基于虛擬儀器技術的多功能轉子實驗教學系統開發

王 玲，付 函，侯啟航，王書茂

（1.中國農業大學 工學院，北京 100083；2.華南農業大學 工程學院，廣東 廣州 510642）

實驗教學是高等院校教學的重要組成部分，其理論與實踐相結合的教學模式是“新工科”背景下推行教學改革、培養學生綜合素質、創新能力和工程實踐的重要環節[1-2]。

我校機械工程學科以“工程測試技術”為發展契機，進行了專業課程教學與實驗教學模式改革。轉子實驗臺是機械工程專業實驗教學的重要工具，針對目前轉子試驗臺傳感器類型單一、轉速測量方式有限、標準轉速缺乏導致轉速測量準確度未知等問題[3]，本文設計了多功能轉子實驗教學系統，結合理論教學課程為學生提供實驗設備，基于虛擬儀器開發了零代碼測控軟件[4]。采用項目驅動式教學法，使學生加深理論學習，為學生完成自主性、創新性實驗及科學研究提供良好的實踐平臺，為工程測試技術的理論和實驗教學提供開放性的硬件資源和編程環境[5]，對測試理論的實驗教學具有重要意義。

1 多功能轉子試驗臺設計

針對轉子試驗臺轉軸轉速檢測與控制、軸心軌跡測量、轉子動平衡檢測、振動檢測等需求，本文設計了多功能轉子試驗臺，由加載設備、動力源、傳感器、信號發生盤、機械結構等組成[6]，如圖1 所示。

圖1 多功能轉子試驗臺三維圖

電動機是轉子試驗臺的動力源，電渦流制動器為加載裝置。為滿足本科生工程測試技術課程需求，電動機選用控制電機，其轉速調節方式為電位器手動調節和定值自動數字調節，并可實現自動閉環控制。轉軸轉速檢測方式多樣，通過選用磁電式、電感式、光電式等不同類型傳感器及設計相應齒輪、通信盤等信號產生方式，實現轉速檢測及校準。位移檢測即轉軸軸心振動，包括徑向振動和軸向振動，通過繪制軸心振動軌跡（李薩如圖）實現轉軸軸心振動量檢測。此外，試驗臺還包括轉子動平衡檢測、制動器制動轉矩 電動調節等功能。

1.1 轉速檢測與控制

針對試驗臺轉軸轉速的檢測，通過分析磁電式、電感式、光電式等不同類型傳感器的工作原理及設計相應齒輪、通信盤等傳感器信號產生方式[7]，將轉速檢測分為如下4 種（如圖2 所示）。

（1）接觸式一般是用于中、低轉速的測量（圖2(a)）。轉速傳感器與被測旋轉軸通過彈性聯軸器連接，傳感器安裝固定時，要求輸出軸與被測旋轉軸盡量保持同一條直線，在較高轉速時要求尤其嚴格。這種測量方式一般選用的傳感器為光電編碼器。

（2）盤式磁性測量（圖2(b)）是在被測旋轉軸上固定一個信號發生盤（導磁材料），信號盤上一個同心圓均勻分布若干個孔或凹槽，轉速傳感器可選用磁電、磁阻或磁敏轉速傳感器。當信號發生盤的材料不導磁時，信號盤上可以均勻分布幾個磁鋼，傳感器可選用電感式接近開關、霍爾開關等。

（3）遮斷式光電測量（圖2(c)）無需信號發生盤材料特性，只要在遮光盤的同心圓上均勻分布若干通光的孔或槽，傳感器可選用槽型光電傳感器和對射式光電傳感器。

（4）當被測軸上不能安裝信號發生盤或遮光盤時，選用反射光電測量（圖2(d)），直接在被測軸上粘貼反光標簽（或在光潔軸上涂黑），傳感器可選用反射式光電開關。

根據上述檢測需求、工作原理及試驗臺機械結構，轉子試驗臺轉速測量選用了齒輪轉速傳感器（FHB12E4NK15K2 型）、磁阻轉速傳感器（CS-1 型）、磁電轉速傳感器（CS-3 型）、霍爾接近開關（NJK-5002C）、電感式接近開關（GAM4-12GM-N1）、對射式光電開關（E3F-3L）、漫反射式光電開關（E3F1-DS5C4）、槽型光電開關（4F15-15K-N1）和反射式光 電開關（FKB12E12NT 型），傳感器的工作參數和特性如表1 所示[8]。

圖2 轉速檢測方式

表1 轉速測量選用傳感器技術參數

1.2 位移檢測與控制

轉子試驗臺位移檢測與控制是針對轉軸2 個互相垂直方向的振動量來設計的，固定在轉軸中間的配重盤裝有偏心螺釘，當軸旋轉時，配重盤產生激振力，轉軸在激振力作用下發生振動，振動量通過布置在X、Y方向上的位移傳感器檢測[9]，檢測方式如圖3(a)所示；在忽略圓度誤差情況下，通過檢測X、Y兩個垂直方向的瞬時位移，合成的李薩如圖即試驗臺轉子軸心運動軌跡，具體位移傳感器檢測裝置如圖3(b)所示。

圖3 位移檢測方式和檢測裝置

實驗臺轉軸位移量的大小則通過調節轉軸轉速或偏心螺釘的數量進行控制。

2 零代碼測控軟件開發

零代碼測控軟件采用無代碼開發流程，以測試系統模塊化、可復用化、虛擬化為設計理念，根據實際檢測任務，通過系統配置層、界面管理層、數據鏈路等3 層結構創建適用于不同測試任務的專用測控軟件[10-11]。學生在編程中，只需配置系統設置信息、測試參數信息、控件屬性信息、編輯與美化界面等步驟，便可在短時間內創建個性化測控軟件。利用零代碼測控軟件，結合多功能轉子實驗臺教學硬件系統，開發了基于LabWindows/CVI 的多功能轉子實驗臺測控系統（如圖4 所示），學生可以結合所學自行開發磁電式、光電式、電感式轉速檢測與控制和霍爾式、電感式、電渦流式位移檢測與控制等和控制與工程測試技術相關的實驗，實現虛擬儀器與測控實驗的綜合教學。

圖4 多功能轉子實驗臺測控系統實例

3 實驗驗證

3.1 轉速檢測與控制

以磁電式轉速檢測為例，轉子試驗臺（如圖5 所示）磁電式轉速檢測傳感器包括磁電式轉速傳感器、齒輪轉速傳感器、磁阻式轉速傳感器和霍爾開關等，轉速控制方式采用手動電位器調節和切換到軟件定值自動調節。試驗臺測得的轉速值與標準轉速的對比數據如表2 所示。

圖5 多功能轉子實驗臺

表2 磁電式轉速傳感器實驗數據

3.2 位移檢測與控制

以電感式位移傳感器為例進行驗證，電機轉速為300 r/min，實驗數據如表3 所示。

表3 電感式位移傳感器實驗數據 單位：mm

以電感式位移傳感器測水平位移為X軸，垂直位移為Y軸，通過軟件繪出了轉軸的軸心軌跡，如圖6所示。

圖6 轉軸軸心軌跡測試圖

4 結語

轉子試驗臺是機電專業實驗教學的重要工具，開發基于虛擬儀器技術的多功能轉子實驗臺測控系統，可實現轉速檢測與控制、位移檢測與控制及轉軸振動檢測等功能。該實驗平臺通過軟硬件相結合的方式，有助于學生了解機電測控中不同類型傳感器的工作原理及實際應用、電機性能和控制方法等，進行原理性學習的同時通過硬件控制系統的設計、安裝和零代碼孵化軟件進行項目驅動式自主創新性實踐。實驗證明，該系統硬件平臺設計布局合理、結構緊湊，測控軟件人機交互界面美觀、使用方便、擴展性強，系統檢測與控制數據準確性高，該系統為工程測試技術理論和虛擬儀器技術綜合實驗教學提供了良好的平臺基礎。