基于labview虛擬儀器的壓力測(cè)量課程設(shè)計(jì)

1、一.引言虛擬儀器(Virtual工nstrument是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。虛擬儀器利用加在計(jì)算機(jī)上的一組軟件與儀器模塊相連接，以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示。虛擬儀器打破了傳統(tǒng)儀器功能為廠家定義，用戶無(wú)法修改的模式，利用虛擬儀器，用戶可以很方便地組建自己的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。電子儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)更深層次的結(jié)合產(chǎn)生了一種新的儀器模式:虛擬儀器(Virtual工nstr。ment。虛擬儀器是指在通用算機(jī)上添加一層軟件和一些硬件模塊，使用戶操作這臺(tái)通用計(jì)算機(jī)就像操作一臺(tái)自己專門設(shè)計(jì)的儀

2、器一樣。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)調(diào)軟件的作用，提出了“軟件就是儀器”的概念。它是電子測(cè)試與儀器領(lǐng)域中發(fā)展方興未艾的技術(shù)，特別適用于現(xiàn)代越來(lái)越復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。NI公司的LabVIEw是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件。它增強(qiáng)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來(lái)構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。將LabVIEW與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設(shè)備加以組合，就可以設(shè)計(jì)出虛擬儀器，并將其應(yīng)用于許多領(lǐng)域，而不像傳統(tǒng)的儀器那樣，受生產(chǎn)商所設(shè)計(jì)功能的限制。LabvIEW提供一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程方式，用戶只要連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序。它的基本程序單位是v工。LabvIEW通過(guò)圖形編程的

3、方法，建立一系列的VI，來(lái)完成用戶指定的測(cè)試任務(wù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)試任務(wù)，可由一個(gè)VI完成;對(duì)于復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計(jì)的概念，把一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)各種VI以完成每項(xiàng)子任務(wù)，然后把這些VI組合起來(lái)以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器就成為一個(gè)包括眾多功能子虛擬儀器的集合。使用傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開發(fā)儀器系統(tǒng)存在許多困難。開發(fā)者不僅要關(guān)心程序流程方面的問(wèn)題，還必須考慮用戶界面、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)表達(dá)等復(fù)雜的問(wèn)題，這些問(wèn)題在LabVIEw中都迎刃而解了。LabVIEW還帶有多種基本的VI庫(kù)。其中包括采用GP一工B、V工SA、VXI和串行接口的儀器的驅(qū)動(dòng)程序。La

4、bVIEw還擁有功能超強(qiáng)且龐大的分析函數(shù)庫(kù)，其涵蓋了統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成、時(shí)域頻域分析及數(shù)字濾波等眾多科學(xué)領(lǐng)域。二.設(shè)計(jì)任務(wù)虛擬儀器課程設(shè)計(jì)，是虛擬儀器課程的實(shí)踐性教學(xué)壞節(jié)。是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬儀器的綜合性訓(xùn)練。要完成一門課程設(shè)計(jì)涉及到多方面的知識(shí)，涉及到許多實(shí)際知識(shí)與技能（編程、與測(cè)試技術(shù)）。對(duì)于“虛擬儀器課程設(shè)計(jì)”要求利用圖形化編程軟件來(lái)完成編程、檢測(cè)及觀察測(cè)試的結(jié)果。了解力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的工作原理， 將金屬絲電阻應(yīng)變片附在彈簧的表面，測(cè)量出電阻應(yīng)變片電阻的變化，可以計(jì)算出彈簧片受力的大小，設(shè)計(jì)虛擬壓力測(cè)量?jī)x，要求繪制出壓力隨時(shí)間的變化曲線，以表格的形式存放采集的數(shù)據(jù)。要求：

5、 1綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、虛擬儀器課程中學(xué)到的理論知識(shí)去完成課程設(shè)計(jì)。 2通過(guò)查資料來(lái)完成設(shè)計(jì)。 3分析出整個(gè)虛擬儀器的結(jié)構(gòu)和組成，完成若干功能模塊程序的編寫。方案選擇的原則是根據(jù)掌握的知識(shí)和資料，針對(duì)儀器的功能設(shè)計(jì)要求，以及經(jīng)濟(jì)性來(lái)進(jìn)行方案選取。在這個(gè)過(guò)程中要使方案具有合理性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、功能好、技術(shù)好等的優(yōu)點(diǎn)。在課程設(shè)計(jì)中要多思、多想、多嘗試。 4學(xué)會(huì)在虛擬軟件里調(diào)試程序，用自己編寫的程序經(jīng)過(guò)測(cè)試，觀察測(cè)試的結(jié)果，并把測(cè)試結(jié)果復(fù)制剪切下來(lái)，以便分析和論證，形成一個(gè)完整的課程設(shè)計(jì)。5）設(shè)計(jì)要求有軟、硬件兩部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容。硬件部分要求設(shè)計(jì)出信號(hào)的采集并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的USB1208FS數(shù)據(jù)采

6、集卡,設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。6）設(shè)計(jì)說(shuō)明書要有軟件和硬件電路的設(shè)計(jì)，即測(cè)試信號(hào)應(yīng)能和數(shù)據(jù)采集卡相連（注意USB1208FS數(shù)據(jù)采集卡的標(biāo)準(zhǔn)電壓值）。設(shè)計(jì)題目：虛擬儀器在壓力測(cè)量中的應(yīng)用設(shè)計(jì)了解力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的工作原理， 將金屬絲電阻應(yīng)變片附在彈簧的表面，測(cè)量出電阻應(yīng)變片電阻的變化，可以計(jì)算出彈簧片受力的大小，設(shè)計(jì)虛擬壓力測(cè)量?jī)x，要求繪制出壓力隨時(shí)間的變化曲線，以表格的形式存放采集的數(shù)據(jù)。三.設(shè)計(jì)方案3.1應(yīng)變測(cè)量原理半導(dǎo)體應(yīng)變片可用于應(yīng)力測(cè)量和應(yīng)力分析，以及作為各種傳感器的力一電轉(zhuǎn)換元件，它基于金屬絲在受拉或受壓后發(fā)生彈性形變，其電阻值也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化這一物理特性實(shí)現(xiàn)的。  

7、;  在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化RR與應(yīng)變LL成正比，因而RR=KLL。其中，K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象上，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)壓力F在一定范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)變x以一個(gè)常數(shù)正比于F。    式中：L為兩孔中心距的50；E為梁的彈性模量；b為梁的寬度；h為孔上下最薄處的厚度。    如圖1所示，在雙孔梁的上下兩端面分別對(duì)應(yīng)孔的頂端處貼上電阻應(yīng)變片，將它們按圖1(b所示

8、的方式組成全橋測(cè)量電路。這種橋式測(cè)量電路，可以靈敏地測(cè)量極微小的電阻變化。當(dāng)彈性體受物體作用時(shí)，彈性體便產(chǎn)生彈性形變，粘在其表面的電阻應(yīng)變片則隨其同步變形，因而改變了它們的電阻值。由于電阻應(yīng)變片組成的橋式電路是平衡的，而電阻應(yīng)變片的電阻變化會(huì)引起電橋的不平衡，因而輸出電壓信號(hào)，該信號(hào)與梁端的受力F成正比。    當(dāng)力F使單個(gè)應(yīng)變片的電阻變化R時(shí)，全橋測(cè)量電路的輸出電壓U0=URR。應(yīng)變測(cè)試過(guò)程如圖2所示。    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(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理。選用NI公司具有信號(hào)調(diào)理模塊的數(shù)據(jù)采集卡，不必再另外設(shè)計(jì)

9、信號(hào)調(diào)理電路。3.2信號(hào)濾波電路從應(yīng)變片組成的電橋電路中出來(lái)的電壓信號(hào)通常會(huì)伴隨著噪聲、振動(dòng)等于擾，為了得到較為準(zhǔn)確的低頻應(yīng)變信號(hào)，在將采集到的應(yīng)變信號(hào)送到計(jì)算機(jī)之前，需要進(jìn)行濾波處理。雙二階環(huán)濾波電路利用兩個(gè)以上的加法器、積分器等組成的運(yùn)算放大電路，根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答仯瑯?gòu)成濾波電路。其突出特點(diǎn)是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)多種濾波功能，這里使用低通濾波。具體電路如圖3所示。    構(gòu)成低頻濾波器時(shí)，電路固有頻率和通帶增益如下：    3.3電阻片的溫度效應(yīng)電阻片由金屬材料制成，它的阻值隨著溫度的變化也將產(chǎn)生變

10、化。另外，由于試件和電阻材片的線性膨脹系數(shù)不同，從而會(huì)使電阻片的阻值發(fā)生變化。溫度變化引起的電阻變化是客觀存在的，但不希望在測(cè)量結(jié)果中反映出來(lái)。 溫度補(bǔ)償, 作為測(cè)量電橋的四個(gè)臂，當(dāng)稱重時(shí)受到負(fù)載F的作用后，R1，R2受拉伸阻值增加，R3，R4受壓縮阻值下降，四個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)電橋，輸出特性的線性度好，并且還具有溫度補(bǔ)償作用。輸出應(yīng)變信號(hào)電壓為：     式中：1，2，3，4分別為各橋臂應(yīng)變片感受的應(yīng)變量；T為各應(yīng)變片隨溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變量。3.4橋路預(yù)調(diào)零點(diǎn)為測(cè)量方便起見(jiàn)，在試件變形前，要求電橋起始輸出電壓等于零，即U0=0。要挑選完全一樣的電橋電阻是很困難的

11、，可以采取在電橋上調(diào)零的措施來(lái)達(dá)到使其平衡的目的。這里采用并聯(lián)電阻法，如圖4所示。調(diào)整電位器Ra，使R3，R4上并聯(lián)的電阻得到調(diào)整，以達(dá)到調(diào)零的作用。3.5虛擬儀器及l(fā)abview軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器技術(shù)，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的需要來(lái)定義和設(shè)計(jì)的測(cè)試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器功能。“軟件就是儀器”反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征。美國(guó)國(guó)家儀器公司生產(chǎn)的NI-LabVIEW是目前最為成功，應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)系統(tǒng)。它一種基于G語(yǔ)言的32位編譯型圖形化編程語(yǔ)言，其圖形化界面可以方便的進(jìn)行虛擬儀器的開發(fā)。_虛擬儀器設(shè)備可以由使用者自己定義，這意味著可以自由地

12、組合計(jì)算機(jī)平臺(tái)，硬件（包括傳統(tǒng)儀器），軟件，以及各種實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需要的附件。這種靈活性在由供應(yīng)商定義，功能固定，獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是很難達(dá)到的。常用的數(shù)字萬(wàn)用表，示波器，信號(hào)發(fā)生器，數(shù)據(jù)記錄儀，以及溫度和壓力監(jiān)控儀器就是這種傳統(tǒng)儀器的代表。從傳統(tǒng)儀器設(shè)備向虛擬儀器設(shè)備的轉(zhuǎn)變，為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了更多實(shí)際的利益，同時(shí)也促進(jìn)著實(shí)驗(yàn)手段不斷更新。（1）、路徑模塊前面板： 程序框圖：（2）、創(chuàng)建表格模塊 顯示時(shí)間和壓力值（3）、曲線擬合模塊采集到數(shù)據(jù)后軟件運(yùn)行如下圖所示:前面板運(yùn)行圖：程序總框圖：3.6壓力測(cè)試檢查壓力傳感器和壓力信號(hào)是否完好，按照顏色對(duì)應(yīng)關(guān)系正確連接信號(hào)線。打開信號(hào)調(diào)理器電源開關(guān)。運(yùn)行壓力測(cè)試程序。然后開始測(cè)量觀察壓力變化。表格如下：四總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)讓我了解了虛擬儀器（LABVIEW）在編寫實(shí)際應(yīng)用程序時(shí)的重要作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了我理論應(yīng)用實(shí)踐的能力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中也遇到一些困難，表格的