柜等。 R12能溶解多種有機(jī)物，所以不能使用一般的橡皮墊片（圈），通常使用氯丁二烯人造橡膠 或丁睛橡膠片或密封圈。b. 氟里昂22（CHF2CI）代號(hào)R22R22不燃燒也不爆炸，其毒性比R12稍大，水的溶解 度雖比R12大，但仍可能使制冷系統(tǒng)發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象。 R22能部分地與潤滑油互相溶 解，其溶解度隨著潤滑油的種類及溫度而改變， 故采用R22的制冷系統(tǒng)必須有回油措施。R22在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的對(duì)應(yīng)蒸發(fā)溫 度為-40.8 C，常溫下冷凝壓力不超過

12、15.68 X 105 Pa,單位容積制冷量與比 R12大60%以上。在空調(diào)設(shè)備中，大都選用R22制冷劑3.2 壓電傳感器選擇所謂的壓電效應(yīng)就是 " 對(duì)于不存在對(duì)稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶 體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機(jī)械力作 用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) " 。一般加速度傳感器就是利用它內(nèi)部的由于 加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。由于這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所 施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它方法 來制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效

13、應(yīng)，但是其最基本 的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成 電壓輸出。線加速度計(jì)的原理是慣性原理，也就是力的平衡， A=F/M 我們只需要測量 F 就可以 了。用電磁力去平衡這個(gè)力可以測得外力 F。就可以得到F對(duì)應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要 用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然，中間的信號(hào)傳輸、放大、濾波要通過相應(yīng)的 電路來實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器可以幫助機(jī)器了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在水平，走下坡，還是別的 情況。在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方面，如提電腦的硬盤抗摔保護(hù)，目前用 的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù) 這些振動(dòng)

14、，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系 統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面靈敏度是壓電加速度傳感器應(yīng)用時(shí)候要考慮到得重要因素之一。也就是傳感器在正常工作的時(shí)候輸入信號(hào) R于輸出信號(hào)C的比值，有成線性的也有非線性的。例如，某位 移傳感器，在位移變化1mm寸，輸出電壓變化為200mV則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm 靈敏度自然是越高，但是實(shí)際上靈敏度越高測量范圍就窄；相反，靈敏度低點(diǎn)就能獲得 比較寬的測量范圍。所以在產(chǎn)品選擇傳感器的時(shí)候就要從需要出發(fā)，一味地使用高精度 傳感器往往就意味著更高的成本抗疲勞性也是壓電加速度傳感器的重要因素。在有些應(yīng)用中需要持續(xù)長時(shí)間使用傳

15、感器，這就要求內(nèi)部部件能夠支持長時(shí)間的監(jiān)測。使用高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的材料器件應(yīng) 該能夠很好的解決這一問題穩(wěn)定性。在一些特殊場合中運(yùn)用傳感器時(shí)就需要特定的傳感器，若一般的傳感器則 會(huì)很快毀損。如以前老師課堂上說過的運(yùn)用于烤鴨的考慮中監(jiān)測溫度濕度的傳感器就要 經(jīng)受住長期的油膩、高溫、潮濕等。相信，壓電加速度也會(huì)有類似的嚴(yán)峻的工作環(huán)境。 這就要求了他很高的穩(wěn)定性。通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實(shí)際工作中，為使 儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度（非 線性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。壓電式加速度傳感器（壓電效應(yīng)） 。常見內(nèi)型有三種

16、，中心壓縮、剪切、三角。使用 時(shí)注意： 1. 壓電式加速度傳感器的靈敏度（電壓靈敏度、電荷靈敏度）2. 壓電式加速度傳感器的頻率特性（固有頻率 F）3. 幾何尺寸和質(zhì)量4. 傳感器的橫向靈敏度5. 環(huán)境影響6. 加速度傳感器的安裝方法 多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。3.3 電荷放大器選擇電荷放大器它是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。電荷放大器的輸 出電壓與加速度傳感器發(fā)出的電荷成正比，與反饋電容 C 成反比，而且受電纜電容應(yīng)響 很小。實(shí)際電荷放大器線路中，為使預(yù)算放大器工作穩(wěn)定，一般需要在反饋電容上跨接 一個(gè)電阻。它對(duì)低頻起抑制作用，實(shí)際起到了高通濾波器的作用。有意

17、選擇不同的R 值，可得到一組具有不同低截止頻率的高通。電荷放大器的電路主要功能：1. 電路的輸入極上設(shè)置一組負(fù)反饋電容 C,改變C的值，可以獲得不同的增益，即可 得到對(duì)應(yīng)于單位加速度不同的輸出電壓。2. 電路設(shè)置有低通及高通濾波環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)在測量時(shí)可以抑制所需頻帶以外的高 通噪聲及低頻晃動(dòng)信號(hào)。高通是由并聯(lián)反饋電阻 R 來實(shí)現(xiàn)；低通則是由另外一個(gè)低通電 路（RC低通濾波電路）來實(shí)現(xiàn)。3. 電路上最有特點(diǎn)的是適調(diào)放大環(huán)節(jié)，它的作用是實(shí)現(xiàn)歸一化功能。適調(diào)放大環(huán)節(jié)就是一個(gè)能按傳感器的電荷靈敏度調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)環(huán)節(jié)。3.4 數(shù)據(jù)采集卡的選擇數(shù)據(jù)采集（DAQ）,是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模模擬和數(shù)字被

18、測單元中自動(dòng)采非 電量或者電量信號(hào) , 送到上位機(jī)中進(jìn)行分析 ,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者 其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。通常,必 須在數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集之前調(diào)制傳感器信號(hào) ,包括對(duì)其進(jìn)行增益或衰減和隔離 ,放大, 濾 波等. 對(duì)待某些傳感器,還需要提供激勵(lì)信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡,絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶,其中熱 電阻可以認(rèn)為是非電量（其實(shí)本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動(dòng)來采集）其中模擬量采集卡 和數(shù)字量采集卡用得是最廣泛的。目前數(shù)據(jù)采集卡常見的有兩類 PCI、USB接口。本測量主要用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入 功能?？梢杂?16路或 8 路。采

19、樣頻率可選 100khz-250khz 。4. 軟件設(shè)計(jì)部分4.1 采樣方式采樣頻率（也稱為采樣速度或者采樣率）定義了每秒從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散 信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)，它用赫茲（Hz）來表示。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者叫作采樣時(shí) 間,它是采樣之間的時(shí)間間隔。 注意不要將采樣率與比特率 （ bit rate ,亦稱“位速率”） 相混淆。采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器, 對(duì)于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。 采樣定理：采樣定理表明采樣頻率必須大于被采樣信號(hào)帶寬的兩倍,另外一種等同 的說法是奈奎斯特頻率必須大于被采樣信號(hào)的帶寬。如果信號(hào)的帶寬是100Hz，那么為了避免混疊現(xiàn)象采樣頻率必須大于

20、200Hz。 換句話說就是采樣頻率必須至少是信號(hào)中最大頻率分量頻率的兩倍,否則就不能從 信號(hào)采樣中恢復(fù)原始信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)以上相關(guān)定理設(shè)計(jì)如下： 采樣前面板由所設(shè)定的通道選擇、采樣的點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、觸發(fā)方式及波形圖顯示界面等組成。如圖（圖 4.1 ）而在程序面板中，由以下圖圖圖圖4.2 通道選擇圖 4.1.1 采樣模塊前面板5 個(gè)選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)成：它們分別是圖 4.1.2 采樣方式程序框圖選擇結(jié)構(gòu)一在進(jìn)行完對(duì)輸入信號(hào)的采樣后， 需要對(duì)各種信號(hào)分別進(jìn)行處理， 所以我們在這設(shè)計(jì)了3 種通道方式對(duì)信號(hào)金子那個(gè)選擇。其前面板設(shè)計(jì)圖（圖，它是由選擇控件和 4 個(gè)波形圖顯示框構(gòu)成。圖 通道選擇模塊前面板

21、在程序框圖中，我們通過選擇結(jié)構(gòu)，通過 3 中方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行選取。 方式一：在此方式中，我們只對(duì)輸入通道 1 來的信號(hào)進(jìn)行顯示。如圖（圖 圖 通道選擇模塊程序框圖方式一 方式二：在此方式中，我們只對(duì)輸入通道 2 來的信號(hào)進(jìn)行顯示。如圖（圖 圖 通道選擇模塊程序框圖方式二 方式三：在此方式中，對(duì)輸入通道 1 和輸入通道 2來的信號(hào)分別進(jìn)行顯示。如圖（圖 圖 通道選擇模塊程序框圖方式三4.3 數(shù)字濾波數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器更高的精度，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)后者在理論上也無法達(dá)到 的性能。例如，對(duì)于數(shù)字濾波器來說很容易就能夠做到一個(gè) 1000Hz 的低通濾波器允許 999Hz 信號(hào)通過并且完全阻止 1001

22、Hz 的信號(hào)，模擬濾波器無法區(qū)分如此接近的信號(hào)。 數(shù)字濾波器相比模擬濾波器有更高的信噪比。這主要是因?yàn)閿?shù)字濾波器是以數(shù)字器件執(zhí) 行運(yùn)算，從而避免了模擬電路中噪聲（如電阻熱噪聲）的影響。數(shù)字濾波器中主要的噪 聲源是在數(shù)字系統(tǒng)之前的模擬電路引入的電路噪聲以及在數(shù)字系統(tǒng)輸入端的模數(shù)轉(zhuǎn)換過 程中產(chǎn)生的量化噪聲。這些噪聲在數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)算中可能會(huì)被放大，因此在設(shè)計(jì)數(shù)字濾 波器時(shí)需要采用合適的結(jié)構(gòu)，以降低輸入噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。數(shù)字濾波器還具有模擬濾波器不能比擬的可靠性。組成模擬濾波器的電子元件的電 路特性會(huì)隨著時(shí)間、溫度、電壓的變化而漂移，而數(shù)字電路就沒有這種問題。只要在數(shù) 字電路的工作環(huán)境下，數(shù)字濾波

23、器就能夠穩(wěn)定可靠的工作。由于奈奎斯特采樣定理（ Nyquist sampling theorem ），數(shù)字濾波器的處理能力受到 系統(tǒng)采樣頻率的限制。 如果輸入信號(hào)的頻率分量包含超過濾波器 1/2 采樣頻率的分量時(shí)， 數(shù)字濾波器因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)的“混疊”而不能正常工作。如果超出 1/2 采樣頻率的頻率分 量不占主要地位，通常的解決辦法是在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之前放置一個(gè)低通濾波器（即抗混 疊濾波器）將超過的高頻成分濾除。否則就必須用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)要求的功能。在本次設(shè)計(jì)中，基于LabVIEW平臺(tái)，我們選擇其中自帶的濾波工具，可以很輕松的 完成對(duì)之前通過選擇后的信號(hào)進(jìn)行濾波等處理，這也是我們?yōu)槭裁催x擇方案二的原

24、因， 它節(jié)省了復(fù)雜的硬件電路設(shè)計(jì)，和避免了硬件電路中可能出現(xiàn)的噪聲等干擾。下面介紹濾波電路在LabVIEW平臺(tái)中的設(shè)計(jì)。濾波前面板的設(shè)計(jì)，是通過一個(gè)低通截止頻率輸入端來控制的，用 4 個(gè)波形圖顯示 框分別對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行顯示。如圖（圖圖 數(shù)字濾波模塊前面板在程序面板中我們可以利用 LabVIEW平臺(tái)中的濾波工具進(jìn)行處理，濾波器工具位于Express 下的信號(hào)分析模塊中，其參數(shù)設(shè)計(jì)為1. 低通濾波器2. 截止頻率為 100Hz3. 有限長沖激響應(yīng)（FIR）濾波器4. 抽頭數(shù)為 51其具體的程序圖為如下（圖圖4.4 FFT 運(yùn)算FFT 即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏

25、變換的奇、 偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。它對(duì)傅氏變換的理論并 沒有新的發(fā)現(xiàn)，但是對(duì)于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者說數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換，可以說 是進(jìn)了一大步。設(shè)x（n）為N項(xiàng)的復(fù)數(shù)序列，由DFT變換，任一 X（ m）的計(jì)算都需要N次復(fù)數(shù)乘法和 N-1 次復(fù)數(shù)加法， 而一，次復(fù)數(shù)乘法等于四次實(shí)數(shù)乘法和兩次實(shí)數(shù)加法， 一次復(fù)數(shù)加法等于兩次實(shí)數(shù)加法，即使把一次復(fù)數(shù)乘法和一次復(fù)數(shù)加法定義成一次“運(yùn)算”(四次實(shí)數(shù) 乘法和四次實(shí)數(shù)加法)，那么求出N項(xiàng)復(fù)數(shù)序列的X( m ,即N點(diǎn)DFT變換大約就需要NA2次運(yùn)算。當(dāng)N=1024點(diǎn)甚至更多的時(shí)候，需要 N2=1048576次運(yùn)算，在FF

26、T中，利用 WN的周期性和對(duì)稱性，把一個(gè)N項(xiàng)序列(設(shè)N=2k,k為正整數(shù))，分為兩個(gè)N/2項(xiàng)的子序 列，每個(gè)N/2點(diǎn)DFT變換需要(N/2)Q次運(yùn)算，再用N次運(yùn)算把兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT變換 組合成一個(gè)N點(diǎn)的DFT變換。這樣變換以后，總的運(yùn)算次數(shù)就變成N+2(N/2)八2=“+22/2。 繼續(xù)上面的例子，N=1024時(shí)，總的運(yùn)算次數(shù)就變成了 525312次，節(jié)省了大約50%勺運(yùn)算 量。而如果我們將這種“一分為二”的思想不斷進(jìn)行下去，直到分成兩兩一組的DFT運(yùn)算單元，那么N點(diǎn)的DFT變換就只需要Nlog(2)(N)次的運(yùn)算，N在1024點(diǎn)時(shí)，運(yùn)算量僅 有10240次，是先前的直接算法的1%點(diǎn)數(shù)越多

27、，運(yùn)算量的節(jié)約就越大，這就是 FFT的 優(yōu)越性?；谏鲜隼碚撝С?，我們選擇 FFT算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，在前面板設(shè)置了對(duì)信號(hào)采 樣頻率和噪聲模擬的選項(xiàng)欄，同時(shí)也設(shè)置了仿真信號(hào)的的參數(shù)選擇欄，包括信號(hào)的頻率、幅度以及相位等，具體設(shè)計(jì)情況見下圖(圖圖441 FFT運(yùn)算模塊前面板在程序框圖中，我們運(yùn)用LabVIEW中的工具完成了對(duì)FFT算法的設(shè)計(jì)，具體見下圖(圖圖442 FFT運(yùn)算模塊程序框圖4.5自功率譜和互功率譜自功率譜密度函數(shù)Sxx(f)：反映相關(guān)函數(shù)在時(shí)域內(nèi)表達(dá)隨機(jī)信號(hào)自身與其他信號(hào)在不同時(shí)刻的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)隨機(jī)信號(hào)均值為零時(shí)，自相關(guān)函數(shù)和自功率譜密度函數(shù)互為傅立葉變換對(duì)。自功率譜密度有明確的物

28、理含義：當(dāng)tao = 0時(shí)，Sxx (f)曲線與頻率軸f所包圍的 面積就是信號(hào)的平均功率。另外，Sxx (f)還表明了信號(hào)的功率密度沿頻率軸的分布狀 況，因此稱Sxx (f)為自功率譜密度函數(shù)。隨機(jī)信號(hào)的自功率譜密度函數(shù)(自譜)是該隨機(jī)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，記 為Sx(f):'，其逆變換為：匸一，兩隨機(jī)信號(hào)的互功率譜密度函數(shù)(互譜)為： 其逆變換為：由于S(f)和R()之間是傅里葉變換對(duì)的關(guān)系，兩者是唯一對(duì)應(yīng)的。S(f)中包含 著& )的全部信息。因?yàn)镽x()為實(shí)偶函數(shù)，Sx(f)亦為實(shí)偶函數(shù)?；ハ嚓P(guān)函數(shù)Rxy() 并非偶函數(shù)，因此Sxy(f)具有虛、實(shí)兩部分，同樣，Sx

29、y(f)保留了 Rxy()的全部信息。基于上述理論支持，我們利用 LabVIEW中自帶的自功率譜和互功率譜函數(shù)完成這一 環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，自功率譜函數(shù)和互功率譜函數(shù)均位于信號(hào)處理模塊下的譜分析中，其具體 的形式如下：圖自功率譜函數(shù)圖互功率譜函數(shù)以上兩種函數(shù)分別完成對(duì)之前的信號(hào)的自功率譜與互功率譜的求解，得到最后對(duì)頻 率的測量。4.6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在完成了對(duì)頻率的測量之后，我們需要對(duì)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便用于以后的分析以及驗(yàn)證使用，所以我們做了以下的數(shù)據(jù)保存模塊，將以前的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)中。在 前面板中通過寫盤按鈕將數(shù)據(jù)存入我們指定的路徑中，其前面板如下圖(圖圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊前面板在程序面板中，我們將波形信

30、號(hào)分別引入兩個(gè)選擇結(jié)構(gòu)中，再分別設(shè)定保存參數(shù)將 其保存入指定的路徑中，具體見下圖(圖圖4.7讀取數(shù)據(jù)完成上面的設(shè)計(jì)之后。當(dāng)然也得完成與其相輔相成的的模塊設(shè)計(jì)，那就是對(duì)數(shù)據(jù)的 讀取，我們采用讀盤按鈕將所保存數(shù)據(jù)的文件的路徑打開文件，以便我們分析與驗(yàn)證， 具體見下圖(圖圖在程序面板中，我們依然采用選擇結(jié)構(gòu)來讀取數(shù)據(jù)文件，在選擇結(jié)構(gòu)中設(shè)定所讀取 數(shù)據(jù)的格式和路徑，具體見下圖(圖5. 系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試：在硬件調(diào)試中，我們著重關(guān)注壓電式加速度傳感器和電荷放大器的調(diào)節(jié)。壓電式加 速度傳感器的靈敏度（電壓靈敏度、電荷靈敏度），加速度傳感器的頻率特性（固有頻率 F）,幾何尺寸和質(zhì)量，傳感器的橫向靈敏度，

31、環(huán)境影響，加速度傳感器的安裝方法都是 我們需要認(rèn)真關(guān)注的。而在對(duì)電荷放大器的調(diào)節(jié)中，電路的輸入極上設(shè)置一組負(fù)反饋電容C,改變C的值,可以獲得不同的增益，即可得到對(duì)應(yīng)于單位加速度不同的輸出電壓。電路設(shè)置有低通及 高通濾波環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)在測量時(shí)可以抑制所需頻帶以外的高通噪聲及低頻晃動(dòng)信號(hào)。 高通是由并聯(lián)反饋電阻 R來實(shí)現(xiàn)；低通則是由另外一個(gè)低通電路（RC低通濾波電路）來 實(shí)現(xiàn)。電路上最有特點(diǎn)的是適調(diào)放大環(huán)節(jié)，它的作用是實(shí)現(xiàn)歸一化功能。適調(diào)放大環(huán)節(jié) 就是一個(gè)能按傳感器的電荷靈敏度調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)環(huán)節(jié)。只有做好這一環(huán)節(jié)的調(diào)試，才能對(duì)后續(xù)電路給定準(zhǔn)確的輸入信號(hào)，完成對(duì)頻率的測 量。5.2軟件調(diào)試：軟件調(diào)試

32、中，我們特別關(guān)注的是FFT算法的實(shí)現(xiàn)，在此采用LabVIEW與Matlab的混 合編程，可通過調(diào)用 LabVIEW中的Matlab Script 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。其中，MatlabScript 節(jié)點(diǎn) 本身具有多輸入、多輸出的特點(diǎn)，一次處理的信息量可以很大。在Matlab中，根據(jù)數(shù)字變頻FFT的數(shù)學(xué)原理，編程實(shí)現(xiàn)復(fù)調(diào)制移頻、低通濾波、重采樣、反移頻和FFT操作處理，經(jīng)調(diào)試無誤后，導(dǎo)入到Mat-lab Script節(jié)點(diǎn)中；然后在 LabVIEW中，通過調(diào)用SineWave.vi產(chǎn)生仿真信號(hào)，或從文件中讀取信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)添加采樣頻率，細(xì)化倍數(shù)等 控制節(jié)點(diǎn)；最后連接各圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字變頻FFT,其程序框圖如圖

33、5.1所示。圖5.1數(shù)字變頻FFT實(shí)現(xiàn)程序框圖利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字變頻FFT軟件處理平臺(tái)，調(diào)用Functions Analyze Signal Processing Sig-nal Generation 子模板中的 Sine Wave.vi 創(chuàng)建正弦信號(hào)發(fā) 生器，構(gòu)造仿真信號(hào)。為了使細(xì)化后的頻率與細(xì)化前的一致，在作FFT前應(yīng)該實(shí)行反移頻，這樣就可以得到分析頻帶上的細(xì)化頻譜。如果采用LabVIEW直接編程處理，其細(xì)化頻譜如圖5.2所示；如果采用LabVIEW和Matlab混合編程處理，其細(xì)化頻譜如圖5.3所 示。圖5.2 LabVIEW直接編程細(xì)化頻譜圖5.3 LabVIEW 和Mat

34、lab混合編程頻譜從圖5.2和圖5.3中可以看出，基于LabVIEW的兩種編程方法都實(shí)現(xiàn)了頻譜細(xì) 化的功能，頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值譜清晰可見，分辨率為提高。數(shù)字變頻FFT是頻譜分析中一種約束條件少，可操作性強(qiáng)的方法。在此借助功能 強(qiáng)大的LabVIEW軟件編程處理方法，使得數(shù)字變頻實(shí)現(xiàn)簡便，能夠滿足提高頻率分辨率 的要求，并具有很高的實(shí)時(shí)性。顯然，在動(dòng)目標(biāo)速度測量中，利用數(shù)字變頻FFT進(jìn)行頻譜細(xì)化處理，可獲得更高的頻率測量精度。根據(jù)多普勒原理，也可獲得更高的測速精度。6. 設(shè)計(jì)總結(jié)在本次設(shè)計(jì)中，首先我們了解到了冷凝器的工作原理，也明確了冷凝器在各種工業(yè) 控制中的重要作用。設(shè)計(jì)中針對(duì)冷凝器的頻率進(jìn)行測試，運(yùn)用到了LabVIEW以及壓電式加速度傳感器等，也比較深刻的知曉了它們的的作用和工作原理，為以后在不同場合使 用奠定了基礎(chǔ)。在對(duì)冷凝器的