【文章內(nèi)容簡介】 從上圖可以看出，始波和底波之間的時間差 t就是超聲波在被測物內(nèi)傳播的時間。根據(jù)記錄的時間 t，就可以 計算出被測物的厚度，這就是常用的時差法測距。 波始 傷波 底波 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 11 圖 時差法 考慮到現(xiàn)場測量的耐振性，我們選用性能穩(wěn)定的話鈦酸鉛系壓電陶瓷 (PZT)探頭。 超聲波為直線傳播方式 ， 頻率高，反射能力強。測 厚 領(lǐng)域的超聲波頻率 根據(jù)被測物不同而不同。因而設(shè)計時，超聲波換能器 的工作頻率要合適，太低，聲波的指向性增益也較低，測量精度受限制；太高，超聲波的吸收值又太大，易衰減，使測厚量程變小。 ．測厚方法的選擇 由 頭。直探頭垂直于工件表面使用，傳播的是超聲縱波，有利于探測表面平滑的物體厚度。 本設(shè)計采用的是直探頭。應(yīng)以直探頭測厚的主要方法有： ⑴．標(biāo)度直讀法 測厚標(biāo)度校正后，由式②可知，讀取底波顯示的標(biāo)度值就可算得工件厚度。標(biāo)度直讀法只適用于較大深度的測定。對于厚度較薄的測定會不太精確，落在盲區(qū)之內(nèi)的回波無法測量。 ⑵．水浸法 如果被測物很薄，由于超聲波在靠近探頭的近場區(qū)除主波束外還有許多方向分散的副渡束，波束的干擾使得難于測量工件厚度。用水浸法可克服這個困難。測厚時將被測物置于水槽內(nèi)，用水浸探頭在被測物表面適當(dāng)距離 處進(jìn)行探傷，水浸法所用水應(yīng)純凈，探頭表面不能有氣泡。工件厚度的計算法與標(biāo)度直讀法相同。 發(fā)射 波 接收 波 從發(fā)射到接收的時間 t 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 12 ⑶．多次回波法 超聲波脈沖在被測物平行的上、下表面來回反射，聲能不斷減少。這時在示波屏上顯示出一系列高度依次降低的回波。兩個相鄰回波標(biāo)度差對應(yīng)的距離就是工件厚度 d。如果測厚標(biāo)度校正后， n次回波相當(dāng)?shù)纳疃葹?S。則被測物厚度為：H=S/d。 ⑷．分割式探頭法 主要用于測量非常薄 (小于 2ram)物體的厚度。 由于本論文選擇的被測物表面光滑，上、下表面平行，材料均勻。所以采用標(biāo)度直讀法。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 13 第 4 章 系統(tǒng)基于 虛擬儀器 的設(shè)計 虛擬儀器（ virtual instrumention）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的結(jié)構(gòu)反映了常見的 虛擬儀器方案 ： 被測對象→信號處理→數(shù)據(jù)采集卡→數(shù)據(jù)處理→虛擬儀器面板 [6] 虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。只有同時擁有高效的軟件、模塊化 I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢。 ⑴ .性能高： 虛擬 儀器技術(shù)是在 PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的 PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。 ⑵ .擴展性強 NI的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于 NI軟件的靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)您的整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，您可以把它們集 成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 14 ⑶ .開發(fā)時間少 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。 NI設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使您輕松地配置創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。 ⑷ .無縫集成 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時 間。 NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 目前，美國的 NI公司和 HP公司在虛擬儀器的研究方面處于領(lǐng)先地位，購買其虛擬儀器產(chǎn)品必將有助于我們的科研和教學(xué)工作，但價格非常昂貴。因此，根據(jù)自己的需要自行研究和開發(fā)虛擬儀器顯得尤為重要。利用計算 機的強大功能采用，設(shè)計了一種方便使用的相位差計。該儀器的主要特點如下：采用了 LabVIEW作為開發(fā)平臺，軟件編程方便、簡潔、效率高；利用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)可測量兩個同頻信號的相位差；在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，通過改變軟件的設(shè)計，可以實現(xiàn)別的儀器的功能。如虛擬函數(shù)發(fā)生器、虛擬示波器等。 相信隨著計算機技術(shù)和測控技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器將成為未來教學(xué)科研的重要方法和手段，將取代傳統(tǒng)一起成為測量儀器的主流。 . LabVIEW . LabVIEW 的概述 LabVIEW 是 實驗室虛擬儀器集成環(huán)境（ Laboratory Virtual Instrument 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 15 Engineering Workbench）的簡稱。是美國國家儀器公司（ National Instruments, NI）的軟件產(chǎn)品。也是目前應(yīng)用最廣，發(fā)展最快，功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。 LabVIEW 結(jié)合了簡單易懂的圖形開發(fā)環(huán)境與靈活強的 G編程語言，提供了一個非常直觀的編程環(huán)境：有專為大型應(yīng)用開發(fā)、集體開發(fā)及應(yīng)用配置設(shè)計的附加開發(fā)工具。包括應(yīng)用編程生成器、圖形比較、源代碼控制、程序碼編寫指導(dǎo)及復(fù)雜矩陣運算功能 。 LabVIEW 不僅是一種編程語言，還是一種用于測量和自動化的特定應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，一種用來快速設(shè)計工業(yè)原型和應(yīng)用程序的高度交互式的開發(fā)環(huán)境。同時， LabVIEW 還實現(xiàn)了對 FPGA等硬件的支持，實際上也是一種硬件設(shè)計工具。測量和自動化程序在處理和通用程序一樣的問題（如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法、文件 I/O、網(wǎng)絡(luò) I/O、用戶 I/O和數(shù)據(jù)庫存取、打印等）的同時，還要處理額外的問題（如物理I/O、實時性約束和硬件配置等）。 LabVIEW適用于測量和自動化應(yīng)用程序的能力與通用編程的能力相互增強和擴展，時期在兩個方面體現(xiàn) 出強大的功能。 . LabVIEW 的應(yīng)用 [7] LabVIEW 的優(yōu)點，使其在包括航天、航空、通信、汽車、半導(dǎo)體和生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從儀器控制、數(shù)據(jù)采集到測試和工業(yè)自動化，從大學(xué)實驗室到工廠，從研究探索到技術(shù)集成，不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師都在借助 LabVIEW解決研究和工作中出現(xiàn)的各種應(yīng)用課題。 ⑴．應(yīng)用于自動化測試和測量平臺 近 30 年來， NI公司革新了測量領(lǐng)域中工程師要年年進(jìn)行測試和測量的方式。利用 PC和虛擬儀器技術(shù)，通過 LabVIEW 的集成軟件 包和 PXI、 PCI、 USB、Ether等模塊化測量和控制硬件，可以提高開發(fā)設(shè)計效率并降低自動化測試和測量應(yīng)用程序的成本。測試和測量中的應(yīng)用通常有生產(chǎn)測試、驗證測試、機械測試、實時可靠性測試、便攜式場地測試、射頻 RF和通信測試、機臺測試、圖像采集和數(shù)據(jù)采集等。 ⑵．應(yīng)用于工業(yè)測量和控制平臺 LabVIEW 可用于要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用，如高級 I/O、高速模擬信號采集、振動北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 16 監(jiān)控、控制及其視覺之類的高級處理應(yīng)用，以及與工業(yè)硬件（如 OPC設(shè)備和 PLC）的通信。另外，可以將 LabVIEW 中的可編程自動控制器集成 于其他測控系統(tǒng)中，從而達(dá)到附加的測量和控制功能。 ⑶．應(yīng)用于設(shè)計、原型建筑和發(fā)布 LabVIEW 可用于高效的設(shè)計應(yīng)用、仿真、仿真數(shù)據(jù)與正式測量之間的比較。將 LabVIEW 和測量工具集成于附加的設(shè)計和仿真工具中，在設(shè)計過程中就可以將真實的測試工具與仿真模型進(jìn)行比較，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷、減少重復(fù)設(shè)計、提高產(chǎn)品質(zhì)量。 ⑷．應(yīng)用于院校實驗室 LabVIEW 在測控領(lǐng)域掀起革新的同時，也增強和提高了院校實驗室的研究。在實驗室中， LabVIEW 將復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集工作變得簡便，便于研究人員集中精力和時間用于實驗操作 、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)，而不是將大量時間用于搭建實驗室設(shè)備。 . LabVIEW 常用控件 [8] ⑴．?dāng)?shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)交換和處理時程序設(shè)計中不可缺少的部分。 LabVIEW作為虛擬儀器程序設(shè)計軟件，提供了對多種數(shù)據(jù)類型的支持。 LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型包括數(shù)字型(Numeric)、布爾型 (即邏輯型， Boolean)和字符串型 (String)；構(gòu)造數(shù)據(jù)類型包括數(shù)組和簇；其他數(shù)據(jù)類型包括枚舉（ RefNum）、空類型等等。 數(shù)字類型的前面板對象包含在控制模板 Numeric子模板中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型分為變量和常量 兩種，在某種意義上， LabVIEW的數(shù)據(jù)也可以這么分， Numeric子模板中的前面板對象就相當(dāng)于傳統(tǒng)編程語言中的數(shù)字變量。 LabVIEW的子模板包括多種不同形式的控制和指示，它們的外觀各不相同，人數(shù)字量、滾動條、水箱、溫度計、旋鈕、表頭、刻度盤以及顏色框等，但本質(zhì)是完全相同的，都是數(shù)字型，只是外觀不同而已。 ⑵．簇 一個簇中可以包含多種數(shù)據(jù)類型的元素，她包括簡單數(shù)據(jù)類型和復(fù)合數(shù)據(jù)類型。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 17 由于簇可以包含不同的數(shù)據(jù)類型，創(chuàng)建簇時要將不同類型的數(shù)據(jù)打包；訪問簇中的元素時要將簇解包。另外，在程序運行 過程中，數(shù)組的長度可以自由改變，而簇的元素個數(shù)是固定的。 ① .簇的創(chuàng)建 在前面板上放置一個簇殼就創(chuàng)建了一個簇。然后你可以將前面板上的任何對象放在簇中。例如數(shù)組，你也可以直接從 Control 工具板上直接拖取對象堆放到簇中。一個簇中的對象必須全部是 Control，或全是Indicator，不能在同一個簇中組合 Control與 Indicator，因為簇本身的屬性必須是其中之一。一個簇將是 Control或 Indicator，取決于其內(nèi)的第一個對象的狀態(tài)。如果需要可以使用工具重置簇的大小。 如果你要求簇嚴(yán)格地符合簇 內(nèi)對象的大小，可在簇的邊界上彈出快速菜單選擇自動定義大小 . ② .簇與子 VI的數(shù)據(jù)傳遞 一個 VI的連接窗口最大有 28個端子?？梢酝ㄟ^把控制或顯示對象捆綁成一個簇，僅使用一個端子實現(xiàn)功能。 捆綁數(shù)據(jù)功能將分散的元件集合為一個新的簇，或允許你重置一個已有的簇中的元素?？梢杂梦恢霉ぞ咄弦菲鋱D標(biāo)的右下角以增加輸入端子的個數(shù)。最終簇的序是取決于被捆綁的輸入的順序。分解簇功能是將簇分解為若干分離的元件。 ⑶．程序結(jié)構(gòu) 程序結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計語言中的重要組成成分，同樣 LabVIEW中也不例外。LabVIEW提供了多種圖形化的 程序結(jié)構(gòu)用來控制設(shè)計流程。 LabVIEW程序結(jié)構(gòu)主要有：循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)等。 ①．循環(huán)結(jié)構(gòu) For循環(huán)是 LABVIEW最基本的循環(huán)結(jié)構(gòu)之一，它執(zhí)行指定次數(shù)的循環(huán)，相當(dāng)于Ｃ語言中的 For循環(huán)： For (i=0。 iN。 i++ ) { } 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于虛擬儀器的超聲波測厚儀 18 LabVIEW中的 For循環(huán)可從框圖功能模板子模板中創(chuàng)建。 For循環(huán)執(zhí)行的是包含在循環(huán)框架內(nèi)的程序節(jié)點。 其重復(fù)端口相當(dāng)于 C語言 F