基于虚拟仪器的通风机检测系统设计.doc

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1、河北工程大学毕业设计摘 要针对通风机的工作状况，文章提出了一种基于LabView的通风机性能检测装置的设计方案。该检测系统以软件代替硬件，操作简单，功能强大。与传统测试仪器相比，提高了测试精度和开发效率，减轻了劳动强度。同时，本系统将USB接口技术引进到数据采集卡中，使其输出连接具有即插即用、方便快捷等特点。它可以实时采集通风机的性能参数如：风速、功率、温度、湿度、大气压力、静压、转速等。文章主要对基于虚拟仪器的通风机检测系统的软件进行设计。内容对检测系统所需的传感器和数据采集卡两部分的选型和设计。对于传感器部分，主要介绍了传感器的选型、设计及安装的位置和方法。而对于数据采集卡部分，主要对其硬

2、件和驱动程序进行设计。其中数据采集卡的硬件设计主要包括：多路模拟开关、A/D模数转换器、可编程逻辑控制器及USB接口芯片。关键词：传感器；数据采集卡 ；USB接口芯片；虚拟仪器53Abstract Working conditions for the fan , the article present a performance of mine ventilator based on LabView test equipment design. The system ,which used the software instand of hardware ,is simply operated

3、 and has powerful function .It improved the testing precision and the development efficiency and reduced the working intensity .Meanwhile, the system, which introduced the USB technology into the data acquisition card, has the plug-and-play and convenient. It can acquire the performance parameters o

4、f the fanner. Such as: wind speed, power, temperature, humidity, atmospheric pressure, static pressure, rotate speed and so on.The paper mainly designed the software of the fanner testing system , which is based on the virtual instrument .It mostly includes the selection and the design of the transd

5、ucer and the data acquisition card ,which are used in the testing system. It mostly introduced the selection, the design and the fixed position and method of the transducer. Moreover, It also designed the hardware and the drivers of the data acquisition card. The hardware design of the data acquisit

6、ion card mostly including the multil-channel analog switches, the ADC, the programmable logic controller and the USB interface chip.Key words: transducer; the data acquisition card; the USB interface chip; the virtual instrument目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1引言与概述11.2研究的目的和意义11.3 研究课题国内外发展现状31.4 本设计主要任务41

7、.5本章小结4第2章 虚拟仪器技术52.1虚拟仪器简述52.2.1虚拟仪器的硬件62.2.2虚拟仪器的软件72.3虚拟仪器的特点7第3章 风机监测系统总体设计方案103.1 风机性能参数指标103.2风机性能检测简介103.2.1通风机性能检测的主要内容103.2.2通风机性能检测的主要任务103.2.3性能参数的换算及特性曲线的绘制133.3 多通道采集方案的选择143.4 数据采集卡各部分的设计153.5软件的设计173.5.1软件的功能173.5.2软件系统的流程和结构173.6 系统总体方案的确定183.7 测试系统各个部分功能193.8本章小结20第4章 系统硬件的实现214.1传感

8、器的选定与设计214.1.1大气压与负压传感器214.1.2 温湿度传感器224.1.4 MG8型钳形电流互感器224.1.5 转速传感器224.1.6传感器的安装位置和方法2342信号调理电路264.2.1 信号调理简介264.2.2 直流电源284.3数据采集卡294.3.1 数据采集卡的结构框图294.3.2 多路开关AD7506304.3.3 AD1671模数转换器314.3.4 EPM7064可编程逻辑器件314.3.5 USB2.0接口芯片314.4本章小结32第5章系统软件实现335. 1系统设计思路335.1.1虚拟仪器系统设计流程345.2系统功能345. 3系统软件整体设计

9、355.3.1软件构成355.3.2系统界面355.3.3数据采集程序实现395.3.4数据处理模块395.3.5数据处理模块中风机性能参数的换算415.3.6曲线拟合455.3.7参数设置模块475.3.8历史速度曲线存储和查询模块475.3.9报表输出模块48第6章 结论496.1 概述506.2 系统的优点506.3 该检测系统的不足之处51参考文献52致 谢53第一章 绪论1.1引言与概述风机的安全可靠性在工农业生产中的地位显而易见。而风机的安全性及其工作效益与它的性能息息相关，所以风机良好的性能是保障生产安全运行、取得预期运行效益的最基本要求。风机性能测试是成品风机的检验、选型、改制

10、，新产品的开发、研制，风机参数的获得、风机性能曲线的绘制以及风机运行状况检测等的基础，也是科学、合理、客观地评价其产品质量和性能的前提和基础；同时风机性能试验也是高等学校气动与流体力学、农业机械、矿山机械、环保机械等课程的重要实验内容之一。由于风机内气体流动的复杂性，目前还很难用单纯的理论计算方法准确地获得风机性能曲线，只能通过试验方法测定。因此，快速准确地测定风机性能参数并绘制性能曲线对开展风机的研究有重要的意义的。通风机是煤矿安全生产的重要设备，保持通风机在良好状态下运行是安全和节能的重要环节。在长期运行中，其通流部件与气流相互作用而产生磨损，气体中的固体介质使通流部件积垢，上述这些情况都

11、会导致通风机性能发生变化。因而用户应定期地对通风机性能进行技术测试，及时发现故障，消除隐患，减少事故的发生，节约维护费用1。通风机的基本性能参数包括流量 、全压P、静压Pst 、功率Psh 、全压效率、静压效率 、转速n 、比转速等,它们从不同的角度表示了通风机的工作性质。在通风机性能测试中,需要对静压、全压、风速、温湿度、大气压力、电动机的电流、电压、等参数进行实时测量,以此计算出风量、大气密度、功率、效率等量,并绘出通风机的压力、功率和效率等随通风机流量的不同而变化的关系曲线,即通风机的性能曲线2。 1.2研究的目的和意义 风机的性能是科学评判产品质量、提高工作效率和保证工作质量的关键因素

12、。校验新产品气动性能是否达到设计要求，检查出厂风机性能是否达到样本数据要求，检查改造后的风机是否能达到性能指标，以及对没有标牌的风机确定其性能等，都需要进行性能测试。性能测试也是故障诊断的前提。风机的工作是以输送流量、产生全压、所需功率及效率来体现的，这些工作参数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起其它参数相应的变化。为了确保风机能安全经济运行，构造通用的风机性能试验台架，在试验台上进行测试并计算出流量、压力、转速、功率及效率等性能参数，以检验风机性能是否符合技术要求。风机性能试验是在风机转速不变的情况下，改变风机的流量，检测风机各个性能参数，并绘制性能曲线的过程。目前，风机用户为

13、了提高经济效益，在选择风机时对它的各项性能指标提出了更为严格的要求，如压力、流量、转速、功率、噪声、可靠性等。同时，风机生产厂家为了提高产品的竞争能力，在努力改进风机的气动设计、提高机械加工精度的同时，对风机性能试验的研究和开发给予了高度的重视。由此可见，风机性能测试试验台对于新产品的设计开发、成品的检验和维修以及风机选型都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，风机性能试验尤为重要。据了解，在电力、石油、冶金、化工、纺织等生产中，由于风机故障造成的事故也不少，并由此造成了巨大的经济损失。风机的使用部门在风机长期的运行过程中，为防止风机的突发事故，也需要

14、对风机的性能状态实施在线检测，监测风机的运行状况，定期分析其异常数据，出现故障时及时进行故障诊断3。所以定期对风机性能进行测试，了解和掌握风机性能的衰减程度，也成为保障安全运行的重要技术措施。而对风机的性能监测的实施则是建立在风机性能测试方法的基础之上，可以说，对风机的状态监测是在风机设计性能状况已知的前提下，对风机进行的连续或者阶段性的性能测试。在测得风机当前运行状态的同时，将风机当前状态与对应的设计性能状态对比，以检验风机是否处于正常工作状态。由此可见，风机性能试验和性能监测在风机设计、生产和使用的整个过程中具有十分重要的意义。风机有良好的性能，不仅可以延长风机使用寿命，而且可以提高生产效

15、率。因此，为实现某些生产中的主要风机安全、经济运行，保证生产的安全高效生产，必须掌握主要风机的实际运行性能曲线。迄今，虽然根据风机的理论基本方程式可以推演计算出其性能特性曲线，但是由于风机理论仍欠完善，推演计算比较困难，还得不到切合实际的特性曲线，因此，实际应用上，都需要采用试验的方法来绘制特性曲线4。此外，风机的用途多种多样，工作环境各异。风机设备的生产企业需要实时跟踪自己销售到异地的产品性能；大型风机设备的故障需要处于不同地点的专家会诊，这种远程突破了传统意义上一个车间内或一个厂区内的局限，扩大到一个城市的范围或跨越了省市的界限，而控制指令直接有赖于现场的信息反馈。而传统的检测手段已经不能

16、满足用户的需求，因此，为现场提供一套功能完善的风机性能自动测试及处理系统是十分必要的。风机性能的远程测试可以实现较大区域内技术信息的整合，对提高工业装备的技术水平具有非常重要的意义。况且风机运行过程中噪声比较大，传统测试需要人力也比较多，这样现场测试系统会受到人为因素的影响，特别在一些恶劣的环境中测试工作较难展开。此外，使用部门在购买某一型号风机后，可以不用自己做性能测试试验，而通过别人的试验测试结果来评价此型号风机是否满足要求，这就需要数据资源共享。风机性能测试环境复杂多变，涉及的参数也很多。通过测试，我们可以了解风机在不同时期的性能曲线，及时掌握风机的各项运转参数及风机状态。为此，本文运用

17、测试领域的新技术虚拟仪器技术，对原有风机试验台进行改造，建立的测试系统简单易行，提高了风机性能测试的自动化水平，为教学和科研提高了一种研究思路。网络化虚拟仪器技术在测控领域是一种先进的技术，它克服了传统虚拟仪器以PC机为核心、硬件资源不能共享的缺点，是实现远程测试系统的基础5,6。为适应现代试验技术的要求，满足风机技术性能的测试，增加试验过程的稳定性，提高试验精度和试验效率，利用虚拟仪器技术的开发平台LabVIEW，组建一个性能优异的风机性能自动测试与分析系统，并且利用LabVIEW中的DataSocket技术实现网络通信，不用进行复杂的底层TCP编程，就可以通过计算机网络向多个远程的终端同时

18、广播现场的测量数据，从而完成远程的风机测试系统，同时实现了数据资源共享，达到了远程测试目的7。这样极大地简化了计算机之间数据传输的过程，对于用户来说就像在墙上的电源插座插上插头就能用电一样方便。因此，基于虚拟仪器技术的测试系统具有成本低、自动化程度高、可靠性高、易于维护等优点，是测试领域研究的热点和发展方向。本文将虚拟仪器技术引入到风机应用领域，结合自动采集原理，选用合适的仪器和仪表，开发了一套功能齐全、性能良好、使用方便，具有高精度和高可靠性的风机性能测试系统，把网络化虚拟仪器技术融入其中，采用DataSocket技术实现网络化虚拟仪器的设计，能够比较方便地组建远程测控的基本构架；能够实现试

19、验数据的网络化共享，应用到试验教学领域，可极大地提高试验设备的利用率8。同时为进行风机设备精密诊断和故障在线诊断系统提供了有效的技术支撑，对风机的设计制造、定期安全检验及其工农业生产的安全经济运行具有现实意义。1.3 研究课题国内外发展现状在煤矿生产中,通风机担负着向井下输送足够数量的新鲜空气,以冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘,保证给井下作业的工人一个安全、可靠、良好的工作条件,被人们称为“矿井肺脏”。但目前,在我国许多煤矿矿井通风形势不容乐观,很多矿井通风设备落后,带病运转、报废再用现象普遍存在,严重威胁着矿工生命安全。为此,必须对通风机进行有效的性能检测,以保证通风设备的安全运行和煤矿

20、安全生产。目前,对于煤矿通风设备的检测技术和手段都十分落后,主要采用分散型仪表和装置,效率低、精度差,检测范围及检测数据的局限性大,测试方法、数据处理技术相当落后,提供技术数据不能很好地满足现代化煤矿安全生产的需要。通风机的性能试验大多采用手工测量,这种方法测量精度和效率低,并且无法实现实时监控。它的性能测试平台是用压力计、风速仪、温度计、湿度计、功率计、转速仪等分立仪器来测量相关参数,再通过后期的计算,来获得性能曲线等数据,整个测试过程耗时比较长,存在不稳定的人为误差。传统的声级计,计算处理一般依赖于硬件的计算网络,硬件和计算网络不仅制造调试很困难,测量的精度也受到硬件的制约,仪器的长期精度

21、难以得到保证。因此集多种设备测试功能为一体、检测范围可调节的自动测试系统，是其发展的必然趋势5。1.4 本设计主要任务本文针对风机性能检测系统的基本结构、检测功能特点以及数字化检测实现技以虚拟仪器模块化的设计思想为依据，以计算机为核心，在风机性能检测装置基础上利用LabVIEW软件构建数据采集系统，具体研究内容如下：（1）对风机性能试验的基本原理进行分析；（2）根据风机性能试验原理，确定系统设计要求及其要实现的功能，并结合虚拟仪器的构成方案，确定本系统的总体结构。（3）对系统的体系结构进行深入分析，研究基于LabVIEW的虚拟仪器系统实现的硬件基础，对系统硬件进行设计。（4）根据虚拟仪器模块化

22、和层次化的设计思想，结合系统实现的功能要求，确定系统的功能模块。（5）采用LabVIEW软件平台将功能模块逐个进行编程，从数据采集、数据处曲线拟合、数据存储等方面进行优化设计。通过编程将各个模块进行组合实现系统软件设计（7）对系统软件进行调试，分析系统调试中出现的问题并加以解决。本文研究重点是：虚拟检测系统的软件构架、信号的采集本文要实现的目标是：（1）自动采集风机性能参数；（2）自动进行数据处理、存储、显示等；（3）自动绘制风机性能曲线；（4）系统界面友好，操作方便，便于用户使用。1.5本章小结本章主要介绍了本课题的研究背景和意义，简述风机国内外的发展现状，也说明了本课题的主要做的任务。第2

23、章 虚拟仪器技术虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术的重要组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术的出现大大改变了人类现有的思维模式工作模式和生活模式。虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是一种全新的仪器形式。它的出现使仪器与计算机之间的界限开始消失，是仪器发展史上的一场革命。2.1虚拟仪器简述虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（NI）在1986年提出的所谓虚拟仪器，是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户根据需求定义和设计的具有虚拟面板其检测功能由检测软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器通过应用程序将计算机和功能模块硬件结合起来，用户通过友好的

24、图形界面来操作这台计算机，就像是在操作一台自己设计的检测仪器一样，从而完成检测任务15。虚拟仪器的实质是利用计算机显示模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现数据运算、分析和处理；利用I/0接口设备完成信号采集、测量与调理，从而完成各种检测功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的“虚拟”包括以下两方面的含义5：（1）虚拟仪器面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统面板上的各种器件所完成的功能是相同的，并由各种开关、按钮、显示器等实现仪器的功能操作传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触摸”来进行操作的。而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的

25、“图标”，用户只需选用代表某种软件程序的图形“控件”即可，由计算机的鼠标“键击”来对其进行操作。因此，设计虚拟面板的过程就是在“前面板”设计窗口中从控制模板选取、摆放所需的图形“控件”。尤其是LabVIE图形化编程语言可在短时间内轻松完成一个美观而又实用的“虚拟仪器前面板”的设计整个设计过程轻松而有趣。（2）虚拟仪器测量功能由软件编程实现。在以计算机为核心的硬件平台支持下通过软件编程设计来实现仪器的功能，可以通过不同的检测功能软件模块的组合来实现多种检测功能。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，充分利用计算机技术，用软件代替硬件设计

26、自己的仪器系统，“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单最本质的含义。目前，虚拟仪器在发达国家已十分普及。在国内也有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统。国内专家预测：未来几年内，我国将有50%的仪器为虚拟仪器14。2.2虚拟仪器系统的构成任何测量系统都可分为数据采集、数据分析和处理、数据显示和输出三大模块，将这些模块分别用不同的硬件和软件实现，就可以构成不同的虚拟仪器系统。虚拟仪器系统包括硬件和软件两要素。硬件部分的功能是获取真实世界中的被测信号；软件部分的作用是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，软件通常用专用的虚拟仪器开发语言编写。所以，虚拟仪器系统可以用一个简单的公式来表达：虚拟仪器系统=

27、计算机及其附件+开发虚拟仪器的软件+必要的硬件。2.2.1虚拟仪器的硬件通常虚拟仪器检测系统的硬件包括传感器、信号调理、信号采集等I/O接口设备和通用计算机。计算机一般是PC机或工作站，是硬件平台的核心，是虚拟仪器系统的心脏和动力；传感器是检测系统获取信息的基础；I/O接口设备完成被测信号的采集、放大A/D、D/A转换等。虚拟仪器的形式取决于实际的物理系统和构成仪器的I/O接口的硬件类型，但都离不开计算机控制。虚拟仪器检测系统的组成如图2-1所示。 图2-1虚拟仪器检测系统的组成图2-1虚拟仪器的硬件构成方式主要有五种类型6：（1）PC-DAQ（Data Acquisition）系统：是基于计

28、算机标准总线（如ISA,PCI等）的内置功能插卡，是以数据采集卡、调理电路和计算机为硬件平台的插卡式虚拟系统。（2）GPIB系统：以GPIB（General Purpose Interface Bus）标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器检测系统。典型的GPIB检测系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台通过GPIB电缆相连的GPIB仪器。（3）VXI系统：以VXI(VME bus eXtension for Instrumentation)标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器检测系统。（4）PXI系统：以PXI（PCI eXtension for Instr

29、umentation）标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器检测系统。（5）串口系统：以Serial标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器系统。任何虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到PC机或工作站等计算机平台加上应用软件而构成的。2.2.2虚拟仪器的软件虚拟仪器系统的软件结构如图2-2所示，包含以下三部分：图2.2虚拟仪器软件结构图（1）I/0接口软件：存在于硬件和驱动程序之间，是最接近硬件的软件层，完对硬件内部寄存器单元进行直接存取数据操作，为硬件和驱动程序提供信息传递的低软件层，是实现开放统一的虚拟仪器系统的基础。（2）驱动程序层：是系统应用程序实现仪器控制的桥梁，一般

30、以动态链接库或态库形式供应用程序调用。驱动程序的实质是为用户提供一个用于仪器操作的较为抽的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的（3）应用程序开发环境：是完成检测系统数据的分析、计算、存储、显示、输等任务，是虚拟仪器的核心和完成任务的关键。应用程序开发环境是用于编写应用程的编程工具，可由开发人员的喜好和检测需求进行选择。2.3虚拟仪器的特点虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器相比显示出了众多的优点。虚拟仪器与传统仪器的比较见表2-17，其最主要的区别是虚拟仪器的功能由用户定义，而传统仪器的功能由厂商事先定义好表2.

31、1虚拟仪器与传统仪器的比较由于虚拟仪器检测系统的各种自动检测工作都是在计算机参与下完成的，集控制、计算、测量为一体，利用计算机资源使硬件软件化。因此虚拟仪器的特点可归纳为：（1）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；（2）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，突出“软件就是仪器”的新概念；（3）仪器性能的改进和功能扩展只需进行软件的设计更新，而不需要购买新的仪器；（4）研制周期比传统仪器大为缩短；（5）开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准；（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联，以便于构成复杂的检测系统，经济性

32、好。（7）性价比高。虚拟仪器的信号传送和数据处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，大大降低了环境干扰和系统误差的影响。另外，减少了系统硬件及检测系统的硬件环节，用户可以通过软件拓展不同的功能以便适应实际生产的需要。决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：虚拟仪器的关键是软件。虚拟仪器的开发平台在虚拟仪器中，软件起着重要的作用，软件把整个测量系统连接起来。虚拟仪器软件开发有三个准则：标准化、模块化和可重用性。按照检测要求在计算机上定义虚拟仪器，必须要有功能强大的编程软件。现在可用于虚拟仪器编程的软件较多，按编程方式可分为两种：一种是传统的文本式语言的开发平台，包括VC+，De

33、lphi，NI公司的LabWindows/CVI等；一种是基于图形化编程语言的平台，包括NI公司的LabVIEW，HP公司的HP-VEE，HP-TIG等开发平台。过去，用文本语言编写的检测系统，功能强大、灵活，可以从系统低层编起，然而，直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花费大量时间进行检测系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量的时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。目前，最流行的趋势是图形化编程环境，其中LabVIEW应用较广。（1）图形化的仪器编程环境：使用“所见即所得”的可视化技

34、术建立人机界面。针对测控领域，LabVIEW提供了大量的仪器面板中的控制对象，用户还可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改成适合自己个性特点的控制对象；（2）内置的程序编译器：它采用编译方式运行32位应用程序，解决了其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译C的速度；（3）并行机制：使用图标表示功能模块，使用连线表示数据传递，使用为多数工程师熟悉的数据流程图式的语言编程，这样使得编程过程与思维过程非常相似；（4）灵活的程序调试手段：用户可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上设置探针，观察程序运行过程中数据流的变化等；（5）支持多种系统平台：在W

35、indows NT/95，UNIX，HP等系统平台上，NI都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移值；（6）强大的函数库：从基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数和文件输入输出函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数，可供用户直接调用；（7）开放式的开发平台：提供DLL接口和CIN节点来使用户有能力在LabVIEW平台上使用其它软件平台编译的模块.第3章 风机监测系统总体设计方案3.1 风机性能参数指标环境气压：800hPa1060 hPa；环境温度：050风速：0.5m/s20m/s，(0.100.20)m/s压力：0 Pa 6000Pa(10Pa)，0 Pa

36、2000Pa(0.1Pa)本系统采用以上标准环境参数进行设计3.2风机性能检测简介3.2.1通风机性能检测的主要内容（1）性能参数的测量与计算（2）通风机性能曲线的绘制3.2.2通风机性能检测的主要任务（1）性能参数的测量与计算性能参数主要有：风速、风量、相对静压（负压）、大气压力、空气密度、温度、湿度、风机动压、风机全压、风机静压、风机转速、风机轴功率、风机全压功率、风机静压功率、风机静压效率和风机机组效率。其中由传感器测得的参数有：风速、温度、湿度、相对静压（负压）、大气压力、风机转速和风机轴功率。其它参数可以在此基础上通过公式求得。（2）通风机性能曲线的绘制绘制通风机性能曲线，也就是风机

37、的风量-风压曲线、风量-功率曲线和风量-效率曲线。2 通风机运行参数（1）风量通风机风量指风机进口(抽出式工作时) 或出口(压入式工作时) 通过的空气流量, 是断面上平均流速与面积的乘积, 用/S 表示。在风机口附近风流较平稳的断面均匀地布置若干个风杯式风速传感器, 风杯旋转可转换成频率信号并反映测点风速大小, 各点风速平均值即得平均流速。其中风速传感器的安装方式会在后面详细介绍。（2）风压通风机风压是对矿井内风流作功的压力。对抽出式风机而言, 其进口风道内静压低于风道外大气压, 两者差的绝对值称相对静压（负压）, 用较先进的扩散硅压阻传感器测量, 输出毫伏级信号。这时, 风机风压等于相对静压

38、与该断面平均动压之差, 单位是Pa。（3）大气参数它包含3个量: 有大气压, 与风压类似; 还有温度和湿度, 采用采用相应的传感器测得其值的大小。（4）转速风机转速采用非接触式红外光电传感器测量, 红外光束射到机轴上, 转动一周, 轴上反射纸就返回一个光信号, 经接收放大后的频率即转速, 单位是rPm , 精度为0.1rPm。（5）电气参数根据电工学中双表法原理, 需测量任意两相的电压和对应相的电流, 用于计算电动机的各项参数以及风机的输入功率。3 通风机性能计算（1）风速平均风速的计算公式如式（3-1）所示。(3-1) 其中C为平均风速， 、表示各测试点风速，N表示测试点个数（所用风杯个数）

39、。（2）风量风量的计算公式如式（2-2）所示。 (3-2)其中Q为风量，S为断面面积，C为平均速度。（3）空气密度空气密度的计算公式如式（2-3）所示。 （3-3）其中T为测量断面处温度，P为测量断面处压强。（4）通风机进、出口动压通风机进口动压计算公式如式（2-4）所示。 （3-4）其中为空气密度，C为平均风速。通风机出口动压计算公式如式（2-5）所示。 (3-5)其中A为住口截面面积。(5)通风机的全压和静压为了计算全压和静压，首先要确定管道阻力大小。主要有管道摩擦阻力和整流栅局部阻力。 测压管道摩擦损失（3-6）式中：f为摩擦系数，取f=0.025；为测压段管长；d为测压段的直径。 整流

40、栅局部损失（3-7）式中：为损失系数，取=0.1.则管道阻力大小为（3-8）于是通风机全压：（3-9）通风机产生的静压：（3-10）（6）通风机的有效功率和效率全压有效功率：（3-11）静压有效功率：（3-12）效率有下列各式计算。全压效率（3-13）静压效率（3-14）式中：为通风机轴功率。由以上各值计算后，可绘制通风机的性能曲线2。3.2.3性能参数的换算及特性曲线的绘制通风机性能测试的结果应换算成给定转速和标准进气状态下的空气动力性能，并绘制出特性曲线。(1)性能换算通风机的性能参数或性能曲线总是在一定的进气状态下给出的。即通风机的性能与进气状态有关。当进气状态变化时，即使同一台通风机，

41、其性能参数也会发生相应的变化。描述通风机性能时最常用的状态是标准进气状态。验收试验期间，当通风机性能测量是在规定的条件下进行时，试验结果才能直接与保证值作比较。在通风机上完成的大部分的试验中，不可能精确地模拟并保持按运行条件所规定的试验风道上的操作。只有换算的结果同规定值作比较。对于特别大的通风机而言，由于受到动力供应或标准化的试验风道的尺寸的限制，全尺寸试验不能实行时，可在标准化风道中进行模型试验。为了便于对通风机的性能进行比较，当通风机在给定转速以外下试验时，采用的气体密度与标准进气状态下的大气密度不同时，应根据相似理论，将通风机实测进气状态下的参数换算到标准进气状态的参数，以下为换算公式

42、流量:， 压强: ，功率效率:以上各式中:下标“0”表示标准进气状态下的参数;Q，P，n，等为风机性能试验时所测定的数值。以上各式的适用范围为:=0.52。(2)特性曲线的绘制将通风机在标准进气状态的压强、功率、效率、噪音随流量的变化关系绘制等曲线，称为通风机的特性曲线。在绘制时，实的试验结果按规则换算后的结果，应该对应进口容积流量绘制一系列试验点。过这些点画出光滑的曲线，对于通风机，由于其特性曲线多为抛物线型，所以系统是通过最小二乘法原理拟合曲线。.3.3 多通道采集方案的选择本系统所要检测的参数达20多个，属于多通道数据采集。对于多通道数据采集系统，需要从多方面进行考虑，因此首先需要对几种

43、常见的多通道数据采集系统进行比较分析，以求得适合本系统的多通道采集方案。多通道采样方式有3种：循环采样、同步采样和间隔采样。1 循环采样 这是一种比较传统的多路非同步数据采集方法，通过模拟开关，再通过一个ADC实现对多路信号逐个采集，其系统框图如图2-1所示。所有的通道共用一个S/H和ADC设备。它的缺点是，不能对多个通道进行同步采样。 多路模拟开关计算机A/DS/H模拟信号1模拟信号2定时与逻辑控制模拟信号N图3-1 循环采样这种方法适用在被采集的多路信号之间没有严格的时序关系的时候，并且，由于器件性能的限制，这种方法不适合用来实现对高速信号的采集，也不可实现多路信号的同步采样。2 同步采样

44、此方式用于多个高频、高速数据并行采集，由于方案不采用模拟多路开关，因此避免了多路模拟开关引起的静态或动态误差。方案框图如图2-2所示。从图中可以看出，该系统需要多片ADC芯片来实现多路数据并行采集，各路信号基本上互不干扰，采集速度也可得到明显的提高，但由于使用的芯片较多，导致电路结构复杂，体积庞大，而且价格昂贵。计算机RAMADC采样保持模拟信号1 RAMADC采样保持模拟信号2RAMADC采样保持RAMADC采样保持模拟信号N图3-2 同步采样3 间隔采样 在这种方式下采样频率有一个专门的扫描时钟来控制，通道切换间隔则有一个专门的通道时钟来控制。通道时钟一般要比扫描时钟快。此方式实现了单片A

45、/D实现多路同步采样。如框图2-3所示。采样保持采样保持采样保持多路转换开关A/D计算机模拟信号1模拟信号2 定时与逻辑控制模拟信号N图3-3 间隔采样从图中可以看出:该电路通过多路采样/保持、多路模拟开关、单个A/D实现多路信号同步采样，既能保证多路信号的同步采样，也能应用于高速采样，而且电路结构简单，成本相对较低，但在设计时要注意各通道之间的相互干扰，所以抗干扰技术在此系统中应得以重视。 由以上分析可知，第一种方案无法实现多通道同步采样，第二、三种方案均可实现多路同步采样，但考虑到成本与现实的需要，本系统采用了第三种方案，即间隔采样方式，它具有较高的性价比，同时能满足实际的需要4。3.4

46、数据采集卡各部分的设计 1.A/D转换器的选择A/D转换器是采集通道的核心，也是影响数据采集系统采集频率和精度的主要因素。鉴于本系统所要求的测试信号频率较高，按采样定理的要求，所需要的A/D必须是高速的，这样的高速采集系统所采集的数据才能比较真实的反映被测信号.但随着ADC器件的采样速率的提高，其价格也越来越昂贵，所以在选择ADC器件时，必须权衡性能价格比。在设计中选用的是价格适中的高速A/D芯片一AD1671，它是一种新型的12位A/D转换芯片，用它可以实现单路高达1.25MHz的采样率。AD1671的具体特点与性能将在后面的章节中详细介绍6。2 接口方案的选择目前国内众多数据采集器生产厂家(如北京东方所的DASP、南京