【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 何測(cè)量系統(tǒng)都可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)顯示和輸出三大模塊，將這些模塊分別用不同的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，就可以構(gòu)成不同的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)包括硬件和軟件兩要素。硬件部分的功能是獲取真實(shí)世界中的被測(cè)信號(hào)；軟件部分的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，軟件通常用專用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)。所以，虛擬儀器系統(tǒng)可 13 以用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)表達(dá)：虛擬儀器系統(tǒng) =計(jì)算機(jī)及其附件 +開(kāi)發(fā)虛擬儀器的軟件 +必要的硬件。 虛擬儀器的硬件 通常虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的硬件包括傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集等 I/O接口設(shè)備和通用計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)一般是 PC 機(jī)或工作站，是硬件平臺(tái)的核心 ，是虛擬儀器系統(tǒng)的心臟和動(dòng)力；傳感器是測(cè)試系統(tǒng)獲取信息的基礎(chǔ)； I/O 接口設(shè)備完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換等。虛擬儀器的形式取決于實(shí)際的物理系統(tǒng)和構(gòu)成儀器的 I/O 接口的硬件類型，但都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)控制。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的組成如圖 21 所示。 虛擬儀器的硬件構(gòu)成方式主要有五種類? ?14型： （ 1） PCDAQ（ DataAcquisition）系統(tǒng)：是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線（如 ISA,PCI 等）的內(nèi)置功能插卡，是以數(shù)據(jù)采 集卡、調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)的插卡式虛擬系統(tǒng)。 （ 2） GPIB 系統(tǒng)：以 GPIB（ General Purpose Interface Bus）標(biāo)準(zhǔn)總 14 線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。典型的 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái)通過(guò) GPIB 電纜相連的 GPIB 儀器。 （ 3） VXI 系統(tǒng)：以 VXI(VME bus eXtension for Instrumentation)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。 4） PXI 系統(tǒng)：以 PXI（ PCI eXtension for Instrumentation）標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。 （ 5） 串口系統(tǒng)：以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器系統(tǒng)。任何虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到 PC 機(jī)或工作站等計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。 A/D 技術(shù)的發(fā)展使插入式 DAQ 卡發(fā)展很快，性能不斷提高，得到廣泛應(yīng)用。 PCDAQ 式測(cè)試系統(tǒng)是構(gòu)成虛擬儀器的最基本的方式，也是最廉價(jià)的方式。 虛擬儀器的軟件 虛擬儀 器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包含以下三部分：應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動(dòng)程序、輸入輸出（ I/O）接口軟件。 （ 1） I/0 接口軟件：存在于硬件和驅(qū)動(dòng)程序之間，是最接近硬件的軟件層，完成對(duì)硬件內(nèi)部寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，為硬件和驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的低層軟件層，是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 （ 2） 驅(qū)動(dòng)程序?qū)樱菏窍到y(tǒng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁，一般以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或靜態(tài)庫(kù)形式供應(yīng)用程序調(diào)用。驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供一個(gè)用 15 于儀器操作的較為抽象的操作函數(shù)集。對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，它對(duì)儀器的操作是通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng) 程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 （ 3） 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境：是完成測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示、輸出等任務(wù)，是虛擬儀器的核心和完成任務(wù)的關(guān)鍵。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境是用于編寫(xiě)應(yīng)用程序的編程工具，可由開(kāi)發(fā)人員的喜好和測(cè)試需求進(jìn)行選擇。 虛擬儀器的特點(diǎn) 虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種全新的儀器設(shè)計(jì)概念，它與傳統(tǒng)儀器相比顯示出了眾多的優(yōu)點(diǎn)：盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器；用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器 。 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái) 在虛擬儀器中，軟件起著重要的作用，軟件把整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)連接起來(lái)。虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)有三個(gè)準(zhǔn)則：標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和可重用性。目前，最流行的趨勢(shì)是圖形化編程環(huán)境，其中 LabVIEW 應(yīng)用較廣。 面向儀器與測(cè)控過(guò)程的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái) — LabVIEW LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 16 （實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）的縮寫(xiě)，主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。它是一種基 于圖形編程語(yǔ)言 — G 語(yǔ)言 (Graphical Programming Language)的可視化開(kāi)發(fā)平? ?15臺(tái)。 LabVIEW 程序稱為虛擬儀器程序（ Virtual Instrument），簡(jiǎn)稱為 VI。一個(gè) VI 程序包括三個(gè)主要部分：前面板、框圖程序、圖標(biāo) /連接器。前面板（ Front Panel）是 VI 的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出（其中，用于讓用戶輸入數(shù)據(jù)到程序中的控件稱為“控制量”；用于顯示程序輸出的控件稱為“指示量”），目的是仿真真實(shí)儀器的前面板。 LabVIEW 內(nèi)部集成了大量的生成圖形界面的模板，如：旋鈕、開(kāi)關(guān)、圖形圖表顯示器和通用的文本框等。通過(guò)這些控件可以很容易的完成面板設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的前面板可接收用戶的控制信號(hào)和顯示輸出結(jié)果。另外， LabVIEW 實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放性設(shè)計(jì)，允許用戶自行設(shè)計(jì)面板素材?？驁D程序（ Block Diagram）是利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制，也是 LabVIEW 作為 G 語(yǔ)言的集中體現(xiàn)。 LabVIEW 框圖程序是基于數(shù)據(jù)流的處理方案，與傳統(tǒng)的文 本式編程不同，框圖程序與我們所熟悉的程序流程圖思想非常相似。一個(gè)框圖程序由多個(gè)小“框圖元”通過(guò)連線連接而成，每個(gè)“框圖元”只有當(dāng)所有輸入信號(hào)都有效的條件下，才會(huì)輸出信號(hào)。圖標(biāo) /連接器（ Icon/Connector）用于把 VI 定義成一個(gè)子程序（ Sub VI），以便在其它程序中加以調(diào)用，這使 LabVIEW 得以實(shí)現(xiàn)層次化、模塊化編程。在設(shè)計(jì)大型系統(tǒng)時(shí)，一步完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)碾y度，所以設(shè)計(jì)者多采用模塊設(shè)計(jì)，把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)都可以完成一定的功能。 17 LabVIEW 的 特點(diǎn) LabVIEW 軟件的特點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)： （ 1） 圖形化的儀器編程環(huán)境：使用“所見(jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面 [54]。針對(duì)測(cè)控領(lǐng)域， LabVIEW 提供了大量的儀器面板中的控制對(duì)象，用戶還可以通過(guò)控制編輯器將現(xiàn)有的控制對(duì)象修改成適合自己個(gè)性特點(diǎn)的控制對(duì)象； （ 2） 內(nèi)置的程序編譯器：它采用編譯方式運(yùn)行 32 位應(yīng)用程序，解決了其他按解釋方式工作的圖形編程平臺(tái)速度慢的問(wèn)題，其速度大體相當(dāng)于編譯 C 的速度； （ 3） 并行機(jī)制：使用圖標(biāo)表示功能模塊，使用連線表示數(shù) 據(jù)傳遞，使用為多數(shù)工程師熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語(yǔ)言編程，這樣使得編程過(guò)程與思維過(guò)程非常相似； （ 4） 靈活的程序調(diào)試手段：用戶可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行源代碼、在源代碼中的數(shù)據(jù)流連線上設(shè)置探針，觀察程序運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)流的變化等； （ 5） 支持多種系統(tǒng)平臺(tái)：在 Windows NT/95， UNIX， HP 等系統(tǒng)平臺(tái)上，NI 都提供了相應(yīng)版本的軟件，并且平臺(tái)之間開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可直接進(jìn)行移值； （ 6） 強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)：從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)組運(yùn)算函數(shù)和文件輸入輸出函數(shù)到高級(jí) 的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)和數(shù)值分析函數(shù)，可供用戶直接調(diào)用； 18 （ 7） 開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)：提供 DLL 接口和 CIN 節(jié)點(diǎn)來(lái)使用戶有能力在 LabVIEW 平臺(tái)上使用其它軟件平臺(tái)編譯的模塊； （ 8） 網(wǎng)絡(luò)功能：它支持 TCP/IP， DDE， DataSocket 等功能。 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)概述 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的原理和方法 風(fēng)機(jī)總是與管網(wǎng)聯(lián)合工作，氣體在風(fēng)機(jī)中獲得外功時(shí)，其壓力與流量之間的關(guān)系是按風(fēng)機(jī)的性能曲線變化的。而當(dāng)氣體通過(guò)管網(wǎng)時(shí)，其全壓 — 流量（ PQ）關(guān)系又要遵循管網(wǎng)的性能曲 線，這樣，風(fēng)機(jī)的性能與管網(wǎng)的性能之間必須有如下關(guān)系： （ 1） 通過(guò)風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)的氣體流量要完全相等； （ 2） 風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的全壓的一部分即靜壓 Ps 只用于克服管網(wǎng)中的阻力 H，全壓的其余部分消耗在氣流從管網(wǎng)出口時(shí)所具有的動(dòng)壓 Pd 上，風(fēng)機(jī)的全壓 P 等于管網(wǎng)的總阻力與出口動(dòng)壓損失之和，即 P=H+Pd。 圖 22 風(fēng)機(jī)壓力與管網(wǎng)阻力之間的關(guān)系曲線圖 要滿足上述要求，整個(gè)裝置只能在風(fēng)機(jī) PQ 曲線與管網(wǎng)性能曲線的交點(diǎn) A 上運(yùn)行。在 A 點(diǎn)，兩者的流量 Qm 相等，靜壓力與阻力 H 也相等， A 點(diǎn)稱為工況點(diǎn)。工況點(diǎn)是由風(fēng)機(jī)靜壓曲線與管網(wǎng)性能曲線的交點(diǎn)來(lái)決定的，當(dāng)管網(wǎng)性能曲線變?yōu)? H39。、 H39。39。時(shí)工況點(diǎn)也隨之改變，若風(fēng)機(jī)的壓力曲線不變，工況點(diǎn)就沿著壓力曲線移動(dòng)至 A39。、 A39。39。風(fēng)機(jī)性能測(cè)試正是基于這一原理，在 19 風(fēng)機(jī)的某一恒定轉(zhuǎn)速下 ，調(diào)節(jié)排氣節(jié)流閥的開(kāi)度，從而改變管網(wǎng)特性曲線、改變工況點(diǎn)，從而改變了風(fēng)機(jī)的流量等參數(shù)，在各個(gè)對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)下測(cè)定該風(fēng)機(jī)的靜壓、動(dòng)壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、軸功率等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到各工況點(diǎn)的效率，進(jìn)而繪制風(fēng)機(jī)的性能曲線，包括流量 — 全壓曲線（ QP）、流量 — 功率（ QN）曲線、流量 — 效率（ Qη）曲線、流量 — 靜壓（ QPs）曲線等，實(shí)現(xiàn)對(duì)該風(fēng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的性能標(biāo)? ?16定。 由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，至今還不能用理論的方法精確計(jì)算出它的 各種損失，因而不能準(zhǔn)確的計(jì)算出各個(gè)性能參數(shù)，所以用計(jì)算的方法得到的性能曲線與實(shí)際工作性能曲線之間存在較大差異。特別對(duì)于非設(shè)計(jì)工況，計(jì)算值與實(shí)際值的誤差就更大。因此，風(fēng)機(jī)的工作性能參數(shù)要由試驗(yàn)得到，試驗(yàn)的目的在于確定工作風(fēng)機(jī)的工作性能曲線，從而確定風(fēng)機(jī)的工作范圍，以便向用戶提供可靠的使用數(shù)據(jù)和高效率的風(fēng)機(jī)。 風(fēng)機(jī)的性能參數(shù) 風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)有流量、全壓、功率、轉(zhuǎn)速及效率? ?? ?18~17等。 （ 1） 流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)所輸送 的流體量稱為為流量，也稱為風(fēng)量。常用體積流量 Q 表示，其單位為“ 3m /s”或“ h/m3 ”。 （ 2） 全壓：?jiǎn)挝惑w積的氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)所獲得的能量稱為全壓，也稱為風(fēng)壓。常用 P 表示，單位為 Pa。 （ 3） 軸功率：原動(dòng)機(jī)傳遞給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的功率，即為輸入功率，又稱為軸功率，常用 shN 表示，單位為 kW。 20 （ 4） 有效功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)機(jī)的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，常用 Ne 表示，單位 kW。 （ 5） 效率：風(fēng)機(jī)輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中必有一部分能量損失，被輸送的氣體實(shí)際所得到的功率比原動(dòng)機(jī)傳遞至風(fēng)機(jī)軸端的功率要小，風(fēng)機(jī)有效功率與軸功率之比稱為風(fēng)機(jī)效率。常以 η 表示。風(fēng)機(jī)全壓效率可達(dá) 90％。風(fēng)機(jī)效率越高，則氣 shN 體從風(fēng)機(jī)中得到的能量有效部分就越大，經(jīng)濟(jì)性就越高。 （ 6） 轉(zhuǎn)速：風(fēng)機(jī)軸每分鐘的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)速，常以 n 表示，單位為 r/min。 其中由傳感器測(cè)得的參數(shù)有：風(fēng)速、溫度、濕度、相對(duì)靜壓（負(fù)壓）、大氣壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)軸功率。其它參數(shù)可以在此基礎(chǔ)上通過(guò)公式求得。 通風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制 繪制通風(fēng)機(jī)性能曲線，也就是風(fēng)機(jī)的風(fēng)量 風(fēng)壓曲線、風(fēng)量 功率曲線和風(fēng)量 效率曲線。 通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)列出如下： （ 1）風(fēng)量 通風(fēng)機(jī)風(fēng)量指風(fēng)機(jī)進(jìn)口 (抽出式工作時(shí) ) 或出口 (壓入式工作時(shí) ) 通過(guò)的空氣流量 , 是斷面上平均流速與面積的乘積 , 用 3m /S 表示。在風(fēng)機(jī)口附近風(fēng)流較平穩(wěn)的斷面均勻地布置若干個(gè)風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器 , 風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)并反映測(cè)點(diǎn)風(fēng)速大小 , 各點(diǎn)風(fēng)速平均值即得平均流速。其中風(fēng)速傳感器的安裝方式會(huì)在后面詳細(xì)介紹。 （ 2）風(fēng)壓 通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓是對(duì)礦井內(nèi)風(fēng)流作功的壓力。對(duì)抽出式風(fēng)機(jī)而言 , 其進(jìn)口風(fēng)道內(nèi)靜壓低于風(fēng)道外大氣壓 , 兩者差的絕對(duì)值稱相對(duì)靜壓（負(fù)壓） , 用較先進(jìn)的擴(kuò)散硅壓阻傳感器測(cè)量 , 輸出毫伏級(jí)信號(hào)。這時(shí) , 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓等于相對(duì)靜壓與該斷面平均動(dòng)壓之差 , 單位是 Pa。 21 （ 3）大氣參數(shù) 它包含 3 個(gè)量 : 有大氣壓 , 與風(fēng)壓類似 。 還有溫度和濕度 , 采用采用相應(yīng)的傳感器測(cè)得其值的大小。 （ 4）轉(zhuǎn)速 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用非接觸式紅外光電傳感器測(cè)量 , 紅外光束射到機(jī)軸上 , 轉(zhuǎn)動(dòng)一周 , 軸上反射紙就返回一個(gè)光信號(hào) , 經(jīng)接收放大后的頻率即轉(zhuǎn)速 , 單位是 rPm , 精度為 。 （ 5）電氣參數(shù) 根據(jù)電工學(xué)中雙表法原理 , 需測(cè)量任意兩相的電壓和對(duì)應(yīng)相的電流 , 用于計(jì)算電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)以及風(fēng)機(jī)的輸入功率。 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)指標(biāo) 環(huán)境氣壓： 800hPa~1060 hPa； 環(huán)境溫度： 0℃ ~50℃； 風(fēng)速： ~20m/s，177。 (~)m/s； 壓力： 0 Pa ~6000Pa(177。 10Pa)， 0 Pa ~2020Pa(177。 )； 電參數(shù)儀表： 級(jí)。 本系統(tǒng)采用以上標(biāo)