基于Labview的壓力測(cè)試系統(tǒng)

1、現(xiàn)代檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng) 學(xué) 院 名 稱(chēng): 電子與信息工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí): 電氣121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(shū) 1二、總體設(shè)計(jì)方案2。1 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)發(fā)展概述12。2 自動(dòng)檢測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路34.2 電橋的放大電路44。3 壓力測(cè)量的總電路圖 5五、Labview軟件設(shè)

2、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(shū)用虛擬儀器Labview軟件來(lái)編寫(xiě)壓力測(cè)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(cè)量系統(tǒng)2、系統(tǒng)包括：系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、當(dāng)前測(cè)量值、超限報(bào)警3、壓力測(cè)量上下限、壓力變化趨勢(shì)4、測(cè)量過(guò)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(cè)控技術(shù)發(fā)展概述 近些年來(lái),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器不斷涌現(xiàn)出來(lái),檢測(cè)裝置也向小型化。固體化

3、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(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代測(cè)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(cè)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(cè)控技術(shù)、基于虛擬儀器（VI)的測(cè)控技術(shù)、基于雷達(dá)與無(wú)線(xiàn)通信的測(cè)控技術(shù)，以及基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS)的測(cè)控技術(shù)等。現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)隸屬于現(xiàn)代信息技術(shù)，是以電子、測(cè)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(cè)試測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、儀器儀表技術(shù)等多門(mén)技術(shù)，利用現(xiàn)代最新科學(xué)研究方法和成果，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)

4、和實(shí)現(xiàn)的綜合性技術(shù)。當(dāng)前,檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面.1、 不斷提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、量程范圍、延長(zhǎng)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(kāi)拓檢測(cè)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(cè)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(cè)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(xiàn)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(shì),使虛擬儀器具有多種優(yōu)勢(shì)。測(cè)量精度高、速度快、可重復(fù)性好、系統(tǒng)組建時(shí)間短、測(cè)量功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，有最終取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領(lǐng)域主流產(chǎn)品的趨勢(shì)。虛擬儀器是

5、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(cè)試儀器的硬件化功能軟件化，給測(cè)試儀器帶來(lái)了深刻的變化，因此虛擬儀器代表了當(dāng)前測(cè)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(lái)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(lái)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(duì)被測(cè)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(guò)硬件平臺(tái)確定后，可由軟件而不是硬件來(lái)決定儀器的功能。儀器的功

6、能是用戶(hù)根據(jù)需要由應(yīng)用軟件來(lái)定義的，而不是事先由廠(chǎng)家定義好了的.因此用戶(hù)不必購(gòu)買(mǎi)多臺(tái)不同功能的傳統(tǒng)儀器,在現(xiàn)代測(cè)控應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用前景.總之，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展適用了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要，是一門(mén)充滿(mǎn)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(cè)系統(tǒng)的原理框圖圖2-1 自動(dòng)檢測(cè)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(duì)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). 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

7、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(chēng)為壓電傳感器。力學(xué)傳感器的種類(lèi)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(jiǎn)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(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題.當(dāng)傳感器確定之后,與之相配套的測(cè)量方案和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。在選擇傳感器時(shí)，我們所要考慮

8、的因素是：根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型、靈敏度、響應(yīng)特性、線(xiàn)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(lái)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(cè)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(guò)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

9、組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)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(cè)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(guò)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(cè)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(lái)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(zhǎng)度(m)我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受到

10、外力作用時(shí)，其長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí),其長(zhǎng)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(zhǎng)度減小而截面積增加,電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻兩端的變化（通常是測(cè)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(cè)量范圍廣，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)于大應(yīng)變有較大的非線(xiàn)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(cè)試和控制技術(shù)中.四、硬件設(shè)計(jì)4。1 應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)

11、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(cè)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(lái)測(cè)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(lái)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(lái)計(jì)算出被測(cè)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(kāi)路，這種電橋稱(chēng)為電壓輸出橋，輸出電壓U0為： （2）由上式可知，若R1R3=R2

12、R4，則輸出的電壓必為零，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，稱(chēng)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(guò)的電流也大，若超過(guò)電阻應(yīng)變片所允許通過(guò)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(cè)量靈敏度。利用不平衡電橋來(lái)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(cè)量靈敏度.4。2 信號(hào)處理電路4。2。1 信號(hào)放大電路信號(hào)放大電路用于將傳感器或經(jīng)基本轉(zhuǎn)換電路

13、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42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(lái)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(cè)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43 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(guò)，而限制另一部分頻率成分通過(guò)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、電感組成的各種復(fù)式濾波電路。在該硬件接線(xiàn)電路中,在多處

14、地方采用了濾波電路來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。具體接線(xiàn)圖見(jiàn)圖44所示。4.3壓力測(cè)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(cè)量的實(shí)驗(yàn)原理如下圖所示:圖44 壓力測(cè)量的硬件電路圖五、Labview軟件設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)始實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)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51 軟件

15、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(cè)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(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的上下限參數(shù)的設(shè)置，以及測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)上下限的一個(gè)報(bào)警提醒功能。超過(guò)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(duì)整個(gè)壓力測(cè)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(cè)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(kāi)或關(guān)閉等，其中有些模塊直接調(diào)用LABVIEW中的庫(kù)函數(shù),如乘除法、定時(shí)器等，還有一些模塊則需要用戶(hù)進(jìn)行自定義設(shè)計(jì)

16、實(shí)現(xiàn)如下圖5:該部位是登陸界面上顯示壓力測(cè)試系統(tǒng)和用戶(hù)登錄該名稱(chēng)的。 圖5如下圖6：該部位是用戶(hù)輸入自己的用戶(hù)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(hù)名為:yyx密碼為123456.若輸入用戶(hù)名有誤,則會(huì)顯示一下圖7，則會(huì)顯示“用戶(hù)名錯(cuò)誤，請(qǐng)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(wú)法登陸。 圖6 圖7 圖8圖9該部位代表用戶(hù)已經(jīng)登錄頁(yè)面，正在連接子VI界面中,系統(tǒng)正在登錄過(guò)程中，該部位我利用滑動(dòng)桿顯示系統(tǒng)登陸的過(guò)程,更加有真實(shí)感.那條墨綠色的線(xiàn)連接到我的Angela.vi 這個(gè)系統(tǒng). 圖

17、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(lèi)別右鍵選擇類(lèi)-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5.211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(lèi)處選擇VI，在名稱(chēng)1處右鍵選擇全部轉(zhuǎn)換為寫(xiě)入，再右鍵屬性工具欄-可見(jiàn)，右鍵屬性選擇屬性-前面板窗口-打開(kāi)。其余的也根據(jù)需要依次設(shè)置.圖5。212圖5。2-13若用戶(hù)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(hù)密碼，則會(huì)出現(xiàn)圖5。213。 圖5.2-13圖5.3-14為壓力測(cè)量系統(tǒng)登陸界面的總體框圖(每隔1s出現(xiàn)一個(gè)隨機(jī)數(shù)） 圖5。3-14圖5.3-1

18、5則表示任意隨機(jī)獲取模擬量壓力值,500表示范圍.圖5.315圖5。316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。317則是對(duì)該物件的介紹.圖5.316 圖5.317圖5.318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。318 圖5。319圖5。320表示的是毫秒計(jì)時(shí)器，定時(shí)1000毫秒，說(shuō)明1秒鐘采樣一個(gè)壓力值,速度會(huì)慢一點(diǎn)。看起來(lái)更加清楚點(diǎn)。圖5。320圖5。321圖5。322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5.322 圖5.324圖5。324表示輸入壓力模擬量小于下限值,則輸出為“TRUE”,

19、布爾燈則會(huì)亮.與上述大于同理。圖5.324 六、調(diào)試情況及結(jié)論儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用來(lái)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(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的選項(xiàng)的選擇，將壓力曲線(xiàn)的程序框圖中的隨即數(shù)組用DAQ助手來(lái)代替,開(kāi)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(méi)有連接硬件，只是用隨機(jī)數(shù)組來(lái)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(cè)量系統(tǒng)的登錄界面，如圖6-1:在用戶(hù)名和密碼處輸入正確的賬戶(hù)（用戶(hù)名:yyx,密碼：123456），如圖62： 圖61圖63是還沒(méi)有輸入模擬量的時(shí)候壓力測(cè)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64圖65是模擬量超出下限值，下限報(bào)警。按