基于虚拟仪器经纱张力的测试Word格式文档下载.docx
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目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。
每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。
这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。
VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。
虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。
目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。
未来的仪器也应当是网络化的。
2.2具体测试原理
当传感器采集到零位置信号后，开始循环采集主轴编码器和张力传感器的输出。
按预定的采样点采集结束后，用软件的方法判断每个转速脉冲即主轴每转0.5°
时的上升沿，将每个上升沿所对应的张力测试值取出。
测量时取621根经纱，计算平均单根经纱张力随转角的变化。
经纱张力传感器置于后梁与经停架之间，按照上述方法就可得出对应主轴的不同角度的经纱张力的变化。
将主轴转角信号和张力信号通过数据采集卡再送入计算机，经过软件处理后在屏幕上显示。
程序流程图如图2所示。
图2程序流程
2.3基于虚拟仪器的测试方法
虚拟仪器是仪器技术与计算机技术结合的产物，在以计算机为核心的硬件平台上，通过配置I/O接口设备（DAQ，数据采集卡）将采集到的信号送往计算机，通过用户自己应用LabVIEW语言编写的不同测试功能的程序对采集到的信号分析处理并显示。
一台插有采集卡的计算机加上用户自己开发的程序，就能实现用户自定义的功能。
它具有体积小、操作方便、功能自定义、界面友好等特点。
利用虚拟仪器可快速建立一个测试系统，借助于计算机编程实现用户所需要的处理功能。
如图3所示，本系统测量时将转角及零位传感器、张力传感器的输出分别接至采集卡的两路模拟输入通道。
用LabVIEW软件编程采集数据，将张力随转角变化的波形显示在计算机屏幕上。
3硬件组成
图3为测试系统框图，主要由传感器、数据采集卡、计算机及相应软件组成。
3.1传感器的选择
在经纱张力曲线测试中需要对三路信号进行采集，即主轴转角信号、主轴零位信号，经纱张力信号。
1）主轴传感器采用光电编码器，它的转子和织机主轴同轴固定，主轴回转时带动转子同速回转，传感器每隔0.5度产生一个脉冲，织机主轴每转一周，就会产生720个脉冲，如图4所示，图中为第
个脉冲的周期。
本系统选用增量式编码器（型号：
1-6100；
分辨率：
720p/r;
激励电压：
DC5V）的A相信号和Z相信号分别作为主轴转角信号和零位信号。
此编码器的分辨率为720线，即一转脉冲A相可以产生720个脉冲，每转Z相可以产生一个脉冲信号，可作为零位信号。
编码器主轴与织机主轴同轴通过联轴节连接，即可测是主轴信号。
2）张力传感器采用全桥应变式，其输出电压的高低正比于纱线张力大小，经标定后，测出电压即可换算出出纱线张力。
其全桥应变式传感器的工作原理是将其电阻的变化转化成电压的形式输出。
全桥式具有以下特性：
若相邻两桥臂的电阻同向变化，所产生的输出电压的变化将相互抵消。
若相邻两桥臂电阻反相变化，所产生的输出电压的变化相互迭加。
上述性质为电桥的和差特性。
利用悬臂梁作敏感元件测力时，常在梁的上下表面各贴一个应变片，并将两个应变片接入电桥相邻的两个桥臂。
当悬臂梁受载时，上应变片的电阻产生正向得电阻，下应变片的电阻产生负向得电阻，由电桥的和差特性可知，这是产生的电压输出相互迭加，电桥获得最大输出。
本系统采用双悬臂梁结构的全桥应变式传感器（型号为MCL-T41）,其主要技术指标有：
量程1000N，灵敏度1.5mV，非线性0.5%F·
S/℃,零位输出2%≤F·
S,激励电压12V（DC），工作温度—20℃-80℃,过载能力150%F·
S。
该传感器是一种高精度张力测试传感器，适用于各种纱线，化纤，胶带，纸张，线缆的张力测量。
具有结构精密、密封可靠、安装方便、高精度、低漂移等特点。
广泛应用于纺织、电子、化工、造纸、机械等领域。
传感器输出应变信号，经调理、标定后即可换算成张力值。
图4转速脉冲
图5定位脉冲
3.2数据采集卡的选择
数据采集卡实现将传感器输出的电压信号转变为数字量，此数字量输送给计算机，编程实现数据读取与保存。
本系统采用美国NI（NationalInstrument）公司基于计算机PCI插槽的多路模拟输入采集卡，12位A/D转换，最高采样率可达200kHz。
数据采集卡本身集成放大电路和A/D转换，具有可编程选择放大倍数、用户无需自制放大电路的特点。
故测量系统建立快、测量精度高。
测量时将转角及零位传感器、张力传感器的输出分别接至采集卡的两路模拟输入通道。
数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等。
这里我们主要是用的是模拟输入数据采集卡。
模拟输入是采集卡最基本的功能。
它一般由多路开关（MUX）、放大器（Amplifier）、采样保持电路（S/H）以及模数转换器（ADC）来实现。
一个模拟信号通过上述各部分后可以转化为数字信号。
ADC的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测量所需要的精度来选择合适的ADC。
同时，数据采集卡都有自己的驱动程序，通过该程序来控制采集卡的硬件操作。
这个驱动程序是由采集卡的供应商提供的，用户一般无需对驱动程序的编写作过多的了解，只要能使用驱动程序与采集卡硬件打交道即可。
图6 数据采集结构
图6表示了数据采集的结构。
在数据采集之前，程序将对DAQ板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。
数据采集是LabVIEW的核心技术之一。
LabVIEW提供了与NI公司的数据采集硬件相配合的丰富的软件资源，使得它能够方便的将现实世界中各种物理量数据采集到计算机中，从而为计算机在测量领域发挥其强大的功能奠定了基础。
数据采集重要的一部分是信号调理，从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备。
信号调理的方法包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。
由于不同的传感器有不同的特性，因此除了这次通用的功能，还要根据具体传感器的特性和要求来选用特殊的信号调理功能。
下面介绍信号调理设备的通用功能。
1）放大。
对微弱信号都要进行放大，以提高分辨率，并使调理后信号的电压范围与ADC的电压范围相匹配。
信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在收到传输的环境的噪音影响之前被放大，从而提高信噪比。
2）隔离。
隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。
使用隔离的原因有两个：
一是从安全的角度；
另一个是可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。
如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。
3）滤波。
滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的频率成分。
大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤波噪音。
为了滤除信号中需要的最高频率以上的所有频率的信号，通常需要使用抗混叠滤波器。
某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。
4）激励。
信号调理设备通常能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外接电源或电流激励信号的传感器。
5）线性化。
许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。
数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。
6）数字信号调理。
即使传感器直接输出数字信号，有时也要有必要进行调理。
其作用是将传感器输出的输出信号进行必要的整形或电平调整。
大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，这使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。
本次采用的数据采集卡为PCI6024E多功能数据采集卡（DAQ），其规格为高达240
kHz的时钟率，速度高达400
kB/s
（模式I/O）;
速度高达740
（模式I/O）32条数字I/O线
（5V
TTL/CMOS）8位、16位或32位传输，具有模式检测与变化检测的开始和停止触发，NI-DAQ驱动与LabVIEW,
CVI,
C,
以及Visual
Basic和VB.NET的Measurement
Studio兼容。
NI
DAQCard-6533是用于PCMCIA接口的高速32位并行数字I/O接口。
3.3计算机硬件的选择
任何具有PCI插槽的普通电脑，Windows98及以上操作系统均能满足要求。
对数据采集卡编程及界面设计采用美国NI公司开发的工具软件LabVIEW软件，该软件具有功能强大、界面友好、支持多种采集卡等特点。
4软件组成
4.1LabVIEW软件概述
LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。
使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。
它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。
像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。
所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（frontpanel）、流程图（blockdiagram）以及图标/连结器（icon/connector）三部分。
1）前面板。
前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。
图7所示是一个随机信号发生和显示的简单VI是它的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。
还有一个控制对象——开关，可以启动和停止工作。
显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。
2）流程图。
流程图提供VI的图形化源程序。
在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。
流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。
图8是与图7对应的流程图。
我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。
随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个WhileLoop循环，由开关控制这一循环的结束。
如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。
在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。
3）图标/连接器。
VI具有层次化和结构化的特征。
一个VI可以作为子程序，这里称为子VI（subVI），被其他VI调用。
图标与连接器在这里相当于图形化的参数。
根据上述测试系统图和程序流程图，采用LabVIEW7.1软件进行了此次设计。
4.2LabVIEW程序前面板
图9 程序前面板
如图9所示的设计程序的前面板图。
下面我详细介绍其各个功能。
1）张力曲线图。
它是采用Graph模板中的XYGraph模板，它的特点就是不要求水平坐标等间隔分布，而且允许绘制一对多的映射关系，比如各种封闭曲线等。
纵坐标代表的是经纱张力单位为克，横坐标代表的是主轴转角单位是度。
这样图形的生成可以随着主轴转角的变化，经纱张力的大小也随之变化。
2）“开始测试”按钮。
中状态表示此程序尚未工作，点击次按钮时，当按钮上的向右箭头变绿，表示开始测试状态。
3）工作状态和采集状态。
当上述按钮处于工作状态时，采集状态和工作状态的指示灯就会变绿，表明开始工作和采集开始。
4）最大量程与最小量程。
这里我们将最大量程和最小量程设定为10V和-10V。
5）信号通道。
这里信号通道为数据采集卡的信号通道，它是根据数据采集卡所选定的。
如上图所示，本次系统采用上述信号通道。
6）触发源及触发电平。
触发涉及初始化、终止或同步DAQ事件的任何方法。
触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。
软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。
硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了DAQ事件的时间分配，有很高的精确度。
硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。
当某一模入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发的例子。
采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发的例子。
许多仪器提供数字输出（常称为“triggerout”）用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是DAQ卡。
下列情况使用软件触发：
用户需要对所有DAQ操作有明确的控制，并且
事件定时不需要非常准确。
下列情况使用硬件触发：
DAQ事件定时需要非常准确。
用户需要削减软件开支。
DAQ事件需要与外部装置同步。
这里我们采用的软件的触发。
同时根据采集卡的特性我们将触发电平设定为3.00。
7）采样率。
采样频率的选择。
对输入信号的采样率是最重要的参数之一。
采样率决定了模数转换（A/D）的频率。
较高的采样率意味着在给定时间内采集更多的点，所以可以更好地还原原始信号。
而采样率过低则可能会导致信号畸变。
图10和图11显示了一个信号分别用充分的采样率和过低的采样率进行采样的结果。
采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信号不同。
这种信号畸变叫做混频（alias）。
图10 充分采样率时的信号
图11过低采样率的采样结果
根据奈奎斯特定理，为了防止发生混频，最低采样频率必须是信号频率的两倍。
对于某个给定的采样率，能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做奈奎斯特频率，它是采样频率的一半。
如果信号频率高于奈奎斯特频率，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。
混频偏差（aliasfrequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。
所以根据上述条件以及数据采集卡的最大采样频率，为了使此设计显示的波形方便于观察以及计算，此次设计我们将采样率设定为100000Hz.
8）采样点。
采样点就是在监测区域内采集环境样品的准确位置，这里我们根据已知条件等等一些资料，将其采样点设定为200000。
9）均值滤波点数。
根据此次设计，我们这里采用的是对一个平均数滤波的一个子程序设定一定的均值滤波点数使其通过对之前621根经纱张力的测试出来的真值进行平均值的滤波特性，以便于对显示出来的波形更易于我们观察和分析计算。
这里要注意的是均值滤波数越大，所显示出来的图形就越平滑，通过对平均数滤波子程序的分析可以看出当之前采集卡所采集到621根经纱张力的测试出来的真值进行滤波工作，其目的是使其得到的数组的每一个数值更为平均化，当其通过波形图显示的时候，就能显示出其一个波形的平滑性。
当其值取值过小时，平均数滤波程序通过计算所计算出的结果由于其值小而发生变化小其波形由于数值发生变化小而不平滑，当其值取大时，程序通过计算会将数组的每一个数据都趋于一个平均数值，这样所显示的波形就是一个完整平滑的波形。
但其数值越大由于通过程序后所得的数据就越平均，这样对于测的数据就不准确，这里我们选用小的数值来进行测量。
图12 此为均值滤波点数为1时所显示的图形
图13此为均值滤波点数100时所显示的图形
这里我们所采用的均值滤波点数设定为100。
10）一转的脉冲数。
它表示主轴传感器每隔0.5度产生一个脉冲，织机主轴每转一周，就会产生720个脉冲。
所以我们在这里将其设定为720。
11）显示周期。
显示周期是指当程序计算完621根经纱张力的平均值后，在其波形图所显示出经纱张力随着主轴转角变化的波形的周期，由于主轴转一周后其中上升脉冲就包含了若干个周期，此值设定为几就显示几个周期。
这里我们为了观察波形的周期长度，将其设定为2为最佳。
12）斜率。
本次设计采用的斜率为22516克/伏，这里程序中的传感器通过采集卡所采集到的是一系列的电脉冲信号，并不是实际的经纱张力的值，我们可以通过斜率的设定，对其值进行换算就能得到张力的值。
斜率的插入是在采集完主轴转一周所有的数值后，通过筛选出上升沿的脉冲信号所有测的的数值通过同斜率的乘机换算出实际的张力值。
13）平均值。
根据程序流程图中平均数滤波程序后，我们所得到的是一组平均值，然后将其通过子集数组后计算出其平均值，这里值得说明的是子集数值的length端所连接的是显示周期端，通过平均滤波程序我们算出的主轴转一周720个脉冲所测出的张力值，其中它包含了若干个周期，我们根据所设定的显示周期数的不同所计算出来的平均值亦不同如显示周期数为2，系统则将计算2个周期波形的平均值，所以在此特意提出说明。
14）经纱张力最大值和最大值对应角度，经纱张力最小值和最小对应角度。
不光要采用图形显示，程序的设计还要显示出其测的数值来。
根据程序流程图中平均数滤波程序后并且通过子集数组的筛选计算。
我们可以将其通过筛选最大最小值的数组程序选出测的经纱张力的最大值和最小值。
同样，再建立一个最大最小值的数组程序对其最大值对应角度和最小值对应角度进行筛选。
15）退出。
这里我们将它跟“工作状态”的指示灯连接到一起，这样当我们点击退出时，随同工作状态的指示灯也一同熄灭，并且程序退出。
4.3LabVIEW程序流程图
此图祥见附图。
1）程序结构
根据设计出的程序流程图可以看出采用的是以下三种程序结构。
（1）While循环。
While循环可以反复执行循环体的程序，直至到达某个边界条件。
它类似于普通编程语言中的Do循环和Repeat-Until循环。
While循环的框图是一个大小可变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为FALSE。
该循环有如下特点：
计数从0开始（i=0）。
先执行循环体，而后i+1，如果循环只执行一次，那么循环输出值i=0。
循环至少要运行一次。
图14 While循环示意图
（2）For循环。
For循环用于将某段程序执行指定次数。
和While循环一样，它不会立刻出现在流程图中，而是出现一个小的图标，而后您可以修改它的大小和位置。
具体的方法是，先单击所有端子的左上方，然后按下鼠标，拖曳出一个包含所有端子的矩形。
释放鼠标时就创建了一个指定大小和位置的For循环。
图15For循环示意图
For循环将把它的框图中的程序执行指定的次数，For循环具有下面这两个端子：
N:
计数端子（输入端子）——用于指定循环执行的次数。
I:
周期端子（输出端子）——含有循环已经执行的次数。
图15显示了一可以产生100个随机数并将数据显示在一个图表上的For循环。
在该例中，i的初值是0，终值是99。
（3）分支结构（Case）。
Case结构含有两个或者更多的子程序（Case）,执行那一个取决于与选择端子或者选择对象的外部接口相连接的某个整数、布尔数、字符串或者标识的值。
必须选择一个默认的Case以处理超出范围的数值，或者直接列出所有可能的输入数值。
Case结构见图16，各个子程序占有各自的流程框，在其上沿中央有相应的子程序标识：
Ture、False或1、2、3…。
按钮用来改变当前显示的子程序（各子程序是重叠放在屏幕同一位置上的）。
图16分支结构示意图
2）信号处理与分析
数字信号在我们周围无所不在。
因为数字信号具有高保真、低噪声和便于信号处理的优点，所以得到了广泛的应用，例如电话公司使用数字信号传输语音，广播、电视和高保真音响系统也都在逐渐数字化。
太空中的卫星将测得数据以数字信号的形式发送到地面接收站。
对遥远星球和外部空间拍摄的照片也是采用数字方法处理，去除干扰，获得有用的信息。
经济数据、人口普查结果、股票市场价格都可以采用数字信号的形式获得。
因为数字信号处理具有这么多优点，在用计算机对模拟信号进行处理之前也常把它们先转换成数字信号。
这里将介绍数字信号处理的基本知识，并介绍由上百个数字信号处理和分析的VI构成的LabVIEW分析软件库。
目前，对于实时分析系统，高速浮点运算和数字信号处理已经变得越来越重要。
这些系统被广泛应用到生物医学数据处理、语音识别、数字音频和图像处理等各种领域。
数据分析的重要性在于，
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