【正文】 設計將虛擬儀器技術引入實驗教學環(huán)節(jié)，研制了基于LabVIEW《現(xiàn)代檢測技術》導學平臺，包括虛擬實驗室、常用傳感器介紹以及傳給器原理FLASH動畫演示四個子系統(tǒng)。 LabVIEW。在虛擬儀器的研究過程中還有許多問題需要我們進行探索，如虛擬儀器軟、硬件開發(fā)，網(wǎng)絡技術，虛擬現(xiàn)實技術在虛擬儀器實驗室中的應用。（3）虛擬實驗室為教學實驗提供了無限的靈活性與創(chuàng)造性。（1）實驗室可根據(jù)需要靈活定義實驗儀器的功能虛擬儀器所實現(xiàn)的測控儀器的各種功能可由用戶根據(jù)需要自行定義與擴展。具有很廣闊的應用前景。應用控制設計工具包進行了時域和頻域的分析計算，開發(fā)了《現(xiàn)代檢測技術》導學平臺。產(chǎn)生的隨機變量通過選擇結(jié)構(gòu)和一定的計算可以產(chǎn)生信號的幅值，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幅值和電平測量函數(shù)，得到運動體的加速度，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。（3）示波器的顯示窗口：一個顯示施加外力的變化。（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。 系統(tǒng)設計系統(tǒng)的前面板如圖46所示。 圖45 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖 當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，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圖44 系統(tǒng)程序框圖 加速度測控系統(tǒng)設計與實現(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計而成。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。、 Change 。當系統(tǒng)為供應狀態(tài)時，閥門打開，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，這時熱電阻被開啟加熱，水溫慢慢達到水箱設定溫度，停止加熱，放出熱水，然后再注入冷水加熱供應，這是個不斷循環(huán)的過程。這里對流入水箱中水的基本情況進行設定，以便于對水箱進行控制。前面板中的圖形來自Control/Modern/Numeric/tank和Control/Modern/Boolean，其主要的功能是實現(xiàn)水箱水平變化的動態(tài)過程，當水溫過低時對水箱進行加熱的過程；圖中的閥是用來控制水箱中水的流入情況，當水箱水位低于設定最低水平時，閥會自動打開往水箱中加水，當水箱溫度達到了設定的最高水位時，閥自動關閉。 水箱溫度檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)本系統(tǒng)的設計目的是對家用或者工廠的水箱水溫進行控制。（3）信號產(chǎn)生部分：LabVIEW有兩個信號發(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，信號生成用于產(chǎn)生一維數(shù)組表示的波形信號。此時，在電壓信號波形圖中則可以觀察到經(jīng)由電感壓力傳感器轉(zhuǎn)化而得的電壓信號和力F波形圖表中看到力F大小變化情況，同時，結(jié)果顯示區(qū)域的表盤和數(shù)字也相應顯示，即可讀出力F大小。圖40 壓力測控系統(tǒng)前面板圖在輸入?yún)⒘繀^(qū)域有三個部分。圖38 液位檢測系統(tǒng)程序框圖 壓力測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)比例關系電橋被測壓力進入C型管C型管產(chǎn)生變形氣隙發(fā)生變化兩個線圈電感發(fā)生變化電壓輸出力F大小此系統(tǒng)要完成的任務是利用電感式壓力傳感器的原理，其電感的變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，由于輸出電壓與北側(cè)壓力之間成比例關系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。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。圖35 水位變化子VI表1 水位變化子VI說明參數(shù)說明New ValueQueue Size新的數(shù)值隊列長度圖36 水位子VI表2 水位子VI說明參數(shù)說明Elapsed TimeMass Flow RateInitial LevelNew Level運行時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說明參數(shù)說明High LimitCurrent ValueLow LimitCurrent State最高限制當前數(shù)值最低限制當前狀態(tài)程序運行過程：這個程序主體是在While循環(huán)下進行的。通過儀表和圖表分別顯示當前液位值。圖34 液位檢測系統(tǒng)前面板（1）傳感器參數(shù)設置：相對介電常數(shù)、外極筒內(nèi)半徑、內(nèi)極筒外半徑、溫度、濕度、頻率。各示波器也會相應的輸出頻譜分析，結(jié)果分析等波形圖。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，多項式逼近法等。再是對輸出信號進行幅頻分析和相頻分析，在for循環(huán)的外面接了一個頻域分析子VI，頻域分析方法是建立在FFT的基礎之上，信號在頻域中常用橫軸為頻率，縱軸為幅值或相位的直角坐標系描述。圖32為實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)在圖形控件中進行受力懸臂梁和應變片的繪制。這部分包括輸入信號類型，頻率，偏置，相位，白噪聲等參數(shù)的設置，通過改變這些參數(shù)可以仿真常見信號的輸出波形。（1）傳感器模擬圖。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點，因此在測量各種動態(tài)力方面有很廣泛的應用。并用圖片控件產(chǎn)生物體的虛擬變化。結(jié)果顯示有物體的厚度和經(jīng)過傳感器測量后的輸出電壓。當輸入物體厚度的時候。系統(tǒng)運行界面如圖28所示。通過一個虛擬示波器來顯示電壓信號；在振動信號面板中，對信號進行濾波、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頻率；結(jié)果顯示面板中，采樣后分別通過圖表和儀表顯示其角速度以及角加速度的數(shù)值。 系統(tǒng)的前面板設計系統(tǒng)由四部分組成。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，穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。 磁電感應式傳感器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 動圈式振動速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。系統(tǒng)的程序框圖如圖22所示。此時，在電壓信號選項卡中則可以觀察到經(jīng)由霍爾位移傳感器轉(zhuǎn)化而得的電壓信號和對電壓信號進行的頻譜分析圖。在電壓信號選項卡中有2個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波形圖和對電壓信號進行頻譜分析的波形圖，電壓信號圖附帶的數(shù)值顯示控件顯示出電壓信號的有效值；在振動信號選項卡中有3個輸出顯示型圖形控件和4個輸出顯示型數(shù)值控件，3個輸出顯示型圖形控件用于顯示振動信號，對振動信號進行頻譜分析的波形圖以及對振動信號的位移、速度、加速度信號分析波形圖，4個輸出顯示型數(shù)值控件分別用于顯示在不同時刻位移、速度、加速度和估計頻率峰值的數(shù)值。（1）1個輸入型數(shù)值控件：本控件供學生輸入霍爾式傳感器的靈敏度系數(shù)。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應強度也隨之改變, 這時UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量，這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動態(tài)范圍可達5mm，[19]。 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點, 它不僅用于磁感應強度、 有功功率及電能參數(shù)的測量, 也在位移測量中得到廣泛應用。頻譜分析導數(shù)導數(shù)電壓信號頻譜分析振動信號加速度速度位移圖19 霍爾式傳感器測試系統(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的一種傳感器。 圖18 虛擬實驗室程序框圖 位移測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 系統(tǒng)原理此系統(tǒng)主要完成三項任務：第一，將振動位移信號通過霍爾式位移傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號，并對其進行頻譜分析。虛擬實驗室界面如圖16所示。程序框圖如圖14所示。選擇ActiveX對象如圖13所示。圖12 電流傳感器前面板通過點擊相應的傳感器按鈕，即可瀏覽學習對應的傳感器各種技術參數(shù)。半導體傳感器目錄圖如圖11所示。傳感器介紹前面板圖如圖9所示圖9 傳感器介紹前面板圖在應變式傳感器介紹中詳細羅列四種型號的應變式傳感器，分別為GZB2型電阻應變式傳感器、BHR4型電阻應變式、SXZA型應變式雙梁傳感器和SB2型波紋管稱重傳感器?！疤摂M實驗室”是導學平臺的核心，將在下一章詳細介紹其設計原理。主頁開發(fā)平臺簡介虛擬實驗室Flash動畫演示傳感器介紹圖6 系統(tǒng)框架圖導學平臺系統(tǒng)的主界面如圖7所示。3 系統(tǒng)方案論證開展基于虛擬儀器技術的測控和傳感器實驗的教學研究，同時也為實驗課程提供一個不受實驗儀器功能限制，和感性認識實驗原理、實驗設計的環(huán)境。隨著計算機多媒體技術、網(wǎng)絡通信技術及虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展增強了教學實驗的靈活性與創(chuàng)造性，可以使學習者更著眼于實驗原理的理解與學習上，而不是操作復雜的現(xiàn)場儀器，使學習者在學習原理的基礎上，創(chuàng)造性地設計自己的實驗系統(tǒng)。用戶只需修改程序，就可不斷定義、擴展或增強系統(tǒng)的測控功能。虛擬儀器以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，LabVIEW軟件是美國NI公司出品的一種虛擬儀器軟件開發(fā)工具，是一種圖形化的編程語言，用于快速創(chuàng)建靈活的、可升級的測量和控制程序[16]。兩種定義享有共同的性質(zhì)，即運行于商用硬件之上的可自定義功能的儀器。采用綜合性儀器代表了將來軍用ATE系統(tǒng)標準和規(guī)范的重大發(fā)展，并且反映出可重復配置的軟件處于將來系統(tǒng)的核心地位這一基本轉(zhuǎn)變。儀器驅(qū)動提供了一套函數(shù)和儀器接口，每一個儀器驅(qū)動都專為儀器某一特定的模型而設計，從而為它獨特的性能提供接口[13]。此外，如果需要的話，項目既可以與一個單一的應用程序結(jié)合，也可以運行在一個單一的M系列DAQ設備上。在這個例子中，無論是何種情況，他都可以在同一個程序中使用虛擬儀器而無須改變代碼。以下是體現(xiàn)虛擬儀器靈活性的例子。 不使用廠商定義的、預封裝好的軟件和硬件，工程師和科學家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統(tǒng)儀器和基于軟件的虛擬儀器具有許多相同的結(jié)構(gòu)組件，但是在體系結(jié)構(gòu)原理上完全不同，如圖3所示。 （4）無縫集成虛擬儀器技術從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。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您的整個系統(tǒng)。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)