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基于电容传感器的虚拟位移计设计
任炳合 沈阳航空航天大学自动化学院
摘要:这次课设的要求是设计了一个虚拟位移计电路,显示位移为X.Xmm,实现数据采集、曲线拟合、数据处理、阈值比较能等功能,主要解决方案是利用电容传感器将被测位移转化成两极板间面积的变化导致电压的变化,将实验得到的数据写入曲线拟合程序得到拟合曲线及其一般方程式y=a*x+b的系数a、b,将采集到的电压数据与系数a、b进行数据处理得到位移值,并判断是否超出预设范围,超出则报警,优点是设计原理简单,便于操作,数据采集率高,测量精确,能准确达到要求的目的。
关键词:电容传感器,虚拟位移计,LabVIEW,曲线拟合
0. 前言
虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统技术不同,虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上,根据需求可以高效地构建起形形色色的测量系统。虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合有两种方式。一种方式是计算机装入仪器,典型例子就是智能化仪器。另一种方式就是将仪器装入计算机,以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现各种仪器功能。虚拟仪器突破了传统仪器的局限,能充分发挥计算机的能力,有强大的数据处理功能,将许多信号处理的方法方便地应用于测量中,为自动测量和网络化测量创造条件,创造出功能强大的仪器。用户还可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。使用不同的传感器和变换器可以测量各种不同的物理量,并将它们转换成电信号,计算机通过数据采集卡获得测量数据,软件则控制着整个测量系统,同时还对原始数据作分析处理,并将最后结果表示成容易理解的方式,例如图表和文件等。
本课题要求精确到十分位,测量范围为-2mm到2mm,拟合出位移与电压的关系曲线, 并能设定阈值,具有超值报警功能。
1. 总体方案设计
整个电路的工作原理是利用电容传感器将被测位移转化成两极板间面积的变化导致电压的变化,将实验得到的数据拟合得到拟合曲线及其一般方程式的系数a、b,同时由PCI-NI6024E数据采集卡将采集到的电压数据与系数a、b进行数据处理得到位移值,并判断是否超出预设范围,超出则报警。
虚拟位移计的原理框图如图1所示
图1 虚拟位移计的原理框图
。
2. 硬件设计
2.1 电容传感器电路
工作原理是利用平板电容C=εA/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路使ε、A、d三个参数中,保持ε、d不变,而只改变A,将位移转化成面积A来测量对应的电压值,电容传感器将被测位移转化成极板间面积的变化导致电压的变化。工作原理图如图2所示。
图2 电容传感器工作原理图
2.2 PCI-NI6024E数据采集卡
一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入,模拟输出,数字I/O,J计数器/计时器等。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。当然这个驱动程序是由采集卡的供应商来提供的。NI是美国国家仪器公司的简称,该公司出品的PCI-NI6024E是一块应用在普通个人计算机上,使用内插式PCI插槽的数据采集卡。使用一根Cable连接至CB-68LP这块具有68个接线柱的接线板上,从而达到数据采集卡上的输入输出与CB-68LP上一一对应。这68个接线柱中常用的是:68(AI 0+),67(AI 0 GND),34(AI 0-),以上是模拟输入通道一;22(AO 0);55(AO GND),以上是模拟输出通道一;52(D I/O 0),44(D GND),以上是数字输入输出口的第一位。并且从56到62是没有定义的。
PCI-NI6024E的有关技术资料如下:
使用的总线:PCI总线
模拟输入:16个单端输入通道或8个差分输入通道
输入位数:12位
输入最大采样率:200kS/s
输入电压范围:±0.05到±10V
模拟输出:2个通道
输出位数:12位
输出最大采样率:10kS/s
输出电压范围:±10V
数字输入输出:8个
定时器/计数器:2个 各24位
触发方式:数字触发
3. 软件设计
软件总体设计包括数据采集部分、曲线拟合部分、数据处理部分、阈值比较部分。
软件设计总体流程图如图3所示。
图3 总体流程图
3.1 数据采集部分
数据采集流程图如图4所示。
图4 数据采集流程图
a.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。它有两个端口,左边是已循环次数端口(输出端),右边是条件连线端口(输入端)。它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假。While循环中的代码至少执行一次。
b.当设置一个模拟输入应用时,首先使用的VI是AI Config。AI Config会产生一个taskID和Error cluster(出错信息簇)。所有别的模拟输入
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