傳感器與檢測(cè)技術(shù)講義轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

17章轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)可以計(jì)算布匹的產(chǎn)量，水電發(fā)電機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速是計(jì)算發(fā)電機(jī)電功率必不行少的數(shù)據(jù)等。本章將利用光電傳感器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x，關(guān)于電路的仿真是基于Multisim和LabVIEW這兩種軟件根底之上的聯(lián)合仿真Multisim中的主要工作是模擬光電傳感器的I/O對(duì)光電傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)展濾涉及波形轉(zhuǎn)換處理，使其最終的輸出信號(hào)為方波；②在LabVIEW中的重要工作是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速器，在這一設(shè)計(jì)上用了兩種方案：一是基于功率譜分析Multisim中所選用的電路輸出信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為1:1頻率。最終在Multisim原有的與LabVIEW的接口模塊中插入轉(zhuǎn)速器，然后進(jìn)展編譯，使得LabVIEW中的虛擬儀器能被Multisim調(diào)用。通過(guò)本設(shè)計(jì)，需要把握以下內(nèi)容：能利用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的原理，在Multisim中建立光電傳感器的模型把握在LabVIEW3種方法生疏光電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理電路原理與設(shè)計(jì)光電測(cè)量原理17-1所示。圖17-1 光電傳感器工作模型在遮光盤(pán)的同心圓上均勻分布假設(shè)干個(gè)通光孔，光電傳感器固定在遮光盤(pán)工作的位置上，后，通過(guò)在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)量相應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)，就可以計(jì)算出轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為0

N) 〔17-1〕nNm為固定時(shí)間內(nèi)測(cè)得的脈沖數(shù)；T0為固定的時(shí)間。仿真模型的建立在Multisim1017-2所示。圖17-2 光電傳感器仿真電路1由圖可以知道，可調(diào)電阻RW和VV模擬了電機(jī)的可調(diào)電壓源，功能掌握模塊F、壓控方波P和壓控開(kāi)關(guān)JVD模擬了光電傳1圖圖17-3 壓控方波的設(shè)置RW變化時(shí)，F(xiàn)的輸出電壓也跟著近似直線的變化，F(xiàn)的方程式是經(jīng)過(guò)測(cè)量試驗(yàn)室的轉(zhuǎn)速測(cè)量試驗(yàn)的輸入電壓和輸出頻率之間的關(guān)系用最小而乘法擬合出來(lái)的。在此，P的輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為1:17-3所以通過(guò)P模塊電壓大小的變化轉(zhuǎn)化成了頻率的變化，輸出的壓控方波幅值為±2V，頻率依據(jù)掌握電壓的變化而變化。VD模擬了光電傳感器的開(kāi)關(guān)工作特J閉合時(shí)〔通光孔通光時(shí)〕VD就接通一次。由于這里所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系是1:1的關(guān)系，所74LS132N除使輸出標(biāo)準(zhǔn)的矩形波信號(hào)。模型仿真分析下面對(duì)圖17-2所示的光電傳感器仿真模型進(jìn)展仿真分析。首先對(duì)電路進(jìn)展瞬態(tài)分析觀7117-4所示，7點(diǎn)的波形為壓控方波模塊輸出波形，轉(zhuǎn)變滑動(dòng)變阻器的中心抽頭的位置可掌握功能掌握模塊的輸出電壓值，從而掌握7點(diǎn)輸出方波的頻率，方波幅值的范圍為2～2V；1點(diǎn)波形為光電耦合器左端的波形。再對(duì)電路進(jìn)展瞬態(tài)分析，觀看143點(diǎn)的波形，如圖17-5所示，其中3點(diǎn)波形為三極管基極的波形，14點(diǎn)為放大電路輸出端波形，經(jīng)晶體管放大電路后，輸入、輸出波形相位相反。圖17-4 電路中7點(diǎn)和1點(diǎn)的仿真波形 圖17-5 電路中14點(diǎn)和3點(diǎn)的仿真波形74LS132N14點(diǎn)輸出的波形進(jìn)展整形并反相后，輸出波形如圖17-6中未標(biāo)志波形所14點(diǎn)的輸出波形。圖17-6 輸出波形比較LabVIEW333種方法進(jìn)展具體地說(shuō)明。功率譜法測(cè)量頻率功率譜法測(cè)頻率的設(shè)計(jì)思路的流程圖如圖17-7所示。圖圖17-7 功率譜法流程圖1〕頻率的測(cè)量局部〔圖17-8左半局部〕把從Multisim里取出的信號(hào)通過(guò)ForLoop利用ForLoop對(duì)數(shù)組的自動(dòng)索引功能，對(duì)于輸入波形，每次循環(huán)自動(dòng)讀出一個(gè)數(shù)組波形。接著再取出這個(gè)波形的Y值。利用求平均值模塊，對(duì)Y求平均值。緊接著求取Y與Y的平均值的差，之所以要求取Y與Y的平均值的差是為了防止假設(shè)波形的平均值不為零，則有可能在0Hz處消滅功率最大的可能性，這就給功率法測(cè)量頻率帶來(lái)了很大誤差的可能。而這一個(gè)步驟相當(dāng)于把波形平移使其關(guān)于X軸對(duì)稱，所以能避開(kāi)這一可能性誤差的消滅。利用 BuildWaveform這一節(jié)點(diǎn)對(duì)原來(lái)的波形進(jìn)展整形這樣到了這一步就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原波形的按比縮放及平移，使其關(guān)于X軸對(duì)稱。把整形后的波形通過(guò)GetWaveformComponent取出波形的Y值及采樣間隔時(shí)間。通過(guò)功率譜的分析模塊和BuildWaveform節(jié)點(diǎn)可以求得功率譜波形。由理論可知功率譜波大值所對(duì)應(yīng)的X軸上的值就是所要求的頻率，所以利用WaveformMinMax.VI來(lái)求取頻率，這個(gè)模塊的工作特點(diǎn)是取出波形的最大/X的值。在這個(gè)子VI的設(shè)計(jì)中要特別留意的是區(qū)分率這個(gè)參數(shù)的設(shè)定，由于它是測(cè)量頻率準(zhǔn)確度的打算因數(shù)。這個(gè)參數(shù)的作用相當(dāng)于A/D轉(zhuǎn)換中的轉(zhuǎn)換位數(shù)的作用，數(shù)值越大，測(cè)量準(zhǔn)確值越高越好。當(dāng)考慮計(jì)算速度時(shí)要折中考慮。所以應(yīng)依據(jù)具體的需要來(lái)調(diào)整這個(gè)參數(shù)。2〕17-8計(jì)波形在示波器下的顯示狀態(tài)。它的設(shè)計(jì)步驟如下所述。建立PropertyNode節(jié)點(diǎn)：在后面板空白處單擊鼠標(biāo)右鍵選擇“Functions”/“ApplicationControl”P(pán)ropertyNodePropertyNodeGraphcharWaveformCharPropertyNode節(jié)點(diǎn)的屬性為波形圖表。添加屬性：?jiǎn)螕鬚ropertyNode節(jié)點(diǎn)，添加需要設(shè)計(jì)的屬性。這里需要留意的是Xscale.ScaleFit1X軸的Xscale.Minimun和的設(shè)計(jì)才有效。WfchartRefnum節(jié)點(diǎn)：用鼠標(biāo)右鍵單擊PropertyNode節(jié)點(diǎn)的“Reference”/“Creat”“ControWfchartRefnum節(jié)點(diǎn)。綜上所述，功率譜法測(cè)頻率的整體電路圖如圖17-8所示。圖17-8 功率譜法測(cè)頻率整體電路時(shí)使得頻率的計(jì)算更快。在這里要特別留意的是，While循環(huán)的條件設(shè)定只能讓它在有限的時(shí)間內(nèi)循環(huán)完畢,否則當(dāng)被Multisim調(diào)用時(shí)會(huì)由于程序在LabVIEW中的死循環(huán)而不能到達(dá)預(yù)期的處理功能。功率譜法測(cè)頻率的前面板電路圖如圖17-9所示。圖17-9 功率譜法測(cè)頻率的前面板圖中的輸入包括：①穩(wěn)定圖形：用來(lái)穩(wěn)定時(shí)域波形；②區(qū)分率：打算測(cè)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)依據(jù)需要設(shè)定；③刷：用來(lái)刷功率譜波形；④WFChartRefnum：用來(lái)設(shè)定時(shí)域波形的顯示；⑤WFChartRefnum2：用來(lái)設(shè)定功率譜波形的顯示；⑥Analysistype：用來(lái)選擇多種功能。輸出包括：①processedsignal2：功率譜波形的輸出；②processedsignal：時(shí)域波形的輸出端；③Frequency(HZ)：測(cè)得頻率的輸出端。雙擊右上角圖標(biāo)進(jìn)展編輯，如圖17-10所示子程序的圖標(biāo)，然后進(jìn)展連接器的定義。用ShowConnectoPatternI/O的端口個(gè)數(shù)選擇連接器窗格類型。此子程序有7個(gè)輸入，3個(gè)輸出，把子程序中對(duì)應(yīng)于I/O的元件與連接器的I/O窗格對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)后，保存子VI。創(chuàng)立成子VI17-10所示。定周法測(cè)量頻率

圖17-10 子VI的圖標(biāo)的時(shí)間。它與功率譜法相比，在低頻時(shí)測(cè)量快且準(zhǔn)確度高。17-11所示，它的設(shè)計(jì)思路可以用如圖17-12的流程圖表示。圖17-11 定周法測(cè)量頻率后面板圖17-12 定周法流程圖While時(shí)，每次的輸入與敏感值比較后的結(jié)果都會(huì)送入移位存放器中,移位存放器保存了當(dāng)前的CaseStructure執(zhí)行“True”選項(xiàng)中的內(nèi)容，即存儲(chǔ)跳變時(shí)的時(shí)間；假設(shè)這兩個(gè)結(jié)果一樣時(shí)說(shuō)明沒(méi)有跳變，這時(shí)CaseStructure執(zhí)行“False”選項(xiàng)中的內(nèi)容〔17-13〔a〕，即保持前一次跳變時(shí)的本次設(shè)計(jì)所承受的計(jì)算思想是當(dāng)需要測(cè)量的頻率為低頻時(shí)，選擇“analysistype”中的“LowFrequenc”選項(xiàng)LowFrequenc”選框中的連線如圖17-1b〕所示，中選擇了5的是兩個(gè)周期的時(shí)間，再用0.5除以這個(gè)時(shí)間就得到了頻率；在測(cè)量的頻率為高頻時(shí)，選擇“analysistype”中的“HighFrequency”選項(xiàng)。其計(jì)算高頻步驟與低頻時(shí)相像，只是它又添加〔由于采樣頻率不夠高而引起的。通過(guò)觀看可覺(jué)察，測(cè)得的數(shù)據(jù)平均值更接近被測(cè)頻率。所以測(cè)量高頻時(shí)使用法呢？那是由于這個(gè)子VI是要被Multisim所調(diào)用的，而MultisimLabVIEW接口電路的采1%Max_WFTime掌握了顯示波形時(shí)X軸的最大值?！癋als”頁(yè)下的程序 “LowFrequenc”頁(yè)下的程序圖17-13 CaseStructure中的“False”和“LowFrequency”頁(yè)17-14所示，它的I/O端口的意義如下所述。1〕輸入刷：該按鍵只有在“analysistype”為“HighFrequency”時(shí)有效，它用于對(duì)頻率刷SensitiveData：敏感信號(hào)，當(dāng)時(shí)域波形的輸入大于這個(gè)值時(shí)表示有一個(gè)跳變WFChartRefnum：設(shè)計(jì)波形顯示的輸入analysistype：用于選擇測(cè)量頻率的類型timedomain：時(shí)域信號(hào)的輸入穩(wěn)定波形：用于穩(wěn)定顯示的波形2〕輸出MaxWFTime：波形顯示的橫軸的最大值TriggerNum：已檢測(cè)的跳變沿的個(gè)數(shù)processedsignal：時(shí)域信號(hào)的輸出Frequency[HZ]：檢測(cè)得到的頻率Time：實(shí)時(shí)的時(shí)間輸出圖17-14 定周法VI的前面板圖標(biāo)與連接器的定義與方法一一樣，定周法測(cè)量頻率的子VI17-15所示。定周期法高頻改進(jìn)

圖17-15 定周法子VI框圖方法三是對(duì)方法二在高頻局部進(jìn)展改進(jìn)的一種方法，但是它也有局限性的一面。17-1617-17所示。在測(cè)量高頻時(shí)方法二承受的是對(duì)所測(cè)得的多個(gè)頻率值進(jìn)展更快和更準(zhǔn)確些，必需屢次〔3次以上〕1min才能讀數(shù)。由于方法二的這個(gè)缺乏之處，所以產(chǎn)生了方法三。方法三取消了“刷”這一動(dòng)轉(zhuǎn)變后，只能停頓運(yùn)行再重啟動(dòng)。圖17-16 方法三的后面板17-18所示，方法三跟方法二前面板的最大不同在于用WantTimeWantTimeRealTime大于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，輸出的頻率為輸出所測(cè)得的頻率。圖17-17 方法三與方法二的不同之處 圖17-18 方法三的前面板VI17-19所示。三種測(cè)量方法的比照〔1〕方法一對(duì)于波形的規(guī)章性要求不是很嚴(yán)格；而方法二、方法三要求的波形必需是規(guī)章的波形。圖17-19 方法三子VI

只要采樣頻率是測(cè)量頻率的10倍，方法一所測(cè)得的頻率誤差將小于1%；而方法二、1001%的要求。但是有一點(diǎn)必需指出，當(dāng)采樣頻率是測(cè)量頻率的整倍數(shù)時(shí)，方法二、方法三測(cè)量誤差接近于0，且它所要求的最低倍頻為兩倍。這是方法一所不能及的。對(duì)于低頻的測(cè)量，建議使用方法二、方法三；對(duì)于高頻的測(cè)量，建議使用方法一、方法三。當(dāng)測(cè)量要求在線更時(shí)，只能選擇方法一、方法二。接口的設(shè)計(jì)與Multisim中虛擬儀器的導(dǎo)入Multisim和LabVIEW的接口電路是由Mutisim所供給的模板。本設(shè)計(jì)中接口電路的設(shè)計(jì)與編譯分以下幾個(gè)步驟。把Multisim安裝名目下Sampling/LabVIEWInstruments/Templates/Input文件夾復(fù)制到另外一個(gè)地方。LabVIEW中翻開(kāi)步驟〔1〕StarterInputInstrument.lvproj工程，如17-20所示。接口電路的設(shè)計(jì)是在StarterInputInstrument.vit中進(jìn)展。圖17-20 StarterInputInstrument.lvproj工程圖翻開(kāi)StarterInputInstrument.vit的框圖面板，完成接口框圖的設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)處理局部，本設(shè)計(jì)需要在CaseStructure3個(gè)狀況選框中進(jìn)展設(shè)計(jì)?！癠pdateData17-21所示。在這個(gè)選框中主要工作是調(diào)用已經(jīng)做好的子VI頻率計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)所需要的計(jì)算頻率功能。調(diào)用的方式是，在后面板子選框空白處單擊鼠標(biāo)右鍵單擊“Functions”/“SelectaVI”選擇需要調(diào)用的子VI后，單擊“確定”按鈕，子VIVI必需留意，它必需在有限的時(shí)間內(nèi)處理完數(shù)據(jù)并把處理權(quán)交出，否則假設(shè)在子VI中不斷循環(huán)，則Multisim只會(huì)送一次數(shù)據(jù)給LabVIEWMultisimMultisimLabVIEWVIProcessedSingal和WaveformChart方式把它們和前面板聯(lián)系起來(lái)。方法是在后面板空白處單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“ApplicationControVIServerReferenc/LineTo/Pane之后，就會(huì)消滅前面板中全部的I/O“UpdateDat所以接口局部可直接連接Multisim輸出的數(shù)據(jù)?！癝erializeData17-22所示。在這里SamplingRate[HZ]這個(gè)節(jié)點(diǎn)是通過(guò)鼠標(biāo)右鍵單擊原有的SamplingRate[HZ]節(jié)點(diǎn)/Create/PropertyNode/Value而建立的屬性節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)子選框中的主要工作是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展平滑化。在LabVIEW保存數(shù)據(jù)之前需要將數(shù)據(jù)平化為一個(gè)單個(gè)的字符串。由于這里的數(shù)據(jù)只是在LabVIEW中保存的，所以只用FlattentoString節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)平滑數(shù)據(jù)了。圖17-21 “UpdateData”選框圖17-22 “SerializeData”選框“DeserializeData17-23于讀取。17-24所示。完成后選擇重命名，保存為Proj5.vit。圖17-23 “DeserializeData”選框圖17-24 接口電路前面板設(shè)計(jì)編譯之前，要對(duì)虛擬儀器進(jìn)展根本信息設(shè)置。翻開(kāi)subVIs下的StarterInputInstrument_multisimInformation.viID一起設(shè)為Proj0此模塊不需要輸出。設(shè)置完后另存為Proj5_multisimInformation.vi，留意前半局部的名字和接口程序局部的命名必需全都。翻開(kāi)BuildSpecificationSourceDistributio在保存名目和支持名目中，都將編譯完成后要生成的庫(kù)文件重命名，如Proj〔.li。同時(shí)17-25所示。屬性設(shè)置完成并保存后，再在“SourceDistribution”上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“Build”即可。圖17-25 屬性設(shè)置InputBuild文件夾，翻開(kāi)后把里面的文件復(fù)制到ElectronicsWorkbench\EWB9下的lvinstruments當(dāng)再翻開(kāi)Multisim時(shí)，在LabVIEW儀器下拉菜單下就會(huì)顯示所設(shè)計(jì)的模塊proj。LabVIEWMultisim的聯(lián)合仿真LabVIEW中的儀器被導(dǎo)入MultisimMultisimLabVIEW的聯(lián)合仿真了。在Multisim中的主要工作是模擬、仿真光電傳感器的工作特性。在LabVIEW中的工作是測(cè)量Multisim輸出信號(hào)的頻率。由于所設(shè)計(jì)的光電傳感器每轉(zhuǎn)一周輸出一個(gè)周期的波形信號(hào)，所以這里所測(cè)得的頻率也就是光電傳感器的轉(zhuǎn)速。聯(lián)合仿真的電路圖如圖17-2所示。依據(jù)所選的測(cè)量方法不同，選擇已導(dǎo)入MultisimLabVIEW虛擬儀器。方法一測(cè)頻率測(cè)頻率的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表17-1。表17-1 方法一測(cè)量結(jié)果輸入頻率10.2133.17101.65168.62190.61298.27381.57462.36521.30輸出頻率9.9233.11101.32168.46190.43298.44381.47462.35521.24誤 差2.8%0.19%0.32%0.09%0.09%0.06%0.03%0.00%0.01%采樣頻率100001000010000100001000010000100001000010000方法二測(cè)頻率測(cè)頻率的電路圖與方法一測(cè)頻率電路圖的不同之處只是在于調(diào)用的