一种多通滤波的电涡流传感器数据采集转速的方法.docxVIP

一种多通滤波的电涡流传感器数据采集转速的方法 1 发展多功能转子试验台 旋转是指在单位时间内通过圆周运动的物体的旋转周期数。许多旋转机械都是重要的操作参数。旋转测量一直是科学研究和工业领域的一个重要问题。自行开发研制的小型多功能转子试验台,是为开展振动测试、故障诊断和转子动力学等方面的研究而研制的一个多功能平台,目前已在上面实现了基于Intermet的远程实验。在实验中,转子转速的准确测量十分重要。 2 温度和转速测量 测量系统设备比较简单,主要由一个铁质测速圆盘、一个电涡流传感器、一个PCI-9118DG数据采集卡和一台计算机组成,见图1。在测速圆盘的圆周上均匀分布着6个小孔,电涡流传感器安装在垂直于圆盘并对准小孔的位置,这样转子转动1周,电涡流传感器就会输出6个周期信号。该信号由电涡流传感器拾取,然后通过PCI-9118DG采集卡进入计算机,经过一系列处理和计算,即可得到转速。电涡流传感器选用HZ-8500型非接触式电涡流传感器,探头规格为Φ5。PCI-9118DG是高效、多功能数据采集卡,能进行12位A/D、D/A转换,数字输入、输出,精度高,稳定性好,在数据采集、过程控制和自动化方面得到大量应用。实验台转子由直流调速电动机驱动,可实现大范围(0～10000r/min)无级调速。 转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期信号的频率进行测量。转速测量方法有多种,本文采用计数法进行转速测量,即在一定时间间隔内,根据被测信号的周期数求转速。在本系统中,测速圆盘上有i=6个小孔,转子每转一周,电涡流传感器将输出6个周期信号。假设在采样时间t内,单位为s,检测到m个周期信号,则转子转速n,单位为r/min,可由下式求得: 由于PCI-9118DG采集卡没有提供时间间隔测量的调用函数,因而不能直接对转速进行测定。但ADLink公司的PCIS-DASK软件驱动程序为我们提供了一种异步双缓冲采集模式,采用这种数据采集方式,当数据缓冲区中已经采集到一半的数据时,这一半的数据就可以先传送出来,同时采集卡不间断地继续采集数据,并将数据存放在另一半缓冲区中。通过程序控制可以反复不断地先读取一半缓冲区的数据,再读取另一半缓冲区的数据,这样就能长时间连续不断地采集数据。由于采集过程是不间断的,采样频率又是固定不变的,因此在知道采样个数的情况下,就可以用如下方法求得采样时间。 设采样频率为f,单位为Hz,采样缓冲区大小为k,则采集卡采集到缓冲区一半数据的时间t可由下式得到: 将式(2)代入式(1)可得: 数据采集时,采样频率f、缓冲区大小k和测速圆盘小孔数i均为已知,这样,只需求得采样时间t内的周期信号个数m,即可求得转速。 3 周期数的滤波和计数 从上面的分析可以看出,如何获得采样时间t内的周期信号个数m,是准确计算转速的关键。从电涡流传感器得到的周期性电压信号不是真正意义上的脉冲信号,信号中存在严重的干扰。图2所示为采样频率f=20kHz,缓冲区大小k=4000,转速为3000r/min时,采集得到的半个缓冲区大小的原始数据波形图,此时通过式(2)可计算得采样时间t=0.1s.由于信号中存在大量的干扰,很难直接计算信号的周期数,因此需要先对信号进行滤波处理,使信号变得平滑,再通过阈值判断,将其转化为脉冲信号,然后对脉冲进行计数,从而得到信号周期数。本文设计了一个Butterworth低通滤波器,实时地对采集到的数据进行处理。图3为经过Butterworth低通滤波后的信号,滤波器参数如下:通带截止频率350Hz,阻带截止频率450Hz,通带最大衰减0.05dB,阻带最大衰减16dB.为了再次削弱强干扰信号的影响,便于计算机对周期数进行计数,需要对滤波后的信号进行0、1转换,使其变为脉冲信号。取一电压阈值U0,当电压信号大于U0时,信号置1,否则信号置0。图3为电压阈值U0=0.5V时,经过0、1转换后的脉冲信号图。从图上可以看出,此时信号的脉冲个数等于信号的周期数。因此电涡流传感器信号先经过滤波和0、1转换处理,计算机就比较容易对其周期数进行计数。 系统软件采用Visual C++6.0编程实现,其中数据采集部分调用了PCIS-DASK软件包中的函数,转速计算程序流程图见图5。在用Butterworth低通滤波器进行滤波时,滤波器参数的设置比较重要。当转速较低时,通带截止频率和阻带截止频率应稍微小一些,以便有效地滤掉高频干扰信号;当转速较高时,滤波器的通带截止频率和阻带截止频率则应大一些,否则有可能将有用的周期信号也全部滤掉了,出现无法测量的情况。 4 错误分析和改进措施 本文所述的转速测量方法其误差来源主要有两个方面。 4.1 避免高频干扰信号 在实验中发现,直流电机的直流调速装置是一个很强的干扰源,当滤波器设计不恰当时,并不能有效地滤掉干扰信