電機轉速信號分析系統(tǒng)設計摘要隨著我國科技技術的飛速發(fā)展，自動化工業(yè)成為了我國工業(yè)體系的主導。自動化電機成為了其中不可或缺的重要組成部分。使用測量儀器測量電機的運轉狀態(tài)，對電機進行實時的運轉信號分析，能夠提高電機維護的效率，降低故障發(fā)生的可能性，具有十分重要的意義。由于近年來虛擬儀器的日漸完善，虛擬儀器漸漸代替了傳統(tǒng)儀表對各類設備進行測量，為此提供了一個重要的測量平臺。本次設計使用了LabVIEW作為測量平臺，NIELVISIII作為信號采集器，使用光電傳感器與磁電傳感器對電機進行測量、頻譜分析，以及測量出數據的曲線擬合。論文主要做了如下工作：首先介紹了數種轉速測量的方法，各種常用傳感器的原理與應用，虛擬儀器與LabVIEW的概述與NIELVISIII的主要性能參數。其次使用LabVIEW編寫程序，將采集到的信號進行濾波、顯示與頻譜分析，得出轉速。接著分析得到的各種信號波形圖產生的原因，以及頻譜信號分析。最后對測量數據進行曲線擬合，得出曲線吻合度，并分析誤差原因。關鍵詞：信號分析；轉速測量；頻譜分析；虛擬儀器目錄第一章緒論 11.1選題發(fā)展背景 11.2轉速信號分析在經濟市場中的作用 11.3選題的目的、意義 11.4課題主要研究內容 2第二章系統(tǒng)硬件設計 32.1方案論證 32.2轉速信號測量方法 32.3選用轉速傳感器概述 42.3.1光電式轉速傳感器概述 42.3.2磁電式轉速傳感器概述 52.4硬件連接 52.5NIELVISIII簡介與主要參數 6第三章系統(tǒng)軟件設計 83.1軟件選用 83.1.1虛擬儀器概述 83.1.2LabVIEW介紹 93.2軟件設計流程 103.3程序后面板設計 113.3.1信號輸入部分 113.3.2濾波部分 123.3.3頻率信號得出以及頻譜測量部分 133.3.4完整程序框圖 163.4程序前面板設計 173.4.1運行程序 18第四章轉速信號測量分析 194.1轉速波形分析 194.1.1光電信號轉速波形分析 194.1.2磁電信號的轉速波形分析 204.2頻譜信號分析 214.2.1光電傳感器頻譜信號分析 224.2.2磁電傳感器頻譜信號分析 234.3對比分析 24第五章轉速信號曲線擬合 255.1轉速頻率與輸入電壓之間的函數關系 255.2曲線擬合 255.2.1使用LabVIEW進行擬合： 255.2.2使用Matlab進行曲線擬合 275.3測量誤差的分析 28第六章總結與展望 296.1總結 296.2展望 29參考文獻 31第一章緒論1.1選題發(fā)展背景電機，是一個運用電能的機器。在電機中的各個部件發(fā)生的電磁反應，將電能轉化為其它我們需要使用的機械能。電機在全球自動化工業(yè)市場上占據著舉足輕重的地位，廣泛用于各大自動化領域。如今，電機產業(yè)已經發(fā)展到了一個成熟的階段，現(xiàn)階段本世代的電機擁有更高的可靠性、更好的耐用性與兼容性。在外觀與使用感受上，新世代的電機減輕了重量，雜音更少，觀感上也更加美觀。電機的運行效率不斷提高。這樣一來，如何更好地檢測、控制電機的轉速，進而對整個工業(yè)設備進行較好的控制成為了問題的關鍵。那么，有數字直觀顯示的轉速信號分析系統(tǒng)成為了電機轉速測量的關鍵所在。目前國內外公司有許多不同進行電機測速的方法，測速方式基于不同的理論方法，有模擬測速法、同步測速法（機械或閃光頻閃測速）、計量測速法。電磁電容式的測速法和與電機內特殊放射性材質反應來放出脈沖信號的測速方法也十分常見。光電式傳感器是小型電機運用最廣的測速工具。光電式測速系統(tǒng)最有優(yōu)勢的便是其慣性低、噪聲低、分辨率較高與精度較高。以及光柵、CCD、光導纖維等技術的出現(xiàn)與應用，使光電傳感器在電機測控領域得到廣泛的應用，其電機轉速測量系統(tǒng)的準確性強、采樣快、測量電機轉速范圍廣等種種優(yōu)點，使得光電傳感器在測控方面有著廣闊的應用前景。1.2轉速信號分析在經濟市場中的作用轉速信號分析在自動化工業(yè)、科學技術、家用電器等各個領域都有應用，分布十分廣泛。它往往可以成為電器或控制系統(tǒng)中必不可少的核心部件，被測參數在不同的實際應用中有不同的含義，在經濟市場中，速度信號分析的應用仍然非常重要，特別是在下列情況下：目前，工業(yè)和社會上廣泛應用的直流發(fā)動機具有良好的起動和制動性能，能夠在一定范圍內平穩(wěn)地調速，因此能夠在大型場合中得到廣泛的應用，隨著自動化和控制技術的發(fā)展，交流轉速分析系統(tǒng)越來越完善，其成本高、控制技術復雜，很難在短時間內取代直流發(fā)動機。綜上所述，轉速信號分析系統(tǒng)具有廣泛且良好的應用前景，可以便捷地應用于自動化、交通運輸、礦業(yè)等電力系統(tǒng)。1.3選題的目的、意義電機轉速是自動化工程中運用十分廣泛的參數，有多種測量方式，模擬信號的采集與處理曾一直是其測量的主要方法，但這已經無法適應現(xiàn)今的高精度測量要求。隨著大規(guī)模集成電路的技術的發(fā)展，數字信號測量已經得到了普遍的應用。轉速測量系統(tǒng)可以通過全數字化進行處理，在測量范圍和測量精度上都有顯著的提高。且在實時的頻譜分析測量上，也能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，如諧波增大、倍頻高于主頻等，幫助工程師“對癥下藥”，解決電機的故障來源，避免小或大的事故發(fā)生。課題以LabVIEW為編程軟件，NIElvisIII為面包板，設計一個數字化的轉速測量分析系統(tǒng)。其在自動化工業(yè)控制以及日常使用的電器中都有極高使用價值，能夠兼容大部分工業(yè)控制的轉速檢測。由于其數字化結構，可以很方便地和計算機進行連接，實現(xiàn)簡易管理和控制，提高自動化水平。綜上，我認為轉速信號分析系統(tǒng)是一項十分具有研究意義的課題。1.4課題主要研究內容=1\*GB3①介紹電機轉速的測量方法，對所測量的轉速計算，說明原理。=2\*GB3②對輸入的光電信號與磁電信號進行濾波處理，說明原理。=3\*GB3③分析產生的信號波形和頻譜波形。=4\*GB3④對測量數據進行曲線擬合，分析誤差。第二章系統(tǒng)硬件設計2.1方案論證該電機測速的方法主要使用了LabVIEW與NIELVISIII，通過NIELVISIII將電機的轉速信號采集進來，通過LabVIEW中模擬信號輸入（AnalogInput）控件采入信號。通過低通濾波器對采樣信號進行濾波后得出光電傳感器與磁電傳感器的波形。再通過信號頻譜分析得出其時域、頻域信號。得出波形的頻率后，計算出電機的轉速。測量使用的電機有兩種信號輸出方式，光電傳感器輸出信號與磁電傳感器輸出信號。使用兩種方式測量出電機的頻率，將兩者進行比對分析。硬件選用：=1\*GB3①測試電機（電源支持2-12V的電壓值）=2\*GB3②光電傳感器與磁電傳感器=3\*GB3③信號采集平臺：NIElvisIII2.2轉速信號測量方法現(xiàn)今國內外電機轉速測量方法主要有光反射法、磁電法、光柵法、霍爾開關檢測法、離心式轉速表檢測法等。 1、光反射法光反射法是通過將電機轉速信號轉動頻率與周期提取出來進行測量的一種測速方法。將光電傳感器安裝在電機轉子的轉軸上，隨著電機的轉動，光電傳感器也跟著轉動。接著需要一個固定光源來持續(xù)不斷地照射在傳感器上，利用光敏元件來接收光源放出的光，形成脈沖信號，在固定時間內對其進行計數，換算成電機轉速。2、磁電法在某些高溫工業(yè)環(huán)境下，類似的光電傳感器由于較為“脆弱”，不適合在這些特殊環(huán)境下使用。所以需要磁電式傳感器進行電機測量。磁電式傳感器利用電磁感應的遠近來進行測量的。當閉合回路中磁通量發(fā)生變化時，回路中便會產生電動勢，電動勢大小與磁通量的變化有關。3、光柵法在電機的轉動軸上固定一個圓盤，圓盤上有光槽，在圓盤的兩邊安裝發(fā)光裝置與接收裝置，在電機運轉時，接收裝置間斷地受到光照，產生脈沖信號，在固定時間內對該脈沖進行計數，換算成電機轉速。4、霍爾開關檢測法霍爾開關檢測法利用霍爾開關來檢測電機轉速?；魻栭_關內含有穩(wěn)壓電路、電勢發(fā)生器、信號放大器以及輸出電路。在電機的轉軸上固定一塊磁鐵，在其運動軌跡的邊緣設置霍爾開關。在電機轉動時霍爾開關間斷地感應磁力，產生脈沖信號。即每當磁鐵繞過一次霍爾開關，開關便輸出一個脈沖信號。計算出固定時間的單位脈沖數，換算為電機轉速。5、離心式轉速表檢測法離心式轉速表是通過離心力制成的測速儀器。在測量轉速時，將表頭插入電機轉軸的軸心來直接讀出轉速。工作原理主要是在離心式轉速表在測量轉速時，轉軸會連帶著轉速表上的金屬重物一同轉動，該重物在離心力的作用下便會離開軸心，對轉速表產生拉力。轉速表受到其拉力后，便會帶動表內指針從零刻度線開始移動。當轉速表中的離心力與拉力間達到平衡時，則受力平衡，指針停止移動，穩(wěn)定后則顯示刻度值，也就是電機的轉速值。離心式轉速表也是工業(yè)上十分常用的的機械式轉速表，在電機、汽車、輪船、飛機等制造業(yè)中有很高的認同度。在本次課題中，采用了是光反射法與磁電法，使用光電傳感器與磁電傳感器將信號輸入NIELVIS中轉化為模擬信號，再將信號進行分析計算。2.3選用轉速傳感器概述2.3.1光電式轉速傳感器概述光電式轉速傳感器是一種位移傳感器，在電機轉軸上安裝中間帶有縫隙的圓盤，電機中需擁有光電器件。在使用光電式轉速傳感器時，傳感器無需與電機有直接接觸，且它擁有精度高、分辨率高、可靠性強于響應快的優(yōu)點，在自動化工程領域中具有廣泛的應用。該傳感器在大體上分為三種類型：直射式、反射式、投射式。直射式光電傳感器：直射式光電傳感器由測量圓盤、光敏器件組成。當光源直接照射到測量圓盤上，當中的縫隙會使光源直接照射至光敏器件中，被其所接收，光敏器件將光源轉換為電信號輸出。在測量圓盤與電機轉輪旋轉一周時，光敏器件所輸出的脈沖數相當于圓盤的缺口數，以此可通過輸出的脈沖數來得出電機的轉動頻率得知電機轉速。反射式光電傳感器：反射式光電傳感器主要有反光貼紙與傳感器組成。在測試前，將反光貼紙貼在所測電機的轉輪上，可對稱地安裝多片，能夠獲得更好的效果。將傳感器固定于反光片正上方。開始運轉電機后，每當轉輪上的反光片經過傳感器后，傳感器上的輸出便會跳變一次。通過跳變頻率，即可計算出電機的轉速。投射式光電傳感器：投射式光電傳感器由讀數盤、測量盤、光敏器件組成，測量盤與被測電機一同轉動，由于讀數盤與測量盤之間的間隙相同，所以當電機轉動時，測量盤每轉過一道縫隙，光敏器件接收到光線的明暗發(fā)生一次變化，則輸出一次脈沖信號。圖2-1光電傳感器圖2-1中部位1為光敏信號的信號輸出部分；2為光源信號的接收器，即光敏二極管；3和4為信號發(fā)出部分，為發(fā)光二極管；5為遮光板，上有凹糟。由于圖中的轉盤只有一個凹槽，所以每旋轉一次只能產生一次脈沖信號。2.3.2磁電式轉速傳感器概述磁電式傳感器是將電機轉速轉化為感應電動勢進行輸出的傳感器，將電機轉速轉換成為線圈中的感應電動勢。磁電式傳感器利用了電磁感應原理，能夠直接將被測電機轉速轉化為電壓值輸出，是一種有源傳感器。磁電式傳感器的工作方式使其擁有了較強的干擾抗性，較光電式傳感器來說能夠在更加惡劣的環(huán)境中工作。該傳感器輸出信號清晰，能夠精確測量大部分的轉動器件。2.4硬件連接圖2-2測試電機與光電、磁電傳感器圖2-3電機、傳感器與NIELVISIII的連接連線框圖如下：圖2-4硬件連接框圖連線時，將電機與傳感器檢測技術實驗臺的0-15V可調電壓連接，是電機的啟動電壓，測試將在5V-15V的范圍內進行。在實驗電機中（圖2-2），電機自帶了光電傳感器與磁電傳感器，將光電傳感器的正端與接地接在實驗臺的5V穩(wěn)壓電源上，保證對光電傳感器的供電。另外一個黃色插口是用于光電信號的輸出，將其接在NIELVIS的IO端，同樣地線也需再次連接至面包板上，使其組成回路。同理，將磁電傳感器以同樣的方式與面包板連接，但磁電傳感器無需電源供電。為了使LabVIEW測出的電機轉速能夠與電機真實的轉速做出比較，所以將光電傳感器或磁電傳感器再與實驗臺上的頻率/轉速表相連接，這樣可在實驗臺上精準測出電機的實時轉速。2.5NIELVISIII簡介與主要參數在進行連線時，由于NIELVISIII在日常學習中接觸次數較少，于是在查詢資料后，大致了解了NIELVISIII的用途與參數。ELVISIII是由NI(NationalInstrument)公司推出的集工程與課堂教學為一體的小型實驗平臺。是一個集成了采集數據、自動化控制、各種工業(yè)化儀器使用的平臺。在軟件控制上，支持LabVIEW、以及Python/C等第三方編程語言。在NIELVISIII面包板的右半面，集成了各種數字測量儀器和嵌入式功能模塊。使用者可以在信號輸入后對其進行實時監(jiān)測分析。ELVISIII集成了波特圖、示波器、函數發(fā)生器、數字信號發(fā)生器、可變電源、數字萬用表等工業(yè)級別的精密儀器。將各種儀器整合與一臺小巧的面包板上，只要連接至電腦，就能夠完全發(fā)揮出其功能。十分適合使用于工業(yè)以及課堂學習中。主要參數如下：1.四通道采樣率為100MS/s的示波器、15MHz帶寬、14bit分辨率2.雙通道采樣率為100MS/s的信號發(fā)生器、15MHz帶寬、14bit分辨率3.16通道的LA/PG邏輯分析儀器4.四位半數字萬用表5.±15V的可調節(jié)電源、500mA的最大電流6.FGPA，采用RIO架構技術，有AI和DI，即模擬信號與數字信號輸入，支持圖像化系統(tǒng)編程7.16通道的模擬量采集，采樣率1MS/s、16bit分辨率8.40通道數字輸入輸出9.200MB內存容量，原裝驅動，開機自動安裝10.支持MultisimLive，支持常用瀏覽器的儀表調用第三章系統(tǒng)軟件設計3.1軟件選用3.1.1虛擬儀器概述儀器，是當今社會上不可或缺的基本工具，儀器隨著信息時代的到來慢慢地與計算機相密切結合?，F(xiàn)今這種結合共有兩種方式：智能化儀器與虛擬儀器。智能化儀器是在儀器中嵌入計算機，使其擁有強大的計算分析功能。虛擬儀器便是將儀器放入計算機，以計算機的操作系統(tǒng)與硬件功能作為載體，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器所能實現(xiàn)的功能。虛擬儀器充分地利用了計算機的資源，甚至可以實現(xiàn)那些在傳統(tǒng)儀器上所不能實現(xiàn)的功能。獨立的傳統(tǒng)儀器，雖然功能齊全，但是價格昂貴，且功能單一，只能完成特定的測量，并沒有較強的自定義與擴充功能。而且傳統(tǒng)儀器更新?lián)Q代快，不利于用戶長久使用，更新。虛擬儀器（virtualinstrument）利用了模塊化硬件，結合計算機配置的軟件進行各種自動化的應用。軟件部分能夠使用戶輕松地自定義想要的界面，硬件部分，模塊化的硬件能夠輕松地提供系統(tǒng)化的集成。計算機運行的程序也能夠精準地為用戶提供定時與同步化的需求，這便是虛擬儀器能夠在行業(yè)中脫穎而出的原因，它擁有易操作的軟件，模塊化的硬件以及能夠集成軟硬件的平臺，完全發(fā)揮出了所有的優(yōu)勢。優(yōu)勢1：性能強其技術是由PC的基礎上發(fā)展而來的，虛擬儀器擁有PC中優(yōu)秀的處理器與文件I/O，可以在數據導入磁盤中的同時進行復雜計算，因特網的發(fā)展與計算機硬件的不斷革新也使虛擬儀器展現(xiàn)出越來越強的優(yōu)勢。優(yōu)勢2：擴展性強在虛擬儀器中，由于軟件的靈活性，用戶只需要更新自己的計算機軟件，便可以改進擴展整個虛擬儀器系統(tǒng)。便可以利用最新科技的同時，將現(xiàn)有的測量設備完成任務的測量。優(yōu)勢3：開發(fā)時間短虛擬儀器高效地將計算機、儀表與硬件結合在一起，形成一個完整的構架，更加方便了用戶的操作，并且提供了強大的靈活性與操作功能。極大地縮短了用戶解決各種測量要求的時間。優(yōu)勢4：無縫集成虛擬儀器本質上來說是一種將軟件與硬件集成的概念。隨著時代的發(fā)展，各種行業(yè)中產品的功能也不斷地增加，趨于復雜。虛擬儀器在軟件平臺上為各種設備提供了標準的接口，方便用戶將多個不同的設備集成到一個獨立的系統(tǒng)中，極大地減少了程序的復雜程度。虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬儀器是利用模塊化的硬件與易于升級的軟件來完成測量、自動化的應用?，F(xiàn)今，虛擬儀器已經被各種測試行業(yè)、自動化行業(yè)、生產領域進行廣泛地使用。虛擬儀器利用了發(fā)展迅速的PC產業(yè)，高性能的數據轉換器，以及PC系統(tǒng)的設計軟件，提升了巨大的技術能力以及能夠降低極大的成本。隨著PC軟件系統(tǒng)的不斷更新?lián)Q代，虛擬儀器技術也迅速地發(fā)展，實現(xiàn)了越來越多的功能。虛擬儀器的各種功能越來越強大，即已經能夠在PC上開發(fā)測試程序，在嵌入式處理器和現(xiàn)場可編程門陣列上設計硬件功能。為用戶在設計和測試系統(tǒng)上提供了一個獨立的環(huán)境。因而虛擬儀器在替代傳統(tǒng)儀器的功能上發(fā)揮著重要的作用，應用領域會越來越廣泛，是未來儀器發(fā)展的主流方向。3.1.2LabVIEW介紹LabVIEW是一種虛擬儀器程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器公司（NationalInstrument）開發(fā)，與C語言和BASIC等計算機語言區(qū)別的是，LabVIEW語言使用的是G語言（圖形化編輯語言）編寫程序，產生的即為程序框圖。LabVIEW是虛擬儀器（NI）設計平臺的核心部分，是用戶使用虛擬儀器開發(fā)測控系統(tǒng)的絕佳選擇。與C語言和BASIC相同，LabVIEW使用的也是通用編程系統(tǒng)，有個完成編程任務的函數庫，包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及儲存等，便于程序的修改調試。LabVIEW是通過圖標以此代替文本創(chuàng)建工程的圖形編程語言，與傳統(tǒng)編程語言不同的是，LabVIEW采用了數據流編程的方式，程序框圖中節(jié)點之間的先后順序決定了VI之間函數的執(zhí)行順序。而傳統(tǒng)編程語言則使用的是語句與指令的先后來決定程序的優(yōu)先順序。在LabVIEW中，系統(tǒng)提供了很多在外觀上與傳統(tǒng)測量儀器類似的控件，這樣用戶能夠更為便捷地創(chuàng)建自己熟悉的用戶界面，這在LabVIEW中被稱為前面板。在后面板中，用戶通過自己編譯的程序來對前面板的控件進行控制，這些使用圖標與連線的代碼被稱為圖形化代碼（G代碼），由于G代碼在視覺上類似于流程圖，因而又被稱為程序框圖。LabVIEW的特點：LabVIEW在硬件上盡量采用了通用的產品，儀器之間的差異主要是軟件。由于LabVIEW擺脫了硬件的束縛，主要在PC上進行使用，所以有著強大的數據處理能力，能夠創(chuàng)造出功能更加先進的儀器。LabVIEW有著強大的自定義能力，能夠根據用戶的需求，隨心定義制造自己需要的儀器。圖形化程序語言（G語言），該語言盡量利用了技術人員、工程師等所熟知的圖標、概念，便于開發(fā)。因此，這是一個面向廣大用戶的編程軟件，LabVIEW可以增強用戶構建小型儀器或是大型工程系統(tǒng)的能力，提供儀器編程和數據測試系統(tǒng)的捷徑，而不用面對冗長的傳統(tǒng)代碼。使用該軟件進行編譯程序或測試儀器系統(tǒng)時，可以極大地提高用戶的工作效率。LabVIEW最大的優(yōu)勢之一在于其能夠在同一個硬件的情況下，僅僅通過軟件編程的改變，就能夠實現(xiàn)不同儀器儀表的功能。相當于LabVIEW的軟件是主體部分，硬件只是支持其工作的外殼。LabVIEW的應用領域測試測量：LabVIEW在最初便是為了測試測量而設計的，所以測試測量便是LabVIEW最廣泛的應用領域。經過多年的發(fā)展與檢驗，LabVIEW在測試測量領域內獲得了廣泛的認可。至今，大部分的測試儀器與DAQ設備均擁有自己的LabVIEW驅動程序，當使用LabVIEW時能夠便捷地控制。同時用戶可以在控件選擇模塊內找到幾乎所有關于測試測量的工具包，能夠包含幾乎所有用戶所需求的功能。控制：在完成對機器的測試測量后，接下來一步便是控制，LabVIEW自然將軟件拓展至控制領域。其擁有專門的控制模塊：LabVIEWDSC。在各種控制領域中，常用的設備幾乎都擁有相應的控制程序，使LabVIEW能夠便捷地對其取得控制。仿真：在設計大型工程項目時，可以使用LabVIEW進行仿真運行，找到設計中的漏洞，驗證其合理性，找到潛在的問題。在教育領域，教師可以讓學生使用LabVIEW仿真模擬，使學生獲得實踐的機會?？焖匍_發(fā)：當設計師的開發(fā)項目時間較為緊張時，可使用LabVIEW進行開發(fā)，由于其較少的代碼編寫，較為直觀的視覺編程，能夠使開發(fā)時間大大縮短。3.2軟件設計流程軟件編程部分流程圖圖3-1軟件設計流程圖3.3程序后面板設計3.3.1信號輸入部分圖3-2模擬信號輸入使用NIELVISIII工程文件中controlIO中的analoginput作為模擬量信號輸入，在控件中選擇光電傳感器與磁電傳感器在面包板上接入的I/O接口。例如光電傳感器接入了AI0接口，則在控件中選擇AIO接口，并將采樣方式改成n采樣（NSamples）。改成n采樣的原因是這樣能夠采樣出連續(xù)的模擬信號，而不是單一的、一個時間點的信號。通過創(chuàng)建數組將模擬量轉換為數組信號輸出，便于之后的圖像顯示。移位寄存器的作用是在這個while循環(huán)中每次循環(huán)結束后存儲之前的數據，使數據不斷累加，從而得出連續(xù)的信號。3.3.2濾波部分圖3-3濾波部分這個部分是使波形達到大致穩(wěn)定的一個重要的部分。在本次設計中，加入了3種濾波方式：低通濾波、通帶濾波與高通濾波。三種濾波方式的區(qū)別如下：低通濾波：輸入的波形信號中，只有低頻信號能夠順利通過，高于設置的截止頻率的信號則會被削弱、阻斷。設置的截止頻率則根據不同設計的需要來進行調整。低通濾波能夠使波形圖像進行降噪，平滑處理帶通濾波：帶通濾波是允許特定范圍內的頻率進入，而范圍之外的所有頻率都衰減至極低值的濾波方式，該濾波方式也可以用低通濾波與高通濾波組合而成。高通濾波：高通濾波允許設置的高頻信號能夠通過，而阻攔低于臨界值的低頻信號。阻攔信號的強弱程度可以依據不同程序的運作目的而進行改變，因此該濾波也被成為低頻去除濾波，與低通濾波相反。設計中選擇的三種截止頻率：圖3-4濾波器配置在設計濾波器截止頻率時，將截止頻率分為3段:≤120Hz對應低通濾波，120-400Hz對應通帶濾波，≥400Hz對應高通濾波。選擇是依據測量從3V電壓至10V電壓中頻率的最小與最大值。在電壓為3V時，電機輸出頻率約為63Hz，此時對應低通濾波；在電壓為10v時，電機輸出頻率約為225Hz，對應通帶濾波。由于測量使用的電機可承受電壓范圍為2-12V，無法成為市面上主流電機的參考，所以本設計還增加了≥400Hz的高通濾波來對高頻信號進行過濾。通過三種濾波器的濾波，能夠得到濾波后的轉速波形以進行后續(xù)的波形分析。3.3.3頻率信號得出以及頻譜測量部分圖3-5信號分析部分該部分為信號分析以及頻率、轉速得出部分。得到濾波后的波形之后，先將波形進行頻譜測量。使用LabVIEW控件中的頻譜測量控件，雙擊該控件，得到頻譜測量的配置窗口在所選測量中有幅度（均方根）、幅度（峰值）的選項。幅度（均方根）：測量信號頻譜，以均方根（RMS）的形式顯示結果。如正弦波的有效值是其峰值的0.707倍，則可在正弦波的各個頻率上產生0.707倍的幅值。方波則可在各個頻率上產生1倍的幅值。幅度（峰值）：測量信號頻譜，以峰值的形式顯示結果。即若正弦波的的幅值為A，則可在正弦波相應頻率上的位置產生相同的幅值A，且為圖像的峰值處。由于本次設計需要測量不同種類的波形，即光電傳感器輸出波形與磁電傳感器輸出的波形，所以為了能夠清晰地看出不同電壓下的頻率，以及信號干擾的情況，選擇幅度（峰值）的測量方式。圖3-6頻譜測量配置在進行頻譜測量之后，由于無法直接在圖像中提取出準確的頻率數值，所以使用單頻測量提取出信號中的頻率部分，以便進行之后的轉速計算。圖3-7單頻測量配置轉速計算：計算電機轉速公式為：n=60×fp（1式1-1中：n為電機轉速，單位：轉/分（rpm）f為電機運行頻率，單位：赫茲（Hz）p為電機磁極對數（pair），單位：對（p）電機運行頻率由單頻測量信號得出，電機磁極對數則是指電機轉子永磁體N,S的對數。電機轉子旋轉一周，即電機中的電流變化一個周期，電機中的磁場也隨之在空間中旋轉180度。圖3-8實驗用電機如圖可見，測量使用的電機擁有12個N,S磁極，則總共有6對磁極對數，p=6。所以該電機的轉速為n=60×f6，即轉速是電機轉速頻率的10倍。由于輸入控件analoginput在選擇信號輸入時，默認單位為1000Hz，所以轉速需要在原有的基礎上乘以103圖中計時器的部分為“等待整數倍毫秒”，在此設置為50。意為每50毫秒對該電機轉速信號進行一次測量，測量結果在頻譜分析中進行分析。7在最外層布置一個while循環(huán)，則無限循環(huán)此步驟，直到結束進程。3.3.4完整程序框圖圖3-9程序后面板框圖中第一個移位寄存器中的數據為光電信號傳感器，第二個即為磁電信號傳感器。3.4程序前面板設計圖3-10程序前面板前面板中的上半部分為光電信號的轉速波形以及頻譜分析，下半部分為磁電信號的轉速波形及頻譜分析。3.4.1運行程序圖3-11程序運行當把電壓值調整為7.5v時，接通電路，圖3-11中能夠得到光電信號與磁電信號的波形與頻率譜，分別對應NIELVISIII面包板上的AI0與AI1接口。當調節(jié)實驗臺上的電壓值時，信號波形也會發(fā)生變化，頻率與轉速也會隨之發(fā)生變化。接下來本文會對各個波形發(fā)生的原因與細節(jié)進行分析。第四章轉速信號測量分析4.1轉速波形分析4.1.1光電信號轉速波形分析設計中使用的光電傳感器為投射式光電傳感器，需要一個作為光源的發(fā)光裝置，一個接受光源的裝置，中間為帶有凹槽的能夠遮光的轉盤。設計中使用的電機葉片上的帶有凹槽的轉盤便可以作為光電測量的遮光罩。圖４-1光電信號波形圖4-2實驗用電機以電壓為7.5V時，光電信號的波形進行分析。由于光電信號只有在轉盤上有缺口時才能夠產生信號，在遮光板遮擋時，輸出信號無法到達光敏二極管，即無法產生信號。所以光電傳感器產生的信號只有0或者1，在圖像上則表現(xiàn)為方波。方波中的一個周期，即一次高電平加上一次低電平在電機葉片上體現(xiàn)為一個缺口加上連接該缺口的一部分遮光板。在圖中以圓圈標注。在圖中7.5V時，光電信號測量頻率為168Hz。已知測試電機有6個磁極對數，則圖像上需要6個周期為電機旋轉一周，在圖4-3中以紅色圓圈標注。于是在測試的150ms之內，電機大致轉過了4圈加上兩個周期，則在6s內，總共轉過了160圈加上80個周期，在60s內約轉過了1700轉，由于手動計算測量存在誤差，所以與LabVIEW測量出的1680轉存在誤差。4.1.2磁電信號的轉速波形分析磁電傳感器是通過電磁感應，將電機轉速轉化為線圈中的感應電動勢進行輸出。由于該傳感器能夠直接將電機葉片旋轉的機械能轉化為電能輸出，所以在測量時無需通電。根據電磁感應定律，當w匝線圈在一個恒定的磁場內移動時，穿過線圈的磁通量為?，則線圈內的感應電動勢與磁通量變化率d?dt的關系為：E=?w（實驗所使用的是磁阻式磁電傳感器，電機葉片上擁有導磁材料，通過葉片的轉動改變磁阻，引起磁通量的增強和減弱，在線圈中產生電動勢。圖4-4中標注的便是實驗電機的導磁材料，當電機運轉時擁有導磁材料的齒每次經過磁電傳感器，傳感器的磁阻便會變化一次。線圈中的感應電動勢變化頻率，即電機的轉速頻率為電機葉片轉速與葉片上的導磁材料的個數的乘積。圖4-3實驗電機上的導磁片圖4-4磁電信號轉速波形同樣以電壓值為7.5V時的磁電信號的波形進行分析，波形在0V刻度線上下跳動十分對稱，且呈一種類似正弦波的波形。波峰與波谷的高低不平，本文認為是由于測試電機的軸承有些松動，在電機葉片轉動時會頻繁發(fā)生上下跳動，影響傳感器線圈接收磁通量的大小。光電信號的幅值沒有受到該影響的原因，本文認為是光電傳感器接收信號只有“能收到信號”與“無法收到信號”，即只有1和0，所以光電信號在幅值上并不會受到影響。不過由于電機葉片的上下跳動會影響葉片旋轉的穩(wěn)定性，所以無論是光電或是磁電傳感器測出的波形，每個轉動周期都會存在一定誤差且無法消除。在測量電機上存在6個磁阻片，每個磁阻片通過傳感器都會產生一個周期的波形，所以當波形產生6個周期時，電機轉動一周。如圖4-5所示，在150ms內，產生了4組波形，則葉片在150ms內旋轉了4周，通過計算，葉片在60s內總共轉動了1600次左右，與系統(tǒng)測量的1680次基本吻合。4.2頻譜信號分析頻譜，是一個信號頻率的分布特征，一般用來分析那些復雜的波形曲線，頻譜分析可以將復雜的振蕩波形分解為數個振幅與頻率不同的諧波振蕩。這些諧波振蕩按照頻率的不同進行排列，被稱為頻譜。在頻譜分析前，波形信號的橫坐標表示的是時間，而頻譜分析后的波形信號的橫坐標則為頻率。這便是將信號分析從時域引入到頻域進行分析，使我們對信號有了另一層面的認識。4.2.1光電傳感器頻譜信號分析圖4-57.5V時光電傳感器頻率譜圖4-5中為當給定電壓為7.5V時，光電傳感器輸出的頻率譜。由于在頻譜測量的配置中選擇了峰值輸出，所以在圖中的0.1kHz與0.2kHz之間的峰值，即為在此電壓下，該電機的轉速頻率。在0.3kHz與0.4kHz之間，同樣有一處峰值，但較低于主峰峰值，觀察橫坐標值可看出，峰值位置大約在335Hz左右，正是電機轉速頻率168Hz的兩倍左右，這便是該頻率的兩倍頻。在圖中最右側的0.5kHz處，還有該頻率的三倍頻。倍頻是諧波的一種，通過帶通濾波器選出各個倍數的諧波，就產生了倍頻。若是在信號中倍頻的振幅大于主頻的振幅，則測量儀器或是被測儀器可能出現(xiàn)問題或是損壞。在圖中也可看出，在波形中有除了主頻與倍頻之外的諧波信號，這些諧波信號產生的原因大部分都來自于外界干擾：光電傳感器中的光敏二極管接收到外界光的變化、在硬件接線中損失信號等等，這些外界干擾很難被消除。排除外界因素，本文認為由于電機的軸承不穩(wěn)定，電機葉片在旋轉時容易上下抖動，影響信號的接收。于是取3V作為低電壓輸入，在該電壓值下，電機葉片的抖動會更加劇烈，與7.5V電壓輸入的頻率譜對比如下圖4-63V時光電傳感器頻率譜由圖4-6可見，在3V的低頻電壓下，諧波信號與在7.5V電壓下并無二至，所以在光電傳感器中，電機葉片的晃動與諧波信號的產生沒有必然性的聯(lián)系。4.2.2磁電傳感器頻譜信號分析圖4-77.5V時磁電傳感器頻率譜圖4-7為給定電壓為7.5V時，磁電傳感器輸出的頻率譜，可以看出磁電傳感器的頻率譜諧波較光電傳感器有明顯改善。原因可能是光電傳感器對外界的干擾，如外界光線對其的干擾，而磁電傳感器工作時只會獲取磁通量的變化，即只對周圍磁場的變化產生反應。所以受到的干擾較光電傳感器小。對于電機葉片上下震動對頻率的影響，同樣取3V電壓進行測量，如圖4-8，可以看出諧波相較7.5V嚴重了許多。由于在低頻時，電機葉片的上下振動會影響到傳感器線圈中磁通量的增大或減小，從而產生較多的諧波，而在高頻時，葉片的上下振動幅度變小，諧波的產生也同樣變少了。圖4-83V時磁電傳感器頻率譜4.3對比分析光電傳感器：在儀器周圍環(huán)境良好的情況下時使用，與電機軸承的牢固與否沒有必然聯(lián)系。在使用時需要接入電源。磁電傳感器：與儀器周圍的環(huán)境沒有必然聯(lián)系，但要保證儀器周圍沒有較大的磁場影響測量，與電機本身軸承的牢固與否有一定的關聯(lián)。在使用時無需接入電源。適合在電機轉速較高，且電機狀態(tài)穩(wěn)定時測量。第五章轉速信號曲線擬合曲線擬合是在測量中得到實驗數據，找到一系列的參數，通過這些參數的規(guī)律得出函數關系式，便于對后續(xù)實驗結果的歸納總結。在這部分使用LabVIEW創(chuàng)建程序進行曲線擬合，之后使用Matlab進行驗證與確認。5.1轉速頻率與輸入電壓之間的函數關系測量結果：1.使用光電傳感器從5V-10V，每隔0.5V進行采樣，測量電機輸出頻率數據如下：表5-1光電傳感器測量數據電壓(V)55.566.577.588.599.510頻率（Hz）1101211321441561671781902012132242.使用磁電傳感器測量電機輸出頻率數據如下：表5-2磁電傳感器測量數據電壓(V)55.566.577.588.599.510頻率（Hz）1091211321441561671781902022132245.2曲線擬合5.2.1使用LabVIEW進行擬合：曲線擬合后面板：圖5-1曲線擬合后面板由于電機輸出的頻率是隨輸入電壓的變化而變化的，所以需要兩個不同的變量，使用控件：數學——擬合——廣義多項式擬合來進行擬合曲線。其中X為曲線的X軸，為輸入電壓值；Y為曲線的Y軸，為輸出頻率值多項式階數為擬合后的函數階數最大值，由于電壓與頻率為線性關系，所以多項式階數為1方法為選擇擬合曲線的方法最佳多項式擬合為擬合曲線后，在曲線上對應的輸入坐標的點最后通過捆綁控件將輸入的二維數組數據與擬合后的曲線顯示在同一波形上。圖5-2多項式擬合控件曲線擬合前面板（圖5-3）：圖5-3曲線擬合前面板由于光電傳感器與磁電傳感器測量的頻率數據幾乎相同，所以兩者將只擬合一次，擬合結果如圖5-4：圖5-4曲線擬合結果圖5-4中，綠色的坐標點為左側輸入數組中輸入的數據，紅色的曲線為擬合后的曲線。可以在最佳多項式擬合中得知誤差基本都在0.5Hz之間。5.2.2使用Matlab進行曲線擬合圖5-5Matlab曲線擬合結果擬合結果如圖5-5，擬合系數為22.28，擬合曲線的精確值顯示為均方根誤差RMSE1.0837，趨近于1，誤差值較小。5.3測量誤差的分析前文中提到電機葉片的上下振動可能會影響傳感器測量頻率信號。由于設計使用的電機可調電壓范圍為2-12V，所以取3-6V作為低電壓，7-10V作為高電壓進行測量。在低電壓的情況下，電機轉速慢，葉片上下抖動的幅度更大；高電壓下，較快的電機轉速使葉片上下抖動的幅度減小。測量后分別擬合曲線，比較兩者的精確值。表5-3光電傳感器與磁電傳感器低電壓與高電壓頻率信號輸出光電傳感器3-6V電壓（V）33.544.555.56頻率（Hz）62738698110122132光電傳感器7-10V電壓（V）77.588.599.510頻率（Hz）156167178190201213224磁電傳感器3-6V電壓（V）33.544.555.56頻率（Hz）61738697110122132磁電傳感器7-10V電壓（V）77.588.599.510頻率（Hz）156167178190202213224對數據進行曲線擬合：圖5-6對表5-3的數據進行擬合（左側為磁電傳感器）如圖5-6所示，磁電式傳感器在低頻電壓時，主要體現(xiàn)在3V-5V之間有相對明顯的誤差，均方根誤差RMSE為2.5486，數值較大，與之前頻譜測量的結論吻合。即磁電式傳感器在電機葉片上下抖動頻繁的情況下，測量頻率會有些許誤差。第六章總結與展望6.1總結當今我國科技實力飛速發(fā)展，自動化工業(yè)必是不可分割的一環(huán)。自動化工業(yè)少不了大量電機的支持。于是，對于電機轉速信號的測量、分析成為了使電機安全效率運行的重中之重，只有得知電機運行的狀態(tài)，才能有效地調試，將其效率最大化。本文利用了虛擬儀器技術，結合學校實驗用電機與光電傳感器、磁電傳感器，在LabVIEW中編寫程序，測量出電機運轉的狀態(tài)并測量出其轉速。本文主要完成了如下內容：=1\*GB3①利用LabVIEW搭建程序，分別使用光電傳感器與磁電傳感器將電機轉速信號由NIELVISIII轉換為模擬信號輸入PC，在LabVIEW中顯示出它們的波形和頻域信號。=2\*GB3②了解了光電傳感器與磁電傳感器的工作原理。=3\*GB3③分別分析了兩種傳感器的時域波形圖與頻域信號，了解了波形形成原因以及頻譜信號中各個頻率信號以及諧波的形成原因。=4\*G