虛擬儀器課程設(shè)計(jì)剖析

湖南科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)及班級(jí)：測(cè)控技術(shù)與儀器一班 年月日在學(xué)習(xí)和了解虛擬儀器及總線技術(shù)與LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基本原理和方法的基礎(chǔ)上，使學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合，深入了解虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW編程技術(shù)在工程常見(jiàn)領(lǐng)的綜合應(yīng)用能力和實(shí)際動(dòng)手能力。老師評(píng)閱，指導(dǎo)教師將組織部分學(xué)生答辯。學(xué)虛擬儀器各一題)。5、設(shè)計(jì)要求：4、說(shuō)明前面板控件布置、流程圖(節(jié)點(diǎn)和圖框)編輯和數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)方法；測(cè)和實(shí)測(cè)檢測(cè)。)6、設(shè)計(jì)成果及處理說(shuō)明書(shū)主要章節(jié)：a.封面(參照學(xué)院規(guī)定標(biāo)準(zhǔn))；b.設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)(包括選定設(shè)計(jì)題目與要求)；d器設(shè)計(jì)步驟e.設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì)；f.參考文獻(xiàn)7、設(shè)計(jì)所得學(xué)分及成績(jī)?cè)u(píng)定：考核與評(píng)分主要分四個(gè)方面：8、設(shè)計(jì)進(jìn)度與答疑：運(yùn)行調(diào)試檢測(cè)與修改，撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告：12.22~12.25日；學(xué)生簽名：指導(dǎo)老師簽名：目錄第一章虛擬調(diào)制解調(diào)器 41.方案確定 41.1開(kāi)發(fā)平臺(tái) 41.2調(diào)制解調(diào)器 41.3調(diào)制解調(diào)器的作用 41.4調(diào)制解調(diào)器的工作原理 52.調(diào)制解調(diào)原理 52.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)以及特性 52.2調(diào)幅波的解調(diào) 63.設(shè)計(jì)步驟 73.1程序總體設(shè)計(jì) 73.2前面板設(shè)計(jì) 83.3程序設(shè)計(jì) 84.運(yùn)行檢驗(yàn) 9第二章應(yīng)變測(cè)試虛擬儀器 101.方案確定 102.應(yīng)變測(cè)試 102.1應(yīng)變測(cè)量的特點(diǎn) 102.2應(yīng)變測(cè)量?jī)x器的種類(lèi) 102.3應(yīng)變測(cè)試原理 113.設(shè)計(jì)步驟 143.1應(yīng)變測(cè)試前面板 143.2壓力測(cè)試前面板 154.程序設(shè)計(jì) 164.1應(yīng)變測(cè)試程序圖 164.2程序圖中主要節(jié)點(diǎn) 174.3壓力測(cè)量程序框圖 175.程序運(yùn)行與結(jié)果分析 185.1應(yīng)變測(cè)試與調(diào)試結(jié)果分析 185.2壓力測(cè)試與結(jié)果分析 18總結(jié) 第一章、虛擬調(diào)制解調(diào)器1.方案確定1.1開(kāi)發(fā)平臺(tái)在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號(hào)的獲取與采集是由計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)來(lái)完成的。在此硬件的基礎(chǔ)上，調(diào)用測(cè)試軟件賴完成某種功能的測(cè)試任務(wù)，便可構(gòu)成該種功能的虛擬測(cè)量?jī)x器。在同一個(gè)硬件平臺(tái)上，調(diào)用不同的測(cè)試軟件就可以構(gòu)成不同的測(cè)試軟件。如對(duì)采集的數(shù)據(jù)局通過(guò)測(cè)試軟件進(jìn)行標(biāo)定和數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示就構(gòu)成了一臺(tái)數(shù)字示波器；如對(duì)采集的數(shù)據(jù)利用軟件進(jìn)行FFT變換，就構(gòu)成了一臺(tái)頻譜分析儀……在這里我們就使用LabVIEW,對(duì)一個(gè)發(fā)生信號(hào)和一個(gè)載波信號(hào)，通過(guò)波特沃斯低通濾波器對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，以及之后使用兩個(gè)示波器對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行分別的顯1.2調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器，是計(jì)算機(jī)與電話線之間進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的裝置，由調(diào)制器和解調(diào)器兩部分組成，調(diào)制器是把計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成可在電話線上傳輸?shù)穆曇粜盘?hào)的裝置，在接收端，解調(diào)器再把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字信好。通過(guò)解調(diào)器和電話線就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)字通信。1.3調(diào)制解調(diào)器的作用調(diào)制解調(diào)器是調(diào)制器—解調(diào)器的簡(jiǎn)稱(chēng)。它安裝在電腦和電話之間，使電腦可以通過(guò)電話線與另一臺(tái)電腦進(jìn)行信息交換。電話系統(tǒng)的主要功能是傳輸聲音信號(hào)。由于電話線分布很廣，為電腦之間的連接提供了條件，也為人們連入互聯(lián)網(wǎng)提供了方便。電話線路是傳輸聲音信號(hào)的，而電腦發(fā)送的是數(shù)字信號(hào)，要使數(shù)字信號(hào)能夠通過(guò)電話線路傳輸，必須使用解調(diào)器。調(diào)制是將數(shù)字信號(hào)與音頻載波組合，產(chǎn)生適用于電話線上傳輸?shù)囊纛l信號(hào)(模擬信號(hào))，解調(diào)是從音頻信號(hào)中恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)。調(diào)制解調(diào)器從電腦接收到數(shù)字信號(hào)后，將它們轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，然后通過(guò)電話系統(tǒng)傳輸出去；在接收端，另一個(gè)調(diào)制解調(diào)器將這些聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即進(jìn)行解調(diào)，再發(fā)送給電腦。這樣，通過(guò)電話線就把兩臺(tái)電腦連接起來(lái)了。它是為數(shù)據(jù)通信的數(shù)字信號(hào)在具有有線寬帶的模擬信道上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸而設(shè)計(jì)的，一般由基帶處理、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)放大和濾波、均衡等部分組成。1.4調(diào)制解調(diào)器的工作原理調(diào)制解調(diào)器由發(fā)送、接收、控制、接口、操縱面板及電源等部分組成。數(shù)據(jù)終端設(shè)備以二進(jìn)制串行信號(hào)形式提供發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)接口轉(zhuǎn)換為內(nèi)部邏輯電平送入發(fā)送部分，經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制成線路要求的信號(hào)向線路發(fā)送。接收部分接受來(lái)自線路的信號(hào)，經(jīng)濾波、反調(diào)制、電平轉(zhuǎn)換后還原成珊瑚籽信號(hào)送入數(shù)字終端設(shè)備。電話線可以使通信的雙方在相距幾千公里的地方相互通話，是由于每隔一定距離都設(shè)有中繼放大設(shè)備，保證話音清晰。在這些設(shè)備上若再配置調(diào)制解調(diào)器，則能通電弧的地方就可以傳輸數(shù)據(jù)。調(diào)制解調(diào)器一般有三種工作方式：掛機(jī)方式、通話方式、聯(lián)機(jī)方式。電話線未接通是掛機(jī)方式；雙方通過(guò)電話進(jìn)行通話是通話方式；調(diào)制解調(diào)器已聯(lián)通，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是聯(lián)機(jī)方式。2.調(diào)制解調(diào)原理2.1調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式及其特性u(píng)(t)=Ez(t)sinwtm0(1-2-1)Em是常量；w0—高頻載波角頻率；z(t)—低頻還變信號(hào)，其上限角頻率為Ω該式就是調(diào)幅波的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式，它反映了低頻緩變信號(hào)z(t)對(duì)一高頻(w0)振蕩信號(hào)(0)的控制。通常0Ω。振蕩信號(hào)(0)的控制。通常0Ω。一般將控制高頻信號(hào)的緩變信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)，載送緩變信號(hào)的高頻(0)振tzt程。如下圖：F(t)U(t)乘法器Z(t)圖1.1調(diào)制原理框圖2.2調(diào)幅波的解調(diào)調(diào)幅波u(t)的幅值反映調(diào)制信號(hào)z(t)熟知的變化，在調(diào)制器之后加解調(diào)器，可將被測(cè)的調(diào)制信號(hào)z(t)與調(diào)幅波u(t)分離，并最后提取出來(lái)。解調(diào)器由乘法器和低通濾波器組成，其原理框圖如下圖所示：低通濾波器f(t)u(t)y(t)u(t)=Usin(wt+9)rr0解調(diào)器中的乘法器有兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)是待解調(diào)的調(diào)幅波u(t):0(1-2-2)u(t)=Usin(w+9)rr0 3)00A=z(t)[cos9cos(2w+9)]20AA(1-2-4)(1-2-4)220當(dāng)乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頻率0當(dāng)乘法器后接的低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頻率0，并大于信號(hào)在z(t)的最高頻Az(t)cos9Af(t)=cos9z(t)=kz(t)(1-2-5(1-2-5)Ak=cos9式中，2為比例常量，可由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得出。3.設(shè)計(jì)步驟3.1程序總體設(shè)計(jì)程序整體設(shè)計(jì)分為前面板設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，流程如下：開(kāi)開(kāi)始初始化前面板設(shè)計(jì)程序框圖設(shè)計(jì)行前面板波形顯示是否正確是數(shù)據(jù)保存出否3.2前面板設(shè)計(jì)在前面設(shè)計(jì)版面添加九個(gè)輸入型數(shù)字控件，供使用者輸入采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、高頻信號(hào)頻率、低頻信號(hào)頻率等。圖形》波形圖操作，調(diào)入圖形控件，橫軸為時(shí)間，縱軸為幅值。1.4虛擬調(diào)制解調(diào)器前面板設(shè)計(jì)圖3.3程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)虛擬正弦波信號(hào)發(fā)生器的流程圖基礎(chǔ)上再增加一個(gè)正弦波發(fā)生器圖標(biāo)，即執(zhí)行信號(hào)處理》信號(hào)生成》正弦波，就可以加入正弦波發(fā)生器圖標(biāo)。另外執(zhí)行函數(shù)》信號(hào)處理》濾波器》Butterworth濾波器，就調(diào)入了巴特沃斯濾波器的圖標(biāo)。連線組成完整流程圖，如圖1.6程序運(yùn)行結(jié)果示意圖虛擬調(diào)制解調(diào)器程序圖設(shè)計(jì)運(yùn)行檢驗(yàn)運(yùn)行程序，對(duì)程序當(dāng)中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，是程序前面板上能夠清楚地表達(dá)出設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)置低頻調(diào)制信號(hào)的頻率為1Hz，幅值為1V，初始相位00；設(shè)置載波高頻信號(hào)的頻率為1OHz，幅值為1V，初始相位00；設(shè)置巴特沃斯濾波器的低截止頻率為2Hz；設(shè)置對(duì)調(diào)制和載波信號(hào)的采樣率均為50Hz，采樣點(diǎn)數(shù)均為200點(diǎn)。所得結(jié)果如下圖1,6所示：第二章應(yīng)變測(cè)試虛擬儀器設(shè)計(jì)方案確定應(yīng)變測(cè)試技術(shù)是機(jī)械工程中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)一一，傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試技術(shù)已經(jīng)不能夠現(xiàn)參考傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試流程，設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的執(zhí)行流程，從底層開(kāi)發(fā)了完成基本測(cè)試與控制功能的模塊：初始化參數(shù)、調(diào)平衡、濾波、應(yīng)力及載荷的顯示、系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定等。最后再利用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的虛擬儀器技術(shù)具有以下的特點(diǎn)：軟件是核心、靈活性和可擴(kuò)展性、性價(jià)比高、人機(jī)界面良好、能和其他設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。因此虛擬儀器可以取代傳統(tǒng)的一起，在重組一起的功能和技術(shù)性能方面具有經(jīng)濟(jì)新和靈活性，因而比較適合當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高更新的測(cè)試測(cè)量需求。2.應(yīng)變測(cè)試原理2.1應(yīng)變測(cè)量的特點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量是眼界機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題的一種重要手段。目前測(cè)定構(gòu)建應(yīng)變測(cè)量的2.2應(yīng)變測(cè)量?jī)x器的種類(lèi)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2.3應(yīng)變測(cè)試原理應(yīng)變測(cè)量時(shí)一種有效的測(cè)試和轉(zhuǎn)換技術(shù)，用于多種物理量的檢測(cè)與計(jì)量。在各種應(yīng)變測(cè)量的方法中，電阻應(yīng)變測(cè)量方法是實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中應(yīng)用最廣泛的的一種方法。應(yīng)變測(cè)試是研究構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的重要手段，通過(guò)應(yīng)變測(cè)試還可以了解構(gòu)建的變形；應(yīng)變測(cè)試的方法也可以推廣到與應(yīng)變有密切關(guān)系的其他機(jī)械量測(cè)試中。本次實(shí)驗(yàn)用的應(yīng)變測(cè)試虛擬儀器硬件組成如下圖：數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)調(diào)理卡應(yīng)變片同貼在貼在傳感器是煙臺(tái)的等強(qiáng)度懸臂梁上距中性層距離相等的上下兩面，其示意圖如下圖所R2R4R1R34圖論，應(yīng)變值為：EIEbh3(2-2-1)式中：P——載荷(N)。X——在合作用電到應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的距離(m)。Y——力的作用點(diǎn)到構(gòu)建中性層的距離(m)。E——材料的彈性模量(109Pa)。b——應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的構(gòu)件寬度(m)。h——應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的構(gòu)件高度(m)。(a)全橋(b半橋當(dāng)變形構(gòu)件變形產(chǎn)生應(yīng)變e時(shí)，應(yīng)變片的電阻變化率為：R=KeRRV=V=KeVsgfREXEXR1V=V=KeVsgh2REX2EX(2-2-3)實(shí)際測(cè)試時(shí)，由于構(gòu)件變形前各種原因造成的電橋不平衡，使得sg0，因此實(shí)際的GF：應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，默認(rèn)值為2.使用時(shí)應(yīng)根據(jù)應(yīng)變片參數(shù)輸入準(zhǔn)確直。V：泊松比。僅在某些組橋方式時(shí)需要輸入。數(shù)據(jù)，則輸出的應(yīng)變數(shù)據(jù)類(lèi)型也是波形。Vex:激勵(lì)電壓，默認(rèn)值為3.33V。根據(jù)所用信號(hào)調(diào)理設(shè)備選擇。Vinit初始電壓，即開(kāi)始應(yīng)變測(cè)量前的信號(hào)電壓。這個(gè)VI進(jìn)行應(yīng)變轉(zhuǎn)換時(shí)總是將當(dāng)?shù)腣init士0電橋不平衡，使得，所以一般情況下不應(yīng)該忽略這個(gè)參數(shù)。Rl:導(dǎo)線電阻。導(dǎo)線不超過(guò)2m時(shí)可以忽略導(dǎo)線電阻。變。電橋配置—選擇應(yīng)變測(cè)試的電橋配置方法。低通濾波、過(guò)電壓保護(hù)和2.5V電壓激勵(lì)等功能。應(yīng)變信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理卡處理后用數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后用計(jì)算機(jī)軟件得到測(cè)試結(jié)果。電阻應(yīng)變式壓力傳感器安裝在壓力信號(hào)發(fā)生器上，壓力信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部裝有壓力可調(diào)的液體，同時(shí)有指針式壓力表便于觀察對(duì)照。流體的壓力作用在傳感器膜片上使彈性筒變形，電阻應(yīng)變式壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)試可以參考全橋應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)原理。壓力信號(hào)接入信號(hào)調(diào)理年起出廠標(biāo)定數(shù)據(jù)計(jì)算得到壓力值。3.設(shè)計(jì)步驟3.1應(yīng)變測(cè)試前面板(1)執(zhí)行“控件>>圖形顯示控件>>ExpressXY圖”放置一個(gè)顯示波形的控件，單擊右鍵，找到“顯示項(xiàng)>>標(biāo)簽”把它的標(biāo)簽改為撓曲軸。(2)執(zhí)行“控件>>圖形顯示控件>>波形圖表”在放置好的波形圖表控件上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，找到將圖表分格顯示，(3)連續(xù)執(zhí)行“控件>>數(shù)值輸入控件>>數(shù)值輸入”放置兩個(gè)數(shù)值輸入控件分別按照前面的的該標(biāo)簽步驟把它的標(biāo)簽分別改為應(yīng)變靈敏度系數(shù)、激勵(lì)電壓，用來(lái)和電壓。連續(xù)執(zhí)行“控件>>數(shù)值顯示控件>>數(shù)值顯示控件”放置三個(gè)數(shù)值顯示控件，并把(4)它們的標(biāo)簽改為應(yīng)變值、最大撓度、電壓值，用以顯示測(cè)試所得到的的結(jié)果(5)執(zhí)行“控件>>新式>>修飾>>上凸盒”用來(lái)裝飾所有控件使之美觀。如圖2.5所示：(1)執(zhí)行“控件>>數(shù)值顯示控件>>量表”放置一個(gè)表盤(pán)，并把數(shù)值顯示項(xiàng)取出。(2)執(zhí)行“控件>>數(shù)值輸入控件>>數(shù)值輸入控件”取出三個(gè)數(shù)值輸入控件，并把它們的標(biāo)簽改為輸出靈敏度、零點(diǎn)輸出、量程，用以顯示控制值。執(zhí)行“控件>>圖形顯示控件>>波形圖表”放置在前面板，并把它的屬性改為量程是5。壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)前面板4.程序設(shè)計(jì)(1)執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)組>>索引數(shù)組”放置在程序框圖(2)執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>Express>>仿真信號(hào)”放置在程序框圖(3)執(zhí)行“函數(shù)>>數(shù)學(xué)>>概率與統(tǒng)計(jì)>>均值”放置在程序框圖中(4)執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>比較>>選擇”放置兩個(gè)在程序框圖中(5)執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)學(xué)>>數(shù)值>>縮放>>轉(zhuǎn)換應(yīng)變計(jì)讀數(shù)”放置兩個(gè)在程序框圖中(6)執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)值>>最近數(shù)取整”(7)執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>數(shù)值>>向下取整”(8)執(zhí)行“函數(shù)>>編程>>簇、類(lèi)與變體>>捆綁”(9)按照設(shè)計(jì)思想連線即可完成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)框圖如圖2.7所示：有：0(應(yīng)變調(diào)理卡10倍增益)，轉(zhuǎn)換為原始電壓值；3、索引數(shù)組函數(shù)從采樣數(shù)據(jù)中分離出全橋測(cè)量電壓信號(hào)的半橋測(cè)量電壓信號(hào)；5、ConvertStrainGaugeReadingVI將信號(hào)電壓值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值；控制，可以隨時(shí)取初始變形參考