基于LabVIEW的旋轉軸轉速測量方法

蘇永生， 明廷濤， 曲鵬宇

(1.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033；2.海軍上海地區裝備修理監修室，上海 200136)

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·計算機技術應用·

基于LabVIEW的旋轉軸轉速測量方法

蘇永生1， 明廷濤2， 曲鵬宇1

(1.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033；2.海軍上海地區裝備修理監修室，上海 200136)

在軍用船舶主機、輔機以及軸系等重要設備的故障診斷中，轉速測量扮演著重要的角色，NI在重要機電設備的參數測量和狀態評估方面都提供了非常優秀的解決方案。本文基于NI-PXI平臺，在實驗室條件下開發了電機旋轉軸轉速測量和調試平臺。針對霍爾式和光電式兩種常用的轉速傳感器測量原理，結合PXI-6251板卡中的脈沖計數以及電壓測量功能模式，開發了基于LabVIEW的轉速實時測量和調試系統。該系統實現了轉速的動態測量、實時采集和數據保存，同時也能夠實現上述兩型轉速傳感器的性能檢驗和指標評估。

轉速測量； labVIEW； 單頻信息法； 計數器法

0 引 言

旋轉軸的轉速是表征機電設備運行狀態的一個重要參數，它不僅描述機電設備的實時工況，而且也是控制系統中對其它參量控制的依據和基準。所以對轉速的測量方法開展研究，精確地獲取轉速信息具有重要的工程意義，也備受國內外同行的關注[1-11]。中船重工集團公司第703研究所的劉孝祖采用最新的光電技術和接近開關技術來設計船用智能轉速測量系統，通過單片機對接近開關產生的脈沖進行處理，實時顯示穩定、清晰的轉速值，并可以判斷旋轉方向。安徽理工大學的吳房勝采用光電式轉速傳感器進行電機轉速和轉矩的高精度測量。王常江等[12]提出了一種基于磁阻式轉速測量原理的轉速測量系統。鄭哲等[13]以德國晨陽技術有限公司提供CYGTS104U雙路霍爾式轉速傳感器作為測量設備，能夠有效地促進轉速傳感器和轉速測量系統的設計和發展。

本文在分析旋轉軸轉速工作原理和測量方法的基礎上，結合虛擬儀器測試系統，搭建了基于LabVIEW軟件平臺的轉速測量裝置?；诿}沖計數法和提取單頻信息法兩種轉速實現方式，設計了在實驗室條件下對光電式和霍爾式轉速傳感器進行轉速測量和調試的平臺。通過同一軸上兩類傳感器的輸出是否一致來簡易判別其性能指標，可以滿足轉速測量模塊在現場測試前的調試目的。

1 轉速測量的原理和方法

轉速測量原理可分為兩大類[14]：接觸式和非接觸式。一般有離心式、定時式、磁感應式、電動式、頻閃式、電子計數式。離心式與定時式通稱為機械式，屬于接觸式測量。磁感應式與電動式通稱為磁電式，磁感應式屬于非接觸式測量，電動式屬于接觸式測量。磁感應式一般采用霍爾傳感器和磁阻式傳感器測量轉速。電子計數式有接觸式和非接觸式兩種，這兩種型式都是使用光電式測量轉速。

轉速的測量方法有很多，主要是對傳感器的輸出信號進行處理的方法不同，一般有計數法(包括硬件和軟件)和提取單頻信息法。硬件計數法中最常用的有脈沖計數法和測周期法，即計算單位時間內的脈沖數進而換算出轉速；軟件計數法是將原始的模擬信號轉換為數字信號，需要找出過零點，最常用的是零點法和插值法；提取單頻信息法則是替代以往的對脈沖進行計數的方法，直接對傳感器輸出的時域信號進行頻譜分析求出頻率進而換算出轉速。

2 實驗臺架和調試系統架構

霍爾式和光電式轉速傳感器因其性能優越、穩定性好，目前在測試中被廣泛使用。本文結合在轉速傳感器調試中為判斷上述兩種傳感器的性能設計了如圖1所示的實驗臺架，對應的測試系統架構如圖2所示。

實驗臺架固定在面板上，電機可以通過調速控制器控制開關和進行轉速調整，電機的輸出端裝配一圓柱支點梁結構(有機玻璃材質)，霍爾式轉速傳感器和光電式轉速傳感器通過支架垂直于轉速軸固定，前后位置可以通過螺紋或彈片調整。與傳感器相對應的磁鋼和感應標簽按照要求粘貼于旋轉軸上。

圖1 實驗臺架

測試系統架構由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統即將上述實驗臺架按照要求固定，其中傳感器按照相應的供電要求進行電源匹配，輸出的信號接到PXI-6251[15]對應的接線端子(2個計數器通道或16個電壓通道中的任意2個)。軟件系統則是基于LabVIEW平臺，根據轉速測量實現的方法(計數法和提取單頻信息)設計相應的程序，完成信號的檢測、采集、數據運算處理、分析以及轉速顯示和保存。

3 基于LabVIEW的轉速測量系統設計

轉速信號是經過傳感器的信號調理電路所產生的有規律脈沖，針對本文研究的霍爾式和光電式轉速傳感器，經各自的信號調理電路都產生方波信號。轉速測量的核心就是獲取這些方波信號，經由數據采集模塊采集，再經數據處理模塊生成轉速結果。

首先選擇合適的物理通道，通過數據采集模塊將傳感器所產生的脈沖進行采樣，并以一定形式在界面上顯示出相應的波形圖，以判斷輸入信號的合理性。計數器測量方法是采用在單位時間內的上升沿或下降沿觸發計數的數值來測算轉速；提取單頻信息法通過設定一定的采樣率對通道進行電壓脈沖信號的采集，將其送入數據處理模塊進行分析得出轉速。

3.1 系統的總體設計

轉速測量系統的主要功能是數據采集并經處理實時顯示轉速信號的波形與轉速值并進行相應的保存，系統的總體設計如圖3所示。根據系統測試的要求，將軟件分成采集模塊、數據處理模塊、顯示模塊、保存模塊等。采集模塊與數據采集卡相連，將數據存儲到計算機中，由數據處理模塊完成數據計算，同時顯示模塊將實時轉速及信號波形顯示出來，最后經保存模塊將轉速信息進行保存。

3.2 人機交互界面設計

轉速測試系統是使用NI-PXI 6251數據采集卡和LabVIEW軟件實現旋轉軸轉速信號的采集、顯示、分析、調理和存儲等功能。提取單頻信息測量選用兩個電壓端口：通道1，68-67(第一個編號是信號，第二個編號是地線，后面相同)；通道2，32-33。計數器測量選用兩個計數器通道：通道1，37-36；通道2，42-44。

為了直觀地描述各個功能模塊的功能和設計方法，對人機界面進行精心設計。圖4給出了基于單頻信息法和計數器法轉速測量和調試系統的前面板，包括了硬件和軟件無縫對接的物理通道，保存數據的相對路徑，轉速的實時顯示，根據需要設計的采集時間、保存按鈕以及對應的保存時間，最終的程序停止按鈕。

(a)基于單頻信息法(b)基于計數器法

圖4 轉速測量系統前面板

3.3 軟件平臺設計

在軟件平臺的設計上采用LabVIEW中的生產者/消費者設計模式，該設計模式可包括多個并行循環，每個循環以不同的速率執行任務，當數據可用時對數據進行分析。一個循環作為生產數據的循環，其他循環作為消費數據的循環。生產數據的循環控制所有消費數據的循環，并且使用通信技術與它們進行通信。即軟件平臺中的采集模塊完成原始物理信號進入軟件系統，處理模塊實現轉速信號的計算，而保存模塊實現調試完畢數據的實時保存，它們相互之間不干擾，根據需求進行各自相應的循環。

3.4 系統設計的分析

利用LabVIEW平臺實現轉速測量系統的設計雖然對象簡單，但其中蘊含的思路和方法是貫穿軟、硬件無縫對接，成功完成測試任務的關鍵。本設計在相應模塊設計時，重點進行了思考和實現。

3.4.1 采集模塊

對物理通道進行選擇時，對于電壓信號的采集，PXI-6251板卡提供的16個電壓通道可以實現同步選擇，見圖4(a)和圖5中的采集模塊；而利用計數器通道進行計數功能時，PXI-6251提供的兩個計數器通道需要分別選擇，見圖4(b)和圖6中的采集模塊。

3.4.2 處理模塊

由于采用了生產/消費型的架構，采集模塊中的信息通過隊列屬性傳遞至處理模塊，當采集模塊正常執行后，它們各自的循環實現時互不干擾。根據提取單頻信息法和計數器法進行轉速換算方法，實現各自的轉速計算，具體實現見圖5和圖6中的處理模塊。在實際測試過程中為了減少信號的干擾，在進行單頻信息法測量轉速時，對傳感器的輸出信號峰峰值進行了限定(主要考慮采用的霍爾和光電式轉速傳感器的實際輸出的方波約為5 V的電壓量)。而采用計數器進行轉速測量時，則選用了移位寄存器的功能，簡單而言，就是程序處理后的計數和程序處理前的計數之差與對應的時間之差的比值作為單位時間的計數從而來進行轉速的換算。

3.4.3 保存模塊

同樣采用生產/消費型架構后，當前面兩個模塊正常執行后，將需要保存的數據通過隊列屬性傳遞至保存模塊。在設計保存模塊時，①對保存的路徑和文件名進行了約定，即和程序在同一個文件夾下，以excel文件形式進行保存；②對數據保存所采集的時間和保存按鈕啟動后的執行時間進行了同步設計，根據需要完成數據的保存，兩種方法采用的思路一致，具體實現見圖5和圖6中的保存模塊。

3.4.4 出錯信息

為了隨時方便檢查編程過程中的問題而設計的，這是軟件自帶的一項輔助功能。在此處加上這一模塊主要是為了檢查程序編寫是否有誤，各個模塊之間數據的傳輸是否順暢，各個模塊的參數設置是否合理，這樣就可以通過它來時刻提醒程序設計過程中出現的問題。

4 結 語

為了實現旋轉軸轉速的測量和在實驗室條件下對

圖5 基于單頻信息法的轉速測量程序

圖6 基于計數器法的轉速測量程序

轉速傳感器進行快捷的調試和性能判斷，本文設計了轉速測量實驗臺架和調試系統?；贚abVIEW軟件平臺和測試系統總體設計思路，在對人機交互界面和系統的設計進行了重點闡述和分析的基礎上，最終編制完成了轉速測量和性能調試系統。經過多個其它復雜系統中對轉速傳感器性能的實際測試，快速判斷轉速傳感器是否出現異常，該系統能夠較好地完成實驗室條件下轉速測試和傳感器調試功能。轉速測量系統的人機界面簡捷，操作方便，測試結果直觀，能自動完成轉速的實時顯示，具有較好的應用價值。

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Study on the Measurement Method of Axis Rotation Speed Based on LabVIEW

SUYong-sheng1，MINGTing-tao2，QUPeng-yu1

(1. College of Marine Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2. Repairing and Supervising Room of Naval Equipment in the Shanghai Area，Shanghai 200136，China)

The most obvious characteristics of vibration of rotating machinery is the relationship between the vibration frequency and its speed, therefore, it plays an important role in measuring accurate speed of rotating machinery for analyzing vibration, and mastering the running state of the equipment and other aspects. NI provides a very outstanding solution in the parameter measurement and assessment. Based on NI-PXI platform, a platform for rotation speed measurement and debugging of the motor axis was developed under laboratory conditions. According to Holzer and photoelectric two kind principles, combined with the PXI-6251 card in the pulse counting and voltage measurement mode, a rotational speed measurement and debugging system was developed based on LabVIEW. The system realizes the speed dynamic measurement, real-time data acquisition and preservation, and also can achieve the performance test and evaluation of the two type speed sensors.

rotational speed measurement； LabVIEW； pulse counting method； single frequency method

2014-07-03

國家自然科學基金青年基金(51306205)

蘇永生(1981-)，男，江蘇常熟人，博士，講師，研究方向：艦船動力裝置狀態監測和故障診斷。

Tel.：15926460620；E-mail：suyongsheng1981@163.com

TP 311.52

A

1006-7167(2015)01-0103-04