基于虛擬儀器及數據采集卡的轉動慣量測試系統設計

李宏超，夏 靜

（南京理工大學 江蘇 南京 210094）

轉動慣量是剛體轉動慣性大小的量度，是表征剛體特性的一個物理量[1]。轉動慣量作為一個重要的工程參數，在越來越多的領域受到重視，尤其是對產品轉動慣量的精度要求越來越高，它對未來的航天、航空、軍事及精密儀器制造等高精尖行業產生了深遠的影響[2]。

LabVIEW是美國國家儀器公司（National Instrument）開發的一款基于圖形化編程語言G語言（graphicas language）的虛擬軟件開發工具，利用LabVIEW可以很容易的生成一款虛擬儀器系統，其編程過程就是通過圖形符號描述程序的行為，簡單且直觀，現有的控件就能實現諸如示波器、信號發生器、頻譜儀等多種功能，與其他語言的接口諸如Net、ActiveX容器便于與相應平臺混合編程，極大擴展了LabVIEW的功能。

豐富的硬件接口諸如VISA、LAN、Bluetooth，容易實現與現有大多數現有硬件的通訊，因此，虛擬儀器有及其深遠的發展前景[3-4]。

本文利用LabVIEW的便捷功能，開發了一套投資少、操作簡便的轉動慣量測量系統。

1 轉動慣量測量原理

轉動慣量，在古典力學中，表述為一個物體對于旋轉運動的慣性。由物理學中得能量公式：

式中，E為轉動體轉動能量，I為轉動體的轉動慣量，ω為轉動體轉動的角速度。

可知：

由于轉動慣量試驗臺動架每次在同一位置釋放，儲存了相同的能量，即轉動體轉動能量E為常數。而：

代入式（1），得

則（4）變為

即在儀器常數A已知的情況下，測出轉動體的轉動周期T，轉動慣量I便可計算得出。

2 總體設計

該測試系統結構圖如圖1所示，在對轉動慣量的測試過程中，首先通過測試計算機發送測試開始信號，檢測到轉動慣量測試儀工作后數據采集卡開始采集。然后將采集得到的數據送回計算機，計算機分析處理得到測試結果。最后由測試計算機進行顯示，完成測試結果的打印。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Overall structural diagram of the test system

3 系統硬件設計

測試系統硬件主要由發光二極管、光電傳感器、轉動慣量測試儀、穩壓電源、數據采集卡、測試計算機（工控機）和打印機等組成，系統硬件結構圖如圖2所示。穩壓電源為發光二極管及光電傳感器供電，發光二級管與光電傳感器相對，發光二級管發射可見光，光電傳感器接收，轉動慣量測試儀上裝有擋光桿，每半個周期遮擋一次可見光，產生脈沖周期信號。采集過程中數據采集卡采集光電傳感器兩端電壓信號，并將采得的信號送入測試計算機，由測試計算機分析處理得到被測物的轉動慣量，顯示并打印等。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Hardware structural diagram of the test system

穩壓電源提供+5 V的電壓給發光二極管，使發光二極管產生可見光，同時提供+6 V的電壓給光電傳感器，并與其串聯一個500Ω的電阻。在光電傳感器的兩端并聯兩根導線接入數據采集卡，連續測量光電傳感器兩端電壓值。數據采集卡采用NI公司的USB-6251型，兩根導線分別接入端口AI0和AI GROUND，即用0通道進行采集。系統硬件電路圖如圖3所示。

圖3 系統硬件電路圖Fig.3 Hardware circuit diagram of the test system

4 測試系統軟件設計

該測試系統的軟件采用LabVIEW編程，LabVIEW是美國NI公司推出的面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺。該平臺不僅提供了對虛擬儀器的支持，還具有各種測試、通信、控制和數值分析的能力，具有控制功能強大、庫函數豐富、實時性強、編程容易等優點[5]。為了日后的更新、維護與拓展，在設計過程中采用模塊化的思想，整個系統由標定模塊、采集模塊、數據結果顯示與打印模塊、測試系統設定模塊等組成。系統軟件設計的結構圖如圖4所示。

圖4 系統軟件結構圖Fig.4 Software structural diagram of the test system

在軟件設計中，標定模塊是用已知的標準轉動測量出轉動慣量試驗臺架的儀器常數A，并以文件的形式保存；測量模塊是在已知儀器常數A的條件下測得被測物的轉動慣量I，測量結果在測量模塊中直接顯示出來，同樣也可以文件的形式保存；結果顯示與打印模塊用來顯示和打印測量數據，讀取數據文件到結果顯示與打印模塊中，顯示出測量結果，同時也可讀取多個測量數據，用做試驗比較，并輸入PDF文件或以紙質文件打印；設定模塊用于設定采集卡、采集通道的更換及計算方法的改變，使轉動慣量測試系統軟件具有更廣的適用范圍。

4.1 標定模塊

標定模塊是用標準轉動慣量來對轉動慣量測試儀進行校準。由于轉動慣量與周期的平方成正比例關系，故標定模塊用來計算轉動慣量試驗儀的儀器常數A。

由于轉動慣量試驗臺架自身具有一定的轉動慣量，故在標定模塊中需要測量空轉周期和加標準體周期。在本測試系統中，若空轉周期和加標準體周期都存在，則自動計算出儀器常數A。為了避免空轉周期和加標準體周期存在隨機誤差，采用多次測量取平均值的方法減小誤差；在測量過程中，可能由于人為因素導致某些顯著誤差，本測試系統可以隨時刪除不合適的測量結果，并重新計算儀器常數A。標定模塊的流程圖如圖5所示。

4.2 測量模塊

測量模塊是在已知轉動慣量測試儀的儀器常數A的條件下，利用比例關系求得被測物體的轉動慣量。

由于轉動慣量臺架自身的空轉周期可能發生微小變化，故在測量模塊中可重新測量空轉周期，亦可采用標定模塊中測得的空轉周期。同標定模塊，若被測物體轉動周期存在，則自動計算出被測物體轉動慣量，在試驗過程中可隨時刪除不合適數據。

圖5 標定模塊流程圖Fig.5 Flow chart of the calibrating module

4.3 設定模塊

設定模塊用來設置采集系統測量及處理所需參數，包括所使用的采集卡、用作測量的采集通道、數據處理時周期平均值的計算數目、開始計算的脈沖等。設定模塊的流程圖如圖6所示。

圖6 設定模塊流程圖Fig.6 Flow chart of the setting module

4.4 數據采集與處理方法

由于數據采集卡采得的為光電傳感器兩端電壓信號，并非所需的擺動周期信號，故需對采集到的電壓信號進行分析處理得到擺動周期T。

采集得到的脈沖信號可能存在微小的高頻干擾信號，而又不可進行濾波處理，這樣便使得程序自動處理變得較為復雜。本文在對脈沖信號不做任何處理的條件下，提出了一種自動計算脈沖信號周期值的方法。

LabVIEW采得的電壓信號為波形數據，其實就是一個特殊的簇類型的數據。在這個簇中包含 t0，dt，Y，Attributes 4個屬性。Y：這個元素是隨著時間變化的數據。對于一個模擬波形來說，這是一個元素為數值數據點的一維數組。模擬信號類型的一維數組的元素數據類型為雙精度浮點數。t0：這個元素是一個時標值，用來標識Y數組中第一個點采集時的時間。dt：用來表示Y數組中2個相鄰數據點之間的間隔時間的數值。Attribute：它是可變數據類型的量，可以讓你方便的捆綁自定義信息，比如設備編號、通道號等等。該元素不會影響波形數據的表現或Y與時間值[6]。對于本試驗采得的波形，需要做如下處理。首先用波形數據的Y與一個標準值比較，本測試系統中采用標準值-5 V，將小于-5 V的數值保留，大于的置零，同時用初始值t0，增量dt創建時間數組X，將其對應Y變零的點變0。其次，由于每個脈沖中可能存在多個小于-5 V的點，故將數組X中不等于零的點再次比較，如果X中相鄰2個不為0的值小于固定值，本測試系統中采用0.2 s，則比較對應X的2個Y，將比較大的置為0，同時將對應的X也置零。如果此步中存在置0操作，用布爾控件記錄，再次循環此步操作，如沒有置0操作，則進入下一步。最后，索引X值不為0的點，由于轉動慣量測試儀開始轉動時存在受迫轉動，故從某設定脈沖值開始，每隔一個脈沖求差，求得的脈沖差取平均值即為所求轉動慣量周期平均值。圖7為所附源程序，經試驗檢驗此種方法獲得的周期平均值誤差不超過0.05%，在誤差可接受范圍內。

圖7 程序例句Fig.7 Program illustrative sentence

5 結 論

進行系統測試時，對應數據采集卡在程序中選擇采集設備及采集通道，設定第3個脈沖開始計算周期，計算5個周期的平均值。在數據采集模塊中設定試驗編號及試驗人員，讀取儀器常數。試驗臺空轉測量空轉周期，加被測物體后測量被測物轉動周期，測量完成后計算出被測物轉動慣量。經檢驗試驗結果與理論分析所得結果比較，誤差小于0.7%，屬于可接受范圍。

該測試系統以測試計算機和數據采集卡為硬件平臺，虛擬儀器LabVIEW為軟件平臺，完成了轉動慣量測量系統的總體設計。軟件設計采用模塊化思想，提高了系統的穩定性和可靠性。該系統具有精度高、穩定可靠，人機界面友好等特點，達到了設計要求。目前該測試系統已用于微型轉動慣量測量領域。

[1]李雅麗，方靖淮.大學物理實驗教程 [M].南京：南京大學出版社，2006.

[2]張曉琳，唐松，王軍，等.復雜形狀物體轉動慣量測量技術研究[J].制造技術研究，2011（1）:17-20.ZHANG Xiao-lin，TANG Song，WANG Jun，et al.The rotating inertia measurement technology research on complex shaped object[J].Manufacturing Technology Research，2011（1）:17-20.

[3]劉君華.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計[M].北京:國防工業出版社，2004.

[4]龍華偉，顧永剛.LabVIEW 8.2.1與DAQ數據采集[M].北京:清華大學出版社，2008.

[5]宋波，陳一民.虛擬儀器開發環境的比較研究[J].計算機工程與設計，2007，28（12）:2971-2974.SONG Bo，CHEN Yi-min.Comparison and choice about virtual instrument’s development environment[J].Computer Engineering and Design，2007，28（12）:2971-2974.

[6]肖俊旺，夏靜.基于LabVIEW的火箭試驗數據處理方法[J].電子設計工程，2010，19（4）:38-40.XIAO Jun-wang，XIA Jing.Rocket test data processing method based on LabVIEW[J].Electronic Design Engineering，2010，19（4）:38-40.