【正文】 Sensor Technology專家評語： 張鵬同學(xué)畢業(yè)設(shè)計“基于LabVIEW《現(xiàn)代檢測技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺設(shè)計”取自SRT項目，結(jié)合學(xué)校實驗室建設(shè)，研究題目角度新穎，具有較好的理論價值和應(yīng)用價值。基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程實驗室在實驗教學(xué)中發(fā)展迅速，虛擬實驗室與傳統(tǒng)實驗室相比其優(yōu)點顯而易見，提高了教學(xué)實驗水平及學(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，這些不僅在測控行業(yè)被廣泛接受，而且在理工科實驗教學(xué)設(shè)備方面也得到越來越多的應(yīng)用。壓電系數(shù)的改變也可以實現(xiàn)這個功能。此時慣性力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壓力和氣隙的大小。（1）1個表盤顯示控件，以模擬顯示瞬間力F的大小；（2）2個數(shù)字顯示控件，數(shù)字顯示瞬間氣隙厚度δ和力F的大?。唬?）信號分析區(qū)的波形圖用于對采集到的電壓信號進行頻譜分析并且顯示出電壓變化情況；波形圖表顯示力F的瞬時大小以及變化情況；（4）一個開關(guān)布爾控件，用于退出此子系統(tǒng)返回上一級界面。輸出數(shù)據(jù)只有在完全退出循環(huán)后才有效。下面是幾個子VI的基本情況。 系統(tǒng)前面板設(shè)計系統(tǒng)前面板由四個部分組成。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顯示和濾波信號顯示，信號采樣和頻譜分析，并對采樣信號進行了結(jié)果分析和頻域分析，輸入采樣信號，通過設(shè)置偏置，相位，頻率，白噪聲等參數(shù)改變采樣信號，再通過波形圖進行一系列分析。系統(tǒng)前面板設(shè)計如圖30所示。厚度測控系統(tǒng)程序的程序框圖如圖29所示。圖28 厚度測控系統(tǒng)運行界面本系統(tǒng)由三個部分組成。（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)計中，把仿真信號直接給到滑動桿，在調(diào)節(jié)頻率時，滑動桿的滑動速度就會隨頻率的改變而改變。（3）1個菜單下拉列表：本控件可以改變施加給振子的激勵信號的波形，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）是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。第三，對振動信號的位移、速度和加速度進行測試。分別對自然界中常見得測量信號進行測控仿真，虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)框圖如圖15所示。 Flash動畫演示系統(tǒng)設(shè)計此系統(tǒng)主要是通過LabVIEW中的ActiveX控件，插入Shockwave Flash Object對象，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。實驗系統(tǒng)可全天候工作，提高了實驗室的使用效率，降低了實驗成本。 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，它在教學(xué)實驗的應(yīng)用中有著十分廣闊的應(yīng)用前景，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 綜合性儀器執(zhí)行團體將綜合性儀器定義為“一個可重復(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)生信號或者使用數(shù)值處理技術(shù)進行測量”[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)品的測試。對于當(dāng)前的測量任務(wù)，虛擬儀器系統(tǒng)的價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)時間少在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計算機、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)雜的測試系統(tǒng)，經(jīng)濟性好。（1）豐富和增強了傳統(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)的實驗室相比，虛擬儀器實驗室具有以下優(yōu)勢。據(jù)專家預(yù)測，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)計思想，研制的“航空電臺二線綜合測試儀”，將8臺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、振動等系統(tǒng)的設(shè)計，并實現(xiàn)仿真平臺的應(yīng)用。為此，本文將虛擬儀器技術(shù)引入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，研制了基于LabVIEW《現(xiàn)代檢測技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺。隨著微電子技術(shù)，計算機軟件硬件技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展及其在測試技術(shù)中的應(yīng)用，推動了測試新理論、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），計算機資源（如微處理器、存儲器、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、虛實共體的新一代電子儀器。直到上個世紀(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算機應(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計算機近幾年正以迅猛的勢頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬儀器的出現(xiàn)很好的解決了這個問題。過程控制是在現(xiàn)代檢測過程中不可缺少的一部分，作為自動化專業(yè)的學(xué)生，必須了解過程控制，掌握整個系統(tǒng)的功能，會分析其各項參數(shù)。時域分析函數(shù)主要有直交流成分檢測、卷積、逆卷積、相關(guān)分析、微分、積分、門限檢測等。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，插入式數(shù)據(jù)采集板技術(shù)使臺式儀器獲得了新生。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)計儀器的通信、定時器和觸發(fā)器功能，實現(xiàn)與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用的連接，給了用戶一個充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。 （2）擴展性強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，利用虛擬儀器計數(shù)，工程師和科學(xué)家們還可以使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、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。為了降低測試系統(tǒng)的成本并提高重用率，DoD通過海軍的NxTest計劃已經(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。使用虛擬儀器進行測試工作，相對傳統(tǒng)的儀器，其利用軟件實現(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，因此在測控領(lǐng)域中有了廣泛的應(yīng)用。（3）虛擬儀器實驗室為教學(xué)實驗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)計傳感器介紹子系統(tǒng)主要通過圖文并茂明確地對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)點設(shè)置圖程序框圖中，通過一個選擇結(jié)構(gòu)來確定調(diào)用子VI與否，點擊每個圖像按鈕都會調(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量、壓力、加速度、振動等方面的測量。圖21 位移測控系統(tǒng)前面板圖由圖可知，本系統(tǒng)包含5個功能模塊。通過過程控制平臺的鏈接，轉(zhuǎn)到此系統(tǒng)的前面板，此時激勵波形為關(guān)閉狀態(tài)，各顯示圖形控件中無波形輸出，選擇需要的激勵波形，在靈敏度系數(shù)選項中輸入一定數(shù)值，并調(diào)節(jié)到一定的振動速度，此時模擬信號將給振子一個激勵，使振子不斷振蕩起來。通過對電路頻率的測量而得到齒輪的實際轉(zhuǎn)速。該傳感器測量的是振動速度參數(shù)，若在測量電路中接入積分電路，則輸出電勢與位移成正比；若在測量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比[20]。圖25 實物圖子程序框圖圖26 信號處理子程序框圖圖27 測速系統(tǒng)完整程序框圖 厚度測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(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，其表面會有電荷產(chǎn)生而實現(xiàn)非電量測量。（2）波形參數(shù)設(shè)置。實際信號的輸入用結(jié)構(gòu)條件函數(shù)實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)條件函數(shù)可設(shè)置多個子框圖，每個子框圖都有自己的序號，執(zhí)行該函數(shù)時，可由信號類型這個下拉列表控件實現(xiàn)輸入多種波形，如正弦波，方波，三角波等波形。圖33 振動測控系統(tǒng)主程序框圖 振動測控系統(tǒng)的實現(xiàn)當(dāng)力施加在懸臂梁上時，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。壓力測控系統(tǒng)前面板如圖40所示。（2）測量轉(zhuǎn)換電路：根據(jù)電感式傳感器的測量電路，利用LabVIEW提供的數(shù)學(xué)函數(shù)實現(xiàn)壓力到電信號的轉(zhuǎn)換。（1）水箱及加熱器。（4）兩個程序控制鍵，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)進入各子VI，各子VI對數(shù)據(jù)進行分析處理，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 加速度測控系統(tǒng)程序框圖當(dāng)輸入信號時，由選擇結(jié)構(gòu)選擇輸出那種類型的信號，通過選擇結(jié)構(gòu)可以選擇正弦波、方波和三角波。無論對于學(xué)校實驗室還是工廠都可以做到真正的低投入、高回報。