基于LabVIEW的旋转轴转速测量方法

苏永生， 明廷涛， 曲鹏宇

(1.海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033；2.海军上海地区装备修理监修室，上海 200136)



·计算机技术应用·

基于LabVIEW的旋转轴转速测量方法

苏永生1， 明廷涛2， 曲鹏宇1

(1.海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033；2.海军上海地区装备修理监修室，上海 200136)

在军用船舶主机、辅机以及轴系等重要设备的故障诊断中，转速测量扮演着重要的角色，NI在重要机电设备的参数测量和状态评估方面都提供了非常优秀的解决方案。本文基于NI-PXI平台，在实验室条件下开发了电机旋转轴转速测量和调试平台。针对霍尔式和光电式两种常用的转速传感器测量原理，结合PXI-6251板卡中的脉冲计数以及电压测量功能模式，开发了基于LabVIEW的转速实时测量和调试系统。该系统实现了转速的动态测量、实时采集和数据保存，同时也能够实现上述两型转速传感器的性能检验和指标评估。

转速测量； labVIEW； 单频信息法； 计数器法

0 引 言

旋转轴的转速是表征机电设备运行状态的一个重要参数，它不仅描述机电设备的实时工况，而且也是控制系统中对其它参量控制的依据和基准。所以对转速的测量方法开展研究，精确地获取转速信息具有重要的工程意义，也备受国内外同行的关注[1-11]。中船重工集团公司第703研究所的刘孝祖采用最新的光电技术和接近开关技术来设计船用智能转速测量系统，通过单片机对接近开关产生的脉冲进行处理，实时显示稳定、清晰的转速值，并可以判断旋转方向。安徽理工大学的吴房胜采用光电式转速传感器进行电机转速和转矩的高精度测量。王常江等[12]提出了一种基于磁阻式转速测量原理的转速测量系统。郑哲等[13]以德国晨阳技术有限公司提供CYGTS104U双路霍尔式转速传感器作为测量设备，能够有效地促进转速传感器和转速测量系统的设计和发展。

本文在分析旋转轴转速工作原理和测量方法的基础上，结合虚拟仪器测试系统，搭建了基于LabVIEW软件平台的转速测量装置。基于脉冲计数法和提取单频信息法两种转速实现方式，设计了在实验室条件下对光电式和霍尔式转速传感器进行转速测量和调试的平台。通过同一轴上两类传感器的输出是否一致来简易判别其性能指标，可以满足转速测量模块在现场测试前的调试目的。

1 转速测量的原理和方法

转速测量原理可分为两大类[14]：接触式和非接触式。一般有离心式、定时式、磁感应式、电动式、频闪式、电子计数式。离心式与定时式通称为机械式，属于接触式测量。磁感应式与电动式通称为磁电式，磁感应式属于非接触式测量，电动式属于接触式测量。磁感应式一般采用霍尔传感器和磁阻式传感器测量转速。电子计数式有接触式和非接触式两种，这两种型式都是使用光电式测量转速。

转速的测量方法有很多，主要是对传感器的输出信号进行处理的方法不同，一般有计数法(包括硬件和软件)和提取单频信息法。硬件计数法中最常用的有脉冲计数法和测周期法，即计算单位时间内的脉冲数进而换算出转速；软件计数法是将原始的模拟信号转换为数字信号，需要找出过零点，最常用的是零点法和插值法；提取单频信息法则是替代以往的对脉冲进行计数的方法，直接对传感器输出的时域信号进行频谱分析求出频率进而换算出转速。

2 实验台架和调试系统架构

霍尔式和光电式转速传感器因其性能优越、稳定性好，目前在测试中被广泛使用。本文结合在转速传感器调试中为判断上述两种传感器的性能设计了如图1所示的实验台架，对应的测试系统架构如图2所示。

实验台架固定在面板上，电机可以通过调速控制器控制开关和进行转速调整，电机的输出端装配一圆柱支点梁结构(有机玻璃材质)，霍尔式转速传感器和光电式转速传感器通过支架垂直于转速轴固定，前后位置可以通过螺纹或弹片调整。与传感器相对应的磁钢和感应标签按照要求粘贴于旋转轴上。

图1 实验台架

测试系统架构由硬件系统和软件系统组成。硬件系统即将上述实验台架按照要求固定，其中传感器按照相应的供电要求进行电源匹配，输出的信号接到PXI-6251[15]对应的接线端子(2个计数器通道或16个电压通道中的任意2个)。软件系统则是基于LabVIEW平台，根据转速测量实现的方法(计数法和提取单频信息)设计相应的程序，完成信号的检测、采集、数据运算处理、分析以及转速显示和保存。

3 基于LabVIEW的转速测量系统设计

转速信号是经过传感器的信号调理电路所产生的有规律脉冲，针对本文研究的霍尔式和光电式转速传感器，经各自的信号调理电路都产生方波信号。转速测量的核心就是获取这些方波信号，经由数据采集模块采集，再经数据处理模块生成转速结果。

首先选择合适的物理通道，通过数据采集模块将传感器所产生的脉冲进行采样，并以一定形式在界面上显示出相应的波形图，以判断输入信号的合理性。计数器测量方法是采用在单位时间内的上升沿或下降沿触发计数的数值来测算转速；提取单频信息法通过设定一定的采样率对通道进行电压脉冲信号的采集，将其送入数据处理模块进行分析得出转速。

3.1 系统的总体设计

转速测量系统的主要功能是数据采集并经处理实时显示转速信号的波形与转速值并进行相应的保存，系统的总体设计如图3所示。根据系统测试的要求，将软件分成采集模块、数据处理模块、显示模块、保存模块等。采集模块与数据采集卡相连，将数据存储到计算机中，由数据处理模块完成数据计算，同时显示模块将实时转速及信号波形显示出来，最后经保存模块将转速信息进行保存。

3.2 人机交互界面设计

转速测试系统是使用NI-PXI 6251数据采集卡和LabVIEW软件实现旋转轴转速信号的采集、显示、分析、调理和存储等功能。提取单频信息测量选用两个电压端口：通道1，68-67(第一个编号是信号，第二个编号是地线，后面相同)；通道2，32-33。计数器测量选用两个计数器通道：通道1，37-36；通道2，42-44。

为了直观地描述各个功能模块的功能和设计方法，对人机界面进行精心设计。图4给出了基于单频信息法和计数器法转速测量和调试系统的前面板，包括了硬件和软件无缝对接的物理通道，保存数据的相对路径，转速的实时显示，根据需要设计的采集时间、保存按钮以及对应的保存时间，最终的程序停止按钮。

(a)基于单频信息法(b)基于计数器法

图4 转速测量系统前面板

3.3 软件平台设计

在软件平台的设计上采用LabVIEW中的生产者/消费者设计模式，该设计模式可包括多个并行循环，每个循环以不同的速率执行任务，当数据可用时对数据进行分析。一个循环作为生产数据的循环，其他循环作为消费数据的循环。生产数据的循环控制所有消费数据的循环，并且使用通信技术与它们进行通信。即软件平台中的采集模块完成原始物理信号进入软件系统，处理模块实现转速信号的计算，而保存模块实现调试完毕数据的实时保存，它们相互之间不干扰，根据需求进行各自相应的循环。

3.4 系统设计的分析

利用LabVIEW平台实现转速测量系统的设计虽然对象简单，但其中蕴含的思路和方法是贯穿软、硬件无缝对接，成功完成测试任务的关键。本设计在相应模块设计时，重点进行了思考和实现。

3.4.1 采集模块

对物理通道进行选择时，对于电压信号的采集，PXI-6251板卡提供的16个电压通道可以实现同步选择，见图4(a)和图5中的采集模块；而利用计数器通道进行计数功能时，PXI-6251提供的两个计数器通道需要分别选择，见图4(b)和图6中的采集模块。

3.4.2 处理模块

由于采用了生产/消费型的架构，采集模块中的信息通过队列属性传递至处理模块，当采集模块正常执行后，它们各自的循环实现时互不干扰。根据提取单频信息法和计数器法进行转速换算方法，实现各自的转速计算，具体实现见图5和图6中的处理模块。在实际测试过程中为了减少信号的干扰，在进行单频信息法测量转速时，对传感器的输出信号峰峰值进行了限定(主要考虑采用的霍尔和光电式转速传感器的实际输出的方波约为5 V的电压量)。而采用计数器进行转速测量时，则选用了移位寄存器的功能，简单而言，就是程序处理后的计数和程序处理前的计数之差与对应的时间之差的比值作为单位时间的计数从而来进行转速的换算。

3.4.3 保存模块

同样采用生产/消费型架构后，当前面两个模块正常执行后，将需要保存的数据通过队列属性传递至保存模块。在设计保存模块时，①对保存的路径和文件名进行了约定，即和程序在同一个文件夹下，以excel文件形式进行保存；②对数据保存所采集的时间和保存按钮启动后的执行时间进行了同步设计，根据需要完成数据的保存，两种方法采用的思路一致，具体实现见图5和图6中的保存模块。

3.4.4 出错信息

为了随时方便检查编程过程中的问题而设计的，这是软件自带的一项辅助功能。在此处加上这一模块主要是为了检查程序编写是否有误，各个模块之间数据的传输是否顺畅，各个模块的参数设置是否合理，这样就可以通过它来时刻提醒程序设计过程中出现的问题。

4 结 语

为了实现旋转轴转速的测量和在实验室条件下对

图5 基于单频信息法的转速测量程序

图6 基于计数器法的转速测量程序

转速传感器进行快捷的调试和性能判断，本文设计了转速测量实验台架和调试系统。基于LabVIEW软件平台和测试系统总体设计思路，在对人机交互界面和系统的设计进行了重点阐述和分析的基础上，最终编制完成了转速测量和性能调试系统。经过多个其它复杂系统中对转速传感器性能的实际测试，快速判断转速传感器是否出现异常，该系统能够较好地完成实验室条件下转速测试和传感器调试功能。转速测量系统的人机界面简捷，操作方便，测试结果直观，能自动完成转速的实时显示，具有较好的应用价值。

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Study on the Measurement Method of Axis Rotation Speed Based on LabVIEW

SUYong-sheng1，MINGTing-tao2，QUPeng-yu1

(1. College of Marine Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2. Repairing and Supervising Room of Naval Equipment in the Shanghai Area，Shanghai 200136，China)

The most obvious characteristics of vibration of rotating machinery is the relationship between the vibration frequency and its speed, therefore, it plays an important role in measuring accurate speed of rotating machinery for analyzing vibration, and mastering the running state of the equipment and other aspects. NI provides a very outstanding solution in the parameter measurement and assessment. Based on NI-PXI platform, a platform for rotation speed measurement and debugging of the motor axis was developed under laboratory conditions. According to Holzer and photoelectric two kind principles, combined with the PXI-6251 card in the pulse counting and voltage measurement mode, a rotational speed measurement and debugging system was developed based on LabVIEW. The system realizes the speed dynamic measurement, real-time data acquisition and preservation, and also can achieve the performance test and evaluation of the two type speed sensors.

rotational speed measurement； LabVIEW； pulse counting method； single frequency method

2014-07-03

国家自然科学基金青年基金(51306205)

苏永生(1981-)，男，江苏常熟人，博士，讲师，研究方向：舰船动力装置状态监测和故障诊断。

Tel.：15926460620；E-mail：suyongsheng1981@163.com

TP 311.52

A

1006-7167(2015)01-0103-04