【正文】 Sensor Technology專家評(píng)語： 張鵬同學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)“基于LabVIEW《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)”取自SRT項(xiàng)目，結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，研究題目角度新穎，具有較好的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。基于虛擬儀器的遠(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。是工控工程師不可多得的工具。LabVIEW 簡單易學(xué)的圖形化編程界面，豐富美觀的控件，廣泛的硬件支持和大量的算法工具包，這些不僅在測(cè)控行業(yè)被廣泛接受，而且在理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備方面也得到越來越多的應(yīng)用。壓電系數(shù)的改變也可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)， 則傳感器輸出電荷為： q=d11F=d11ma （2）與加速度a成正比。循環(huán)的所有輸入數(shù)據(jù)值都是在進(jìn)入循環(huán)之前被讀取完畢的，循環(huán)開始之后不再讀取輸入的數(shù)據(jù)值。 系統(tǒng)的前面板如圖42所示。②水箱極值數(shù)據(jù)方框：水箱的水位最高和最低限制、水箱的水溫最高和最低限制。（4）結(jié)果顯示：利用波形圖標(biāo)、儀表顯示控件和數(shù)值顯示控件可以直觀地顯示被測(cè)壓力和氣隙的大小。（1）1個(gè)表盤顯示控件，以模擬顯示瞬間力F的大?。唬?）2個(gè)數(shù)字顯示控件，數(shù)字顯示瞬間氣隙厚度δ和力F的大?。唬?）信號(hào)分析區(qū)的波形圖用于對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并且顯示出電壓變化情況；波形圖表顯示力F的瞬時(shí)大小以及變化情況；（4）一個(gè)開關(guān)布爾控件，用于退出此子系統(tǒng)返回上一級(jí)界面。輸出數(shù)據(jù)只有在完全退出循環(huán)后才有效。下面是幾個(gè)子VI的基本情況。 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)系統(tǒng)前面板由四個(gè)部分組成。正如已經(jīng)知道的那樣，若Fs是采樣率，s是樣本數(shù)，則頻率分辨率為。此界面包含電壓信號(hào)顯示和濾波信號(hào)顯示，信號(hào)采樣和頻譜分析，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行了結(jié)果分析和頻域分析，輸入采樣信號(hào)，通過設(shè)置偏置，相位，頻率，白噪聲等參數(shù)改變采樣信號(hào)，再通過波形圖進(jìn)行一系列分析。系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)如圖30所示。厚度測(cè)控系統(tǒng)程序的程序框圖如圖29所示。圖28 厚度測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行界面本系統(tǒng)由三個(gè)部分組成。（2）輸入?yún)?shù)設(shè)置：其中包括齒輪數(shù)、波形列表、信號(hào)幅值、采樣頻率、噪聲幅值以及脈沖寬度（默認(rèn)為50）。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定,具有一定的工作帶寬（10～1000 Hz），所以得到普遍應(yīng)用。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，把仿真信號(hào)直接給到滑動(dòng)桿，在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，滑動(dòng)桿的滑動(dòng)速度就會(huì)隨頻率的改變而改變。（3）1個(gè)菜單下拉列表：本控件可以改變施加給振子的激勵(lì)信號(hào)的波形，有方波、正弦波、三角波和鋸齒波四種選擇波形，其中默認(rèn)狀態(tài)為關(guān)閉。圖（a）是磁場強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。第三，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的位移、速度和加速度進(jìn)行測(cè)試。分別對(duì)自然界中常見得測(cè)量信號(hào)進(jìn)行測(cè)控仿真，虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)框圖如圖15所示。 Flash動(dòng)畫演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)此系統(tǒng)主要是通過LabVIEW中的ActiveX控件，插入Shockwave Flash Object對(duì)象，以其調(diào)用控制Flash文件。流體壓力傳感器目錄圖如圖10所示。其中“傳感器介紹”是通過實(shí)物圖和各種參數(shù)詳細(xì)地介紹每一種傳感器的用途、用法及適用范圍。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可全天候工作，提高了實(shí)驗(yàn)室的使用效率，降低了實(shí)驗(yàn)成本。 LabVIEW在教學(xué)中的應(yīng)用由于虛擬儀器所具備的無可比擬的優(yōu)勢(shì)，它在教學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用中有著十分廣闊的應(yīng)用前景，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 綜合性儀器執(zhí)行團(tuán)體將綜合性儀器定義為“一個(gè)可重復(fù)配置的系統(tǒng)，它通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口連接一系列基本硬件和軟件組件，從而發(fā)生信號(hào)或者使用數(shù)值處理技術(shù)進(jìn)行測(cè)量”[15]。虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線（如GPIB、串行總線和以太網(wǎng)）相連接的函數(shù)庫。在完成了系統(tǒng)構(gòu)建之后，他需要在一個(gè)生產(chǎn)層PXI系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序以完成新產(chǎn)品的測(cè)試。對(duì)于當(dāng)前的測(cè)量任務(wù)，虛擬儀器系統(tǒng)的價(jià)格與具有相似功能的傳統(tǒng)儀器相差無幾，甚至比它低很多倍。 （3）開發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。（5）便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。（1）豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。與傳統(tǒng)儀器一樣，如果忽略它的跨網(wǎng)絡(luò)的位置透明性，它同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。 研究內(nèi)容與方法 研究內(nèi)容與方法研究內(nèi)容：掌握LabVIEW軟件的使用方法，掌握相關(guān)傳感器性能、使用方法及轉(zhuǎn)換電路原理，掌握無線通信技術(shù)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室具有以下優(yōu)勢(shì)。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)初我國將有50%的儀器為虛擬儀器。其中，四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制的“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”，將8臺(tái)儀器集成于一體組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。在美國，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。通過LabVIEW軟件完成了壓力、振動(dòng)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)的應(yīng)用。為此，本文將虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，研制了基于LabVIEW《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺(tái)。隨著微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟件硬件技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展及其在測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用，推動(dòng)了測(cè)試新理論、新方法及其新的儀器結(jié)構(gòu)的發(fā)展，虛擬儀器就是將儀器硬件（如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、I/O），計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、存儲(chǔ)器、顯示器），儀器軟件（如軟面板、圖形界面、數(shù)據(jù)處理、信息交換等）有效地結(jié)合起來構(gòu)成的軟硬結(jié)合、虛實(shí)共體的新一代電子儀器。直到上個(gè)世紀(jì)九十年代中后期，虛擬儀器這一概念才逐漸被引入到我國的計(jì)算機(jī)應(yīng)用行業(yè)中，先天的不足使得我國的虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用還處在起步階段。虛擬儀器賴以生存的PC計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬儀器的出現(xiàn)很好的解決了這個(gè)問題。過程控制是在現(xiàn)代檢測(cè)過程中不可缺少的一部分，作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，必須了解過程控制，掌握整個(gè)系統(tǒng)的功能，會(huì)分析其各項(xiàng)參數(shù)。時(shí)域分析函數(shù)主要有直交流成分檢測(cè)、卷積、逆卷積、相關(guān)分析、微分、積分、門限檢測(cè)等。隨著插入式數(shù)據(jù)采集板速率的提高和觸發(fā)技術(shù)的改進(jìn)，插入式數(shù)據(jù)采集板技術(shù)使臺(tái)式儀器獲得了新生。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫，可以很方便地修改儀器功能和面板，設(shè)計(jì)儀器的通信、定時(shí)器和觸發(fā)器功能，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用的連接，給了用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。 （2）擴(kuò)展性強(qiáng)NI的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈束于當(dāng)前的技術(shù)中。圖2 自定義儀器的用途資料來源：[DB/OL]. 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較傳統(tǒng)儀器的功能固定且由廠商定義。此外，利用虛擬儀器計(jì)數(shù)，工程師和科學(xué)家們還可以使用高效且功能強(qiáng)大的軟件來自定義采集、分析、存儲(chǔ)、共享和顯示功能[11]。即使任務(wù)完全不同，他也可以重用同樣的M系列DAQ設(shè)備，他所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開發(fā)出新的應(yīng)用程序。為了降低測(cè)試系統(tǒng)的成本并提高重用率，DoD通過海軍的NxTest計(jì)劃已經(jīng)確定：將來的ATE要使用建立在模塊化硬件和可重復(fù)配置的軟件基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)，稱為綜合性儀器。使用虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試工作，相對(duì)傳統(tǒng)的儀器，其利用軟件實(shí)現(xiàn)了硬件內(nèi)容，無須購買硬件設(shè)備，應(yīng)用靈活，可以大大縮短系統(tǒng)研制周期，因此在測(cè)控領(lǐng)域中有了廣泛的應(yīng)用。（3）虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了無限的靈活性與創(chuàng)造性。系統(tǒng)總體框架圖如圖6所示。圖8 傳感器介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳感器介紹子系統(tǒng)主要通過圖文并茂明確地對(duì)常用傳感器闡述其主要技術(shù)參數(shù)、基本原理、使用方法、安裝方法以及使用圖例等，包括應(yīng)變式傳感器、壓力式傳感器、霍爾式傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、半導(dǎo)體傳感器和加速度傳感器等常用傳感器。電流傳感器前面板如圖12所示。Flash文件為自動(dòng)化素材庫，素材庫內(nèi)容包括電阻式傳感器、電容式傳感器、變磁組式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器、光纖傳感器、熱電式傳感器、霍爾式傳感器、超聲波傳感器和數(shù)字傳感器[18]。圖17 子VI的節(jié)點(diǎn)設(shè)置圖程序框圖中，通過一個(gè)選擇結(jié)構(gòu)來確定調(diào)用子VI與否，點(diǎn)擊每個(gè)圖像按鈕都會(huì)調(diào)用相應(yīng)的子VI，程序框圖如圖18所示。 霍爾式傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。圖21 位移測(cè)控系統(tǒng)前面板圖由圖可知，本系統(tǒng)包含5個(gè)功能模塊。通過過程控制平臺(tái)的鏈接，轉(zhuǎn)到此系統(tǒng)的前面板，此時(shí)激勵(lì)波形為關(guān)閉狀態(tài)，各顯示圖形控件中無波形輸出，選擇需要的激勵(lì)波形，在靈敏度系數(shù)選項(xiàng)中輸入一定數(shù)值，并調(diào)節(jié)到一定的振動(dòng)速度，此時(shí)模擬信號(hào)將給振子一個(gè)激勵(lì)，使振子不斷振蕩起來。通過對(duì)電路頻率的測(cè)量而得到齒輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速。該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù)，若在測(cè)量電路中接入積分電路，則輸出電勢(shì)與位移成正比；若在測(cè)量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比[20]。圖25 實(shí)物圖子程序框圖圖26 信號(hào)處理子程序框圖圖27 測(cè)速系統(tǒng)完整程序框圖 厚度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)根據(jù)低頻透射式電渦流傳感器基本原理設(shè)計(jì)而成。例如電壓值的設(shè)置，噪聲、頻率的設(shè)置。通過材料受力形變作用形變時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。（2）波形參數(shù)設(shè)置。實(shí)際信號(hào)的輸入用結(jié)構(gòu)條件函數(shù)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)條件函數(shù)可設(shè)置多個(gè)子框圖，每個(gè)子框圖都有自己的序號(hào)，執(zhí)行該函數(shù)時(shí)，可由信號(hào)類型這個(gè)下拉列表控件實(shí)現(xiàn)輸入多種波形，如正弦波，方波，三角波等波形。圖33 振動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)主程序框圖 振動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)當(dāng)力施加在懸臂梁上時(shí)，電容元件的電量變化通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電壓輸出，電壓變化的大小反映了施加力的大小。（4）虛擬示波器和結(jié)果顯示：虛擬示波器顯示出電壓波形以及濾波后的波形。在圖38中的STOP按鈕位于循環(huán)內(nèi)部，并以此作為循環(huán)結(jié)束的條件。壓力測(cè)控系統(tǒng)前面板如圖40所示。（2）測(cè)量轉(zhuǎn)換電路：根據(jù)電感式傳感器的測(cè)量電路，利用LabVIEW提供的數(shù)學(xué)函數(shù)實(shí)現(xiàn)壓力到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。（1）水箱及加熱器。（4）兩個(gè)程序控制鍵，一為水箱的供應(yīng)和保溫轉(zhuǎn)換按鈕，另一為返回按鈕。讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)入各子VI，各子VI對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出的數(shù)據(jù)和結(jié)果在各指示器中顯示。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并用螺栓加以固定。從而使得壓電傳感器上壓電片受力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電荷。圖47 加速度測(cè)控系統(tǒng)程序框圖當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，由選擇結(jié)構(gòu)選擇輸出那種類型的信號(hào)，通過選擇結(jié)構(gòu)可以選擇正弦波、方波和三角波。無論對(duì)于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室還是工廠都可以做到真正的低投入、高回報(bào)。