【正文】 個(gè)是譜分析面板，該面板所包含的函數(shù)主要包括功率譜分析、聯(lián)合時(shí)域分析等[6]。與傳統(tǒng)儀器一樣，如果忽略它的跨網(wǎng)絡(luò)的位置透明性，它同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。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。虛擬儀器最常見(jiàn)的應(yīng)用是取代傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器。在虛擬儀器所取代的儀器中，最常見(jiàn)的是示波器。（1）豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。（2）突出“軟件就是儀器”的新概念。（3）儀器由用戶自己定義。（4）開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（5）便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。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(mǎi)和維護(hù)費(fèi)用[7]。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。得益于NI軟件的靈活性，只需更新您的計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)您的整個(gè)系統(tǒng)。 （3）開(kāi)發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。 （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。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)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(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性[10]。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。對(duì)于當(dāng)前的測(cè)量任務(wù)，虛擬儀器系統(tǒng)的價(jià)格與具有相似功能的傳統(tǒng)儀器相差無(wú)幾，甚至比它低很多倍。 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。而虛擬儀器系統(tǒng)提供的則是完成測(cè)量或控制任務(wù)所需的所有軟件和硬件設(shè)備，功能完全由用戶自定義。以下是體現(xiàn)虛擬儀器靈活性的例子。在完成了系統(tǒng)構(gòu)建之后，他需要在一個(gè)生產(chǎn)層PXI系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序以完成新產(chǎn)品的測(cè)試。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。他的下一個(gè)項(xiàng)目是監(jiān)視和記錄這個(gè)電機(jī)的功率。此外，如果需要的話，項(xiàng)目既可以與一個(gè)單一的應(yīng)用程序結(jié)合，也可以運(yùn)行在一個(gè)單一的M系列DAQ設(shè)備上。虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線（如GPIB、串行總線和以太網(wǎng)）相連接的函數(shù)庫(kù)。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]。例如，美國(guó)國(guó)防部（DoD）是世界上最大的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）客戶之一。采用綜合性儀器代表了將來(lái)軍用ATE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的重大發(fā)展，并且反映出可重復(fù)配置的軟件處于將來(lái)系統(tǒng)的核心地位這一基本轉(zhuǎn)變。 綜合性儀器執(zhí)行團(tuán)體將綜合性儀器定義為“一個(gè)可重復(fù)配置的系統(tǒng)，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口連接一系列基本硬件和軟件組件，從而發(fā)生信號(hào)或者使用數(shù)值處理技術(shù)進(jìn)行測(cè)量”[15]。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。 LabVIEW概述及在教學(xué)中的應(yīng)用 LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW程序又被稱作虛擬儀器，是一種建立在以PC機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，但功能可由用戶自己定義的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，它的表現(xiàn)形式和功能類(lèi)似普通的儀器，但LabVIEW程序可以很方便的改變儀器及其設(shè)置。虛擬儀器以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，LabVIEW軟件是美國(guó)NI公司出品的一種虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，是一種圖形化的編程語(yǔ)言，用于快速創(chuàng)建靈活的、可升級(jí)的測(cè)量和控制程序[16]。 LabVIEW在教學(xué)中的應(yīng)用由于虛擬儀器所具備的無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，它在教學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用中有著十分廣闊的應(yīng)用前景，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。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。（2）虛擬儀器面板體現(xiàn)“軟件就是儀器”的概念虛擬儀器面板控件的外形與實(shí)物相似，一個(gè)優(yōu)秀的虛擬儀器面板可以使用戶對(duì)儀器的學(xué)習(xí)、使用的時(shí)間大大縮短，減少因傳統(tǒng)儀器使用上的復(fù)雜性而引起的認(rèn)讀與操作上的錯(cuò)誤，從而提高操作的正確性和便捷性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與主動(dòng)性。隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展增強(qiáng)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的靈活性與創(chuàng)造性，可以使學(xué)習(xí)者更著眼于實(shí)驗(yàn)原理的理解與學(xué)習(xí)上，而不是操作復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)儀器，使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)原理的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可全天候工作，提高了實(shí)驗(yàn)室的使用效率，降低了實(shí)驗(yàn)成本。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。它結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)，使學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單的操作，就可以在輕松的氛圍下，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器知識(shí)、傳感器實(shí)驗(yàn)知識(shí)的自主式學(xué)習(xí)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生快速有效地掌握知識(shí)，提高能力。主頁(yè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介虛擬實(shí)驗(yàn)室Flash動(dòng)畫(huà)演示傳感器介紹圖6 系統(tǒng)框架圖導(dǎo)學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的主界面如圖7所示。其中“傳感器介紹”是通過(guò)實(shí)物圖和各種參數(shù)詳細(xì)地介紹每一種傳感器的用途、用法及適用范圍?！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。想了解詳細(xì)編程情況，可登陸NI中國(guó)首頁(yè)，在該前面板上有一個(gè)NI中國(guó)首頁(yè)的鏈接，點(diǎn)擊進(jìn)入即可訪問(wèn)NI中國(guó)首頁(yè)，獲取更多，更豐富，更全面的介紹。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(yīng)變式傳感器介紹中詳細(xì)羅列四種型號(hào)的應(yīng)變式傳感器，分別為GZB2型電阻應(yīng)變式傳感器、BHR4型電阻應(yīng)變式、SXZA型應(yīng)變式雙梁傳感器和SB2型波紋管稱重傳感器。流體壓力傳感器目錄圖如圖10所示。半導(dǎo)體傳感器目錄圖如圖11所示。其中電流傳感器詳細(xì)介紹其傳感器概述、特點(diǎn)、技術(shù)指標(biāo)、使用方法、安裝方法、使用圖例。圖12 電流傳感器前面板通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的傳感器按鈕，即可瀏覽學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)的傳感器各種技術(shù)參數(shù)。 Flash動(dòng)畫(huà)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)此系統(tǒng)主要是通過(guò)LabVIEW中的ActiveX控件，插入Shockwave Flash Object對(duì)象，以其調(diào)用控制Flash文件。選擇ActiveX對(duì)象如圖13所示。在前面板上就可以通過(guò)按鈕控制Flash文件的播放、返回、暫停。程序框圖如圖14所示。分別對(duì)自然界中常見(jiàn)得測(cè)量信號(hào)進(jìn)行測(cè)控仿真，虛擬實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)框圖如圖15所示。虛擬實(shí)驗(yàn)室界面如圖16所示。在調(diào)用子VI時(shí)要設(shè)置子VI的節(jié)點(diǎn)設(shè)置，設(shè)置選項(xiàng)如圖17所示。 圖18 虛擬實(shí)驗(yàn)室程序框圖 位移測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)原理此系統(tǒng)主要完成三項(xiàng)任務(wù)：第一，將振動(dòng)位移信號(hào)通過(guò)霍爾式位移傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。第三，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的位移、速度和加速度進(jìn)行測(cè)試。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。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn), 它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度、 有功功率及電能參數(shù)的測(cè)量, 也在位移測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。圖（a）是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。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]。前面板設(shè)計(jì)圖如圖21所示。（1）1個(gè)輸入型數(shù)值控件：本控件供學(xué)生輸入霍爾式傳感器的靈敏度系數(shù)。（3）1個(gè)菜單下拉列表：本控件可以改變施加給振子的激勵(lì)信號(hào)的波形，有方波、正弦波、三角波和鋸齒波四種選擇波形，其中默認(rèn)狀態(tài)為關(guān)閉。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。用于返回上一層。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)化而得的電壓信號(hào)和對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行的頻譜分析圖。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，把仿真信號(hào)直接給到滑動(dòng)桿，在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，滑動(dòng)桿的滑動(dòng)速度就會(huì)隨頻率的改變而改變。系統(tǒng)的程序框圖如圖22所示。顯然，感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。 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。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定,具有一定的工作帶寬（10～1000 Hz），所以得到普遍應(yīng)用。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。因而磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線圈的輸出通過(guò)引線接到測(cè)量電路。 系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)系統(tǒng)由四部分組成。（2）輸入?yún)?shù)設(shè)置：其中包括齒輪數(shù)、波形列表、信號(hào)幅值、采樣頻率、噪聲幅值以及脈沖寬度（默認(rèn)為50）。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。圖24 測(cè)速系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)圖 系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)程序框圖采用模塊化編程思想，由實(shí)物圖子程序和信號(hào)處理子程序組成，如圖25為實(shí)物圖子程序框圖，圖26為信號(hào)處理子程序框圖，圖27為完整的程序框圖。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖28所示。圖28 厚度測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行界面本系統(tǒng)由三個(gè)部分組成。當(dāng)輸入物體厚度的時(shí)候。（2）參數(shù)設(shè)置及結(jié)果顯示：這一部分主要有數(shù)值輸入