基于虛擬儀器的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用PXI-1024組合式機(jī)箱，為系統(tǒng)提供了堅(jiān)固的模塊化封裝結(jié)構(gòu)，其具有8個(gè)PXI／Compact PCI插槽，第一槽是系統(tǒng)控制器，其余7個(gè)插槽是外圍擴(kuò)展槽，可用于安裝數(shù)據(jù)采集卡，示波器等；機(jī)箱還具有高性能PXI背板，可以獨(dú)立地向每個(gè)外圍擴(kuò)展槽提供PXI10 MHz(PXI-CLKl0)系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，用于多模塊的同步測(cè)量或是系統(tǒng)控制。

　　同時(shí)選取了PXI-6251型多功能數(shù)據(jù)采集卡，插入機(jī)箱的左端第三個(gè)插槽。

　　物理信號(hào)的獲得通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)，其中編碼器采集轉(zhuǎn)角信號(hào)，角位移傳感器采集擺角信號(hào)，直線(xiàn)位移傳感器采集線(xiàn)位移信號(hào)。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于來(lái)自于電力線(xiàn)或機(jī)器的影響，會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，對(duì)于這種情況，采用低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)最大程度的抑制。另外，由于采樣率低而產(chǎn)生信號(hào)混疊，奈奎斯特定理指出，如果對(duì)一種模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，所有頻率超過(guò)1／2采樣率的信號(hào)都會(huì)以一種低頻率信號(hào)的方式出現(xiàn)。只有在采樣前把所有頻率超過(guò) 1／2采樣率的信號(hào)消除才能避免這種失真?；谝陨蟽煞N可能出現(xiàn)噪聲信號(hào)的原因，本系統(tǒng)采用模擬低通濾波器、數(shù)字濾波器兩者的結(jié)合。模擬濾波器通常放在 A／D轉(zhuǎn)換器的前面，用來(lái)消除信號(hào)通道位于A(yíng)／D轉(zhuǎn)換之間的高頻噪聲和干擾。數(shù)字濾波器被放在A(yíng)／D轉(zhuǎn)換器的后面，通過(guò)采用平均技術(shù)來(lái)減少通帶內(nèi)頻率上的噪聲。

　　本系統(tǒng)采用雙二階環(huán)濾波電路，利用兩個(gè)以上的加法器、積分器等組成的運(yùn)算放大電路，根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答?，?gòu)成濾波電路。其突出特點(diǎn)是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)多種濾波功能，這里使用低通濾波抑制部分噪聲信號(hào)。具體電路如圖4所示。

　　構(gòu)成低頻濾波器時(shí)，電路固有頻率(單位：Hz)和通帶增益如下：

　　2．2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　軟件是檢測(cè)系統(tǒng)的靈魂。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用虛擬儀器圖形化軟件LabVIEW，該軟件具有運(yùn)算速度快、界面友好、人機(jī)交換便捷、操作直觀(guān)方便等特點(diǎn)。該測(cè)試系統(tǒng)的主程序界面如圖5所示：實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)試的不同項(xiàng)目進(jìn)行有效選擇，并在選擇好輸入項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，從主程序界面中選擇所要測(cè)試的項(xiàng)目，點(diǎn)擊，則系統(tǒng)進(jìn)入所要進(jìn)行的性能測(cè)試系統(tǒng)的功能模塊儀器軟件面板。

　　其中，每一個(gè)功能模塊又分別調(diào)用其子模塊，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器標(biāo)定模塊、誤差處理模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)波形輸出模塊、輸出數(shù)據(jù)保存模塊和數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊。

　　2．2．1 數(shù)據(jù)采集

　　數(shù)據(jù)采集模塊將各種硬件儀器的驅(qū)動(dòng)程序模塊封裝在組件中，當(dāng)測(cè)試要求改變需要更換新的儀器硬件時(shí)，只需更新相應(yīng)參數(shù)，并且保證它對(duì)上層的接口保持不變，那么新的儀器硬件就能在原來(lái)的系統(tǒng)中正常運(yùn)行。

　　2．2．2 傳感器數(shù)據(jù)的標(biāo)定

　　傳感器的標(biāo)定就是通過(guò)試驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。利用已知的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到待標(biāo)定的傳感器中，傳感器得到相應(yīng)的輸出量，將輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量繪制成曲線(xiàn)即得標(biāo)定曲線(xiàn)，通過(guò)標(biāo)定曲線(xiàn)可以得出輸入量與輸出量之間的關(guān)系式，從而可以確定標(biāo)定系數(shù)。利用標(biāo)定的數(shù)據(jù)作為測(cè)量數(shù)據(jù)輸入提高了傳感器的使用精度。

　　2．2．3 數(shù)據(jù)的分析及處理

　　數(shù)據(jù)分析與處理模塊包括數(shù)據(jù)的邏輯計(jì)算、測(cè)試信號(hào)的圖形顯示、測(cè)量過(guò)程中特性參數(shù)的顯示、誤差的分析、信號(hào)的濾波等，通過(guò)該模塊的工作，可以輸出非常精確的數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)。

　　(1)信號(hào)濾波

　　算術(shù)平均值濾波法就是連續(xù)取n個(gè)采樣值進(jìn)行平均。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　算術(shù)平均濾波法用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是圍繞著一個(gè)平均值，在某一范圍附近作上下波動(dòng)。算術(shù)平均濾波法對(duì)信號(hào)的平滑程度完全取決于N在系統(tǒng)誤差的情況下，當(dāng)n→∞，項(xiàng)噪聲信號(hào)趨近于零，其平均值趨向于最大期望值，但是實(shí)際上N較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。應(yīng)根據(jù)具體情況選取N，既保證濾波效果，又盡量減少計(jì)算時(shí)間。

　　(2)誤差處理

　　回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差包括傳動(dòng)誤差和回程誤差。測(cè)量傳動(dòng)誤差，可以采用手工轉(zhuǎn)動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過(guò)10 r／min，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，通過(guò)輸入、輸出傳感器分別測(cè)量輸入、輸出角位移，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行顯示和記錄。瞬時(shí)傳動(dòng)誤差=輸入轉(zhuǎn)角／理論傳動(dòng)比-輸出轉(zhuǎn)角，可以擬合相應(yīng)的曲線(xiàn)。在測(cè)量回程誤差時(shí)，去掉電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)輸入傳感器，當(dāng)在某一個(gè)角位移處，使輸出端不動(dòng)，輸出端反轉(zhuǎn)，所反向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為回程誤差，在若干個(gè)角位移處試驗(yàn)，可以擬合出一條回程誤差曲線(xiàn)。