旋转机械的角位移测量及故障判断系统 .doc

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1、III摘 要 本设计采用软件和硬件相结合的方法，将圆光栅传感器、数据采集器、计算机和虚拟仪器技术结合在一起，具有较高测量机构的凸轮机构分度精度测量系统，并能实现实时数据处理、显示和打印测量结果，通过对测试软件加以丰富和完善，对凸轮特性加以分析，则可实现凸轮机构的故障诊断功能。关键词: 圆光栅传感器；虚拟仪器；数据采集卡；LabVIEW；细分；计数判定；转角显示；记录；FFT变换The revolving machinery angular displacement survey and breakdown diagnosis system designABSTRACTThis design u

2、ses the method which the software and the hardware unify, the round diffraction grating sensor, the data acquisition card, the computer and the Virtual instrument technology unifies in together, realizes to the cam indexing organization indexing precision survey. Uses the method which the hypothesiz

3、ed instrument software programs to realize to surveys the signal the processing analysis, may realize real-time functions and so on corner demonstration, recording and printing measurement result, through carries on the frequency range analysis to the survey signal, may realize to the cam gear break

4、down diagnosis function.KEY WORDS: Round diffraction grating sensor; Virtual instrument; Data acquisition card; LabVIEW; Segmentation; Counting determination; Corner demonstration; Record; FFT transformation目 录摘 要IABSTRACTII1系统总体方案的设定11.1 测量系统的原理方案12 各主要模块的设定及选择42.1 凸轮机构的设计42.1.1 凸轮机构的组成42.1.2 凸轮机构的

5、特点42.1.3 凸轮机构的类型42.2 光栅传感器的设计42.2.1 圆光栅测角仪的工作原理：42.2.2 光栅式数字传感器：52.2.3 光栅测量原理52.3 细分技术82.3.1测角与细分原理：82.3.2 细分方法：92.4 计数与判定部分的设计162.5 转角显示和记录212.5.1 转角显示212.5.2 转角的记录232.5.3 USB 接口及其驱动程序242.5.4 滤波253 前后面板的设计及软硬件的连接263.1 后面板的设计263.1.1 顺序执行和并行执行263.1.2 循环结构和接点263.1.3 参数的设置263.2 硬件的连接274 故障诊断284.1 故障诊断的

6、方法284.1.2 振动的分类284.1.3 振动的表征和测试285 虚拟仪器和LABVIEW工具的发展简介305.1 虚拟仪器系统及其软件结构305.2 虚拟仪器的现状315.3 虚拟仪器的展望325.4 LabVIEW 工具33致 谢35参考文献3637旋转机械的角位移测量与故障诊断系统设计1系统总体方案的设定1.1 测量系统的原理方案方案（a）为直接计数系统的原理方案。当光栅每移动一个栅距角时，记数编码电路送出一个计数脉冲，由可逆计数器进行计数和译码显示。方案（b）为全细分计数系统的原理方案。当光栅每移动一个栅距角时，细分电路可以送出等于细分数的n个脉冲，由可逆计数器进行计数和译码显示。

7、这种原理是目前广为采用的方案。方案（c）为整数与小数分别处理的计数系统的原理方案。光栅信号由分离电路分离出整数计数脉冲和小数计数脉冲，然后分别经整数计数编码电路和细分电路送出综合计数脉冲，由可逆计数器进行综合计数和译码显示。这种方案适用于高精度快速测量。本次设计可以直接用于实际测量，可利用现有的圆光栅传感器和数据采集卡.由设计任务可知，光栅的测角精度要求达到5，圆光栅采用所给定的而所给的圆光栅的刻线数为10800条，即栅距角为120，因此，测量信号要有很大的细分数，细分数n24就可以满足精度的要求了，可选用方案（b）来设计。数据采集卡采用现有的优采的USB接口的UA305数据采集卡，它可以直接

8、同圆光栅相接，另一端和计算机的USB接口直接相连，但由于该卡不是NI公司的数据采集卡，因此不能直接在LabVIEW中直接调用，需要另行编制驱动程序。初步确定测量方案如下：（图1-1）由原理方案可知，系统的硬件设施很简单，不用再进行设计，只需要将其正确的接起来，而最主要的部分是利用软件对测量过程进行编程，以实现对角度的测量和显示，在能实现角度测量的基础上对被测试系统进行故障诊断，再编制故障诊断程序，对被测试的系统的故障给予一定的建议和解决方案。系统的设计主要是进行细分模块、计数模块的设计，此外，还要设计正反转判定，数据的记录等子部件.。1-1 总体原理方案图根据原理方案的设定，我们可进一步地对测

9、试系统进行工作流程设计。如下图（1-2）1-2 设计流程图由设计流程图，我们不难看出，要对系统进行设计，不仅仅需要一定的更件结构，更主要的是选择一种合适的软件工具来帮助我们更好到完成对角位移的测量。由旋转机械输出的非电量信号必须经传感器才能变成我们所需的电量信号。然后经各级放大、处理后才能被计算机所识别。当圆光栅输出的模拟信号经数据采集器采集到计算机后作进一步的分析，处理。同时我们可以借助软件工具编制角位移测量程序，测量精确度高不容易出现误差，并且能很好实现对其进行故障诊断功能。由此设计思想，我们可以进一步对此设计系统过程做更详细的设计，系统的具体流程如图（1-3）所示： 1-3 系统流程图这

10、样我们就可以得到我们想要的设计结论，达到理想的目的。我们之所以选择虚拟仪器作为设计中的软件测量工具主要在于虚拟仪器不仅仅带替了部分硬件使测试系统大大简化，更主要的是虚拟仪器只需对软件进行改造和升级，既可以增加各种测试功能，也大大加快了测试系统的开发时间。接下来我们就对测试系统的各软硬件模块进行详细设计。2 各主要模块的设定及选择2.1 凸轮机构的设计2.1.1 凸轮机构的组成 凸轮机构一般由凸轮、从动件和机架三个构件组成。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。原动件作连续运动而从动件作间歇运动。 2.1.2 凸轮机构的特点

11、 （1）凸轮机构的优点是： 只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便，因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到广泛应用。 （2） 凸轮机构的缺点是： 1) 凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合； 2) 凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加工； 3) 从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。 2.1.3 凸轮机构的类型 （1） 按凸轮的形状分: 1) 盘形凸轮: 它是凸轮的最基本型式。这种凸轮是一个绕固定轴线转动并具有变化矢径的盘形构件。 2) 移动凸轮: 当盘形凸轮的回转中心

12、趋于无穷远时，凸轮相对机架作往复移动，这种凸轮称为移动凸轮。 3) 圆柱凸轮: 这种凸轮可认为是将移动凸轮卷成圆柱体而演化成的。 盘形凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为平面运动；而圆柱凸轮与从动件之间的相对运动为空间运动，所以前两者属于平面凸轮机构，后者属于空间凸轮机构。在本设计中，我们选用圆柱凸轮机构作为传动机构。2.2 光栅传感器的设计2.2.1 圆光栅测角仪的工作原理：圆光栅测角仪是集光、机、电为一体的高精度自动化动态角度测角仪。主要由精密空气轴系、基准光栅标准信号产生系统，动态零位触发器系统、驱动稳速系统、计算机控制系统等组成。 基准光栅安装在精密回转的空气轴承上，其标准信号由均匀

13、分布的七个莫尔条纹发生系统和光电接收系统产生。在每个莫尔条纹接收系统中设计有四个相位相差互成的光电阶段后器产生四路光电信号，经处理合成为两路信号，之后，将七个读数头所产生的信号合成产生仪器最终标准信号，即= =再送入计算机进行相应的计算仪器采用多读数头，目的是为了减小基准光栅和精密空气轴系制造误差带来的影响，根据光栅的特性，读数头输出信号的通式：= 式（2-1）式中为读数头序号；为光电信号幅值；为初始位置；为转位后位置；初相位；为阶谐波幅值；为谐波阶次。2.2.2 光栅式数字传感器：光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件图示为某投射型圆光栅，光栅盘内圆（）是定位圆，圆光栅上每根刻

14、线的延长线都通过圆心，为中径处节距，同样采用=，两条相邻刻线间的夹角称为节距。在整个圆周上通常刻1080至64800条线。（图2-1）光栅传感器又称光栅读数头，主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件组成。标尺光栅的有效长度范围即为测量范围。必要时，标尺光栅还可以接长以扩大测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者有同样的栅距，使用时两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙d，使其中一片固定，另一片随着被测物体移动即可实现位移测量光栅式位移传感器具有分辨力高、测量范围大、动态范围宽等优点，且易于实现数字化测量和自动控制。2.2.3 光栅测量原理 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，

15、由挡光效应（对线纹密度50条mm）或光的衍射作用（对线纹密度100条mm）,在与光栅线纹大致垂直的方向上产生亮暗相间的条纹，这些条纹称为莫尔条。莫尔条纹有如下重要特征：（1）莫尔条纹由光栅的大量刻线共同组成，对线纹的刻线误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响；（2）在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动。两光栅相对移动一个栅距w，莫尔条纹也同步移动一个间距B,.固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。（3）莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角之间的关系为：B= 式（2-2）B_莫尔条纹间隙（a-b之间的距离） w 光栅栅距两光栅刻线间的夹角 。w一定时

16、，越小则B越大，这相当于把栅距放大了倍，提高了测量的灵敏度。图（2-1） 光栅莫尔条纹若用光电元件接收，莫尔条纹移动时光强的变化则将光信号转换为图示的电信号输出，输出的幅值用光栅位移量的正弦函数表示。以电压而言 U=U+Usin 式 (2-3)U光电元件输出的电压信号 U-输出正弦信号的幅值 U-输出信号中的平均直流分量 x两光栅间的瞬时相对位移。 将此电压信号经过放大、整形变为方波，经微分电路转换为脉冲信号，再经过变向电路和可逆计数器技数，则可在显示元件上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。当栅距为单位长度时所显示的脉冲数则直接表示位移量大小。1) 莫尔条纹的光电

17、特性： 在理想条件下，光栅信号呈三角波，一般采用狭逢光栅测量，不仅能打为增强光栅信号的输出幅度，提高信噪比，而且能使光栅的周期平均化，起到了平均栅距误差的作用，提高了测量精度。2) 莫尔条纹的光电信号 由于条纹信号通常利用四级硅光池等线性光电器件接收，并以电信号的形式输出。由于光电接收器的长度与宽度够成一定的光敏接收面，因此输出的光电全信号更接近于正弦波。全信号中除直流分量外，其基波分量以栅距20或条纹间隔B为周期的正弦信号，二次以上的谐波分量一般比条纹信号要小。为保证光电计数和电子细分的精度，要求莫尔条纹光电信号是理想的正弦泊，可减小高次谐波的分量。采用相位相差的两光电信号差接，可消除直流分

18、量及偶次谐波分量。采用调宽光栅副的间隙等空间滤波措施和电子滤波，可减小高次谐波的幅值（1）光栅莫尔信号全压形式为： 式（2-4）为电压分量 ；为基波电压幅值 ；为光栅或条纹初始相位角；位光栅的角频率；=（2）消除直流分量后电信号为： 式（2-5）当令 且 时 光栅检测装置中就采用这种电路，图示了光栅信号的四细分与辨向原理。整形器输出的矩形波又通过微分电路变成尖脉冲，作为记数脉冲，而未经微分电路的矩形脉冲被用作后面“与”门的开门信号。各信号经过与“门”后分成2组分别送入两个“或”门，上面的“或”门在标尺光栅相对指标光栅反向移动的每个周期内也输出4个记数脉冲，下面的“或”门在标尺光栅反向移动的每个

19、周期内也输出4个记数脉冲。波形如图所示。通过对“或”门输出的脉冲进行加、减记数，便可获得相对位移量和位移方向。对“或”门输出脉冲进行记数可采用二进制可逆记数器，正向脉冲信号使计数器进行加法记数，反向脉冲使记数器进行减法记数。如图（2-2） 图（2-2） 光栅信号的细分与辨相原理图2.3 细分技术2.3.1测角与细分原理：光栅测量技术是以光栅相对移动形成的莫尔条纹为基础的。由于光栅的相对移动，使投射光的强度呈周期性变化，这种光强信号经硅光电池变为周期性变化的信号（正弦波信号），对此信号做一系列的处理，即可获得光栅的相对移动量。但是，只对此信号的周期进行计数远不能满足测量的需要。本设计就此问题提出

20、了一种新的数字化细分技术，此细分技术打破了传统的电子学细分所需的庞大硬件电路带来的系统误差，具有非常重要的实用价值。由于光栅盘全盘共刻10800条纹线，所以光栅每移动一条刻线，正弦信号就移动一个周期，即代表角度移动了120角秒。对光栅读数头输出的正弦波信号进行波形变换整形，形成与此正弦信号一致的周期性脉冲信号进行计数，即可获得测角度的大数。假如不足一周期的角度值用表表示，则具体的角度可由式=N+ 式（2-6）其中：N为正弦信号的周期数；为不足一周期的小数部分。为了获得精确的值，必须对进行细分。在一个周期内，正弦函数是于相位或者说空间位移量是一一对应的，只要能测量出正弦函数的大小与正负，就可测出

21、光栅副间的相对移动量。对于线性函数这种方法十分简洁明了，并且具有好的测量精度。但是由于，正弦信号在和附近的线性很差，变化率很小，直接从输出信号的大小和正负来推出位移量的办法就会带来难以控制的误差，因此我们采用新的方法，即利用和构建一新的函数，并用此函数做数字细分。具体的新构函数如：u=- 新的波形如（图2-3）：新构建的函数u和原和函数将一周期正弦信号平均等分成了30分，即实现了24细分，每分为5角秒。只要判断出所测角度最终位于第几个范围内，即可获不足一周期的精度为的角度值。假如不足的角度值用来表示，则具体角度值：=N+n + 式中n为不足一周期所函有的信号的间隔数；为不足的角度值。 图2-3

22、 新够建的波形图也可以在相位相差位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差的电信号，若将这两个电信号反相就可得到四个依次相差的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个脉冲，实现四倍频细分。要实现16倍频也可采细分用此方法。信号处理与角度计算：用前述的测角与细分原理，可得信号处理与角度计算的原理框图。由图可知，光栅相对移动所形成的莫尔条纹经四相硅光电池进行光电转换，差分运放形成2路相差的正弦信号，从光栅读数头读出。其中一路信号送入波形变换电路中，形成与正弦信号周期一致的脉冲信号，送入单片机中，用软件计数，获得角度的大数N；另一路信号送入A/D转换器，变成数字量，送入单片机进行处理。图（2-4）

23、2.3.2 细分方法：主 要 优 缺 点细分方法应用范围及常用细分数可用于动态和静态测量 为电子细分提供原始四相信号，应用较为广泛直接细分 电路简单，对信号无严格要求，细分数不高常用细分数为4可用于动态和静态测量，在细分数位 20左右时，优点显著移相电阻链法细分数较大，精度较高，电阻元件获得容易，对信号性正交要求严格，随着细分数增大，电路成比例地复杂变化，信号的零点漂移对细分影响较大常用细分数为10-60只适用于动、 静态测量，常用于细分数较大的场合幅值分割法细分数较大，精度较高，信号波形与幅值变化对细分精度影响小，电路复杂。常用细分数为40-80只适用于动态测量，细分数大时可优先采用锁相细分

24、法细分数很大，电路简单，对信号波形无严格要求，对光栅的运动匀速性要求很高常用细分数为100-1000适用于动 静态测量，要求细分数较大的场合载波调制法细分数大，精度较高，对信号波形及正交性要求严格 电路比较复杂常用细分数为100-1000由光栅的光电信号可知其是正弦波。从波形入手，对光栅信号进行电子细分的途径可分为五类，即幅值分割法，周期测量法，角频率倍增即倍频法，移相多信号法及函数变换法。根据以上细分原理的分类情况，可以得到如表2-1所示的细分原理分类表 2-1幅值分割法的原理是从正弦信号u(t)幅值上进行非线性分割，以得到它对应的等分相位信息。倍频法实质上是增加角频率。显然角频率的增加，就

25、可以用新的信号周期来反映相位测量的信息。移相法是通过各种手段，得到一系列相位差按照2/n排列的移相正弦信号群，再经过信号过零点的编码计数，就可以得到n倍频的细分信息。从原理上而言，移相法还是得到n等分相位测量信息。图2-4 数字化细分原理框图从圆光栅出来的信号为两路相位互差180的正弦信号，经差分后变成一路正弦信号，一个周期代表了120，由于测量要求达到5的精度，必须得进行较大的细分，细分数n24，此外，由于测量的机构为一分度凸轮机构，其转动角速度是时刻变化的，对应于圆光栅输出的正弦波信号也是频率变化的，是动态测量，对比上表中的各种细分方法，可采用倍频法和幅值分割法。1） 倍频法的设计其原理是

26、：采用数学乘积的方法：sinx*cosx=1/2sin2x 由两路相位互差90的正弦信号相乘积，就可以得到频率增加一倍的信号，在LabVIEW中编程模拟，程序如下： 由实验模拟结果可知，这种方法可行，倍频后就达到了4细分。可以考虑利用2倍频后的正弦信号再产生另一路相位和它相差90的正弦信号，再将其与2倍频后的正弦信号相乘，就可以得到4倍频的信号，如此反复乘法倍频4次就可以了，倍频4次后频率是初始信号的16倍，如果利用脉冲技数的方法，每个周期计两个脉冲（一个正脉冲和一个负脉冲），则可以达到32细分，其精度达为： 120/32=3.75 满足5的要求，因此可以考虑采用16倍频的方法，接下来就是考虑

27、如何利用一路正弦信号再产生另一路余弦信号的问题了，最简单的是利用数学的积分和求导数： 式（2-7）LabVIEW中有积分器和微分器，可以考虑利用它们来实现将正弦信号转换成另一路余弦信号，设计实验程序如下：由实验可以看出，微分在频率f=10.1Hz时信号是由正弦波变成了同频率的余弦波，幅值变小了很多，当频率较高时，f=1000Hzf=5000Hzf=10000Hz由以上对比可知，在低频信段，微分后信号相位接近，而当信号频率较高时相位就小于 了，因而采用此种方法不能保证将正弦信号转换为另一路余弦信号。这是因为一阶微分系统的幅频和相频特性均与输入的频率有关，相位不是一个定值 A 因而这种方法不可行，

28、因为考虑到输入信号频率较高，要达到精确相位差90度很困难，利用倍频的方法暂时还没办法实现。这种方法的最根本还是移相，因而可以考虑用移相的方法产生一系列相位等差的正弦信号。2）移相法细分对于硬件的移相方法，可以用电阻链来实现，从空间上对周期进行了等分，由频域和时间域的对应关系可知，频率的平移就等于时间域里时间的超前和滞后，因此，可以考虑在LabVIEW中利用延时来产生另一路信号，经实验还未能找出解决的方法，因此改用幅值细分法来细分。3）幅值细分幅值细分法也称电平切割法，它的原始方案是直接对光栅莫尔条纹的光电信号U=Asin进行幅值分割，如图所示。采用比较电压U1、U2、与莫尔条纹正弦电压信号u的

29、正半周比较；用比较电压U1、U2、与莫尔条纹正弦电压信号u的负半周比较；当条纹信号电压u与比较电压值相等时，在电压比较器的输出端发出跳变信号，通过后续电路得到计数脉冲信号。根据细分数n的需要，可以设置n/2个比较电压，因此在条纹的一个周期内，获得n个计数脉冲而实现电平切割细分。可以利用幅值分割的方法进行细分，但是由于信号采集后在计算机里是离散的，不能像硬件设计那样利用电平比较，在光栅信号u等于分割电平时计数，因为在采样时可能会由于采样频率低以及模/数转换精度的影响，等于分割电平的那个点可能会漏掉，从而使计数细分出错，可以考虑用区间来判定计数信号的输出，即当采样点落在分割的区间内的时候计数，要n

30、细分，只要将一个周期分成n分，这样，当采样点落在每个区间时就各计数一个脉冲，就可以实现n细分了。细分可以用幅值等分和周期等分两种方法：（1）幅值等分法 由于条纹正弦信号电压的斜率在一个周期内是变化的，并在=/2和=3/2附近的斜率很小，信号幅值的变化很小而相位变化很大，如果直接等分幅值，那样在这两处的相位区间太大而其他的较小，不均匀，不能保证细分精度，一种改善的方法是轮流使用正弦和余弦信号电压，并使用它们过零点附近/4部分。因为这一部分波形的斜率大，波形电压值与相位角之间接近线性关系。另一种较好的方法是将正弦和余弦信号电压进行合成，得到与相位角相关的近似三角形波的电压，这种合成的三角形电压，上

31、升和下降部分具有基本不变的斜率。根据比较电压和三角波电压的相同点确定细分的区间，可以达到较高的细分数。图（2-5）为近似三角波的合成原理图图2-5 近似三角波合成原理图 合成后的波形非常接近三角波，幅值和周期对应的函数线性较好，就可以进行幅值等分了，其误差很小。由于圆光栅的输出只有一路正弦信号，在目前还未能找出解决正弦波转换成余弦波的方法，因此这种方法暂时还是不能应用。（2）周期等分法 由圆光栅测量角位移的原理知，转角和正弦波的相位严格对应，因此对正弦波一个周期的相位进行等分，就等于细分了栅距角，达到了细分的目的。由于正弦波是非线性的，对周期等分后把等分点转换成对应的幅值点，然后确定细分区间，

32、就可以达到直接幅值细分了，而且满足了均匀细分。若要得到n细分，只要将一个周期n等分就可以了，即每一个区间的宽度为360/n,原理如下图（2-6）所示：图例是将一个周期10等分的细分原理示意图，10等分周期后，每个区间宽度为36，各个区间依次首尾相接，保证了采样的点都会落在对应的某一个区间，然后求出周期等分点所对应的幅值点，作为最终的细分区间，由于正弦函数值在一个周期内不是单调的，正半周期和负半周期的函数值各关于=/2和=3/2对称，因此应该将每半个周期进行奇数等分，这样就会去掉非单调性对最终幅值区间划分的影响，而且可以减少区间划分的个数，2n细分只要n+1个幅值区间就可以了。例如10细分：周期

33、区间0，36），144，180），对应的幅值区间都是0，0.588）周期区间36，72），108，144），对应的幅值区间都是0.588，0.951）周期区间72，90），90，108），对应的幅值区间都是0.951，1.0）周期区间180，216），324，360），对应的幅值区间都是0，-0.588）周期区间216，252），288，324），对应的幅值区间都是-0.588，-0.951）周期区间252，270），270，288，对应的幅值区间都是-0.951，-1.0）10细分总共有6个幅值区间：图 2-6要达到测试精度的要求，就要取细分数n24，可以取半周期为奇数13，15，17等等，

34、对应的细分数分别为26，30，34，初取30细分，细分周期区间宽度为12，30个细分区间对应了16个幅值区间。如果采样精度足的够高，细分区间就可以足够的小，就可以将整个波形记录下来，将整周期的个数测出来，求出起始和终了信号所对应的相位值，加起来就可以精确的知道转动的角位移了。但是圆光栅的刻线数较多，就是很低的转速1r/s也会产生10800Hz的正弦波，而数据采集卡的的采样频率相对与它的频率就很低了，而且细分后采样的频率是波形频率的n倍，n为细分数，如30细分对应与1r/s的转速，其细分后采样频率要求至少324000Hz。因此细分数不能过高，受到硬件设施的限制。细分后的主要问题就是计数了，下面讲

35、述计数的方法2.4 计数与判定部分的设计传统的硬件设计，其主要的原理流程如下：光栅信号计数原理框图在硬件里所处理的信号是连续的模拟量，两路相位相差180的信号先相减得到了一路正弦或余弦信号，再进行经过施密特触发器将正弦波变成方波，并将方波经过微分电路变成了尖脉冲，在最终计数的时候是采用硬件计数器的输入端电平高低的变化来增加计数值的，转向的不同时采用了相位互差90的另一路信号够成阀值门电路来控制两个计数器的计数。尖脉冲可以无一遗漏的通过尖脉冲计数器。其信号波形的处理过程如下图（2-7）所示图2-7而在计算机里信号是离散的采样点，尖脉冲产生的时间是有限的，如果时间太短，则有可能计算机会漏采掉对应的

36、尖脉冲，如果采样时间特快，有可能在该处多采几个值。为了解决这个问题，在软件细分后可以采用区间判定来计数，即在细分后将信号的电压值与各区上下限间对比，相当于利用方波的上限和下限来判定计数值是否增加，类似于电平分割，在正半周期，当信号波的电压大于设定的某一值后计数一次，同样在负半周期，当信号波的电压小于设定的某一值后计数一次，即相当于一个周期分别各计正负两个脉冲。这种方法适用于倍频细分和移相细分后信号的计数，属于开区间计数，对于幅值分割细分法，需要用闭区间计数。幅值分割法的计数设计如下所述。对于n细分，每个周期采样点的个数不少于n个，也就是采样频率至少是波形最高频率的n倍，以保证每个周期内，所有区

37、间都至少有一个点落入，即每个周期内各区间都有相同的计数值，当在一个周期内有多个点同在一个区间内的时候，这个区间只计数一次，当信号采样点不在该区间时，区间不计数。设计的计数判定如下图所示波数据的结构如右图所示,是由三部分组成的,数据的采样间隔,初始时间,对应的波数组,波数组就是对应的正弦波的电压值,首先要把波数据分解为三部分,取出电压数组, 将采样的电压值依次与各个电压的区间进行比较,这个可以通过数组检索来实现数组的取出,再将取出的电压数值与设定的各个区间上下限值进行比较,若满足aub,则输出值为TRUE,否则输出为FAULS,再将这个输出接到加法计数器的使能端,当为T时,计数值加1,LabVI

38、EW中的加法计数器为32位的整形量计数器,计数最大值为4294967295,满足计数的要求,计数器有溢出端子,当计数值满时自动溢出。考虑到计数时当两个比较器输出为T时,应该计数一次,但当第2连续的计数判定也为T时,只能计一个,第2T,不能计数, 同样,连续的第m个T 也不增加计数值,当一个周期结束后,下一个周期开始后,再来一个T,就又要计数一次,同样,次后连续的第m个T也不增加计数值。因此要设计利用逻辑门控电路来实现计数的判定，如右图示：这样的门控逻辑电路就可以实现上述的计数要求了，但是经过实验发现，第一个T来了之后计数器并不计数,而是在第2个T来了之后才开始计数,经过高亮运行显示发现,这是由

39、于各个逻辑门在开始运行时都有初始值,经过两个比较器和与门的第一个计数的T不能正常的数,因此,计数要做一定的改进第一个进来的T计数,可以利用如下的改进。将计数端子的值与数值0相比较,当初时计数器的值为0,比较器的输出值为T,如果此时的采样点的值x满足x a,b),则输出为T,经过或门后计数,实现了初始第一次判断后计数,当第2次至第m次后由于计数值N1,因此新增加的部分(=0?)将后续信号的变化锁住了,只有下面原来的计数判定部分起作用。经实验验证可行,然后考虑到有很多的区间判定计数,可以将其做为一个子程序,当要用时将其调用就可以了,子程序设计如下,输入端4个,区间上限a,输入采样点值x,区间下限b

40、和计数器初始化清零端T/F,输出端为32位的整型计数值N,为其定制一个图标如右图所示,并将其保存在D:Program FilesNational InstrumentsLabVIEW7.1user.lib_express中，这样就可以直接调用了子程序图标 计数判定子程序.vi 如果所有区间计数都只调用这一个子程序就会出错，高亮运行就可以发现，这是由于程序的运行是由数据流驱动的，当所有满足仪器输入的数据都到齐了后，仪器才输出，由于该子程序是独立的一个，多次调用还相当于是一个，在多个细分时，可以将其复制多个来作为各个区间计数的VI，以保证各个区间计数是独立并行的，或者也可以将它的使用方式设置一下，

41、直接调用时各个都是相互独立的。最后，将各个区间的计数值相加起来，就得到了计数总值，计数部分初步设计完接下来就是要确定正反转的问题。辩向原理： 注意到无论可动光栅片是向前或向后移动，在一固定点上观察时，莫尔条纹同样都是作明暗交交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的脉冲，从而无法判别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小，因而必须在测量电路中加入辨向电路。下图出示了辨向电路原理和他的逻辑电路。两个相隔莫尔条纹间距的电元件，将各自得到相差的电信号和，他们经过整形后得到两个方波信号和。从图中波形的对应关系可以看出，当光栅岩方向A移动时，经微分电路后产生的脉冲则与的“0”电平相遇，与门

42、阻塞，没有脉冲输出。在光栅沿方向移动时，的微分脉冲发生在为“0”电平时,与门无电平输出，而的反向微分脉冲则发生在的“1”电平时，与门输出一个记数脉冲。即是说用的电平状态作为与门控制信号来控制不同的移动方向时所产生的脉冲的输出线。这样就可以根据运动方向正确地给出加减记数脉冲，再将其输入可逆计数器，即可实时显示出相对某个参考点的位移量。（如图2-8）光栅数字信号的数字测量必须经过辨向电路和脉冲计数电路才能转化为数字信号输出，因此，在光栅动态测量中，必须掌握光栅信号的辨向与计数技术。本设计采用的电路是用可编程逻辑器件来实现常规电路的功能，具有体积小、功耗小、电路简单的特点。正反转判定：由于圆光栅的转

43、向与波形的移动方向相对应，要判断正反转问题，也就是要判断波形的移动方向，对于周期性信号，如正弦波，必须利用两路相位不同的正弦信号来判定，准确的来说，是相位在一个周期内相差值不能为0或180，其判定原理和示意图如下（图2-9）。如图所示，两路移动方向相同但相位相差0的正弦信号Y1和Y2，在A，B，C三处的值相等，A到C正好是一个周期。在阴影所示的两段内，而这两个波都不是单调递增或递减的，但是在1段内Y1的增区间正好是Y2的减区间，这样可以利用两个函数拼接起来的增减性判断波的移动方向。图2-8 辨相逻辑工作原理 1、2光电元件 3、4光栅 A()光栅移动方向 B() A对应的莫尔条纹移动方向 图2

44、-9在1段内Y1Y2，当Y1递增或Y2递增时，就可以判定波形右移； 当Y1递减或Y2递减时，就可以判定波形左移；在1段内Y1Y2，当Y1递减或Y2递减时，就可以判定波形右移；当Y1递增或Y2递增时，就可以判定波形左移； 这样就可以判定波的移动方向了，在LabVIEW中编程如下所示： 图中利用了一个For循环结构，当两路幅值数组Y1、Y2进入循环后，先将数组逐个检索出来，用的是数组检索函数，对于每一路数组，分别检索第i个数和第i+1个数，再将这两个依次相连的数进行大小比较从而判断函数的增减性，同时比较Y1与Y2的大小，将结果相或运算，就可以判定了。对于这次测试而言，圆光栅输出的信号是两路相位相反

45、的正弦波，由于正弦波是非单调性函数，因此利用一个正弦信号是无法判断圆光栅的转向的，需要另产生一路同频率且满足相位差不为0或180的正弦波，由前面的微分实验可一得到这样一路信号，就有了两路信号可以判断转向了。2.5 转角显示和记录 2.5.1 转角显示由于从计数器出来的是计数值，要将它显示成度（）分（）秒（）的形式还需要做一定的变换。采用30细分，则每个计数值代表了120/30，即4，转换的原理是利用除法，但是计算机里没有余数，考虑到除法的根本就是多次相减，因此编制以下的转换程序，并将度分秒值转化为字符量。然后再用字符拼接函数来将（）分（）秒（）和字符量的度分秒值拼接起来显示。下图中最左端的方框

46、就是公式节点函数，利用它可以编制类似C语言的语句转化角分秒。流程图如下：（2-10）图2-10 度、分、秒转化流程图图2-11 度、分、秒转换及显示字符替换函数字符拼接函数在字符拼接中加入了“现在正转了”的字符，利用字符替换函数将“正”，“反”两个字在正反转信号的控制下替换，正反转信号控制字符替换的位置和替换的长度。 2.5.2 转角的记录 在实现了信号的显示后，可以同时将显示的结果自动记录到指定路径的文件中，由于记录的是字符文件，就要用字符记录文件函数来记录，在记录的时候，可以将测试的日期，时间同时记录在文件中，是利用获取日期、时间的函数和将日期、时间转换为字符量的函数来实现的，为了显示时间更详细一点，将日期、时间转换函数