基于LabVIEW的纱线动态张力检测系统 LabVIEW, 张力, 纱线, 动态, 系统

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摘 要：纱线动态张力的检测在纺织生产中有着很重要的意义。本文给出了一种基于LabVIEW的纱线动态张力检测系统。它充分利用虚拟仪器技术的优势，方便的实现了信号的采集和数据的分析与处理。将系统应用于实际的生产过程，已证实能够取得良好的效果，生产的经济效益得到提高。

0 引言

    虚拟仪器是一个新型的概念,是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。它是计算机硬件资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库,处理模块间通讯、定时、触发等功能, 强调在通用计算机平台的基础上, 通过软件和软面板, 把由厂家定义的传统仪器转变为由用户定义的、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现,彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。本系统的研制采用的软件是美国NI （National Instrument） 公司推出的LabVIEW 图形化编程语言，其功能强大、应用便捷，是最成功的虚拟仪器软件。由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能,使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替.因此, 从某种意义上可以说: 软件就是仪器。如今，随着电测技术以及网络技术的发展，虚拟仪器技术必将成为仪器技术发展的主要方向。本文提出的这种新型的张力检测系统——基于虚拟仪器的纱线动态张力检测系统，是虚拟仪器技术在纺织行业的最新的应用，是虚拟仪器技术应用的扩展。能够促进张力检测水平的发展。

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1 系统构成

    基于虚拟仪器技术的张力检测系统与传统的张力检测系统的最大差别在于虚拟仪器的应用。一方面虚拟仪器检测系统利用LabVIEW 的开放性，使得传感器和数据采集设备能够得到充分的应用于合理的配置。对于不同的张力检测对象以及不同的张力检测环境，可以通过编制不同的检测软件和相应的设备组实现。这种柔性组建，高效可靠的虚拟仪器检测系统适用于工业生产的许多环节。另一方面，检测系统通过LabVIEW 强大的数据采集与总线连接库，与测控仪表的智能接口GPIB、USB、VXI、PCI、RS-232 和IEEE-488.2 等实现数据通信。避免用检测仪表直接进行张力检测，可以提高测量数据的准确性与可靠性。虚拟仪器张力检测系统的构成如图1.1 所示。

图1.1

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2 软件设计

    虚拟仪器技术的核心是软件。在继承传统编程语言结构化模块的基础上， LabVIEW 采用数据流程的图形化G 语言编程技术，把复杂费时的软件编程简化为菜单替适合图表连接调用。编制好的各种子程序SubVI 可用图标表示。设定图标中的有关参数，完成图形化程序的初步编辑；连接图标之间表示数据类型的输入输出线段，实现子程序之间的连接与调用。应用规则检查、运行灯亮、断点、探针和单步执行等对程序进调试与调用。基于虚拟仪器的纱线动态张力检测系统软件设计主要包括以下内容。

2.1 张力信号的采集

    在张力检测系统中，数据信号的采集是一个重要部分，信号的采集通过数据采集板完成。本系统采用的数据采集板PCI-6024E 多功能数据采集卡（DAQ），这种低价位卡采用E 系列技术，能够在较大应用范围内带来高的运行效能和稳定的数据采集能力。系统采用了单端16 路模拟输入，1 倍的增益，其性能满足系统的需求。充分利用LabVIEW 中提供的工具和各种子函数模块，并结合DAQ 的硬件优势，不仅实现了信号的准确、快速的采集，而且能做出操作方便，形象逼真的仪器面板。下图为数据采集与测试的子程序短片段测试的前面板。

图 2.1（短片断测试前面板）

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2.2 数字的分析与处理

    利用LabVIEW 进行虚拟仪器系统的另一个好处在于其强大的数据分析与处理功能。LabVIEW 是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。其开发环境下提供的应用程序有180 多种，除了具备其它语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量模板外，内部还包括许多特殊的功能库函数和开发工具库以及多种硬件设备驱动功能。主要有：高级分析函数库、工具箱库、综合时频分析控制箱。

根据系统需要实现的功能，这里主要利用高级分析函数库中的若干函数模块。

    传统的张力测量仪大多只能提供纱线张力的平均值变化情况，只能对纱线的张力给出大致的估量。要得到张力的频域变化情况及其分析结果，必须借助于示波器、频谱分析仪等以及相关的控制和接口电路来实现。一方面，这些价格昂贵的仪表之间的通讯组合，调试、操作与维护麻烦，而且造成测量结果受到更多因素的影响；另一方面，由此造成的成本的上升使许多厂家很难接受。采用虚拟仪器能较好解决这个问题，它可以通过软件来实现这些由硬件完成的功能。以下介绍有关功能的实现。

    在数字处理阶段，要清除噪声等干扰信号，可以运用高级分析函数库中的滤波SubVI 组成滤波器对采集来的数字信号进行滤波处理。运用时域和频域分析SubVI 组成示波器与频谱分析仪，进行时域、频域信号处理。比如使用快速傅立叶变换（FFT）使生成张力变化的频谱图。其变换原理如下。

    如对信号进行N 次采样，将N 次采样的结果DFT 变换的结果也是N 个采样点，但它们位于频域。时域及频域中N 个采样点之间的关系如下：如果采样频率为fsHz，采样时间间隔为△t，满足，

    采样点表示为x[ i ]，其中0≤i≤N-1，对N 个采样点进行傅立叶变换的表达值是：

    输出结果[XK]就是x[ i ]的频域显示。于时域显示类似，频域显示也有N 个采样点，其频率间隔△f满足，

    它是频域显示的相邻谱线之间的频率间隔，也被称为分辨率（frequency resolution）。为提高分辨率，可以增大采样点数（保持采样频率不变）或者减小采样频率（保持采样点数不变）。利用这个函数，再辅以相应的参数，就可实现张力信号的频域显示，得到频谱图或功率频谱。

    同样，可以利用高级分析函数库中的相关数字处理函数生成张力曲线图。另外，运用函数库中的数值分析计算SubVI 得到张力的最大、最小值、平均值、标准方差以及变异系数和张力的频度直方图。当采样的是非整数周期的信号时，为了防止频谱信息丢失，进而导致失真，可以选用恰当的平滑窗口函数，将采集波形的过渡段最小化，从而较少频谱的丢失。

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2.3 测试结果的显示、输出与保存

    根据实际生产的要求，系统不仅需要提供实时显示功能，还要提供了数据、图形及表格打印输出与保存功能。该系统能够方便的实现这些功能，在于LabVIEW 提供的文件I/O 功能函数是一组功能强大、伸缩性强的文件处理工具，可以很好的实现数据的显示、输出与保存这一功能。使用计算机控制，测量结果实时屏幕显示与结果保存很方便。另外，计算机通过与外围设备的连接，使仪器在测试状态和分析状态下均可以打印测试报告，测试报告的表头部分可以自行定义。

2.4 系统错误提示与超标预警功能

    在测试过程中，由于系统内部或者系统外部的原因导致测试系统无法正常运行时，系统出错提示功能启动，可以提供出错信息，指明产生错误的原因，以便对系统进行调试处理。在长片段测量的过程中，以正常工作时的张力范围为指标。一旦张力值持续超出这个指标，以至于影响到后续加工和产品质量时，系统预警功能启动，提示工人进行有关参数的调整，使之恢复
到正常的工作状况。

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3 仪器校核

    对于检测系统而言，测试结果准确与否，与检测仪器本身的精度以及灵敏度有着直接的联系。因此，在仪器投入使用之前，都必须进行校核与调整。该仪器具备校核与调整的功能，而且校核与调整的过程相对简单。正常状况下，仪器的校核调整周期二个月左右。

    仪器的校核包括以下两个过程：零载荷调整，刻度标定。零载荷调整，指在载荷较小（取载荷为最大载荷的10%）的情况下，保证测量值在精度允许的范围内，这个值可以根据选用的传感器的不同稍有差异。另外取载荷为90%的最大载荷值，同样调整仪器使得测量值在误差范围内。而刻度标定则包含一个单位转换的过程，可以将测量值以电压或直接以张力表示。一般，检测工人希望从仪表能够直接得到测量值的大小。在一定的载荷范围内，传感器的线性度可以保证测量的精度，当载荷超出这一范围，传感器的线性度变化较大，以至于不能满足测量精度要求时，必须采用相应的补偿措施，以保证测量的精度。由于它直接关系到仪器的工作的准确性，因而也是整个仪器设计过程中重要的一个环节。

    标定需要通过反复试验确定，采用标准砝码作为载荷对张力传感器进行逐步校核验证，结合产品的测量范围与测量精度完成标定程序。当仪器第一次运行时，一般要求进行仪器校核。测试系统根据正规的操作规范以及调整次序，图文并茂的逐一给出提示，操作人员按照提示可以顺利的完成仪器校核。

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4 结论

    基于LabVIEW 的纱线动态张力检测系统，经过实际应用测试，能够满足高速化纤及纱线的张力检测。由于该系统充分利用虚拟仪器的开放性和图形化模块式编程方式，面向计量测试工程师。根据被测对象的自身特性以及实际工作环境，编制相应的测试、分析处理和控制SubVI系列，并按不同的要求构建虚拟张力检测系统和虚拟张力控制系统，是本系统开发的主要目的。进一步利用LabVIEW 的网络通信功能，结合以数据库为基础的张力检测与控制系统，还可以开发出远程自动化张力检测与控制装置。