基于Labview的壓力測試系統(tǒng)

1、 現(xiàn)代檢測技術(shù)綜合設(shè)計(jì)報(bào)告 課 程 設(shè) 計(jì) 題 目： 基于虛擬儀器的壓力測量系統(tǒng) 學(xué) 院 名 稱： 電子與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣12-1 姓 名： 楊育新 學(xué) 號(hào) 12401170103 同 組 者 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 黃 晶 日 期： 2014.06.092014.06.20 目 錄 一、 任務(wù)書 1二、總體設(shè)計(jì)方案2.1 現(xiàn)代測控技術(shù)發(fā)展概述 12.2 自動(dòng)檢測系統(tǒng)的原理框圖 2三、壓力傳感器3.1 傳感器的選擇 23.2 工作原理 23.3 工作特性 3四、硬件設(shè)計(jì)4.1 應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路 34.2 電橋的放大電路 44.3 壓力測量的總電

2、路圖 5五、Labview軟件設(shè)計(jì)5.1 程序流程圖的設(shè)計(jì) 65.2 前面板的設(shè)計(jì) 65.3 實(shí)驗(yàn)框圖的設(shè)計(jì) 8六、調(diào)試情況及結(jié)論6.1 程序的調(diào)試 126.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 14七、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì) 14參考資料 14 一、 任務(wù)書 用虛擬儀器Labview軟件來編寫壓力測量系統(tǒng)。要求如下：1、利用Labview和適當(dāng)壓力傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)壓力測量系統(tǒng)2、系統(tǒng)包括：系統(tǒng)開關(guān)、當(dāng)前測量值、超限報(bào)警3、壓力測量上下限、壓力變化趨勢4、測量過程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等）5、前面板登陸界面等 二、 總體設(shè)計(jì)方案 2.1 現(xiàn)代測控技術(shù)發(fā)展概述 近些年來，隨著半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新型或具有特殊功能的傳感

3、器不斷涌現(xiàn)出來，檢測裝置也向小型化。固體化及智能化方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也越加寬廣。上至茫茫太空，下至海底、井下，大致工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，小至家用電器、個(gè)人用品，人們都可以發(fā)現(xiàn)自動(dòng)檢測技術(shù)的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代測控系統(tǒng)大多以微型計(jì)算機(jī)為核心，能完成較高層次的自動(dòng)化檢測和控制，在不同程度上具有“智能”技術(shù)。如基于網(wǎng)絡(luò)的測控技術(shù)、基于虛擬儀器（VI）的測控技術(shù)、基于雷達(dá)與無線通信的測控技術(shù)，以及基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的測控技術(shù)等?，F(xiàn)代測控技術(shù)隸屬于現(xiàn)代信息技術(shù)，是以電子、測量及控制等學(xué)科為基礎(chǔ)，融合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)、測試測量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、儀器儀表技術(shù)等多門技術(shù)，利用現(xiàn)代

4、最新科學(xué)研究方法和成果，對測控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的綜合性技術(shù)。當(dāng)前，檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面。1、 不斷提高檢測系統(tǒng)的測量精度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性。2、 應(yīng)用新技術(shù)和新的物理、化學(xué)效應(yīng)，開拓檢測領(lǐng)域。3、 發(fā)展集成化、功能化的傳感器。4、 采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使自動(dòng)檢測技術(shù)智能化。5、 發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)。虛擬儀器融合了儀器儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形軟件編程等技術(shù)。計(jì)算機(jī)在顯示方式、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)等方面的優(yōu)勢，使虛擬儀器具有多種優(yōu)勢。測量精度高、速度快、可重復(fù)性好、系統(tǒng)組建時(shí)間短、測量功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，有最終取代大量的傳統(tǒng)

5、儀器成為儀器領(lǐng)域主流產(chǎn)品的趨勢。虛擬儀器是上世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)的一種新型儀器，它將許多以前由硬件完成的信號(hào)處理工作交由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理，這種測試儀器的硬件化功能軟件化，給測試儀器帶來了深刻的變化，因此虛擬儀器代表了當(dāng)前測試儀器發(fā)展的方向之一。虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)的顯示屏上虛擬了傳統(tǒng)儀器面板的計(jì)算機(jī)化儀器，它盡可能多的將原來由硬件電路完成的信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理的功能，代替為計(jì)算機(jī)的程序來完成。這種硬件功能能軟件化，是虛擬儀器的一大特征。操作人員在計(jì)算機(jī)的屏幕上利用指點(diǎn)設(shè)備操作虛擬的儀器，就像操作真實(shí)的儀器一樣，完成對被測量的采集、顯示、分析、處理、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成。其特點(diǎn)是在通過硬件平臺(tái)確定后，可

6、由軟件而不是硬件來決定儀器的功能。儀器的功能是用戶根據(jù)需要由應(yīng)用軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好了的。因此用戶不必購買多臺(tái)不同功能的傳統(tǒng)儀器，在現(xiàn)代測控應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用前景。總之，自動(dòng)檢測技術(shù)的蓬勃發(fā)展適用了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要，是一門充滿希望和活力的新興技術(shù)，目前取得的進(jìn)展已十分矚目，今后還將有更大的發(fā)展。 2.2 自動(dòng)檢測系統(tǒng)的原理框圖 圖2-1 自動(dòng)檢測系統(tǒng)原理框圖其中，信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)放大和濾波，其作用是對信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理。三、 壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)。

7、或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)。而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、壓阻式力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。下面就簡單介紹一下該實(shí)驗(yàn)中所用到的電阻應(yīng)變傳感器的工作原理和工作特性。3.1 傳感器的選擇現(xiàn)代傳感器在原理和結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方案和測量設(shè)

8、備也就可以確定了。在選擇傳感器時(shí)，我們所要考慮的因素是：根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型、靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性及精度。綜合上述考慮因素，本次課程設(shè)計(jì)我們選用電阻應(yīng)變片來完成任務(wù)。3.2 工作原理在了解電阻應(yīng)變傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這一元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過膠水粘貼在一個(gè)彈性體上，當(dāng)彈性體手里發(fā)生變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，從而使加在電阻兩端上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在

9、受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路顯示。電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。電阻應(yīng)變片的工作原理是導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界里的作用下，會(huì)產(chǎn)生及楔形變，其電阻值也將隨著發(fā)生變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也叫做應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下是來表示: （1）式中：金屬導(dǎo)體的電阻率（） A導(dǎo)體的截面積（cm2） l導(dǎo)體的長度

10、（m）我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受到外力作用時(shí)，其長度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可以很容易的看出，其電阻值會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時(shí)，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長度減小而截面積增加，電阻值則會(huì)減小。只要測出加在電阻兩端的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變。3.3 工作特性電阻式應(yīng)變片傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，測量范圍廣，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、繁體化和品種多樣化。它的缺點(diǎn)是對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號(hào)較弱，但可采取一定的補(bǔ)償措施，因此它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測試和控

11、制技術(shù)中。四、硬件設(shè)計(jì)4.1 應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路 金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將轉(zhuǎn)換為輸出電壓U0。在不平衡電阻電橋中，可以用電阻傳感器來代替某一橋臂的電阻，或某幾個(gè)橋臂的電阻。當(dāng)電阻傳感器的阻值有所變化時(shí)，電橋失去平衡，計(jì)算機(jī)可以依據(jù)電橋的輸出電壓來計(jì)算出被測值。下圖 為不平衡電橋的結(jié)構(gòu)圖：圖4-1 不平衡電橋的結(jié)構(gòu)設(shè)電橋的各臂的電阻分別為R1R2R3R4，它們可以全部或部分是應(yīng)變片。由于直流放大器的輸入電阻比電橋電阻大得多，因此可將電橋輸出端看成開路，這種電橋稱為電壓輸出橋，輸出電壓

12、U0為: （2）由上式可知，若R1R3=R2R4，則輸出的電壓必為零，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平衡電橋。應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化，此時(shí)有不平衡電壓輸出： （3）上式表明，若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，實(shí)處電壓為兩者之差，若不同時(shí)，則輸出電壓為兩者之和。電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大，但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂現(xiàn)象?；谶@些原因可以合理的進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高傳感器的測量靈敏度。利用不平衡電橋來連接電路可以有效的進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高傳感器的測量靈敏度。4.2 信號(hào)處理電路4.2.1 信號(hào)放大

13、電路 信號(hào)放大電路用于將傳感器或經(jīng)基本轉(zhuǎn)換電路輸出的微弱信號(hào)不失真地加以放大，以便于進(jìn)一步加工和處理。圖4-2為差動(dòng)減法放大電路，該電橋的放大電路由差動(dòng)減法電路來實(shí)現(xiàn)，將單臂傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化。圖4-2 差動(dòng)減法放大電路 如圖4-3為壓力測量電路的二級(jí)放大電路，滑動(dòng)變阻器0602和0603分別調(diào)節(jié)AD620和OP07的放大倍數(shù)。圖4-3 放大電路4.2.2 信號(hào)濾波原理濾波電路是只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過，而限制另一部分頻率成分通過的電路。濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感

14、組成的各種復(fù)式濾波電路。在該硬件接線電路中，在多處地方采用了濾波電路來對信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。具體接線圖見圖4-4所示。4.3壓力測量的總電路圖當(dāng)加在應(yīng)變片上的壓力變化時(shí)，應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，橋式電路輸出由此產(chǎn)生的電壓信號(hào)，電位器w0601為空載調(diào)零電阻，可以提高系統(tǒng)的精確度。由于壓力傳感器輸出的信號(hào)比較微弱，該信號(hào)經(jīng)由AD260進(jìn)行一級(jí)放大后，再進(jìn)入OP07進(jìn)行二級(jí)放大。電位器RW0602和RW0603分別為一級(jí)放大和二級(jí)放大反饋電阻。壓力測量的實(shí)驗(yàn)原理如下圖所示：圖4-4 壓力測量的硬件電路圖五、Labview軟件設(shè)計(jì)開始5.1 程序流程圖的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)等待設(shè)定各參數(shù)值開始實(shí)驗(yàn) 模擬數(shù)據(jù)

15、產(chǎn)生輸出波形并統(tǒng)計(jì)停止實(shí)驗(yàn)退出NY退出登錄結(jié)束圖5-1 軟件程序流程圖設(shè)計(jì)5.2 前面板的設(shè)計(jì)5.2.1 登陸和界面圖如下所示：如下圖1，這是得到壓力測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)域波形。 圖1圖2：該部位的功能是用來對測量數(shù)據(jù)的上下限參數(shù)的設(shè)置，以及測量數(shù)據(jù)超過上下限的一個(gè)報(bào)警提醒功能。超過界限后，相應(yīng)的提示燈會(huì)變?yōu)榫G色。 圖2圖3：該部位的功能是得到模擬量壓力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。 圖3圖4：該部位是對整個(gè)壓力測試系統(tǒng)進(jìn)行停止操作時(shí)使用的。 圖45.3 實(shí)驗(yàn)框圖的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)的測量與采集、模擬數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理及顯示、子程序的打開或關(guān)閉等，其中有些模塊直接調(diào)用LABVIEW中的庫函

16、數(shù)，如乘除法、定時(shí)器等，還有一些模塊則需要用戶進(jìn)行自定義設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如下圖5：該部位是登陸界面上顯示壓力測試系統(tǒng)和用戶登錄該名稱的。 圖5如下圖6：該部位是用戶輸入自己的用戶名和密碼，若輸入都為正確，則可以順利進(jìn)行子VI。當(dāng)前用戶名為：yyx密碼為123456。若輸入用戶名有誤，則會(huì)顯示一下圖7，則會(huì)顯示“用戶名錯(cuò)誤，請重新輸入”，下一個(gè)連接點(diǎn)的端口則會(huì)顯示“F”代表False,代表出現(xiàn)了錯(cuò)誤。若密碼錯(cuò)誤，則會(huì)顯示圖8的樣子，也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤現(xiàn)象，讓你無法登陸。 圖6 圖7 圖8圖9該部位代表用戶已經(jīng)登錄頁面，正在連接子VI界面中，系統(tǒng)正在登錄過程中，該部位我利用滑動(dòng)桿顯示系統(tǒng)登陸的過程，更加有真實(shí)感

17、。那條墨綠色的線連接到我的Angela.vi 這個(gè)系統(tǒng)。 圖9圖10為調(diào)用節(jié)點(diǎn)，而圖11為調(diào)用節(jié)點(diǎn)的即時(shí)幫助信息。類別右鍵選擇類VI服務(wù)器VI，在調(diào)用方法處右鍵選擇方法運(yùn)行VI。 圖5.2-10圖5.2-11圖12為屬性節(jié)點(diǎn)，圖13為屬性節(jié)點(diǎn)的即使幫助信息。在選擇類處選擇VI，在名稱1處右鍵選擇全部轉(zhuǎn)換為寫入，再右鍵屬性工具欄可見，右鍵屬性選擇屬性前面板窗口打開。其余的也根據(jù)需要依次設(shè)置。 圖5.2-12圖5.2-13若用戶系統(tǒng)登錄成功，將會(huì)自動(dòng)跳到Angela.vi的子文件中運(yùn)行。若系統(tǒng)登錄不成功，出現(xiàn)用戶密碼，則會(huì)出現(xiàn)圖5.2-13。 圖5.2-13圖5.3-14為壓力測量系統(tǒng)登陸界面的總

18、體框圖（每隔1s出現(xiàn)一個(gè)隨機(jī)數(shù)） 圖5.3-14圖5.3-15則表示任意隨機(jī)獲取模擬量壓力值，500表示范圍。 圖5.3-15圖5.3-16表示一個(gè)被上限值和下限值規(guī)定的壓力輸入模擬量。右邊圖5.3-17則是對該物件的介紹。 圖5.3-16 圖5.3-17圖5.3-18表示的是在500個(gè)隨機(jī)模擬量中任意取20個(gè)，求出壓力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。 圖5.3-18 圖5.3-19圖5.3-20表示的是毫秒計(jì)時(shí)器，定時(shí)1000毫秒，說明1秒鐘采樣一個(gè)壓力值，速度會(huì)慢一點(diǎn)。看起來更加清楚點(diǎn)。 圖5.3-20圖5.3-21圖5.3-22表示輸入壓力模擬量大于上限值，則輸出為“TRUE”，布爾燈則會(huì)亮。 圖5.

19、3-22 圖5.3-24圖5.3-24表示輸入壓力模擬量小于下限值，則輸出為“TRUE”，布爾燈則會(huì)亮。與上述大于同理。圖5.3-24 六、調(diào)試情況及結(jié)論 儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用來初始化虛擬儀器，并設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)，LABVIEW已經(jīng)為采集卡配備了驅(qū)動(dòng)程序。將硬件的USB接口接至電腦，對其進(jìn)行相應(yīng)的選項(xiàng)的選擇，將壓力曲線的程序框圖中的隨即數(shù)組用DAQ助手來代替，開始實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因一些原因，以下的調(diào)試中沒有連接硬件，只是用隨機(jī)數(shù)組來進(jìn)行模擬。6.1 程序的調(diào)試運(yùn)行LABVIEW程序，進(jìn)入壓力測量系統(tǒng)的登錄界面，如圖6-1：在用戶名和密碼處輸入正確的賬戶（用戶名：yyx，密碼：123456），如圖6-2： 圖6-1圖6-3是還沒有輸入模擬量的時(shí)候壓力測試圖表。 圖6-3圖6-4是模擬量超出上限值，產(chǎn)生上限報(bào)警。 圖6-4圖6-5是模擬量超出下限值，下限