【正文】 的人力物力。 研究的背景和意義近年來(lái)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。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流[3]。虛擬儀器是隨著傳統(tǒng)電子測(cè)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(cè)量與控制技術(shù)。因此傳統(tǒng)的儀器測(cè)量和智能化的儀器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測(cè)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?；贚abVIEW《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)自動(dòng)化052班：張 鵬 指導(dǎo)教師：姚素芬內(nèi)容摘要：近年來(lái)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。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；檢測(cè)技術(shù)；傳感器技術(shù) 1 導(dǎo)言 現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，需要測(cè)試的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大，對(duì)測(cè)試的速度、精度、實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)可信度、完整性以及測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、智能化、開(kāi)放性等的要求也越來(lái)越高。然而，虛擬儀器產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)不容樂(lè)觀。此外，國(guó)內(nèi)已有幾家企業(yè)正在研制基于PC的虛擬儀器。各級(jí)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(kāi)創(chuàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新局面[5]。首先，在一臺(tái)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。研究方法：（1）信號(hào)模擬：利用LabVIEW圖形化控件模擬傳感器采集信號(hào)過(guò)程。圖1 虛擬儀器系統(tǒng)資料來(lái)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(duì)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。（2）突出“軟件就是儀器”的新概念。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器購(gòu)買和維護(hù)費(fèi)用[7]。 （4）無(wú)縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。 不使用廠商定義的、預(yù)封裝好的軟件和硬件，工程師和科學(xué)家獲得了最大的用戶定義的靈活性。在這個(gè)例子中，無(wú)論是何種情況，他都可以在同一個(gè)程序中使用虛擬儀器而無(wú)須改變代碼。儀器驅(qū)動(dòng)提供了一套函數(shù)和儀器接口，每一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)都專為儀器某一特定的模型而設(shè)計(jì)，從而為它獨(dú)特的性能提供接口[13]。兩種定義享有共同的性質(zhì)，即運(yùn)行于商用硬件之上的可自定義功能的儀器。用戶只需修改程序，就可不斷定義、擴(kuò)展或增強(qiáng)系統(tǒng)的測(cè)控功能。3 系統(tǒng)方案論證開(kāi)展基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)控和傳感器實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)課程提供一個(gè)不受實(shí)驗(yàn)儀器功能限制，和感性認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的環(huán)境?！疤摂M實(shí)驗(yàn)室”是導(dǎo)學(xué)平臺(tái)的核心，將在下一章詳細(xì)介紹其設(shè)計(jì)原理。半導(dǎo)體傳感器目錄圖如圖11所示。選擇ActiveX對(duì)象如圖13所示。虛擬實(shí)驗(yàn)室界面如圖16所示。頻譜分析導(dǎo)數(shù)導(dǎo)數(shù)電壓信號(hào)頻譜分析振動(dòng)信號(hào)加速度速度位移圖19 霍爾式傳感器測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 霍爾式傳感器原理介紹霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變, 這時(shí)UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量，這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm，[19]。在電壓信號(hào)選項(xiàng)卡中有2個(gè)輸出顯示型圖形控件，用于顯示由霍爾式位移傳感器采集到的電壓信號(hào)波形圖和對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的波形圖，電壓信號(hào)圖附帶的數(shù)值顯示控件顯示出電壓信號(hào)的有效值；在振動(dòng)信號(hào)選項(xiàng)卡中有3個(gè)輸出顯示型圖形控件和4個(gè)輸出顯示型數(shù)值控件，3個(gè)輸出顯示型圖形控件用于顯示振動(dòng)信號(hào)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的波形圖以及對(duì)振動(dòng)信號(hào)的位移、速度、加速度信號(hào)分析波形圖，4個(gè)輸出顯示型數(shù)值控件分別用于顯示在不同時(shí)刻位移、速度、加速度和估計(jì)頻率峰值的數(shù)值。系統(tǒng)的程序框圖如圖22所示。其結(jié)構(gòu)主要由鋼制圓形外殼制成， 里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，永久磁鐵中間有一小孔，穿過(guò)小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過(guò)圓形膜片支撐架空且與外殼相連。通過(guò)一個(gè)虛擬示波器來(lái)顯示電壓信號(hào)；在振動(dòng)信號(hào)面板中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、頻譜分析、幅頻分析和相頻分析，采樣后頻譜分析可得到其振動(dòng)頻率；結(jié)果顯示面板中，采樣后分別通過(guò)圖表和儀表顯示其角速度以及角加速度的數(shù)值。當(dāng)輸入物體厚度的時(shí)候。并用圖片控件產(chǎn)生物體的虛擬變化。（1）傳感器模擬圖。圖32為實(shí)物模擬圖的程序框圖，利用矩形繪制函數(shù)，捆綁函數(shù)等函數(shù)在圖形控件中進(jìn)行受力懸臂梁和應(yīng)變片的繪制。因此可以用各種方法加以調(diào)整，比如能量矩平衡法，比例法，多項(xiàng)式逼近法等。圖34 液位檢測(cè)系統(tǒng)前面板（1）傳感器參數(shù)設(shè)置：相對(duì)介電常數(shù)、外極筒內(nèi)半徑、內(nèi)極筒外半徑、溫度、濕度、頻率。圖35 水位變化子VI表1 水位變化子VI說(shuō)明參數(shù)說(shuō)明New ValueQueue Size新的數(shù)值隊(duì)列長(zhǎng)度圖36 水位子VI表2 水位子VI說(shuō)明參數(shù)說(shuō)明Elapsed TimeMass Flow RateInitial LevelNew Level運(yùn)行時(shí)間最大流入速率原始水位新的水位圖37 狀態(tài)改變子VI表3 水位子VI說(shuō)明參數(shù)說(shuō)明High LimitCurrent ValueLow LimitCurrent State最高限制當(dāng)前數(shù)值最低限制當(dāng)前狀態(tài)程序運(yùn)行過(guò)程：這個(gè)程序主體是在While循環(huán)下進(jìn)行的。圖38 液位檢測(cè)系統(tǒng)程序框圖 壓力測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)比例關(guān)系電橋被測(cè)壓力進(jìn)入C型管C型管產(chǎn)生變形氣隙發(fā)生變化兩個(gè)線圈電感發(fā)生變化電壓輸出力F大小此系統(tǒng)要完成的任務(wù)是利用電感式壓力傳感器的原理，其電感的變化通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，由于輸出電壓與北側(cè)壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。此時(shí)，在電壓信號(hào)波形圖中則可以觀察到經(jīng)由電感壓力傳感器轉(zhuǎn)化而得的電壓信號(hào)和力F波形圖表中看到力F大小變化情況，同時(shí)，結(jié)果顯示區(qū)域的表盤和數(shù)字也相應(yīng)顯示，即可讀出力F大小。 水箱溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是對(duì)家用或者工廠的水箱水溫進(jìn)行控制。這里對(duì)流入水箱中水的基本情況進(jìn)行設(shè)定，以便于對(duì)水箱進(jìn)行控制。、 Change 。圖44 系統(tǒng)程序框圖 加速度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)原理本系統(tǒng)是根據(jù)壓電式傳感器的基本原理設(shè)計(jì)而成。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的前面板如圖46所示。（3）示波器的顯示窗口：一個(gè)顯示施加外力的變化。應(yīng)用控制設(shè)計(jì)工具包進(jìn)行了時(shí)域和頻域的分析計(jì)算，開(kāi)發(fā)了《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺(tái)。（1）實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)需要靈活定義實(shí)驗(yàn)儀器的功能虛擬儀器所實(shí)現(xiàn)的測(cè)控儀器的各種功能可由用戶根據(jù)需要自行定義與擴(kuò)展。在虛擬儀器的研究過(guò)程中還有許多問(wèn)題需要我們進(jìn)行探索，如虛擬儀器軟、硬件開(kāi)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用。 設(shè)計(jì)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)，包括虛擬實(shí)驗(yàn)室、常用傳感器介紹以及傳給器原理FLASH動(dòng)畫(huà)演示四個(gè)子系統(tǒng)。 LabVIEW。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)室為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了無(wú)限的靈活性與創(chuàng)造性。具有很廣闊的應(yīng)用前景。產(chǎn)生的隨機(jī)變量通過(guò)選擇結(jié)構(gòu)和一定的計(jì)算可以產(chǎn)生信號(hào)的幅值，根據(jù)幅值變化的大小和輸入頻率的大小可以調(diào)節(jié)彈簧的變化范圍，得到輸出的位移，一些參量的變化通過(guò)幅值和電平測(cè)量函數(shù)，得到運(yùn)動(dòng)體的加速度，然后在由物體質(zhì)量，根據(jù)壓電加速度傳感器的原理，可以得到輸出電量的大小，從而可以得到加速度的值。（2）數(shù)據(jù)控制部分：這部分主要由數(shù)值輸入控件及顯示控件組成。 圖45 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用, 根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即 F=m在圖44系統(tǒng)程序框圖中的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。當(dāng)系統(tǒng)為供應(yīng)狀態(tài)時(shí)，閥門打開(kāi)，往水箱內(nèi)加水，加入的水溫比水箱的溫度要低，所以水箱溫度曲線下降，這時(shí)熱電阻被開(kāi)啟加熱，水溫慢慢達(dá)到水箱設(shè)定溫度，停止加熱，放出熱水，然后再注入冷水加熱供應(yīng)，這是個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程。前面板中的圖形來(lái)自Control/Modern/Numeric/tank和Control/Modern/Boolean，其主要的功能是實(shí)現(xiàn)水箱水平變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)水溫過(guò)低時(shí)對(duì)水箱進(jìn)行加熱的過(guò)程；圖中的閥是用來(lái)控制水箱中水的流入情況，當(dāng)水箱水位低于設(shè)定最低水平時(shí)，閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)往水箱中加水，當(dāng)水箱溫度達(dá)到了設(shè)定的最高水位時(shí)，閥自動(dòng)關(guān)閉。（3）信號(hào)產(chǎn)生部分：LabVIEW有兩個(gè)信號(hào)發(fā)生函數(shù)面板，其中波形生成用于產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)類型表示的波形信號(hào)，信號(hào)生成用于產(chǎn)生一維數(shù)組表示的波形信號(hào)。圖40 壓力測(cè)控系統(tǒng)前面板圖在輸入?yún)⒘繀^(qū)域有三個(gè)部分。在第一次循環(huán)中可以從按鈕端子中讀到最新值，從而可以正確判斷按鈕是否被按下。通過(guò)儀表和圖表分別顯示當(dāng)前液位值。各示波器也會(huì)相應(yīng)的輸出頻譜分析，結(jié)果分析等波形圖。再是對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行幅頻分析和相頻分析，在for循環(huán)的外面接了一個(gè)頻域分析子VI，頻域分析方法是建立在FFT的基礎(chǔ)之上，信號(hào)在頻域中常用橫軸為頻率，縱軸為幅值或相位的直角坐標(biāo)系描述。這部分包括輸入信號(hào)類型，頻率，偏置，相位，白噪聲等參數(shù)的設(shè)置，通過(guò)改變這些參數(shù)可以仿真常見(jiàn)信號(hào)的輸出波形。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點(diǎn)，因此在測(cè)量各種動(dòng)態(tài)力方面有很廣泛的應(yīng)用。結(jié)果顯示有物體的厚度和經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)量后的輸出電壓。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖28所示。 系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)系統(tǒng)由四部分組成。 磁電感應(yīng)式傳感器1—芯軸； 2—外殼； 3—彈簧片； 4—鋁支架；5—永久磁鐵； 6—線圈； 7—阻尼環(huán)； 8—引線圖23 動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。此時(shí)，在電壓信號(hào)選項(xiàng)卡中則可以觀察到經(jīng)由霍爾位移傳感器轉(zhuǎn)化而得的