【文章內(nèi)容簡介】 器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩方面： ①類似流程圖的設(shè)計(jì)思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程人員。②設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過程清晰而且直觀。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運(yùn)行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會(huì)高亮顯示，同時(shí)在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運(yùn)行。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來諸多的方便。3 圖標(biāo)/連接器：VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)VI可以作為子程序，這里稱為子VI（subvi），被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)，在設(shè)計(jì)大型自檢系統(tǒng)時(shí)，一步完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)有難度的。而在LabVIEW中提供的圖標(biāo)/連接工具，正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。設(shè)計(jì)者可把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)都可完成一定的功能。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾方面:①把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)思路清晰，給設(shè)計(jì)者調(diào)試程序帶來了諸多的方便。同時(shí)也對于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。②一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)完整的功能模塊，這樣把測試功能細(xì)節(jié)化，便于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。③便于實(shí)現(xiàn)“測試集成”和虛擬儀器庫的思想。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的靈活性提供了前提。 虛擬儀器的發(fā)展趨勢及應(yīng)用虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和測量需求。“沒有測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)”。虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。圖形化編程平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展與完善是虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。如何使用戶進(jìn)行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成簡單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測試內(nèi)容，如何幫助用戶對測試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)的努力方向。我國還基本處于傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國這個(gè)巨大的市場進(jìn)軍。結(jié)合我國的實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn)國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測控技術(shù)硬件，縮短與國際先進(jìn)水平的差距。VXI總線將成為未來虛擬儀器的理想硬件平臺(tái)，這是由于VXI總線的性能決定的；另一方面，基于PCI一DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價(jià)比高、靈活性好而受到大多數(shù)用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。目前，Nl提供了多種軟硬件產(chǎn)品，應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、教育等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化虛擬測試系統(tǒng)是虛擬儀器發(fā)展的方向之一。LabVIEW具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，這種功能使LabVIEW用戶可以容易的編寫出具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)通信能力的LabVIEW應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控。遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)將是虛擬儀器的發(fā)展趨勢。第三章 溫度檢測原理 溫度檢測法簡介自然界中許多物質(zhì)的物理屬性與溫度有關(guān)，如導(dǎo)體的電阻，灼熱物體的顏色和輻射能量都與其本身溫度密切相關(guān)，故溫度檢測的方法也分為多種。所有的溫度測試儀在測溫時(shí)其傳感器一般處于兩種狀態(tài):和被測對象相接觸；和被測對象不接觸。我們據(jù)此分別稱之為接觸法測溫和非接觸法測溫。另外溫度測試的對象也是各種各樣。但通常我們可把這些對象劃分為固體，液體和氣體狀態(tài)這三類。(1)固體表面溫度與內(nèi)部傳熱以及邊界換熱條件有關(guān)。固體內(nèi)部的傳熱取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù)；邊界的換熱則取決于對流換熱系數(shù)和發(fā)射率。固體內(nèi)部向邊界的傳熱取決于固體材料本身。固體材料包括金屬材料和非金屬材料。不同材料的導(dǎo)熱機(jī)理是不一樣的。在對固體表面測溫時(shí)，大多采用接觸法。在具體測溫時(shí)，傳感器如何與被測對象接觸對溫度的測試結(jié)果影響較大是個(gè)重要問題。經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，人們總結(jié)出對固體表面測溫時(shí)的幾種提高測試準(zhǔn)確度的方法分別為:等溫線敷設(shè)法、平衡加熱法、周期加熱法等。(2)液體溫度測量廣一泛應(yīng)用于石油化工、輕紡、制藥、電力等部門。由于液體的比熱及導(dǎo)熱率都比較大，并且與檢測元件有良好的接觸，因此采用接觸法是一種比較好的選擇。只要測溫元件選擇合適，就能測量到接近于真實(shí)溫度的測量值。(3)氣體溫度的測量，實(shí)質(zhì)是對氣流溫度的測量。對于氣流速度不高，但溫度較高或者速度較快而溫度不高的情況，測溫仍以接觸法為主；而對高速噴射燃燒的氣流測溫可采用非接觸法。 熱電偶測溫原理 溫度傳感器溫度測量的實(shí)現(xiàn)方法通常是使溫度傳感器與待測物體表面相接觸或浸入待測流體。在選擇溫度傳感器時(shí)應(yīng)考慮的主要因素有溫度測量范圍、精度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、線性度和靈敏度。目前，應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器是熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、PN結(jié)型溫度傳感器以及集成溫度傳感器。以上各種溫度傳感器的溫度測量范圍有所重疊，但所適合的應(yīng)用場合各不相同，選擇環(huán)境中最適用的溫度傳感器必須充分了解各類溫度傳感器的基本特性。熱電偶由兩種不同的金屬構(gòu)成，它們的一端熔接在一起形成一個(gè)敏感結(jié)，溫度變化時(shí)將有一個(gè)相應(yīng)的熱電勢產(chǎn)生，該信號(hào)由引線引出。材料有貴金屬鉑和鉑鍺合金，普通金屬鐵、銅、康銅、鎳鉻合金等。使用熱電偶測量溫度時(shí)容易引入誤差，由于熱電勢是因不同金屬材料的結(jié)合產(chǎn)生的，故不同材料連接形成的其他結(jié)也會(huì)在電路中引入電壓變化，這一誤差信號(hào)稱為冷端誤差。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性測量溫度的，電阻值隨溫度增加而增加。最常見的熱電阻式溫度傳感器的構(gòu)成材料是鉑、鎳或銅。鉑的使用溫度范圍寬(200℃—850℃)，重復(fù)性極好，可耐受各種化學(xué)物質(zhì)，抗腐蝕性好，是一種多用途金屬，但成本較高。熱敏電阻由鉆、錳、鎳等金屬的氧化物采用不同的配方高溫?zé)Y(jié)而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等形狀，包括三類:電阻值隨溫度增加而增加的正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)，電阻值隨溫度增加而減小的負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和在某一特定溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻器(CTR)。CTR主要用作溫控開關(guān)。在溫度測量中主要采用NTC和PTC，尤其NTC應(yīng)用較多。由于熱敏電阻的阻值隨溫度變化而迅速變化，并且阻值相對于引線電阻來說很大，因而，引線電阻對測量影響小，非常適合測量微弱溫度變化。NP結(jié)型溫度傳感器利用了在一定的電流模式下，PN結(jié)的正向電壓與溫度之間有很好的線性關(guān)系這一特征，與上述溫度傳感器相比，最大優(yōu)點(diǎn)是輸出特性呈線性，測溫精度高。包括溫敏二極管和溫敏三極管，另外，溫敏晶體管及其輔助電路集成同一芯片上可制成集成化溫度傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是直接給出正比于絕對溫度的線性輸出數(shù)字量，體積小，便于高精度、大批量生產(chǎn)，是現(xiàn)代溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一，目前常用的有AD590、DSl8B20等等。綜上所述，熱電偶作為測溫元件，其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫精度較高，可就地測量和遠(yuǎn)傳。在工作時(shí)，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來測量—200℃～1600℃范圍內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可測2000℃以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。通過熱電偶冷端補(bǔ)償進(jìn)行溫度測量是一種傳統(tǒng)、有效的方法，廣大技術(shù)工作人員在實(shí)際的測量檢測中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。此課題采用鎳鉻一鎳硅熱電偶(K型)其使用溫度范圍為—200℃—1300℃。 熱電偶測溫原理熱電偶是一種感溫元件, 它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢信號(hào), 通過電氣測量儀表的配合, 就能測量出被測的溫度。熱電偶測溫的基本原理是熱電效應(yīng)。在由兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 所組成的閉合回路中 , 當(dāng) A 和 B 的兩個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度 T 和 To時(shí), 在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。導(dǎo)體 A 和 B 稱為熱電極，溫度較高的一 端 (T )叫工作端 ( 通常焊接在一起 )；溫度較低的一端 (To )叫自由端 ( 通常處于某個(gè)恒定的溫度下)。： 熱電偶測溫原理圖由熱電效應(yīng)可知，閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成，即接觸電勢和溫差電勢，總電勢為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的接觸電勢可表示為 (3—1)這就是熱電偶測溫基本公式。 根據(jù)熱電勢與溫度函數(shù)關(guān)系，可制成熱電偶分度表。分度表是在自由端溫度 To=0℃ 的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí), 只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同, 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此,在熱電偶測溫時(shí),可接入測量儀表, 測得熱電勢后, 即可知道被測介質(zhì)的溫度。 溫度測試的注意事項(xiàng)溫度檢測技術(shù)是一種精度較高，測溫誤差較小的檢測技術(shù)，如果應(yīng)用不當(dāng)，將會(huì)引起很大的測量誤差，得不到正確的溫度數(shù)據(jù)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意以下兒個(gè)方面：(l)避免受到過大的震動(dòng)和應(yīng)力作用：當(dāng)熱敏電阻受到?jīng)_擊、震動(dòng)或其他形式的加速時(shí)，會(huì)導(dǎo)致感溫元件變形、彎曲而產(chǎn)生應(yīng)力，從而改變其溫度一電阻特性。(2)避免在強(qiáng)磁場中使用：由儀器的測溫原理可知，其導(dǎo)電機(jī)理與感溫元件內(nèi)部電子的狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)感溫元件周圍存在磁場時(shí)，必將改變其內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，引起阻值變化，引起磁阻效應(yīng)。此外還有自熱效應(yīng)、壓力影響、引線電阻影響等，這里不再贅述。第四章 基于虛擬儀器的熱電偶溫度巡檢儀總體方案設(shè)計(jì) 虛擬溫度巡檢儀簡介溫度巡檢儀就是對多個(gè)溫度檢測點(diǎn)進(jìn)行分時(shí)的巡回檢測，即一臺(tái)儀表便可實(shí)現(xiàn)對多路溫度檢測，雖說智能溫度巡檢儀能完成對多點(diǎn)溫度的檢測，但只能對溫度進(jìn)行數(shù)值顯示，對數(shù)據(jù)的保存讀取操作困難，基于虛擬儀器的溫度巡檢儀，不僅能顯示溫度數(shù)值，而且能對溫度實(shí)時(shí)變化趨勢通過曲線顯示，能給用戶一個(gè)友好的監(jiān)控界面。使用戶能很好的了解現(xiàn)場溫度變化情況，數(shù)據(jù)的存取操作簡單，只需通過按鈕便可實(shí)現(xiàn)操作。用戶可以根據(jù)需要查詢某一時(shí)間段數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，還可根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要進(jìn)行參數(shù)修改。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能本論文設(shè)計(jì)主要是解決多點(diǎn)溫度的巡回檢測，進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示溫度值和溫度曲線。為了改善傳統(tǒng)溫度巡檢儀的功能。此虛擬溫度巡檢儀系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)密碼設(shè)定:確保系統(tǒng)安全；(2)對熱電偶的型號(hào)、通道號(hào)設(shè)置及冷端溫度補(bǔ)償，熱電偶傳感器的類型共有K，E，S，T，J，R，B，N八種可供選擇；設(shè)置溫度信號(hào)的輸入方式；輸入方式有差分輸入，單端輸入和無參考地單端輸入； (3)檢測參數(shù)的顯示:如檢測時(shí)間、設(shè)定溫度、當(dāng)溫度超出某個(gè)范圍進(jìn)行報(bào)警等；(4)溫度實(shí)時(shí)曲線顯示；同時(shí)，具有數(shù)字顯示和波形圖顯示；(5)數(shù)據(jù)處理與分析:可以進(jìn)行在線分析。當(dāng)采集或讀入數(shù)據(jù)后，進(jìn)行線性化處理；選用不同的濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波。(6)溫度數(shù)據(jù)保存:將采集到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，在數(shù)據(jù)庫中有數(shù)據(jù)創(chuàng)建的時(shí)間，通道號(hào)等信息，便于數(shù)據(jù)采集后的讀取處理與數(shù)據(jù)分析。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括熱電偶溫度傳感器，溫度信號(hào)調(diào)理模塊，PCI6221數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）及PC機(jī)4部分組成。軟件部分采用美國NI公司的LABVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)，來完成對采集進(jìn)來的八路溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯示。本系統(tǒng)結(jié)果顯示形象直觀，操作方便，并且通過修改軟件還可以容易地?cái)U(kuò)展功能。針對溫度信號(hào)進(jìn)行高精度地測試，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是溫度信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)以及以LABVIEW為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)。系統(tǒng)基本工作原理：傳感器將感受到的環(huán)境溫度信號(hào)以電壓形式輸出到信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后輸入到數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入微機(jī)，再由虛擬儀器系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。第五章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章主要介紹虛擬溫度巡檢儀的硬件設(shè)計(jì)，首先介紹了系統(tǒng)的硬件組成，然后是溫度傳感器檢測元件的介紹、調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、PCI—6221數(shù)據(jù)采集卡的介紹。 系統(tǒng)硬件組成本虛擬溫度巡檢儀首先通過溫度傳感器（熱電偶）通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選通經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換到05v、濾波器剔除噪聲再經(jīng)反向多路轉(zhuǎn)換開關(guān)單端接入數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。： 系統(tǒng)硬件原理框圖 溫度傳感器及調(diào)理電路 溫度傳感器系統(tǒng)選擇熱電偶作為溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫精度較高，可就地測量和遠(yuǎn)傳。在工作時(shí)，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來測量200℃～1600℃范圍內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可測2000℃以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。通過熱電偶冷端補(bǔ)償進(jìn)行溫度測量是一種傳統(tǒng)、有效的方法，廣大技術(shù)工作人員在實(shí)際的測量檢測中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。此課題采用鎳鉻一鎳硅熱電偶(K型)其使用溫度范圍為200℃～1300℃。 調(diào)理電路設(shè)計(jì)從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、濾波、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，因此，除了這些通用功能，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能。下面僅介紹信號(hào)調(diào)理的通用功能。由于連接熱電偶與DAQ板卡的引線要一起所謂的參考連接或冷端連接，這種連接如同熱電偶一樣也要產(chǎn)生輸出電壓—即所謂的參考電壓或冷端電壓。這樣，測量電壓就包括了熱電偶輸出電壓和冷端電壓兩部分。補(bǔ)償冷端電壓的方法就是所謂的冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償是熱電偶測量中信號(hào)調(diào)理的首要任務(wù)。常用的冷端補(bǔ)償方法有硬件補(bǔ)償方法和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償是用一種特殊電路產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾妷簛淼窒涠穗妷?。因此每種熱電偶必須有可在所有環(huán)境溫度下正常工作的專用補(bǔ)償電路。這樣的補(bǔ)償電路是非常昂貴的，所以通常采用軟件方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。軟件補(bǔ)償?shù)脑硎怯昧硗庖粋€(gè)溫度傳感器直接測量冷端環(huán)境溫度并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶表或多項(xiàng)式通過軟件計(jì)算出計(jì)算出所需的補(bǔ)償