基于虛擬儀器的應變測試系統(tǒng)

1、基于虛擬儀器的應變測試系統(tǒng)畢業(yè)論文摘要：應變測試技術是機械工程中應用最廣泛的技術之一,傳統(tǒng)的應變測試技術已逐漸不能適應測試技術發(fā)展的需求。虛擬儀器技術以計算機為核心,是目前測試技術的發(fā)展方向,但其軟件開發(fā)過程較復雜,限制了虛擬儀器技術在應變測試領域的應用與發(fā)展。 為了解決這一問題,本文以LabVIEW 8.0為平臺開發(fā)了虛擬應變測試軟件系統(tǒng)。首先,在與傳統(tǒng)系統(tǒng)作對比研究后,系統(tǒng)設計為由功能模塊組建,功能模塊的設計模型為“事件-循環(huán)-狀態(tài)機”。其次,參考傳統(tǒng)應變測試流程,設計了軟件系統(tǒng)的執(zhí)行流程。再次,從底層開發(fā)了完成基本測試與控制功能的模塊:初始化參數(shù)、調平衡、并聯(lián)標定、濾波、應力及載荷顯示、

2、時域分析、頻域分析、信號的保存、回放、生成試驗報告、系統(tǒng)的靜態(tài)標定。最后,利用測試系統(tǒng)進行了測試實驗。 在連接硬件系統(tǒng)后,測控人員根據(jù)測試需求在本系統(tǒng)的主面板上選擇相應的功能模塊組建軟件系統(tǒng),即可進行應變測試及分析,避免了測控人員在虛擬應變測試過程中繁瑣的軟件開發(fā)工作。 關鍵詞： 虛擬儀器;，應變;，測試系統(tǒng)，LabVIEW的; 功能模塊AbstracStrain test is one of the most widely applied technologies in mechanical engineering. Nowadays, the conventional strain tes

3、t technology gradually cant keep up with the step of modern test technologys development. Virtual Instrument, whose core is computer, is becoming the main trend of test technology instead of conventional instruments. But the software development of virtual Instrument is rather complicate, it limits

4、the application and development of virtual instrument technology in strain test field. In order to solve the problem mentioned above, a strain test software system was developed in LabVIEW 8.0. First, functional module design method was adopted to construct the software system based on studying the

5、test method using traditional instruments.In the process of realizing functional module,“event-loop-state machine”model was designed. Second, the running procedure of software system was designed based on studying the conventional test process. Third, based on the strain test hardware system consist

6、ing of NI SCXI-1520 etc., the modules including parameter initialization, bridge balance, shunt calibration, filter, stress and load display, time domain analysis, frequency domain analysis, data storage, signal replay, experiment report generation and static calibration of system were developed to

7、implement the test and control assignment. Finally, some experiments were done to validate the systems reliability. The user was capable of carrying out the strain test and analysis task using the corresponding software test system constructed only through clicking the functional buttons on the syst

8、ems main board according to the test requirement. It makes user far away from the complicate software development.Key words：Virtual Instrument;Strain;Test system;LabVIEW; Functional module目錄摘要3-4Abstract41 引言9-141.1 應變測試技術現(xiàn)狀9-101.2 虛擬儀器技術概述10-111.3 虛擬儀器技術的應用和發(fā)展前景11-131.4 論文的研究意義13-141.5 論文的主要任務142 電

9、阻應變測試技術基礎14-172.1 基本原理14-162.2 系統(tǒng)結構16-173 虛擬應變測試軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境17-203.1 虛擬應變測試系統(tǒng)硬件17-203.2 虛擬應變測試系統(tǒng)開發(fā)工具204 虛擬應變測試系統(tǒng)的程序設計20-434.1 總體設計思路20-234.2 系統(tǒng)的總體結構與功能23-254.3 數(shù)據(jù)采集25-274.4 各功能模塊的設計27-434.5 本章小結435 系統(tǒng)的測試試驗43-475.1 靜態(tài)標定試驗43-455.2 動態(tài)應變測試試驗45-476 總結47-486.1 結論476.2 建議第一章 引言（一）應變測試技術應變測量是機械工程中分析零件或結構受力狀態(tài)、驗證

10、設計的正確性、確定整機在實際工作時負載情況和研究某些物理現(xiàn)象機理的重要手段之一。應變測量對發(fā)展設計理論、保證機械設備安全運行以及實現(xiàn)自動檢測和自動控制等都具有重要的作用。以應變測量為基礎的機械量測量的內容極其廣泛，例如測量對象的受力、變形、應力、位移、扭矩以及材料的力學性質等等。傳統(tǒng)的應變測量儀器以應變儀為主。它由電橋、放大器、相敏檢波器、低通濾波器、穩(wěn)壓電源和振蕩器等組成,如果要顯示和記錄數(shù)據(jù)可再配備指示儀表、示波器和記錄儀等。構成這樣一個測試系統(tǒng)需要多臺設備, 設備之間必須很好地匹配。設備的選型、調試和使用比較麻煩,而且設備功能單一、固定。因此,雖然傳統(tǒng)應變儀在測量的精度、穩(wěn)定性和可靠性等

11、方面都已經比較成熟,但是難以滿足應變測量內容的多樣性對應變測量儀器提出的各種不同的要求。（二）虛擬儀器技術概述1 虛擬儀器的概念虛擬儀器（VI）是計算機輔助測試（CAT）的最新發(fā)展，它充分利用快速發(fā)展的計算機及 HYPERLINK /soft/22/39/ o 通信網絡 t _blank 通信網絡技術來提高測試計量儀器設備的功能、性能和應用范圍，為用戶定義和構造自己的測試儀器系統(tǒng)提供了全新的 HYPERLINK /soft/22/ o 解決方案文檔下載 t _blank 解決方案。虛擬儀器并不完全等同于計算機輔助測試，它是一種基于信號采集與分析理論、具有 HYPERLINK o 標準文檔下載

12、t _blank 標準化軟硬件及其接口和良好集成性與柔性的儀器系統(tǒng)，是一種新的測試儀器 HYPERLINK o 標準文檔下載 t _blank 標準和技術規(guī)范.2虛擬儀器技術的優(yōu)勢虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產品設計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發(fā)和生產效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產效率。虛擬儀器提供的各種工

13、具能滿足我們任何項目需要。20年來，無論是初學乍用的新手還是經驗豐富的程序開發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應用和行業(yè)的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都歸功于其直觀化的圖形編程語言。虛擬儀器的圖形化數(shù)據(jù)流語言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據(jù)，使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入。同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢：1、性能高虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的PC技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網和越來越快的

14、計算機網絡使得虛擬儀器技術展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。2、擴展性強NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，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整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。3、開發(fā)時間少在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構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，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。4、無縫集成虛

15、擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設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設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。3 虛擬儀器的分類虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：1、PC總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結合（注：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本

16、編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi構成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。2、并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率

17、計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學實驗室應用。3、GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達4

18、0米。GPIB技術可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。4、VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、

19、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。5、PXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內核技術增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有34個擴展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。虛擬儀器的發(fā)展史1、GPIBVSIPXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)

20、）GPIB 于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。 2、PC插卡并口式串口USB方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應用發(fā)展前景）PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。 綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素。計算機是載體,軟件是核心高質量的A/D采集卡及調理放大器是關鍵。1.3 虛擬儀器技術的應用和發(fā)展前景3 虛擬儀器的應用和發(fā)展前景虛擬儀器以計算機發(fā)展為平臺, 迎合了當今信息社會等各行業(yè)向智能化、自動化、集成化發(fā)展的趨勢。它的精確采樣, 快速及時的數(shù)據(jù)處理、傳輸功能使其在自動控制領域和工業(yè)控制領域得到了廣泛

21、的應用, 已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。虛擬儀器代表著儀器發(fā)展的最新方向, 將不斷地被推向各個新的領域。隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善, 虛擬儀器將向以下三個方向發(fā)展:3.1 外掛式虛擬儀器PC-DAQ式虛擬儀器是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng), 但是, 由于基于PCI 總線的虛擬儀器在插入DAQ 時都需要打開機箱等, 比較麻煩, 而且, 主機上的PCI 插槽有限, 再加上測試信號直接進入計算機, 各種現(xiàn)場的被測信號對計算機的安全造成很大的威脅, 同時, 計算機內部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響, 故以USB 接口方式的外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統(tǒng)

22、的主流。3.2 PXI 型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)PXI總線在機械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了PCI 總線的全部優(yōu)點, 具有高度的可擴展性、良好的兼容性、極高的傳輸速率, 以及比VXI 更高的性價比, 因此, 基于PXI 總線的虛擬儀器硬件將會得到越來越廣泛的應用。3.3 網絡化虛擬儀器盡管Internet技術最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設備連接在一起, 不過NI 等公司已開發(fā)了通過Web瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產品, 使人們可以通過Internet 操作儀器設備。根據(jù)虛擬儀器的特性, 我們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機網絡。利用網絡技術將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯(lián)

23、系在一起,使昂貴的硬件設備、軟件在網絡上得以共享, 減少了設備重復投資?，F(xiàn)在, 有關MCN( Measurement and Control Networks)方面的標準正在積極進行, 并取得了一定進展。由此可見,網絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。2 電阻應變測試技術基礎2.1 基本原理2.1.1 電阻應變效應1 應變測量原理peL?s:q0 $XF#pc0半導體應變片可用于應力測量和應力分析，以及作為各種傳感器的力一電轉換元件，它基于金屬絲在受拉或受壓后發(fā)生彈性形變，其電阻值也隨之產生相應的變化這一物理特性實現(xiàn)的。集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧6yfiq-V.n EP*e集微網-欲知半

24、導體動態(tài)，速上老杳吧%md6in?P!F 在金屬絲變形的彈性范圍內，電阻的相對變化RR與應變LL成正比，因而RR=KLL。其中，K為電阻應變片的靈敏系數(shù)。用應變片測量應變或應力時，是將應變片粘貼于被測對象上，在外力作用下，被測對象表面產生微小機械變形，粘貼在其表面上的應變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應變片的電阻也發(fā)生相應的變化。當壓力F在一定范圍內時，應變x以一個常數(shù)正比于F。集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧;Z,M%no集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧J#*r%Sd8r5fv&G :YG )m0 集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧Ro2DU5-z*hN 式中：L為兩孔中心距的50；E為梁

25、的彈性模量；b為梁的寬度；h為孔上下最薄處的厚度。集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧2C5v-P d75e(m&L!My|&yTz0如圖1所示，在雙孔梁的上下兩端面分別對應孔的頂端處貼上電阻應變片，將它們按圖1(b)所示的方式組成全橋測量電路。這種橋式測量電路，可以靈敏地測量極微小的電阻變化。當彈性體受物體作用時，彈性體便產生彈性形變，粘在其表面的電阻應變片則隨其同步變形，因而改變了它們的電阻值。由于電阻應變片組成的橋式電路是平衡的，而電阻應變片的電阻變化會引起電橋的不平衡，因而輸出電壓信號，該信號與梁端的受力F成正比。m5X.c2E WC3g0 集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧;V;Mfy

26、!R7F v/ 集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧 t3!? c8W uAu集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧wiT! &i 當力F使單個應變片的電阻變化R時，全橋測量電路的輸出電壓U0=URR。集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧 ghF$_Ogh$bG4Z4aM02 應變片選用BP型半導體應變片集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧Al.lo%RU Pic,HV8Z0BP 型半導體應變片可用于應力測量和應力分析，并作為各種傳感器的力-電轉換元件。它們具有靈敏度高(比金屬應變片大50100倍左右)，機械滯后小，體積小，耗電少等優(yōu)點。其高的靈敏度使輸出信號電平增大幾十倍，所以不必采用放大器而直接用電

27、壓表或示波器等簡單儀表就可以直接記錄測量結果，因而使得測量儀表大為簡化；再加上它的機械滯后小，可以測量靜態(tài)應變、低頻應變等，在許多新技術中，如火箭、導彈、飛機等制造工業(yè)及遙測系統(tǒng)中，半導體應變片具有獨特的應用價值。J+_Oe DiU0 K7v2Z _&A6C S5Y0BP-6-120型半導體應變片技術參數(shù)：集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧/hNqApCu4u)E%!T,Rn0A%j0硅絲尺寸為6mm04 mm005 mm；基底尺寸為10 mm x 6 mm；靈敏系數(shù)120；電阻溫度系數(shù)小于02；靈敏度溫度系數(shù)小于016；允許工作電流25 mA；允許最大應變2 000；極限工作溫度100。集微

28、網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧*?M0u L0uW7p7W+aQq0j(:kiD0 NvC Xns041 電阻片的溫度效應集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧V%seG:ad5di w!YAYT&GiH0電阻片由金屬材料制成，它的阻值隨著溫度的變化也將產生變化。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，但不希望在測量結果中反映出來。集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧iUD#T5AkQW5l7F N9uxmIq042 溫度補償集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧E,IgjSw)BP集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧Dp,P fQag

29、 B 作為測量電橋的四個臂，當稱重時受到負載F的作用后，R1，R2受拉伸阻值增加，R3，R4受壓縮阻值下降，四個應變片組成差動電橋，輸出特性的線性度好，并且還具有溫度補償作用。輸出應變信號電壓為：集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧kv9x+B k3i$i |)C_0b6o+N05h uKuU cGh0 集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧Oxysn( 式中：1，2，3，4分別為各橋臂應變片感受的應變量；T為各應變片隨溫度變化所產生的應變量。8Ps*Vy& z0應變測試程序框圖9oiQ-p03 虛擬應變測試系統(tǒng)的設計方案3.1 虛擬應變測試系統(tǒng)硬件1、虛擬應變測試系統(tǒng)硬件結構 圖1硬件組成框圖 H

30、YPERLINK /search/r_search.asp?column=news&key=傳感器 t _blank 傳感器：它的作用是將被測信號轉換為與之有對應關系 HYPERLINK /search/r_search.asp?column=news&key=電信 t _blank 電信號。如測速 HYPERLINK /cgi-bin/ls?c=%b9%a9%d3%a6%d0%c5%cf%a2&i=&s=&w=%b7%a2%b5%e7%bb%fa&d=&k=0&z=&a=&j=&f= t _blank 發(fā)電機、流量傳感器等信號調理：它的作用包括信號放大或衰減、濾波、隔離、保護等。NI公司的儀

31、器信號調理板卡SCXI是LabVIEW軟件直接支持的一個信號調理板卡，LabVIEW環(huán)境中調用非常方便。數(shù)據(jù) HYPERLINK /cgi-bin/ls?c=%b9%a9%d3%a6%d0%c5%cf%a2&i=&s=&w=%b2%c9%bc%af%bf%a8&d=&k=0&z=&a=&j=&f= t _blank 采集卡：它是外界信號進入計算機的通道，在這個通道中要實現(xiàn)A/D轉換、放大或縮小、光電隔離等。選擇數(shù)據(jù)采集卡時，需要注意以下一些問題：數(shù)據(jù)分辨率、精度、最高采樣速度、通道數(shù)、總線接口類型。計算機（LabVIEW）：它的作用是數(shù)據(jù)采集，分析，顯示和記錄。 3.2 虛擬應變測試系統(tǒng)軟件構

32、成1.2虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成 測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。 1.

33、2.1儀器面板控制軟件 儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。 1.2.2數(shù)據(jù)分析處理軟件 利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數(shù)庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。 1.2.3儀器驅動軟件 虛擬儀器驅動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬

34、儀器驅動程序的核心是驅動程序函數(shù)/VI集，函數(shù)/VI是指組成驅動的模塊化子程序。驅動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入參數(shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應用函數(shù)/VI層，它根據(jù)具體測量要求調用底層的函數(shù)/VI。 1.2.4通用I/O接口軟件 在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結構中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標準，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標準，VISA具有與儀器硬件接口無關性的特點， 即這種軟件結構是面向器件功能而不是面向接口總線的。應用工程師為帶GPIB接

35、口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設備上，這樣不但大大縮短了應用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。2 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設計標準 虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器，與儀器進行通信，輸入參數(shù)設置，輸出結果顯示的用戶接口。其設計準則是： （1） 按照VPP規(guī)范設計軟面板，使面板具有標準化、開放性、可移植性。 （2） 根據(jù)測試要求確定儀器功能。根據(jù)測試任務確定儀器軟面板具體測試、測量功能，開關、控制等設置要求。 （3） 用面向對象的設計方法設計軟面板。按照面向對象的設計思想，一個虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個虛擬儀器組成，每個虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大

36、量的虛擬控件組成。 3 虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案 在虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案，主要包括底層硬件、軟硬件接口、應用程序以及驅動程序的設計與開發(fā)。 3.1 制定所設計儀器的接口形式 如果儀器設備具有RS-232串行接口，則直接用連線將儀器設備和計算機的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口，需要額外配備一塊GPIB-488接口板，將接口板插入計算機的ISA插槽，建立起計算機與儀器設備之間的通信橋梁。如果使用計算機來控制VXI總線設備，則需要配置一塊GPIB接口卡，通過GPIB 總線與VXI主機箱零槽模塊通信。零槽模塊的GPIB-VXI翻譯器將GPIB 的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數(shù)據(jù)

37、以一定的格式傳回主控計算機。DAQ數(shù)據(jù)采集卡是基于計算機標準總線的，因此可以將數(shù)據(jù)采集卡直接插到計算機的插槽上。 3.2 開發(fā)硬件采集卡 一種典型的數(shù)據(jù)采集卡組成包括，先用傳感器把非電的物理量轉變成模擬電量，采樣/保持器可以保持信號，實現(xiàn)對瞬時信號進行采集，以便ADC進行數(shù)字轉換，提高ADC轉換器的轉換精度。實現(xiàn)在測量中同時對多路模擬信號進行采樣。多路模擬開關可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號，這樣在多路開關后的單元電路，只需一套即可，也可以采用計算機進行多路選擇控制。當傳感器輸出的信號比較小，可以用放大器放大和緩沖輸入信號，如果采用的是可編程增益放大器就可以通過計算機進行增益選擇控制確

38、定增益倍數(shù)。精度及性能是儀器系統(tǒng)的生命，而這完全依賴于提供基礎數(shù)據(jù)的信號采集控制電路，因此在硬件采集電路的設計時，需根據(jù)所設計的虛擬儀器所要達到的性能指標和被測信號的特點，設計合理的系統(tǒng)結構。系統(tǒng)的結構合理與否，對系統(tǒng)的可靠性、性能價格比等有直接影響，在硬件和軟件功能的設計上要盡量使虛擬儀器的結構簡單，可靠性高，成本低廉，選用合適的單元器件，盡可能的提高采集卡采集的精度和速度。 3.3 確定設計采集卡的設備驅動程序方案 采集卡的設備驅動程序是控制各種硬件采集卡的驅動程序，是連接主控計算機與信號采集調理部件的紐帶。驅動程序的實質是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集，它是虛擬儀器核心軟件

39、之一。 3.4確定虛擬儀器系統(tǒng)應用程序編程語言 虛擬儀器系統(tǒng)軟件結構的設計在體現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能和靈活性方面作用很大，因此在開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件部分時，首先要根據(jù)所開發(fā)的虛擬儀器功能和性能，確定應用程序和軟面板程序的模塊結構和功能，畫出各部分的流程圖，采用合適的編程語言。在編制虛擬儀器軟件中可采用兩種編程方法。一種是采用面向對象的可視化的高級編程語言，如VC+、VB和Delphi等編寫虛擬儀器的軟件，這種方法實現(xiàn)的系統(tǒng)靈活性高，易于擴充和升級維護。另一種是采用圖形化編程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用圖形化編程的優(yōu)勢是軟件開發(fā)周期短、編程較簡單，特別適合工程技術人員使用。總之在編寫程序

40、時，要盡可能的讓每一模塊都有一定的獨立性，模塊之間明確定義接口，模塊之間可以采用數(shù)據(jù)傳遞的形式進行聯(lián)系。 3.5 軟件調試和運行 程序編寫好以后要對各模塊進行調試和運行，可以通過采集各種標準信號來驗證虛擬儀器系統(tǒng)功能的正確性和性能的優(yōu)良性。 4 虛擬應變測試系統(tǒng)的程序設計4.1系統(tǒng)的總體結構與功能4.11 應變測試程序框圖4.12應變測量實驗前面板圖6所示為雙孔梁應變測量實驗前面板。集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧RF1a6h-eb(d/N$QZ3m3+V18bq8z&W0集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧_,wc*z.b%w:M$YT4.3 數(shù)據(jù)采集3.1 數(shù)據(jù)采集卡簡介系統(tǒng)采用NI公司的

41、PCI-MIO-16E-4型數(shù)據(jù)采集卡。它是NI公司的NI 6040E系列數(shù)據(jù)采集卡之一，是一種性能優(yōu)良、適合PC及兼容機的數(shù)據(jù)采集卡，能夠完成模擬信號輸入/輸出和數(shù)字信號輸入/輸出等功能。它有16個模擬輸入通道（對差分輸入是8對模擬輸入通道）、2個模擬輸出通道、8個數(shù)字量I/O、2個24位的計數(shù)器（用于計時/計數(shù)功能）。在使用采集卡之前，首先要進行采集卡的安裝，將采集卡插入PC機的PCI插槽。由于是NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，因此不需要再編寫采集卡的驅動程序，只需重新啟動計算機，放入采集卡的驅動光盤，按照提示就可以自動完成安裝。安裝完成后對設備號、模擬輸入極性、模擬輸入模式、模擬輸出極性等參數(shù)進行

42、設置。另外，選用CB-68LP連接塊和R6868帶狀電纜等附件來連接數(shù)據(jù)采集卡和嵌入式計算機系統(tǒng)。3.2 硬件連接系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡把嵌入式計算機系統(tǒng)和PC機連接起來，由PC機輸出激勵信號驅動嵌入式計算機系統(tǒng)運行，同時由PC機采集嵌入式計算機系統(tǒng)運行的輸出信號。硬件連接框圖如圖1所示。 圖1 信號輸出與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連接框圖3.3 信號輸出與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的LabVIEW程序系統(tǒng)能夠實現(xiàn)同時輸出和采集模擬信號，它利用傳遞error信息的數(shù)據(jù)線安排并行的執(zhí)行順序。其工作流程如下：首先通過AO Config VI設置好輸出參數(shù)，通過AI Config VI設置好輸入參數(shù)；然后將準備好的波形數(shù)據(jù)通過

43、AO Write VI寫入輸出緩沖區(qū)；接著由AO Start VI啟動模擬輸出，AI Start VI啟動模擬輸入（要將number of scans to acquire的參數(shù)設為0，這樣才能連續(xù)采集）；在While循環(huán)中，AI Read VI連續(xù)從輸入緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，輸出緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)經AO Write VI被送到DAC輸入端，經轉換后輸出，直到用戶按下了STOP按鈕或程序出錯才結束。最后由AO Clear VI清除任務所占用的全部資源。在本程序中，輸出和采集并不是同步的，首先AI Start和AO Start沒有受同一時鐘源的控制，采集卡的模擬輸入和模擬輸出各有獨立的時鐘；其次它們并不是

44、被同時啟動的，AI Start要稍晚于AO Start，不過兩者的啟動時間相差非常?。〞r間差在幾微秒內），在要求不是特別嚴格的場合可以忽略不計。參數(shù)設置：輸出通道指定從采集卡的那個模擬輸出通道輸出信號，輸入通道指定由采集卡的那個模擬輸入通道采集信號；輸出通道緩沖區(qū)的大小一般為更新速率的兩倍；輸入通道緩沖區(qū)的大小一般為掃描速率的兩倍，每次讀取的樣本數(shù)設置為一個小于輸入通道緩沖區(qū)大小的值，一般為輸入通道緩沖區(qū)大小的一半應變測試過程如圖2所示。集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧f3dS.l-JI8n.nw g集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧,iR h0U)R 集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧j.

45、Xd1s0fDG集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧 bp ivV 信號調理從傳感器得到的信號大多數(shù)要經過調理才能進入數(shù)據(jù)采集設備，信號調理功能包括放大、隔離、濾波、激勵、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，因此，除了這些通用功能還要根據(jù)集團傳感器的特性和要求來設計特殊的信號調理功能。1放大微弱信號都要進行放大以提高分辨率和降低噪聲。使調理后信號的電壓范圍和A/D的電壓范圍相匹配，信號調理模塊應盡可能靠近信號源或傳感器，使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使噪聲比得到改善。2隔離隔離是指采用變壓器、光或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)和測試系統(tǒng)之間傳遞信號，避免直接的電連接，使用隔離的原

46、因有兩個：一是從安全的角度考慮；另一個原因是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來的數(shù)據(jù)不受地點位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地于信號地之間有電位差，而又不進行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差；3濾波濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分。大多數(shù)信號調理模塊有低通濾波器，用來濾除噪音。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號，某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器。4激勵信號調理也能夠為某些傳感器提供所需的激勵信號。比如應變傳感器。熱敏電阻等需要外界電源或電流激勵信號。很多信號調理模塊都提供電流源和電壓源以便傳給傳感器提供激勵5 線性化許多傳感器對被測

47、的響應是非線性的，因而需要對其輸出信號進行線性化，以補償傳感器帶來的誤差。4.4 各功能模塊的設計3.1 硬件參數(shù)的控制 采集數(shù)據(jù)時首先要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡和信號調理機箱的硬件控制，主要包包括對采樣通道、激勵電壓、濾波器截止頻率、輸入極限、觸發(fā)和采樣參數(shù)的設置。數(shù)據(jù)采集過程主要由AI Configure, AI Start ,AI Read ,AI Clear 四個函數(shù)構成，其采集程序流程圖如圖2所示，其中子VI“系統(tǒng)標定”用于控制并聯(lián)標定電路，“STRAIN CONV”用于實現(xiàn)電壓信號到應變信號的轉變。2 電橋調平衡實現(xiàn)電橋的平衡有三種方法:軟件補償:即在軟件中對偏移值加減清零。其特點是簡單快

48、捷,但是沒有實際清除橋路偏移,如果偏移過大,就會限制應用到輸出電壓的放大器的增益從而限制系統(tǒng)測試的動態(tài)范圍。置零偏移電路:通過改變電路中可調的電阻或電勢計值,使電橋輸出調整到零。硬件零補償:不直接影響橋路,零調整電路加到儀器放大器直流電壓上正的或負的電壓來補償初始電橋偏移。相對于MAX,本測試系統(tǒng)采用第二種電橋平衡方式,用戶可以在LabVIEW前面板上通過粗調和精調電勢計的配合實現(xiàn)電橋平衡,可避免軟件補償?shù)娜秉c。 利用LabVIEW調平衡首先要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集程序主要由AI Configure、AI Start 、AI Read 和AI Clear 四個函數(shù)構成。在程序前面板對數(shù)據(jù)采樣參

49、數(shù)(通道控制參數(shù),采樣率,采樣長度和觸發(fā)條件)及激勵電壓值,濾波器截止頻率等進行正確的設置可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,其程序如圖2 所示。在電橋沒有受到激振時,從前面板波形圖或數(shù)值控件可以看到電橋輸出電壓信號不為零。 然后進行調零。LabVIEW中的AI Parameter 可以用來設置粗調和精調在前面板手動調零,但由于粗調數(shù)字的范圍為0128,精調的數(shù)字范圍為04095,且只能找到比較接近零點的值,無法確定最接近零點的值是多少。因此調節(jié)起來不僅麻煩且受到測試者主觀判斷的影響。本文設計了自動調零的程序,具體程序流程如圖3所示。它采用循環(huán)的結構,粗調由零開始,循環(huán)128次,每次步長加1,AI READ每次都

50、采集到一個電壓值,最后組成數(shù)組,從中選出的得到最小值的數(shù)字即為粗調值。然后采用同樣的原理順序執(zhí)行精調,粗調與精調配合使電橋最接近平衡。4.4.3 并聯(lián)標定在SCXI-1520信號調理模塊中存在并聯(lián)標定電路,可從接線板SCXI-1314中接入并聯(lián)標定電阻進行標定3。并聯(lián)標定原理為將某一橋臂并聯(lián)一較大值的電阻來模擬此橋臂的應變。如在本實驗中,橋臂電阻Rg=120 ,并聯(lián)標定電阻Rs為100K。并聯(lián)后此橋臂的阻值減小0.1438 。以全橋連接電路I的測試為例,當初始輸入信號為零時,在R3橋臂接入并聯(lián)標定電路電阻后,其實際測試應變=Vsignal/ VEX*GF, 理論應變s=Rg/GF(4Rs-2R

51、g)。其標定電路如圖4所示。 LabVIEW給定的AI Parameter可以設置并聯(lián)標定,當系統(tǒng)平衡后,就可以合并并聯(lián)標定開關在AI READ輸出標定后的測量值,但是不能即時得到系統(tǒng)的誤差。通過LabVIEW編程計算出各種電橋連接方式下的的理論的應變值將其與實測應變進行了比即得到了系統(tǒng)的增益調整系數(shù)。為了提高其值的精確度應將其進行多次循環(huán)后取其平均值作為增益調整系數(shù),增益調整系數(shù)K減1即為測量誤差。與傳統(tǒng)的方法相比,使用LabVIEW進行標定更加快捷,精度更高,在測量過程中,可以直接將測量值乘以增益調整系數(shù)得到真值進行存儲和后續(xù)的分析。用LabVIEW實現(xiàn)標定具體的程序流程如圖5所示,其中圖

52、標“CAL系數(shù)”為計算七種橋路連接下理論輸出應變s與實測應變比值的子程序。在本次測試中測得系統(tǒng)的增益調整系數(shù)為1.01,即其測量誤差為1%。4.4.4 濾波3 信號濾波電路B3f c.D0 h8X uI Q q0從應變片組成的電橋電路中出來的電壓信號通常會伴隨著噪聲、振動等于擾，為了得到較為準確的低頻應變信號，在將采集到的應變信號送到計算機之前，需要進行濾波處理。雙二階環(huán)濾波電路利用兩個以上的加法器、積分器等組成的運算放大電路，根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當?shù)姆答?，構成濾波電路。其突出特點是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實現(xiàn)多種濾波功能，這里使用低通濾波。具體電路如圖3所示。集微網-欲知半導體

53、動態(tài)，速上老杳吧*F U7h wo)z!Uhx1xS+S,O.F0!_h3nIn/ GU0 集微網-欲知半導體動態(tài)，速上老杳吧2wuP s;J Qi7m-q 構成低頻濾波器時，電路固有頻率和通帶增益如下：-r;b0t*b4F0Pr0 !H pTWv04.46時域分析信號的時域分析主要包括了波形特征分析、信號的加窗分析和信號的相關型分析。在LabWindows/CVI 中集成了豐富的時域分析函數(shù)與數(shù)學計算函數(shù)，用戶可以方便地使用。 進行信號波形特征值求解時使用 Mean()，RMS()，MaxMin1D()等函數(shù)進行計算，求解出信號的平均值、均方根值、最大值和最小值。 進行加窗分析時，使用 TriWin()，HanWin()，HamWin()等九種加窗函數(shù)對信號進行加窗分析。經過窗函數(shù)處理的數(shù)據(jù)通過繪圖函數(shù) PlotY 就能夠以圖形的方式直觀地顯示在軟面板上了。 相關分析在 LabWindows/CVI 中同樣可以方便地進行。信號的相關分析主要包括了一個信號的自相關分析和兩個信號的互相關分析。對于各態(tài)歷經的信號，自相關函數(shù)定義為： 在這個功能的實現(xiàn)中，應用 Correlate()函數(shù)對信號進行相關性的分析，使編程人員擺脫繁雜的數(shù)學運算算法編制。 （2）頻域分析 信