作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-11-08

機(jī)電系統(tǒng)將電機(jī)、壓縮機(jī)、泵、傳感器、執(zhí)行器和控制電子裝置等設(shè)備的電氣和機(jī)械組件組合在一起，廣泛用于制造、航空航天、汽車、醫(yī)療和機(jī)器人等領(lǐng)域。這些設(shè)備必須進(jìn)行電氣和機(jī)械試驗(yàn)和監(jiān)控，才能確保正常運(yùn)行。

為了獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，所使用的必要設(shè)備必須與受試設(shè)備和試驗(yàn)方法或程序兼容。試驗(yàn)設(shè)備必須能處理多個(gè)模擬和數(shù)字輸入/輸出 (I/O) 通道，以對這些設(shè)備進(jìn)行測量和控制，同時(shí)還要配套像計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和電源這樣的基本測量儀器。試驗(yàn)儀器必須與集成軟件配合使用，才能提供測量、實(shí)時(shí)顯示和詳細(xì)報(bào)告。

選擇和整合執(zhí)行這些試驗(yàn)所必需的硬件和軟件既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。為了幫助設(shè)計(jì)人員，我們開發(fā)了模塊化 USB 數(shù)據(jù)采集儀器，這些儀器結(jié)合了最先進(jìn)的技術(shù)和廣泛的軟件試驗(yàn)工具，可對最復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文首先介紹機(jī)電設(shè)備試驗(yàn)設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)，然后介紹 [NI] 的 [mioDAQ] 儀器，并展示如何將其用于簡化標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電試驗(yàn)，以加快開發(fā)和部署。

機(jī)電試驗(yàn)

我們先看看一個(gè)簡單的電機(jī)試驗(yàn)臺，它包括安裝在試驗(yàn)夾具上的電機(jī)，電機(jī)與懸掛在兩個(gè)軸承座之間的負(fù)載相連（圖 1）。試驗(yàn)臺由電機(jī)控制器控制，該控制器會(huì)根據(jù)電壓控制電機(jī)的速度。該裝置使用一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)速計(jì)來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并使用三個(gè)加速計(jì)測量內(nèi)軸承座上 X、Y 和 Z 方向的機(jī)械振動(dòng)。

圖 1：圖中所示為電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)臺，它使用光學(xué)轉(zhuǎn)速計(jì)測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并使用加速計(jì)沿內(nèi)軸承座的三個(gè)正交軸測量與電機(jī)相關(guān)的振動(dòng)。（圖片來源：NI）

試驗(yàn)臺的目標(biāo)是確定振動(dòng)峰值和發(fā)生振動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)程序涉及線性改變電機(jī)速度，同時(shí)監(jiān)測振動(dòng)水平并記錄兩者。

進(jìn)行這項(xiàng)試驗(yàn)需要各種儀器。首先，需要模擬測量通道來監(jiān)控和記錄三個(gè)加速計(jì)的輸出。另一個(gè)模擬通道必須監(jiān)控轉(zhuǎn)速計(jì)，以測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂齐姍C(jī)速度需要模擬輸出電壓。數(shù)字信號輸出提醒電機(jī)控制器開啟或關(guān)閉電機(jī)。另一個(gè)數(shù)字信號輸出可用于選擇電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

因此，最簡單的電機(jī)試驗(yàn)至少需要四個(gè)模擬輸入、一個(gè)模擬輸出和兩個(gè)數(shù)字輸出。較復(fù)雜的試驗(yàn)可能會(huì)增加另外的振動(dòng)傳感器、溫度傳感器（如熱電偶）和壓力傳感器等。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

機(jī)電試驗(yàn)需要一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DAQ)，其中包括用于測量和控制的 DAQ 設(shè)備、計(jì)算機(jī)和支持軟件。NI USB-6400 系列是 NI mioDAQ USB 數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為用戶提供四種 USB DAQ 設(shè)備選擇，可以滿足這一需求（圖 2）。

| | MIODAQ 型號 | USB-6421 | USB-6423 | USB-6451 | USB-6453 |
| --------------------------- | ---------------------- | ---------------------- | ----------------------- | ------------------------ |
| 零件編號 | 789887-01 | 789882-01 | 789888-01 | 789884-01 |
| 模擬輸入通道（單端/差分） | 16/8 | 32/16 | 16/8 | 32/16 |
| 最大采樣率 | 250 kS/s（1 個(gè)通道） | 250 kS/s（1 個(gè)通道） | 1 MS/s/ch（8 個(gè)通道） | 1 MS/s/ch（16 個(gè)通道） |
| ADC 數(shù)量 | 1 | 1 | 8 | 16 |
| 同步* | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 分辨率 | 16 位 | 16 位 | 20 位 | 20 位 |
| 模擬輸出通道 | 2 | 4 | 2 | 4 |
| 數(shù)字輸入/輸出通道 | 16 | 16 | 16 | 16 |
| 計(jì)數(shù)器 | 4 | 4 | 4 | 4 |

圖 2：本表匯總了 mioDAQ USB-6400 系列中四種設(shè)備的特征。（圖片來源：NI）

mioDAQ 系列為試驗(yàn)工程師提供了四種 DAQ 設(shè)備配置選擇：

• 16 或 20 位振幅分辨率，最大滿量程輸入為 ±10 伏特
• 250 千次采樣/秒 (kS/s) 多路復(fù)用采樣率或 1 兆次采樣/秒（MS/s）采樣率
• 輸入通道按 16 或 32 個(gè)單端 (SE) 或 8 或 16 個(gè)差分 (DI) 通道排列
• 兩個(gè)或四個(gè)輸出通道，電壓范圍為 ±10，用于控制、模擬或信號生成

所有型號均由 USB-C 端口控制和供電，包括 16 條數(shù)字 I/O 線路和 4 個(gè) 32 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。它們還使用 100 兆赫 (MHz) 板載時(shí)基，驅(qū)動(dòng)所有數(shù)字電路，包括采樣時(shí)鐘、觸發(fā)器線路和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。每種通道類型都有一個(gè)基于板載時(shí)基的獨(dú)立定時(shí)引擎。模擬輸入和輸出通道以及數(shù)字 I/O 線路的定時(shí)可設(shè)置為不同的速率。NI mioDAQ USB 設(shè)備還包括通過控制軟件進(jìn)行的自校準(zhǔn)功能，可啟動(dòng)自校準(zhǔn)并使用多變量校準(zhǔn)方程補(bǔ)償環(huán)境和系統(tǒng)變化，從而實(shí)現(xiàn)快速校準(zhǔn)，且不會(huì)出現(xiàn)明顯的處理延遲。生成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在機(jī)載 EEPROM 中。

mioDAQ 設(shè)備的另一項(xiàng)功能是智能 ID 引腳，可為試驗(yàn)臺添加智能。智能 ID 引腳與用戶提供的單線 EEPROM 通信，以讀取受試設(shè)備 (DUT) 的信息，并確保電纜插入正確的端口。該引腳節(jié)省了試驗(yàn)臺安裝時(shí)間并減少了誤差。

具體數(shù)據(jù)采集設(shè)備有四種型號可供選擇。[USB-6421] (789887-01) 是最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。它使用單個(gè)多路復(fù)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供 16 個(gè) SE 或 8 個(gè) DI 通道，采樣率最高 250 kS/s，并包括兩個(gè)模擬輸出通道。

[USB-6423] (789882-01) 將多路復(fù)用通道數(shù)量增加一倍，達(dá)到 32 SE 或 16 DI，并將模擬輸出能力增加到 4 個(gè)通道。

[USB-6451] (789888-01) 將 ADC 數(shù)量增加到 8 個(gè)。它還將 ADC 分辨率提高到 20 位，最大采樣率提高到 1 MS/s。它提供 8 個(gè)同步采樣通道，在多路復(fù)用模式下最多可達(dá) 16 個(gè)通道。

[USB-6453] (789884-01) 提供了最重要的功能；它將 20 位 1 MS/s ADC 的數(shù)量增加了一倍，達(dá)到 16 個(gè)，并將同步采樣的最大通道數(shù)增加到 16 個(gè)，在多路復(fù)用采樣模式下可增加到 32 個(gè)。

所有四種型號都安裝在一個(gè)寬 177 mm、高 30.4 mm、深 116.7 mm 的機(jī)箱內(nèi)（圖 3）。

圖 3：所示為 USB-6400 系列中的 USB-6453（左）及其前面板（右上）和后面板（右下）全貌。（圖片來源：NI）

通過前面板可以連接所有模擬和數(shù)字信號。連接時(shí)使用兩個(gè) 36 位前端安裝彈簧端子連接器，接受 #26 AWG 至 #16 AWG 電線。彈簧端子連接器配套提供消除應(yīng)力的底殼。內(nèi)置冷端補(bǔ)償 (CJC) ，用于熱電偶測量。

mioDAQ 設(shè)備包裝內(nèi)含背面和側(cè)面的拉鏈安裝孔以及背面的 USB 鎖定螺絲，用于快速固定電纜和集成儀器。提供可選安裝套件，可用于將設(shè)備固定在 19 英寸機(jī)架或 DIN 導(dǎo)軌上，水平或垂直方向均可。

mioDAQ 使用二維碼，說明文檔隨掃即查，永不丟失。用戶掃描模塊背面的二維碼，可快速訪問用戶手冊、規(guī)格、引腳分布以及下載控制和分析軟件及驅(qū)動(dòng)程序的鏈接。

通道規(guī)格

最多可提供 32 個(gè)模擬輸入通道，最大滿量程范圍為 -10 V 至 +10 V，分辨率為 16 位或 20 位，最大采樣率為 250 kS/s 或 1 MS/s（取決于型號）。較低的 -0.2 V 至 +0.2 V、-1 V 至 +1 V 和 -5 V 至 +5 V 范圍可將輸入信號與輸入范圍相匹配，以優(yōu)化動(dòng)態(tài)范圍。

模擬輸出的電壓范圍為 -10 V 至 +10 V，每個(gè)通道的時(shí)鐘頻率為 200 kS/s。它們可以產(chǎn)生非周期性或周期性波形，以生成模擬控制信號或模擬傳感器。

數(shù)字 I/O 線路可獨(dú)立設(shè)置為輸入或輸出。它們可通過 5、3.3 或 2.5 伏的邏輯電壓閾值進(jìn)行編程，并可將外部時(shí)鐘或觸發(fā)信號輸入設(shè)備或驅(qū)動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。

DAQ 軟件

mioDAQ 設(shè)備可使用多種軟件工具進(jìn)行控制，包括 NI 的 LabVIEW、LabVIEW+、Python 和 NI 的 [FlexLogger] 記錄軟件。NI 的 [NI-DAQmx] 驅(qū)動(dòng)程序支持使用 C/C++、C#、VB 6.0 和 VB.NET 進(jìn)行自定義編程，并包含用于 DAQ 操作的編程示例和庫函數(shù)。

FlexLogger 是一個(gè)免代碼軟件工具，可讓試驗(yàn)工程師控制、查看和保存來自 DAQ 設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。它允許對測量值設(shè)置限值，同時(shí)對超出范圍的情況發(fā)出警報(bào)，并允許使用內(nèi)置處理工具對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。免費(fèi)的 FlexLogger Lite 用于手動(dòng)數(shù)據(jù)記錄和 NI DAQ 硬件設(shè)備的基本操作。如圖 4 所示為 USB-6421 的通道設(shè)置示例。

圖 4：所示為 USB-6421 的 FlexLogger Lite 通道設(shè)置視圖，包括模擬輸入、模擬輸出和數(shù)字 I/O 設(shè)置。（圖片來源：Art Pini）

模擬輸入通道可配置來讀取三軸振動(dòng)數(shù)據(jù)以及壓力、溫度和聲級測量值。每個(gè)輸入都按比例縮放，以便按照測量結(jié)果適合的單位讀取信號。模擬輸出可產(chǎn)生 5 伏和 3.3 伏功率電平，數(shù)字 I/O 可讀取兩個(gè)數(shù)字輸入。

FlexLogger 是一個(gè)功能更全面的程序，用于自動(dòng)試驗(yàn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)分析。它允許通過添加圖表、數(shù)字指示器和量表來定制用戶界面可視化工具。圖 5 顯示的是電機(jī)（見插圖）試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

圖 5：所示為電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的 FlexLogger 視圖。（圖片來源：NI）

上部格線中顯示的是三個(gè)加速計(jì)和一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)的波形。加速度數(shù)據(jù)是相對時(shí)間的標(biāo)定振動(dòng)水平，單位為 g。右下角刻度盤中顯示的是轉(zhuǎn)速計(jì)讀數(shù)，以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (RPM) 為轉(zhuǎn)速測量單位。在下部圖表中，顯示的是振動(dòng)水平與頻率的關(guān)系，并對振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了快速傅立葉變換 (FFT)（提供的一個(gè)信號處理工具可用來進(jìn)行這種變換處理）。

結(jié)語

NI mioDAQ 設(shè)備融合了現(xiàn)代的測量技術(shù)和簡便的用戶體驗(yàn)。試驗(yàn)工程師可以使用 mioDAQ 設(shè)備并配套像 NI FlexLogger 這樣的免編程軟件或如 NI LabVIEW 之類屢獲殊榮的系統(tǒng)軟件，構(gòu)建復(fù)雜的機(jī)電試驗(yàn)系統(tǒng)，以滿足較復(fù)雜的試驗(yàn)要求。

審核編輯 黃宇