基于网络的多功能转子实验台
虚拟实验系统
王卓君， 王书茂
（中国农业大学工学院 北京 100083）
摘要：本文主要讨论了虚拟仪器在转子实验台实验中的应用，给出了转子实验台实验系统硬
件和软件的实现方法，同时利用网络技术，使用LabVIEW 中通讯功能模块搭建计算机远程实
验系统。
关键字： 虚拟仪器 LabVIEW 转子实验台 远程实验
1. 引言
多功能转子实验台主要应用于教学表演和动态试验的研究， 通过配置振动、转速、噪
声、位移等等机械参量测量的传感器，综合应用工程测试中学到的诸多知识。可以完成振动
测量试验、转子动平衡试验、位移测量和轴心轨迹测量试验 、噪声测量试验等等， 以往的
转子实验台测控主要依靠传统仪器，成本高、操作复杂繁琐、也不能保证精度，充分发挥虚
拟仪器的“软件就是仪器”的作用，将仪器的各个功能模块编写为各种虚拟的测试仪器，完
成测试任务，随着 Intnet/Iranet 技术及快速发展，构建基于网络的实验系统开展远程教育和
研究是一种有益尝试,试验台完全由计算机管理和控制，远程异地用户可通过计算机网络访
问，进行工程测试、振动分析、故障诊断、试验台控制等方面的研究。
2. 虚拟仪器及其开发环境
虚拟技术是计算机技术和仪器技术相结合的产物，是在通用计算机平台上定义和设计仪
器的功能。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理的能力，
提供对测量数据的分析和显示功能,将原来需要使用硬件的设备完成的测试功能转化为使用
计算机软件的方法来解决，即所谓“软件就是仪器”的测控理念。虚拟仪器可集成于自动控
制 ﹑工业控制系统和构建专用的仪器系统，与传统仪器一样具有三大功能：信号的采集与
控制﹑信号的分析和处理﹑结果的表达和输出。近年来虚拟仪器技术发展得非常迅速，主要
是由于和传统的仪器相比，它有着巨大的优势，主要体现在以下几个方面：
1）功能主要有软件决定，用户可以自己定义。
2）数据存储 、分析 、处理能力强，数据显示多样化，交互好。
3）易于扩展，容易升级。
4）系统硬件单元更新换代容易进行。
计算机技术的迅速发展和高性能的计算机价格不断降低促进了虚拟仪器的发展和推广
应用，随着计算机技术和网络技术的不断发展， 建立基于网络的虚拟仪器实验室，不仅可
以帮助工程技术人员科学研究工作者掌握设计虚拟仪器的技能，还能配合教学，培养学生的
工程实践能力。
目前流行的虚拟仪器开发环境是图形软件开发环境，有 VB﹑HPVEE﹑LabVIEW ﹑
LabWindows 等，本系统的开发环境选用美国 NI 公司的 LabVIEW， LabVIEW 是基于图形
化编程的开发环境，具有形象直观﹑集成度高等特点；使用“所见即所得”的可视化技术建
立人机界面，提供大量的仪器面板的控制对象；LabVIEW 软件包中包含功能强大的数据采
集分析和表达的能力，用户可以在该平台上实现一个完整的解决方案；同时具有一些专用程
序开发工具箱，可以在源代码中设置断点单步执行源代码，连线上设置探针，动态执行程序
观察程序运行过程中数据流的变化。为了构建给予网络的测控系统，LabVIEW 提供了多种功
能强大的工具和方便灵活的方法，如：DateSocket 技术 Web 服务器技术和 TCP 协议编程。
3. 测控实验系统方案设计[1]
测试系统主要由传感器﹑信号调理设备﹑数据采集卡﹑计算机及相应得测控软件组成，
可以根据不同的目的，选择不同的传感器和不同的数据处理方法，进行各种研究和实验，本
试验的测控系统框图如下：
振动、 位移、转速
传感器
信号
调理
数
据
采
集
卡
电机电源控制转子实验台
速度指令PWM 转速控制
计算机
数据处理
数据存储
数据显示
系统的硬件配置
硬件是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是产生被测信号，传输和显示测量结果，
实现对现场参数的控制，轴承转子实验系统硬件主要包括四部分：多功能转子实验台﹝带有
直流伺服电机﹞、PC 机和数据采集设备、各种传感器设备、电源控制设备 。
多功能轴承转子实验台为测控对象，本系统采用 ZHS-1 系列多功能转子试验台， 轴承
座上设计有传感器安装位置便于轴承根部的振动测量。另外设计有传感器支架，对不同位置
的振动信号进行测量。根据试验台的要求和传感器的特点，试验台采用非接触式涡流传感器
测量转动部件的位移振动。涡流传感器是一种非接触式的位移传感器，具有灵敏度高，线性
范围大，频率范围宽(DC-10kHz)，结构尺寸小，抗干扰能力强和不受介质影响等优点。适用
于测试旋转机械轴振动、轴位移等。HZ-8500 传感器系统由探头﹑延长电缆和前置器组成，
前置器的输出信号包含一个直流信号，设计一个高通滤波器可将直流信号滤掉。一般安装调
整时使探头处在线性中点处，从而使得所测振幅线性度较高。采用 YD-37 加速度传感器配
以电荷放大器将振动加速度值转化为电压值输入数据采集卡， 压电式加速度传感器在振动
测试领域中应用广泛，可以测量各种环境中的振动量。采用 YD-37 加速度传感器配以电荷
放大器将加速度值装化为电压值输入数据采集卡，
电动机电源的控制，通过计算机驱动固态继电器完成。固态继电器是一种全部由固态
电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件的开关特性，可达到无触点无火花地
接通和断开电路的目的。PWM 转速控制器实现对实验台转速的精确控制， 即通过改变直
流电动机上的电压的占空比开改变电压的大小，从而控制电机的转速。
转速测量和控制
机械转轴转速的测量是试验中不可缺少的参数。本系统采用齿盘测试法测量转速，即
将有 m 个齿的圆盘固定在被测转轴上，光电传感器固定在齿盘外缘，传感器产生的输出电
压频率为 f=nm/60,则转速 n=60f/m。转速是由传感器采集脉冲， 由数据采集卡上的计数器
计数，计算得到电机转速。
电动机 转速控制器 D/A
转速 计数器
计
算
机
开 始
传 感 器 数 据 采 集
脉 冲 计 数
C o u n te r
计 算 电 机 转 速
结 束
中 止
N
Y
电机转速控制
电动机的转速是由控制器来控制的，控制器的转速指
令可以由计算机给定。经过 D/A 转换后，输出 0V-5V 之间
的直流电压信号，将此电压接到脉宽直流调速器的 T01-09
和 T01-10 端子上，就可驱动电机按给定转速运转。再将转
速信号经计数器计数反馈给计算机，与给定信号进行比较后
再将控制信号送给脉宽直流调速器，从而达到较高的调速精
度。程序流程图如右图所示：
在电气传动系统中常用的控制器有：PID 控制器、双模控制器等。PID 控制是连续控制
系统中技术成熟，应用广泛的一种方法。由于已形成典型结构，且参数整定方便，结构改变
灵活，对于难得得到精确数学模型的对象也具有较满意的适应性；同时，由于计算机具有快
速、灵活多样的逻辑判断以及高效的信息加工能力的特点，在实现 PID 控制时，可以对 PID
控制器进行多种改进，形成多种多样的数字 PID 控制器，因而在电气控制领域 PID 控制器
的使用很普遍。
振动信号分析和轴心轨迹的测量
机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、
润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。
为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都
离不开振动测试。 通过振动量的测量可以对转子进行有关动力学分析。LabVIEW 高级信号
分析工具包包含了了数字滤波频谱分析﹑小波分析﹑时频分析﹑相关分析等高级信号分析
和处理功能，利用它可以大大增强系统试验结果分析的准确性和全面性。 轴心轨迹测量也
是转子实验台的重要的测量项目，轴心轨迹可以直接反映出轴承的运行状况，从轴心轨迹
的曲线形状可判断轴承液体润滑情况，诊断轴承损坏原因，进而进行改进设计。
用 LabVIEW 内置的函数就可以代替传统的的示波器，频率计等，振动分析的程序流程
如下图所示：
加窗
轴心轨迹测量
数字滤波
频谱分析
积分 积分 数据采集
测控实验系统的软件系统
软件系统的主要功能包括 4 个部分，即数据采集和显示、信号分析、转速测量和控制、
电源控制，数据采集完成对 X 轴、Y 轴位移及基座振动量的测量并在前面板上形象的显示
测量结果，该功能通过插入 PCI 插槽的 DAQ 卡来完成;信号处理包括振动信号分析和轴心轨
迹测量， LabVIEW 软件有专门的信号分析工具包， 可以有效的对信号进行各种分析；转
速测量通过光电传感器获得计数脉冲，通过 PID 控制工具包和转速设定值比较， 再由 D/A
输出控制指令，此功能模块可实现用户转速设定及转速的精确控制；电源控制通过数字 I/O
对电机电源﹑实验台灯光进行控制，来启动和停止电机的工作，打开和关闭实验台的灯光。
转子实验台测控系统
数据采集 信号处理 转速测量和控制 电源控制
4. 远程实验的开发[2]
B/S 浏览器/服务器是以 Webserver 为中心，采用 TCP/IP 技术， 以 HTTP 为传输协议，
客户端通过浏览器访问 Web，它是在 C/S 客户/服务器模式基础上演化而来的，C/S 模式中
客户端必须安装相应得应用程序，并开发客户端采集程序和数据远程发布的程序，而 B/S
模式简化了客户端软件，客户端只需要安装一个浏览器，就可以远程测控试验现场，它的所
有开发﹑维护﹑升级工作都集中在服务器上。下图是测控系统 B/S 模式的结构：
通过Labview 的web服务器，可以在网络上发布labview 前面板图像供本地后远程计算
机浏览， 使用访问HTML文件的方法可以安全快捷地进行程序的远程控制。在web上发布
labview首先在发布程序的计算机上打开web服务器，打开与设置web 服务器的方法是使用菜
单命令Tools Options，在对话框中选择Web Server 设置选项。创建HTML文件用Tools Web
客户机 客户机
转
子
实
验
台
PWM 电机控制器
数据采集卡
测控服务器
Internet
Intranet
客户机 客户机
publishing Tool，设置各参数，将配置后的网页保存为一个文件， 就可以得到该文件的网络
路径﹝如下图﹞,在客户端通过浏览器访问该网络路径就可以在本机上远程浏览或设置现场
服务器的前面板的参数，达到远程监控和实验的目的。需要说明的是，通过浏览器访问的
VI必须在现场服务器的内存中，而且要打开WEB服务器，通过Web Server：Browser Access 设
置允许访问Web服务器的计算机IP地址或计算机名[3]。
5 系统实例
本系统在开发实践中具体进行了一下几个方面的远程实验。转子实验台实验系统的
人机界面如下图：其中主要功能：在 web 浏览器上输入 URL 地址，就可以异地远程采集数
据并对所测数据进行各种分析，同时形象的显示转子振动量数据及其频谱分析数据。并对用
户给定的转速利用 PID 控制算法进行精确控制，通过软件面板，用户可以简单的下达命令
以启动和停止电机的工作，点亮和熄灭实验台的灯光。以下为测控程序及频谱分析的前面板。
6 结论
文中通过对转子实验台实验系统的详细论述，充分体现了虚拟仪器的优势， 和传统仪
器相比，虚拟仪器的使用有很多优点。它也将在科研、测控系统等领域发挥越来越重要的作
用，同时本系统研究和实现了远程监控，软件开发环境Labview的远程面板功能可以方便的
在web上发布Labview程序，以实现测控数据的共享。在实验教学上应用虚拟仪器技术和网
络技术具有广阔的前景，它必将促进教学观念和教学形式的变革[4]。
参考文献：
[1] 杜双伯，韩九强.。 网络环境下小型多功能转子实验台的远程测控系统. 测控技术,2002.
[2] 杜玉玲，文西芹. 。 基于 B/S 模式的远程虚拟实验室的开发. 现代教育技术 , 2004.
[3] 雷振山。 LabVIEW 7 Express 实用技术教程. 北京：中国铁道出版社，2004.
[4] 贾惠芹，刘君华。 基于 www 的细腻仪器实验室的研制. 计算机应用，2002.
Remote Experiment System of Multi-functional Rotor
Tester Based on Network
ZhuoJun WANG， ShuMao WANG
（Department of Engineer Chine Agriculture University, Bei-jing ，100083）
Abstract
This paper mainly desctibes the application of virtual instrumentation techniques on a bearing
rotor ,giving the method to implement the hardware and software in the measurement and control
system.. the network technology and communication modules carriedin labview were used to
configure the remote computer monitorint and control system..
Key Words：Virtual Instrumentation LabVIEW Rotor Remote experimentation
作者简介：王卓君：女。1976 年 9 月出生。硕士研究生。主要研究方向是虚拟仪器、计算
机测控。
引言
虚拟仪器及其开发环境
测控实验系统方案设计[1]
系统的硬件配置
转速测量和控制
振动信号分析和轴心轨迹的测量
测控实验系统的软件系统
远程实验的开发[2]
参考文献：
