【正文】 構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器購買和維護(hù)費(fèi)用[7]。（4）開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（2）突出“軟件就是儀器”的新概念。在虛擬儀器所取代的儀器中，最常見的是示波器。圖1 虛擬儀器系統(tǒng)資料來源：[DB/OL].. 虛擬儀器的功能及特點(diǎn)虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。頻域分析是數(shù)字信號處理中最常用、最重要的方法，頻域分析函數(shù)被劃分為兩個(gè)面板，一個(gè)是變換面板，該面板實(shí)現(xiàn)的函數(shù)功能主要有傅里葉變換、小波變換、拉普拉斯變換等，另一個(gè)是譜分析面板，該面板所包含的函數(shù)主要包括功率譜分析、聯(lián)合時(shí)域分析等[6]。研究方法：（1）信號模擬：利用LabVIEW圖形化控件模擬傳感器采集信號過程。但許多生產(chǎn)過程都具有危險(xiǎn)性，而且作為學(xué)生，目前還沒有條件到工廠中了解整個(gè)過程。首先，在一臺計(jì)算機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀器的功能，大大節(jié)約了儀器成本。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。各級學(xué)校也要抓住機(jī)遇，充分利用虛擬儀器的強(qiáng)大功能開創(chuàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新局面[5]。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。此外，國內(nèi)已有幾家企業(yè)正在研制基于PC的虛擬儀器。從九十年代中期以來，國內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)：清華大學(xué)、上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。然而，虛擬儀器產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢不容樂觀。虛擬儀器概念的核心是以計(jì)算機(jī)為儀器的硬件支撐，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與計(jì)算機(jī)融為一體，構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)[2]。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；檢測技術(shù)；傳感器技術(shù) 1 導(dǎo)言 現(xiàn)代檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和未來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代檢測系統(tǒng)越來越復(fù)雜，需要測試的數(shù)據(jù)量也越來越大，對測試的速度、精度、實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)可信度、完整性以及測試系統(tǒng)的可靠性、智能化、開放性等的要求也越來越高。本文對LABVIEW作了簡要介紹，論述了常見信號的產(chǎn)生、采集、處理等，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了傳感器模塊以及信號的模擬采集、信號測量、頻譜分析、時(shí)域分析和頻域分析等模塊?；贚abVIEW《現(xiàn)代檢測技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺設(shè)計(jì)自動化052班：張 鵬 指導(dǎo)教師：姚素芬內(nèi)容摘要：近年來高校的大幅度擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)急劇增加，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)的需要?！冬F(xiàn)代檢測技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺包括虛擬實(shí)驗(yàn)室、常用傳感器介紹以及傳感器原理FLASH動畫演示。因此傳統(tǒng)的儀器測量和智能化的儀器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測量技術(shù)的需要，虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)儀器的局限。虛擬儀器在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)十分普及。虛擬儀器是隨著傳統(tǒng)電子測控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)不斷發(fā)展、不斷完善而產(chǎn)生的一項(xiàng)綜合性結(jié)構(gòu)化電子測量與控制技術(shù)。近幾年來這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，價(jià)值32億美元[4]。 研究的背景和意義近年來各大高校紛紛擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)急劇增加實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模難以滿足需要，實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)較少的情況下，如果大量增加常規(guī)化儀器、儀表的配置，學(xué)校財(cái)力難以支付。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)靈活強(qiáng)大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過一組軟件和硬件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所不具備的基礎(chǔ)上形成虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。其次，傳統(tǒng)儀器維護(hù)費(fèi)用高，需要耗費(fèi)大量的人力物力。在這種情況下，過程控制平臺的開發(fā)就具有了一定的意義，通過這個(gè)系統(tǒng)，可以讓同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中通過操作計(jì)算機(jī)仿真軟件了解整個(gè)過程，運(yùn)行機(jī)制。（2）信號調(diào)理：LabVIEW函數(shù)選板上提供了很多信號處理函數(shù)，利用這些函數(shù)可以方便地對信號進(jìn)行濾波，加窗等分析處理。2 系統(tǒng)開發(fā)工具概述 虛擬儀器概述虛擬儀器（virtual instrument）是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺單個(gè)儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測量、電力工程、醫(yī)療、溫度檢測、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷用教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。通過利用虛擬儀器開發(fā)軟件編制出的虛擬儀器程序，用戶可以調(diào)整數(shù)據(jù)采集板的動作，使軟件就像一臺示波器一樣顯示輸出的波型，同時(shí)虛擬示波器還可以進(jìn)行許多分析工作。傳統(tǒng)儀器的某些硬件在虛擬儀器中被除數(shù)軟件所代替，由于減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使儀器的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，生產(chǎn)、維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用降低。 虛擬儀器技術(shù)的四大優(yōu)勢 （1）性能高虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析[8]。在利用最新科技的時(shí)候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間[9]。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。圖3 傳統(tǒng)儀器虛擬儀器比較圖資料來源：[DB/OL]. 每一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)都由兩部分組成：軟件和硬件。傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測量電路封裝在一起，并利用儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。 （1） 一個(gè)應(yīng)用，不同的設(shè)備 圖4 在不同設(shè)備上使用同樣的應(yīng)用程序資料來源：[DB/OL]. 圖4所示的例子中，一位工程師正在實(shí)驗(yàn)室的臺式計(jì)算機(jī)PCI總線上使用NI LabVIEW和M系列DAQ設(shè)備開發(fā)一個(gè)應(yīng)用程序，以創(chuàng)建一個(gè)直流（DC）電壓和溫度測量應(yīng)用。 （2）許多應(yīng)用程序，一個(gè)設(shè)備圖5 許多應(yīng)用程序重復(fù)使用硬件資料來源：[DB/OL]. 圖5所示的例子中，一個(gè)工程師剛剛完成了一個(gè)利用最新的M系列DAQ設(shè)備和積分編碼器測量電機(jī)位置的項(xiàng)目。 虛擬儀器可與傳統(tǒng)儀器完全兼容，無一例外。 自動測試工業(yè)中一個(gè)基本的趨勢就是向基于軟件的測試系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變[14]?；谲浖臏y試系統(tǒng)的成功應(yīng)用，例如綜合性儀器，需要有對硬件平臺和市場上軟件工具的理解，以及對系統(tǒng)級體系結(jié)構(gòu)和儀器級體系結(jié)構(gòu)之間區(qū)別的理解。通過將測量功能轉(zhuǎn)向用戶可接觸并可重復(fù)配置的硬件，那些采用這種體系結(jié)構(gòu)的儀器從具有更大靈活性和可重復(fù)配置功能的系統(tǒng)中受益，而且這些系統(tǒng)反過來又提高了性能并降低了成本。使用NI的LabVIEW，我們可以很方便的采集到實(shí)際信號，并對其進(jìn)行分析得出有用信息，然后將測量結(jié)果通過直觀化的顯示、報(bào)告和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享。目前，我國高檔臺式儀器，如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等設(shè)備還主要依靠進(jìn)口，這些儀器加工工藝復(fù)雜，制造水平要求高，而采用虛擬儀器技術(shù)可以通過只采購?fù)ㄓ脙x器硬件來設(shè)計(jì)高性價(jià)比的儀器系統(tǒng)[17]?；谔摂M儀器的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)展迅速，虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比其優(yōu)點(diǎn)顯而易見，提高了教學(xué)實(shí)驗(yàn)水平及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效率。為此，我以基于LabVIEW的VI模塊設(shè)計(jì)方法作為實(shí)例，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和教師的教學(xué)方式，充分發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)勢，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具。圖7 導(dǎo)學(xué)平臺主界面利用學(xué)校標(biāo)志性建筑——圖書館作為背景，為我們的導(dǎo)學(xué)平臺系統(tǒng)增添色彩，點(diǎn)擊“ENTER”鍵即可進(jìn)入相應(yīng)的子系統(tǒng)。 開發(fā)平臺簡介系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡單的編程技巧舉例——加法器的設(shè)計(jì)，基本構(gòu)成，前面板和程序框圖的設(shè)計(jì)。壓力式傳感器中主要介紹流體壓力式傳感器和常用的電阻壓力式傳感器，其中詳細(xì)介紹了NCS系列扭矩扳子檢定儀、NBS系列扭矩扳子以及流體壓力式傳感器。圖11 半導(dǎo)體傳感器目錄圖此外還介紹了S系列的霍爾式傳感器，HEL系列的溫度傳感器，MLV9200系列振動傳感器，GAA083電流傳感器。系統(tǒng)操作簡單方便。圖13 選擇ActiveX對象圖程序框圖設(shè)計(jì)中，通過ActiveX選板中的“打開自動化”模塊控制Shockwave Flash Object對象的movie屬性節(jié)點(diǎn)，然后把數(shù)據(jù)流傳輸?shù)秸{(diào)用節(jié)點(diǎn)Play、Back、Stop節(jié)點(diǎn)。圖14 程序框圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室是本平臺的核心部分，包括八個(gè)子測控系統(tǒng)。圖16 虛擬實(shí)驗(yàn)室界面在虛擬實(shí)驗(yàn)室的程序框圖設(shè)計(jì)中，因虛擬實(shí)驗(yàn)室屬于一個(gè)鏈接平臺，所以在其程序框圖設(shè)計(jì)中，只要完成子VI調(diào)用即可。第二，對模擬的振動信號進(jìn)行頻譜分析。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。 圖20 各式霍爾式位移傳感器的工作原理圖圖20給出了各式霍爾式位移傳感器的工作原理圖。 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)通過對霍爾式位移傳感器的模擬，產(chǎn)生仿真信號給位移測控系統(tǒng)。（2）1個(gè)選擇型數(shù)值旋鈕：本控件可改變振子的振動速度，使振子的振動速度由慢到快隨意改變。（5）1個(gè)開關(guān)控制按鈕。在振動信號選項(xiàng)卡中即可觀察到振子的位移、速度和加速度的變化和對其振動信號的頻譜分析圖，并可以讀到估計(jì)頻率峰值。圖22 位移測控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)圖 轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)原理該系統(tǒng)是利用磁電感應(yīng)式傳感器原理設(shè)計(jì)而成，齒輪的轉(zhuǎn)動使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使磁電感應(yīng)式傳感器線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢。它不需要輔助電源就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是有源傳感器。 工作時(shí)，傳感器與被測物體剛性連接，當(dāng)物體振動時(shí)，傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動，而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。（1）模擬實(shí)物圖模塊：通過模糊轉(zhuǎn)速給定給被測體一個(gè)虛擬轉(zhuǎn)速，可使齒輪的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)浮動，由模擬實(shí)物圖形象的顯示出動態(tài)效果。