基于LabVIEW的数字转速仪

    虚拟仪器(Virtual Instrumen,t简称VI)是计算机技术、现代测控技术和电子仪器技术相互结合与渗透的产物.它是全新概念的仪器,是对传统仪器概念的重大突破,是仪器领域的一次巨大革命,是未来仪器产业发展的重要发展方向之一.

    虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统.它是利用PC计算机显示器(CRT)的显示功能模拟传统仪器的控制面板,以多种形式输出检测结果,利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理,由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理,从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统.

    在工业测控系统中,电动机转速的检测和控制占有很大比重.本系统利用霍尔元件感应转速信号,以PC机和数据采集卡为主要硬件平台,以Lab-VIEW软件为软件开发平台,然后对采集的转速信号实现频域分析,从而实现转速的非接触式测量.

    1　系统的硬件设计

    1. 1　硬件结构

    系统所需的硬件资源包括一台PC机和PCI-6024E采集板. PCI-6024E是美国NI公司生产的多功能接口卡,它集12位A/D、12位D/A, 16路单端接地的模拟输入通道, 8位或24位并行输入输出线(5 V/TTL)及两路24位定时器与计数器为一体.它支持DMA方式和双缓冲区模式,保证了实时信号不间断采集与存储.在双极性时,输入电压范围选择有100mV、1V、10V、20V四种,它的最高采样率为200 kb/s,主要完成数据采集功能.基于LabVIEW的数字转速仪硬件结构图如图1所示.

    1. 2　转速检测装置与信号调理电路

    转速传感器主要由永久磁钢与霍尔元件探头组成,将磁钢安装在旋转轴的轴端.霍尔元件放置于磁体的气隙中,如图2所示.

    当旋转轴磁钢接近探头时,探头内霍尔元件因霍尔效应产生信号输出,其霍尔电压表达式为

    U_H=K_HIB

式中:UH是霍尔元件两端的电压,单位为mV;KH是霍尔元件的灵敏度,单位为mV/( mA·T) ,它不仅取决于材料,而且与元件的几何尺寸有关;I是流过霍尔元件的电流,单位为mA;B是磁感应强度,单位为T.

    试验中采用THS103A GaAs霍尔元件,由运算放大器LM324中的A1组成5mA恒流源工作方式,若磁感应强度在1 kGs下,输出电压为50 ~120mV,该电压大小不能满足数字采集卡的要求,需要用放大电路放大其输出电压.如图3所示,采用A2~A4三个运算放大器组成仪器放大器的形式[1].

    A2和A3是输入级,A4是差动级. LM324的4脚、11脚分别接+5 V和地,则仪器放大器的增益计算如下式(1)~(4).