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            廣州視覺螺絲機利用LabVIEW虛擬儀器的光纖電流感

            文章出處:廣州視覺螺絲機責任編輯:精電自動化發表時間:2016-08-15 23:17【
            摘要:利用LabVIEW虛擬儀器設計平臺,提出了基于虛擬儀器的光纖電流感測系統廣州視覺螺絲機。發包方越來越傾向于化整為零,即將大訂單分散為小批量訂單,分配給不同的供應商,目的在于能夠縮短供貨時間并且能夠適應變化多端的市場。廣州視覺螺絲機但在搞之前還是來看看新朋友帶給我們的D-4S燃油直噴新技術吧。
            廣州視覺螺絲機

            該光纖電流感測系統利用法拉第效應來感測電流所產生的磁場強度,具有無磁滯、飽和之限制,性能足以滿足電流感測系統,適用于大范圍電流變化值之測量。通過虛擬技術對待測電流的波形亦可直接觀察,并可讀出,可方便進行波形顯示、電流分析、儲存及處理。

              虛擬儀器是充分利用計算機技術,并可由用戶自己設計、定義的儀器。它通常由計算機、儀器模塊和軟件三部分組成,儀器模塊中的數據采集卡、GPIB卡、 VXI模塊等用于信號的輸入輸出。虛擬儀器具有很強的分析處理能力,隨著計算機技術和虛擬儀器技術的發展,用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統觀念正在改變,而用戶自己設計、定義的范圍進一步擴大,同一臺虛擬儀器可在更多的場合使用。LabVIEW是美國NI公司開發的虛擬儀器開發平臺軟件。 LabVIEW有豐富的庫函數和功能模塊,并且可以方便地與Matlab、C等通用編程語言進行通信,以滿足各種需求[1][2]。

              光纖電流傳感器,是為了提供電力工業等使用高電壓電流之企業與工廠,對于持續運作設備需要高度可靠性之需求而發展出來的。光纖電流傳感器從早期使用檢偏器來測量線偏振光對磁場的相位變化量;之后提出使用光纖作為感測電流磁場的組件,但是由于光纖本身對于磁場產生相位變化之系數(費爾德常數)很小,所以直接量測并不夠準確,進而改用干涉式來將相位變化量轉成為光能量變化,從而通過觀察光能量的變化來推算相位變化與電流大小。使用干涉方式將相位信號轉換為光能量變化,而相位變化也從主動解調轉為被動解調,這是因為主動調變比較容易受到影響,而且有能量消耗,藉此減少從主動解調部分產生的噪聲[3][4] [5]。本文所設計的基于虛擬儀器技術的光纖電流是一種新型電流測量系統,它把虛擬儀器技術應用到光纖式電流互感器中,可用于測量母線電流,實時顯示測量信號的參數和波形,可對測量數據進行分析、存儲。

            2.光纖電流感測系統的硬件組成

            圖1基于虛擬儀器的光纖電流感測系統

             

              如圖1所示是整個硬件系統的方框圖。光纖電流感測系統輸出的光纖干涉信號經過光電轉換電路變成電信號,再由數據采集卡收集信號數據傳輸到虛擬儀器的軟件系統。

              2.1光纖電流感測基本原理

              在本文光纖電流感測系統中,是利用法拉第(Faraday)效應來感測電流所產生的磁場強度。所謂法拉第效應就是電磁波經過一個磁場時,若磁場方向與光的傳播方向平行,電磁波會因為磁場的影響,產生出射的線偏振光的偏振平面相對入射偏振光的偏振平面的旋轉,而且此偏振光的偏振平面的旋轉量與磁場強度和電磁波在磁場中行進距離成正比。而磁場對電磁波的這種影響稱為法拉第效應,這種影響是電磁場固有的特性,由物理學家法拉第發現,并由此命名。

              因此在系統中,我們將光纖纏繞在待測電流上,使光纖與磁場方向互相平行,使有效的法拉第效應最大,由于光也是電磁波,所以光在磁場中會受法拉第效應影響產生相位旋轉,而根據旋轉的量,可以計算待測磁場的大小。在此系統中,是利用電流來產生磁場,傳播的線偏振光的偏振方向所發生的總的偏轉角為:

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              這里V為光纖的費爾徳常數,l為受法拉第效應影響的光纖長度,而Hl為平行光纖行進方向的磁場分量。根據安培定律以光纖環狀纏繞待測電流,公式(1)經過環積分運算為

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              N為光纖纏繞圈數,i為待測電流強度,因此θF為光纖纏繞圈數與待測電流的函數。

              從上面分析可知,在閉合光路的條件下,通過光纖并環繞截流導線的線偏振光的偏振角的變化,與光纖所圍的電流成正比。

              2.2光纖電流感測光路系統

             

            圖2光纖電流感測光路系統

             

              光纖電流感測光路如圖2所示,由激光接上光隔離器、光消偏振器、光循環器、光偏振器、四分之一波長板、法拉第旋轉器、感測頭、法拉第反射鏡組合而成。在激光輸出端,通常都會接上一個光隔離器,光隔離器是只允許光波單方向傳輸組件,常使用在光源后面,其功能是避免反射的光波回到激光的共振腔,而影響激光的正常操,甚至燒毀激光。激光輸出的光既不是純粹偏振光,也不是非偏振光,而是有殘余部分偏振狀態偏振光。由于這樣的偏振光偏振方向并不固定,因此直接通過光偏振器產生的線性偏振光能量也會隨著通過之偏振光與光偏振器之夾角而變化。為了要避免這種光能量因偏振光與光偏振器之角度變化產生光功率變化的情況,在系統中使用消光偏振器來消除激光的偏振狀態,從而產生一個無偏振狀態的光源,對于各個方向都含有相同的能量,在經過光路后光偏振器而產生穩定之偏振光,從而使系統響應信號的強度噪聲降低。光循環器是利用法拉第原理,使得光在光纖路徑上不會相互的耦合,具有單向傳輸的特性,并且具有隔離器的功能。系統中的光偏振器的作用是產生線性偏振光,并且產生四十五度角分光,使兩道光在X方向與Y方向中行進,并且在偏振保持光纖中X方向與Y方向具有相同光能量;而四分之一波長板是將線性偏振光轉換成左旋圓偏振光與右旋偏振化光。對電流的感應是在光纖感測頭部分,此系統中的感測頭為將光纖以相同距離纏繞電流上,這是希望光纖上每一點都對磁場有相同的相位變化,而且每一點所產生的彎曲損耗也都相同。最后使用法拉第反射鏡,將光予以反射,法拉第反射鏡可以將光旋轉九十度,從而對于在不同路徑上行走的光,旋轉九十度而達到交換路徑,而達到補償溫度或是振動造成的光纖折射率之緩慢變化。

              光經過光隔離器,光解偏振器,光循環器,光偏振器,四分之一波長板,感測頭,法拉第反射鏡之后在反向經過光纖電流感測頭,四分之一波長板,光偏振器,完成一個回路;在光偏振器的地方產生干涉,由光電轉換電路將干涉光轉成電信號之后,在進行信號分析。

            3.光纖電流感測虛擬軟件系統

              本光纖電流感測系統的虛擬軟件采用NI公司的LabVIEW開發平臺,用圖形化語言,根據需要編寫相關的驅動程序使其于計算機通信,然后將相關的圖形或圖標進行連接,選擇合理的方法及參數就可以構成一種新的虛擬儀器。軟件系統具有良好的人機界面,操作簡單方便。LabVIEW是一種基于圖形編程語言(G語言)的開發環境。它與C、Pascal、Basic等傳統編程語言有著諸多相似之處如,相似的數據類型、數據流控制結構、程序調試工具,以及層次化、模塊化的編程特點等。但二者最大的區別在于:傳統編程語言用文本語言編程;而LabVIEW使用圖形語言(即,各種圖標、圖形符號、連線等)以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無需具備太多編程經驗,因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的術語和圖標,如各種旋鈕、開關、波形圖等,界面非常直觀形象,因此LabVIEW對于沒有豐富編程經驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。

              3.1虛擬軟件系統功能

              本虛擬軟件將有關測試功能集成在一個面板上,這里著重介紹LabVIEW的框圖程序設計??驁D程序是虛擬儀器的核心部分,虛擬示波器儀器主要由它來完成數據的采集、處理和顯示。本系統框圖程序主要包括數據采集、波形顯示、參數測量、頻譜分析和波形存儲及回放等5大功能模塊,如圖3示。

            圖3光纖電流虛擬軟件測量系統

             

              3.1.1數據采集模塊

              LabVIEW完整地集成了與GPIB、VXI、RS-232、RS-485和內插式數據采集卡等硬件的通信內置程序庫,提供了大量的連接機制,通過 DLLs、共享庫、OLE等途徑實現與外部程序代碼或軟件系統的連接。本系統直接調用LabVIEW的端口操作圖標InPortvi和 OutPort.vi進行編程。這兩個函數存放在功能模塊的Advanced子模板的下一級模板Memor模板中,分別完成從設備的物理地址直接讀取和輸出數據的功能。只要清楚數據采集卡每個信道的物理地址,通過對InPort.vi和OutPort.vi的端口參數設置,可以很方便地實現 LabVIEW驅動控制數據采集卡進行數據采集。這里我們采用PCI21200數據采集卡。該模塊采樣頻率可以在1Hz到250MHz之間調節,時基即水平方向每格代表的時間可以在每格4ns(4ns/Division)到每格20000s(20000s/Division)之間變化。


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