現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向課件

第9章

現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向

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本章重點(diǎn)：

?本章將對(duì)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向做簡(jiǎn)要介紹，主要包括測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向和虛擬儀器技術(shù)。本章的重點(diǎn)是虛擬儀器技術(shù)的概念。

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9.1測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向

?近年來，隨著微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，測(cè)試技術(shù)發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了一些新的概念、理念和技術(shù)，表現(xiàn)出一些新的發(fā)展方向。儀器的研制和生產(chǎn)趨向智能化、微型化、集成化、芯片化和系統(tǒng)工程化。利用現(xiàn)代微制造技術(shù)（光、機(jī)、電）、納米技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿生學(xué)原理、新材料等高新技術(shù)開發(fā)新的科學(xué)儀器已經(jīng)成為主流。虛擬儀器技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能信息處理技術(shù)也開始廣泛應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)之中。

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9.1.1新型傳感器不斷出現(xiàn)

1．基于新材料的物性型傳感器不斷出現(xiàn)

2．集成化、多功能化、智能化傳感器不斷出現(xiàn)

3．各類仿生型傳感器不斷出現(xiàn)

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9.1.2測(cè)試系統(tǒng)的小型化、微型化及集成化

?微機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用使得測(cè)試系統(tǒng)的緊湊程度得到極大提高。各種基于新材料、新效應(yīng)和新工藝的新型傳感器的不斷出現(xiàn)，使得傳感器在精度提高的同時(shí)體積也逐漸變??；信號(hào)處理電路的集成程度不斷提高，使得測(cè)試系統(tǒng)的小型化、微型化及集成化成為可能；新型的顯示和記錄儀器及模塊不斷出現(xiàn)，也使得整個(gè)系統(tǒng)的體積不斷減小。

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9.1.3虛擬儀器化

?在計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了虛擬儀器的概念，并得到廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)可以在大大節(jié)約開發(fā)時(shí)間的基礎(chǔ)上使系統(tǒng)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能和近乎完美的用戶體驗(yàn)。虛擬儀器技術(shù)使得現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)更加靈活、緊湊、經(jīng)濟(jì)，功能更加強(qiáng)大。無論測(cè)量、測(cè)試、計(jì)量或工業(yè)過程控制和分析處理，還是其它更為廣泛的測(cè)控領(lǐng)域，虛擬儀器都以自身無與倫比的強(qiáng)大功能和靈活性組態(tài)為設(shè)計(jì)者提供了一種極佳的模式。

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9.1.4測(cè)試系統(tǒng)的智能化

?測(cè)試系統(tǒng)的智能化主要表現(xiàn)在測(cè)試系統(tǒng)對(duì)信息的檢測(cè)、信號(hào)處理、信息的記憶、邏輯思維與推理決策等方面，出現(xiàn)了智能儀器、智能傳感器等新概念。

?智能測(cè)試系統(tǒng)以微處理器為核心，通過總線及接口與I/O通道及輸入/輸出設(shè)備相連。微處理器作為控制單元來控制數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行采樣，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及數(shù)據(jù)處理，如數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、非線性補(bǔ)償?shù)?。然后把?jì)算與分析結(jié)果進(jìn)行顯示或打印。智能測(cè)試系統(tǒng)廣泛采用鍵盤、LED/LCD顯示器或CRT，它們由微處理器控制，顯示測(cè)試結(jié)果或處理結(jié)果及圖像等。

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9.1.5測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化

1．基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)

?現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，是開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。

?現(xiàn)場(chǎng)總線面向工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，主要用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)/過程領(lǐng)域的基本測(cè)控設(shè)備（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備）之間以及與更高層次測(cè)控設(shè)備（車間級(jí)設(shè)備）之間的互連。

?現(xiàn)場(chǎng)總線已有多個(gè)版本，目前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)包括PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）、CAN總線和HART總線等。

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2．基于工業(yè)以太網(wǎng)和Internet的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)

（1）工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

基于Web的信息網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)是目前企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)的主流。應(yīng)用Internet的具有開放性的互聯(lián)通信標(biāo)準(zhǔn)，使以太網(wǎng)成為基于TCP/IP協(xié)議的開放系統(tǒng)，能方便地與外界連接，尤其是與Internet連接。借助Internet的相關(guān)技術(shù)，以太網(wǎng)能給企業(yè)的經(jīng)營(yíng)和管理帶來極大便利。

所謂工業(yè)以太網(wǎng)，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性，以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。

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?以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟/硬件資源豐富、易于與Internet連接等。但以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要解決的問題也較多，例如：以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信服務(wù)質(zhì)量問題，滿足通信一致性和可互操作性的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議規(guī)范的建立，網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)安全性問題，本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)等。

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（2）基于Internet的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控

?利用現(xiàn)有Internet資源而無須建立專門的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使組建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及它們與Internet的互聯(lián)都十分方便。

?基于Internet的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與控制的前端模塊具有虛擬儀器不可比擬的強(qiáng)大功能，它不僅完成信號(hào)的采集和控制，在一定程度上還兼顧實(shí)施對(duì)信號(hào)的分析與傳輸。

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9.1.6軟測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

?軟測(cè)量就是選擇與被測(cè)變量（難以直接測(cè)量，稱為主導(dǎo)變量）相關(guān)的一組可測(cè)變量（稱為二次變量或輔助變量），構(gòu)造某種以可測(cè)變量為輸入、被測(cè)變量為輸出的數(shù)學(xué)模型，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模型的數(shù)值運(yùn)算，從而得到被測(cè)變量的估計(jì)值的過程。這類數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件也被稱為軟測(cè)量估計(jì)器或軟測(cè)量?jī)x表。

?軟測(cè)量技術(shù)主要包括三部分的內(nèi)容：一是根據(jù)某種最優(yōu)原則研究建立軟測(cè)量數(shù)學(xué)模型的方法，這是軟測(cè)量技術(shù)的核心；二是模型實(shí)時(shí)運(yùn)算的工程化實(shí)施技術(shù)，這是軟測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵；三是模型自校正技術(shù)，這是提高軟測(cè)量精度的有效方法。

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1．軟測(cè)量建模方法

?機(jī)理建模方法

?統(tǒng)計(jì)方法

?非線性軟測(cè)量模型的建立

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2．模型實(shí)時(shí)演算的工程化實(shí)施技術(shù)

?輔助變量的選擇

?現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理

?軟測(cè)量模型結(jié)構(gòu)選擇

?軟測(cè)量模型的在線校正

?軟測(cè)量模型的實(shí)施

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3．軟測(cè)量技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

?首先，軟測(cè)量技術(shù)在過程操作和監(jiān)控方面有十分重要的作用。

?其次，軟測(cè)量技術(shù)在過程控制中也具有重要的用途，其中報(bào)道最多的是推斷控制。

?再者，軟儀表的輸出也可以作為優(yōu)化系統(tǒng)所需的測(cè)量變量。

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9.2虛擬儀器技術(shù)

9.2.1虛擬儀器概述

?關(guān)于虛擬儀器還沒有被廣泛接受的定義，其基本思想是：用計(jì)算機(jī)資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實(shí)現(xiàn)儀器硬件核心部分的模塊化和最小化；用戶根據(jù)自己的需要定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，用計(jì)算機(jī)軟件和儀器軟面板實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量和控制功能。硬件功能軟件化是虛擬儀器的一大特征。

虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上，使用者是在操作具有測(cè)試軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，猶如操作一臺(tái)虛設(shè)的儀器，虛擬儀器因此得名。

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9.2.2虛擬儀器的構(gòu)成

1．虛擬儀器的硬件系統(tǒng)

圖9-1虛擬儀器的構(gòu)成

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表9-1幾種不同體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)性能比較

體系結(jié)構(gòu)特性

PC-DAQ

GPIB

VXI

PXI

傳輸寬度

8、16、32、64位

8位

8、16、32、64位

8、16、32、64位

吞吐率

132MB/s（PCI）

8MB/s（HS488）

80MB/s（VME64）

（132~264）MB/s

定時(shí)與控制能力

無

無

2ECL觸發(fā)線

擴(kuò)展能力

由系統(tǒng)或擴(kuò)展機(jī)箱可用插槽決定

多接口卡

使用MXI接口

使用MXI接口

結(jié)構(gòu)規(guī)模

小

大

中

中

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2．虛擬儀器的軟件系統(tǒng)

?在虛擬儀器系統(tǒng)中，“軟件即儀器”，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

?I/O接口軟件

?儀器驅(qū)動(dòng)程序

?應(yīng)用軟件

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9.2.3虛擬儀器的特點(diǎn)

表9-2虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器性能比較

比

較

類

別

傳

統(tǒng)

儀

器

虛

擬

儀

器

儀器功能

廠商定義

用戶定義

關(guān)鍵部件

硬件

軟件

開放性

封閉式、固定功能

開放式、靈活功能組態(tài)

檢測(cè)效果

一般

更好

技術(shù)更新

周期長(zhǎng)

周期短

開發(fā)與維護(hù)

費(fèi)用高

費(fèi)用低

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9.2.4虛擬儀器設(shè)計(jì)示例

?虛擬儀器開發(fā)環(huán)境有很多種，其中最成熟、應(yīng)用最廣泛的應(yīng)數(shù)LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境）開發(fā)環(huán)境。它是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NationalInstruments，NI）推出的一種基于圖形程序的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，它與儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示部分一起協(xié)調(diào)工作，是一種簡(jiǎn)化了而又更易于使用的基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

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圖9-2LabVIEW中VI的層次結(jié)構(gòu)

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?一個(gè)VI包括三個(gè)部分：前面板（FrontPanel）、流程圖（BlockDiagram）和圖標(biāo)（Icon）/連接器（Connector）。

?前面板既接收來自流程圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。這個(gè)窗口模擬真實(shí)儀表的前面板，用于設(shè)置輸入和觀察輸出。

?流程圖窗口用于編輯虛擬儀器的圖形化源代碼，一般由低一級(jí)的VI、內(nèi)置的函數(shù)、常量和程序的執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)組成。通過流程圖，可以很容易理解數(shù)據(jù)是怎樣在前面板和后臺(tái)的流程圖之間傳遞的。需要指出的是：LabVIEW運(yùn)行是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的。

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?當(dāng)一個(gè)虛擬儀器的圖標(biāo)被放置在另一個(gè)虛擬儀器的流程圖中時(shí)，它就是一個(gè)子儀器或者說是LabVIEW的一個(gè)子程序。子儀器的控制和顯示對(duì)象從調(diào)用它的儀器流程中獲得數(shù)據(jù)，然后將處理后的數(shù)據(jù)返回給它。連接是對(duì)應(yīng)于子儀器控制和顯示對(duì)象的一系列連線端子。圖標(biāo)既包含虛擬儀器用途的圖形化描述，也包含儀器連線端子的文字說明。連接更像是功能調(diào)用的參數(shù)列表，連線端子類似于參數(shù)。每個(gè)終端都對(duì)應(yīng)于前面板的一個(gè)特別的控制和顯示對(duì)象。連接從它的輸入連線端子接收數(shù)據(jù)，然后通過子儀器的控制對(duì)象將數(shù)據(jù)傳輸給子儀器的代碼。每個(gè)虛擬儀器都有一個(gè)默認(rèn)的圖標(biāo)，位于兩個(gè)窗口的右上角。

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2．虛擬儀器設(shè)計(jì)示例

?此處將設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，該儀器具有以下功能：可產(chǎn)生兩個(gè)具有不同頻率、初始相位和幅值的正弦信號(hào)，并分別顯示波形；可將前述兩正弦信號(hào)進(jìn)行疊加，并顯示波形。

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圖9-3LabVIEW啟動(dòng)畫面

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圖9-4創(chuàng)建文件類型選擇窗口

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圖9-5空白的前面板

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圖9-6空白的流程圖程序

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圖9-8GraphIndicators選項(xiàng)板

圖9-7數(shù)字控件選項(xiàng)板

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圖9-9波形指示器

圖9-10調(diào)整波形指示器大小的控制點(diǎn)

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圖9-11初步完成的前面板

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圖9-12“Input”選項(xiàng)板

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圖9-13仿真信號(hào)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

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圖9-14仿真信號(hào)發(fā)生器圖標(biāo)

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圖9-15初步設(shè)置的流程圖窗口

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圖9-16連線后的數(shù)據(jù)流程圖

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圖9-17“Execution

Con