基于虚拟仪器技术的多功能转子实验教学系统开发

王 玲，付 函，侯启航，王书茂

（1.中国农业大学 工学院，北京 100083；2.华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642）

实验教学是高等院校教学的重要组成部分，其理论与实践相结合的教学模式是“新工科”背景下推行教学改革、培养学生综合素质、创新能力和工程实践的重要环节[1-2]。

我校机械工程学科以“工程测试技术”为发展契机，进行了专业课程教学与实验教学模式改革。转子实验台是机械工程专业实验教学的重要工具，针对目前转子试验台传感器类型单一、转速测量方式有限、标准转速缺乏导致转速测量准确度未知等问题[3]，本文设计了多功能转子实验教学系统，结合理论教学课程为学生提供实验设备，基于虚拟仪器开发了零代码测控软件[4]。采用项目驱动式教学法，使学生加深理论学习，为学生完成自主性、创新性实验及科学研究提供良好的实践平台，为工程测试技术的理论和实验教学提供开放性的硬件资源和编程环境[5]，对测试理论的实验教学具有重要意义。

1 多功能转子试验台设计

针对转子试验台转轴转速检测与控制、轴心轨迹测量、转子动平衡检测、振动检测等需求，本文设计了多功能转子试验台，由加载设备、动力源、传感器、信号发生盘、机械结构等组成[6]，如图1 所示。

图1 多功能转子试验台三维图

电动机是转子试验台的动力源，电涡流制动器为加载装置。为满足本科生工程测试技术课程需求，电动机选用控制电机，其转速调节方式为电位器手动调节和定值自动数字调节，并可实现自动闭环控制。转轴转速检测方式多样，通过选用磁电式、电感式、光电式等不同类型传感器及设计相应齿轮、通信盘等信号产生方式，实现转速检测及校准。位移检测即转轴轴心振动，包括径向振动和轴向振动，通过绘制轴心振动轨迹（李萨如图）实现转轴轴心振动量检测。此外，试验台还包括转子动平衡检测、制动器制动转矩 电动调节等功能。

1.1 转速检测与控制

针对试验台转轴转速的检测，通过分析磁电式、电感式、光电式等不同类型传感器的工作原理及设计相应齿轮、通信盘等传感器信号产生方式[7]，将转速检测分为如下4 种（如图2 所示）。

（1）接触式一般是用于中、低转速的测量（图2(a)）。转速传感器与被测旋转轴通过弹性联轴器连接，传感器安装固定时，要求输出轴与被测旋转轴尽量保持同一条直线，在较高转速时要求尤其严格。这种测量方式一般选用的传感器为光电编码器。

（2）盘式磁性测量（图2(b)）是在被测旋转轴上固定一个信号发生盘（导磁材料），信号盘上一个同心圆均匀分布若干个孔或凹槽，转速传感器可选用磁电、磁阻或磁敏转速传感器。当信号发生盘的材料不导磁时，信号盘上可以均匀分布几个磁钢，传感器可选用电感式接近开关、霍尔开关等。

（3）遮断式光电测量（图2(c)）无需信号发生盘材料特性，只要在遮光盘的同心圆上均匀分布若干通光的孔或槽，传感器可选用槽型光电传感器和对射式光电传感器。

（4）当被测轴上不能安装信号发生盘或遮光盘时，选用反射光电测量（图2(d)），直接在被测轴上粘贴反光标签（或在光洁轴上涂黑），传感器可选用反射式光电开关。

根据上述检测需求、工作原理及试验台机械结构，转子试验台转速测量选用了齿轮转速传感器（FHB12E4NK15K2 型）、磁阻转速传感器（CS-1 型）、磁电转速传感器（CS-3 型）、霍尔接近开关（NJK-5002C）、电感式接近开关（GAM4-12GM-N1）、对射式光电开关（E3F-3L）、漫反射式光电开关（E3F1-DS5C4）、槽型光电开关（4F15-15K-N1）和反射式光 电开关（FKB12E12NT 型），传感器的工作参数和特性如表1 所示[8]。

图2 转速检测方式

表1 转速测量选用传感器技术参数

1.2 位移检测与控制

转子试验台位移检测与控制是针对转轴2 个互相垂直方向的振动量来设计的，固定在转轴中间的配重盘装有偏心螺钉，当轴旋转时，配重盘产生激振力，转轴在激振力作用下发生振动，振动量通过布置在X、Y方向上的位移传感器检测[9]，检测方式如图3(a)所示；在忽略圆度误差情况下，通过检测X、Y两个垂直方向的瞬时位移，合成的李萨如图即试验台转子轴心运动轨迹，具体位移传感器检测装置如图3(b)所示。

图3 位移检测方式和检测装置

实验台转轴位移量的大小则通过调节转轴转速或偏心螺钉的数量进行控制。

2 零代码测控软件开发

零代码测控软件采用无代码开发流程，以测试系统模块化、可复用化、虚拟化为设计理念，根据实际检测任务，通过系统配置层、界面管理层、数据链路等3 层结构创建适用于不同测试任务的专用测控软件[10-11]。学生在编程中，只需配置系统设置信息、测试参数信息、控件属性信息、编辑与美化界面等步骤，便可在短时间内创建个性化测控软件。利用零代码测控软件，结合多功能转子实验台教学硬件系统，开发了基于LabWindows/CVI 的多功能转子实验台测控系统（如图4 所示），学生可以结合所学自行开发磁电式、光电式、电感式转速检测与控制和霍尔式、电感式、电涡流式位移检测与控制等和控制与工程测试技术相关的实验，实现虚拟仪器与测控实验的综合教学。

图4 多功能转子实验台测控系统实例

3 实验验证

3.1 转速检测与控制

以磁电式转速检测为例，转子试验台（如图5 所示）磁电式转速检测传感器包括磁电式转速传感器、齿轮转速传感器、磁阻式转速传感器和霍尔开关等，转速控制方式采用手动电位器调节和切换到软件定值自动调节。试验台测得的转速值与标准转速的对比数据如表2 所示。

图5 多功能转子实验台

表2 磁电式转速传感器实验数据

3.2 位移检测与控制

以电感式位移传感器为例进行验证，电机转速为300 r/min，实验数据如表3 所示。

表3 电感式位移传感器实验数据 单位：mm

以电感式位移传感器测水平位移为X轴，垂直位移为Y轴，通过软件绘出了转轴的轴心轨迹，如图6所示。

图6 转轴轴心轨迹测试图

4 结语

转子试验台是机电专业实验教学的重要工具，开发基于虚拟仪器技术的多功能转子实验台测控系统，可实现转速检测与控制、位移检测与控制及转轴振动检测等功能。该实验平台通过软硬件相结合的方式，有助于学生了解机电测控中不同类型传感器的工作原理及实际应用、电机性能和控制方法等，进行原理性学习的同时通过硬件控制系统的设计、安装和零代码孵化软件进行项目驱动式自主创新性实践。实验证明，该系统硬件平台设计布局合理、结构紧凑，测控软件人机交互界面美观、使用方便、扩展性强，系统检测与控制数据准确性高，该系统为工程测试技术理论和虚拟仪器技术综合实验教学提供了良好的平台基础。