機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ) 課件 熊詩(shī)波 第8、9章 智能儀器與虛擬儀器、位移測(cè)量

第8章

智能儀器與虛擬儀器目錄概述智能儀器簡(jiǎn)介虛擬儀器與軟件8.18.28.38.1概述

儀器儀表的發(fā)展可以簡(jiǎn)單地劃分為三代。第一代為指針式(或模擬式)儀器儀表,如指針式萬用表、功率表等,它們的結(jié)構(gòu)是電磁式的,基于電磁測(cè)量原理采用指針來實(shí)現(xiàn)最終的測(cè)量結(jié)果指示。第二代為數(shù)字式儀器儀表,如數(shù)字電壓表、數(shù)字功率計(jì)、數(shù)字頻率計(jì)等,它們的基本結(jié)構(gòu)離不開A-D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),并以數(shù)字方式指示或打印測(cè)量結(jié)果。第二代儀器響應(yīng)速度較快,測(cè)量準(zhǔn)確度較高。第三代就是本書要討論的智能式儀器儀表(簡(jiǎn)稱為智能儀器)。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了世界上第一個(gè)微處理器芯片。由微處理器芯片所構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱為“微機(jī)”),不僅具有計(jì)算機(jī)通常所具有的運(yùn)算、判斷、記憶、控制等功能,而且還具有功耗低、體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此,微機(jī)的發(fā)展非常迅速。隨著微機(jī)性能的日益強(qiáng)大,其使用領(lǐng)域也越來越廣泛。

作為微機(jī)滲透到儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域并得到充分應(yīng)用的結(jié)果,在該領(lǐng)域出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器——智能儀器,從而開創(chuàng)了儀器儀表的嶄新時(shí)代。智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量相結(jié)合的產(chǎn)物,是含有微機(jī)或微處理器的測(cè)量(或檢測(cè))儀器。由于它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能,具有一定智能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等),因而被稱為智能儀器。這一觀點(diǎn)已逐漸被國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界所接受。近年來,智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識(shí)處理發(fā)展。它體現(xiàn)為模糊判斷、故障診斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測(cè)等,使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。智能儀器的出現(xiàn)對(duì)儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,是儀器設(shè)計(jì)的里程碑。8.1概述8.1概述

智能儀器除了在傳統(tǒng)儀器的改進(jìn)方面取得了巨大的成就外,還開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域,出現(xiàn)了許多新型儀器。近20年來,制造業(yè)(汽車制造,VISI制造,各種電子設(shè)備如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等)的高速發(fā)展,使計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)達(dá)到了很高水平,對(duì)人類生產(chǎn)力的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。為了對(duì)CAM的工作質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)監(jiān)督,使成品或半成品的質(zhì)量得到保證,要求實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加工工藝過程中各重要環(huán)節(jié)或工位的在線檢測(cè)。因此,在生產(chǎn)線上或檢驗(yàn)室內(nèi)涌現(xiàn)了大量的應(yīng)用各種計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(ComputerAidedTest,CAT)技術(shù)的儀器。8.1概述

由于微機(jī)內(nèi)存容量的不斷增加,工作速度的不斷提高,使其數(shù)據(jù)處理能力有了極大的改善,這樣就可把信號(hào)分析技術(shù)引入智能儀器中。這些信號(hào)分析往往以數(shù)字濾波或快速傅里葉變換(FFT)為主體,配之以各種不同的分析軟件,如智能化的醫(yī)學(xué)診斷儀及機(jī)器故障診斷儀等。這類儀器的進(jìn)一步發(fā)展就是測(cè)試診斷專家系統(tǒng),其社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益都是十分巨大的。

作為智能儀器的重要分支,虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的人機(jī)對(duì)話界面,模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成,標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分,才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能好、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。8.2智能儀器簡(jiǎn)介

所謂智能儀器是用以形容新的一代測(cè)量?jī)x器,這類儀器儀表中含有微處理器、單片計(jì)算機(jī)或體積很小的微機(jī),有時(shí)亦稱為內(nèi)含微處理器的儀器或基于微機(jī)的儀器。這類儀器因?yàn)楣δ茇S富又很靈巧,國(guó)外書刊中常將其簡(jiǎn)稱為智能儀器。智能儀器的出現(xiàn),極大地?cái)U(kuò)充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢(shì),迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

智能儀器的工作過程為:傳感器拾取被測(cè)參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān);由單片機(jī)逐路選通模擬開關(guān)將各輸入通道的信號(hào)逐一送入程控增益放大器,放大后的信號(hào)經(jīng)A-D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào),再送入單片機(jī)中;單片機(jī)根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理(如非線性校正等);運(yùn)算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打印;同時(shí)單片機(jī)把運(yùn)算結(jié)果與存儲(chǔ)于片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器(FlashROM)或電可擦除存儲(chǔ)器(E2PROM)內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算比較后,根據(jù)運(yùn)算結(jié)果和控制要求,輸出相應(yīng)的控制信號(hào)(如報(bào)警裝置觸發(fā)、繼電器觸點(diǎn)等)。此外,智能儀器還可以與微機(jī)組成分布式測(cè)控系統(tǒng),由單片機(jī)作為下位機(jī)采集各種測(cè)量信號(hào)與數(shù)據(jù),將信息傳輸給上位機(jī)——PC,由PC進(jìn)行全局管理。8.2智能儀器簡(jiǎn)介

與傳統(tǒng)的儀器儀表相比,智能儀器具有以下功能特點(diǎn):1)儀器的整個(gè)測(cè)量過程,如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動(dòng)閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機(jī)或微控制器來控制操作,實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過程的全部自動(dòng)化。2)具有自測(cè)功能,包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動(dòng)檢測(cè)出故障的部位甚至故障的原因。這種自測(cè)試可以在儀器啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行,同時(shí)也可在儀器工作中運(yùn)行,極大地方便了儀器的維護(hù)。3)具有數(shù)據(jù)處理功能,這是智能儀器的主要優(yōu)點(diǎn)之一。智能儀器由于采用了單片機(jī)或微控制器,使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題,現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如,傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測(cè)量電阻、交直流電壓、電流等,而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進(jìn)行上述測(cè)量,而且還具有對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行諸如零點(diǎn)平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計(jì)分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能,不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來,也有效地提高了儀器的測(cè)量精度。8.2智能儀器簡(jiǎn)介4)具有友好的人機(jī)對(duì)話能力。智能儀器使用鍵盤來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān),操作人員只需通過鍵盤輸入命令,就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí),智能儀器還通過顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員,使儀器的操作更加方便直觀。5)具有可程控操作能力。一般智能儀器都配有GPIB、RS-232C、RS-485等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口,可以很方便地與微機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),來完成更復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。

智能儀器和虛擬儀器的區(qū)別在于它們所用的微機(jī)是否與儀器測(cè)量部分融合在一起,也即采用專門設(shè)計(jì)的微處理器、存儲(chǔ)器、接口芯片組成的系統(tǒng),還是用現(xiàn)成的微機(jī)配以一定的硬件及儀器測(cè)量部分組合而成的系統(tǒng)。8.2智能儀器簡(jiǎn)介8.2.1智能儀器的細(xì)致分類

從信息學(xué)角度來看,信息系統(tǒng)大致分為三個(gè)層次:數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化。含有微機(jī)或微處理器的測(cè)量(或檢測(cè))儀器,稱為智能儀器,但不同的智能儀器的智能化程度和層次有較大的區(qū)別。圖8-1給出了智能儀器細(xì)致分類的示意圖。由圖可知,智能儀器可分成聰敏(Smart)儀器、初級(jí)智能(PrimaryIntelligent)儀器、模型化(Model-based)儀器和高級(jí)智能(High-levelIntelligent)儀器。這四類儀器以不同的技術(shù)作為支持。這種分類方法具有兼容性、相關(guān)性、方向性的特點(diǎn)。這種細(xì)致分類方法是有向的,高一級(jí)類別向下兼容,低一級(jí)類別向高一級(jí)發(fā)展,相近兩類之間有重疊(即交叉)。圖8-1智能儀器的四個(gè)層次8.2智能儀器簡(jiǎn)介

聰敏儀器是以電子、傳感、測(cè)量技術(shù)作為基礎(chǔ)(也可能應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù))的。這類儀器的特點(diǎn)是通過巧妙的設(shè)計(jì)而獲得某一有特色的功能。聰敏傳感器(SmartSensors)是很典型的例子。在這一類儀器中,雖然可能應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù),但并不強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。聰敏類是智能儀器分類中最低級(jí)的類別。

初級(jí)智能儀器除了應(yīng)用電子、傳感、測(cè)量技術(shù)外,主要特點(diǎn)是應(yīng)用了計(jì)算機(jī)及信號(hào)處理技術(shù),更嚴(yán)格些講,應(yīng)包括測(cè)量數(shù)學(xué)。這類儀器已具有擬人的記憶、存儲(chǔ)、運(yùn)算、判斷、簡(jiǎn)單決策等功能,但沒有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能。初級(jí)智能儀器從使用角度看,已有自校準(zhǔn)、自診斷、人機(jī)對(duì)話等功能。目前絕大多數(shù)智能儀器應(yīng)歸于這一類。8.2智能儀器簡(jiǎn)介

模型化儀器是在初級(jí)智能儀器基礎(chǔ)上又應(yīng)用了建模技術(shù)和方法,它是以建模的數(shù)學(xué)方法及系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)作為支持的。這類儀器可以對(duì)被測(cè)對(duì)象狀態(tài)或行為做出估計(jì),可以建立對(duì)環(huán)境、干擾、儀器參數(shù)變化做出自適應(yīng)反應(yīng)的數(shù)學(xué)建模,并對(duì)測(cè)量誤差(靜態(tài)活動(dòng)態(tài)誤差)進(jìn)行補(bǔ)償。模式識(shí)別可以作為狀態(tài)估計(jì)的方法而得到應(yīng)用。這類儀器應(yīng)具有一定的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力。目前這類儀器的技術(shù)與方法、工程實(shí)現(xiàn)問題正在研究。

高級(jí)智能儀器是智能儀器的最高級(jí)類別。人工智能的應(yīng)用是這類儀器的顯著特征。這類儀器可能是自主測(cè)量?jī)x器(AutonomousMeasurementMachine)。人們只要告訴儀器要做什么,而不必告訴它如何做。這類儀器應(yīng)有較強(qiáng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織、自決策、自推論的能力,從而使儀器工作在最佳狀態(tài)。8.2智能儀器簡(jiǎn)介8.2.2智能儀器的基本結(jié)構(gòu)

從智能儀器發(fā)展的狀況來看,其結(jié)構(gòu)有兩種基本類型,即微機(jī)內(nèi)嵌式和微機(jī)擴(kuò)展式。微機(jī)內(nèi)嵌式為將單片或多片的微處理器與儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的單機(jī)。微處理器在其中起控制和數(shù)據(jù)處理作用。其特點(diǎn)主要是:專用或多功能;采用小型化、便攜式或手持式結(jié)構(gòu);干電池供電;易于密封,適應(yīng)惡劣環(huán)境,成本較低。目前微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器在工業(yè)控制、科學(xué)研究、軍工企業(yè)、家用電器等方面廣為應(yīng)用。圖8-2為其結(jié)構(gòu)圖。圖8-2微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器的基本結(jié)構(gòu)8.2智能儀器簡(jiǎn)介

由圖8-2可知,微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器由單片機(jī)或DSP等CPU為核心,擴(kuò)展必要的RAM、EPROM、I/O接口,構(gòu)成“最小系統(tǒng)”,它通過總線及接口電路與輸入通道、輸出通道、儀器面板及儀器內(nèi)存相連。EPROM及RAM組成的儀器內(nèi)存可保存儀器所用的監(jiān)控程序、應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)。中斷申請(qǐng)可使儀器能夠靈活反應(yīng)外部事件。儀器的輸入信號(hào)要經(jīng)過輸入通道(預(yù)處理部分)才可以進(jìn)入微機(jī)。輸入通道包括輸入放大器、抗混疊濾波器、多路轉(zhuǎn)換器、采樣/保持器、低通濾波器等部分。儀器的數(shù)字輸出可與LCD等顯示器相接,也可與打字機(jī)相接,獲得測(cè)量信息。外部接通信接口負(fù)責(zé)本儀器與外系統(tǒng)的聯(lián)系。

微機(jī)擴(kuò)展式智能儀器是以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測(cè)量?jī)x器。由于PC的應(yīng)用已十分普遍,其價(jià)格不斷下降,因此從20世紀(jì)80年代起就開始有人給PC配上不同的模擬通道,讓它能夠符合測(cè)量?jī)x器的要求,并把它取名為個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器(PCI)或稱微機(jī)卡式儀器。PCI的優(yōu)點(diǎn)是使用靈活、應(yīng)用范圍廣泛,可以方便地利用PC已有的磁盤、打印機(jī)及繪圖儀等獲取硬拷貝。更重要的是PC的數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng),內(nèi)存容量遠(yuǎn)大于微機(jī)內(nèi)嵌式儀器,因而PCI可以用于復(fù)雜的、高性能的信息處理。此外,還可以利用PC本身已有的各種軟件包,獲得很大的方便。如果將儀器的面板及各種操作按鈕的圖形生成在CRT上就可得到“軟面板”。在軟面板上就可以用鼠標(biāo)或觸摸屏操作PCI。8.2智能儀器簡(jiǎn)介

與PCI相配的模擬通道有兩種類型。一種是插卡式,即將所配用的模擬量輸入通道以印制電路板的插板形式直接插入PC箱內(nèi)的空槽中,此法最方便。但空槽有限,很難有大的作為,因而發(fā)展了插件箱式。此法將各種功能插件集中在一個(gè)專用的機(jī)箱中,機(jī)箱備有專用的電源,必要時(shí)也可有自己的微機(jī)控制器。這種結(jié)構(gòu)適用于多通道、高速數(shù)據(jù)采集或一些特殊要求的儀器。隨著硬件的完善,標(biāo)準(zhǔn)化插件的不斷增多,組成PCI的硬件工作量有可能減小。從虛擬儀器的角度來看,不同的測(cè)量?jī)x器,其區(qū)別僅在于應(yīng)用軟件不同。PC是大批量生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品,功能強(qiáng)而價(jià)格便宜;個(gè)人儀器插件是PC的擴(kuò)展部件,設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)便并有各種標(biāo)準(zhǔn)化插件可供選用。因此,在許多場(chǎng)合,采用個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)的智能儀器比采用內(nèi)嵌式的智能儀器具有更高的性價(jià)比,且研制周期短。個(gè)人儀器可選用廠商開發(fā)的專用軟件(這種軟件往往比用戶精心開發(fā)的軟件完善得多),即使自行開發(fā)軟件,由于基于PC平臺(tái),因此開發(fā)環(huán)境良好,開發(fā)十分方便。另外,個(gè)人儀器可通過CRT向用戶提供功能菜單,用戶可通過鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行功能、量程的選擇;個(gè)人儀器還可通過CRT顯示數(shù)據(jù),通過高檔打印機(jī)打印測(cè)試結(jié)果(而顯示和打印的控制軟件也是現(xiàn)成的,不必用戶操心),因此使用十分方便。隨著便攜式PC的廣泛使用,各種便攜式PCI也隨之出現(xiàn),便攜式PCI克服了早期便攜式儀器功能較弱、性能較差的弱點(diǎn)?？傊?PCI既能充分運(yùn)用PC的軟硬件資源,發(fā)揮PC的巨大潛力,又能大大提高設(shè)備的性價(jià)比。因此,個(gè)人儀器發(fā)展迅速。8.2智能儀器簡(jiǎn)介8.2.3智能儀器的主要特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器的結(jié)合產(chǎn)生了智能儀器,它所具有的軟件功能已使儀器呈現(xiàn)出某種智能的作用,其發(fā)展?jié)摿κ志薮?這已被多年來智能儀器發(fā)展的歷史所證實(shí)。智能儀器具有以下特點(diǎn):1.測(cè)量過程的軟件控制

測(cè)量過程的軟件控制起源于數(shù)字化儀器測(cè)量過程的時(shí)序控制。20世紀(jì)60年代末,數(shù)字化儀器的自動(dòng)化程度已經(jīng)很高,如實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)零放大、自動(dòng)極性判斷、自動(dòng)量程切換、自動(dòng)報(bào)警、過載保護(hù)、非線性補(bǔ)償、多功能測(cè)試、數(shù)百點(diǎn)巡回檢測(cè)等。但隨著上述功能的增加,使硬件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,而導(dǎo)致體積及重量增大、成本上升、可靠性降低,給進(jìn)一步發(fā)展造成很大困難。但當(dāng)引入微機(jī)技術(shù),使測(cè)量過程改用軟件控制之后,上述困難即得到很好的解決。它不僅簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu),縮小了體積及功耗,提高了可靠性,增加了靈活性,而且使儀器的自動(dòng)化程度更高,如實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、自檢測(cè)、自診斷、自校準(zhǔn)以及CRT顯示及輸出打印和制圖等。這就是人們常說的“以軟件代硬件”的效果。8.2智能儀器簡(jiǎn)介

在進(jìn)行軟件控制時(shí),儀器在CPU的指揮下,按照軟件流程,進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換、邏輯判斷,驅(qū)動(dòng)某一執(zhí)行元件完成某一動(dòng)作,使儀器的工作按一定順序進(jìn)行下去。在這里,基本操作是以軟件形式完成的邏輯轉(zhuǎn)換,它與硬件的工作方式有很大的區(qū)別。軟件轉(zhuǎn)換帶來很大的方便,靈活性很強(qiáng),當(dāng)需改變功能時(shí),只改變程序即可,并不需要轉(zhuǎn)變硬件結(jié)構(gòu)。隨著微機(jī)時(shí)鐘頻率的大幅度提高,與全硬件實(shí)時(shí)控制的差距越來越小。8.2智能儀器簡(jiǎn)介2.數(shù)據(jù)處理

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理功能是智能儀器的最突出的特點(diǎn),它主要表現(xiàn)在改善測(cè)量的精確度及測(cè)量結(jié)果的再加工兩個(gè)方面。在提高測(cè)量精確度方面,大量的工作是對(duì)隨機(jī)誤差及系統(tǒng)誤差進(jìn)行處理。過去傳統(tǒng)的方法是用手工對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行事后處理,不僅工作量大,效率低,而且往往會(huì)受到一些主觀因素的影響,使處理的結(jié)果不理想。在智能儀器中采用軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行及時(shí)的、在線的處理可收到很好的效果,不僅方便、快速,而且可以避免主觀因素的影響,使測(cè)量的精確度及處理結(jié)果的質(zhì)量都大為提高。由于可以實(shí)現(xiàn)多種算法,不僅可實(shí)現(xiàn)各種誤差的計(jì)算補(bǔ)償,而且使測(cè)量?jī)x器中常遇到的諸如非線性校準(zhǔn)等問題也易于解決。

對(duì)測(cè)量結(jié)果的再加工,可使智能儀器提供更多高質(zhì)量的信息。例如,一些信號(hào)分析儀器在微機(jī)的控制下,不僅可以實(shí)時(shí)采集信號(hào)的實(shí)際波形,在CRT上復(fù)現(xiàn),并可在時(shí)間軸上進(jìn)行展開或壓縮,可對(duì)所采集的樣本進(jìn)行數(shù)字濾波,將淹沒于干擾中的信號(hào)提取出來,也可對(duì)樣本進(jìn)行時(shí)域的(如相關(guān)分析、卷積、反卷積、傳遞函數(shù)等)或頻域的(如幅值譜、相位譜、功率譜等)分析。這樣就可以從原有的測(cè)量結(jié)果中提取更多的信息。這類智能儀器在生物醫(yī)療、語音分析、模式識(shí)別和故障診斷等各個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用。一臺(tái)智能儀器也是信號(hào)分析儀器。8.2智能儀器簡(jiǎn)介3.多功能化

智能儀器的測(cè)量過程、軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能使一機(jī)多用的多功能化易于實(shí)現(xiàn),從而多功能化成為這類儀器的又一特點(diǎn)。例如,用于電力系統(tǒng)電能管理的一種智能化電力需求分析儀,可以測(cè)量單相或三相電源的有功功率、無功功率、視在功率、電能、頻率、各相電壓、電流、功率因數(shù)等,還可測(cè)量出電能利用的峰值、峰時(shí)、谷值、谷時(shí)及各項(xiàng)超界時(shí)間,可以預(yù)置用電量需求計(jì)劃、自備時(shí)鐘及日歷,具有自動(dòng)記錄、打印、報(bào)警及控制等多種功能。這樣多的功能如果不用微機(jī)控制,在一臺(tái)儀器中是不能實(shí)現(xiàn)的。8.3虛擬儀器與軟件20世紀(jì)70年代,隨著微處理器的廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)了以微處理器為核心的智能儀器,它的出現(xiàn)與飛速發(fā)展對(duì)于儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。但是智能儀器還沒有擺脫獨(dú)立使用的模式,對(duì)于較為復(fù)雜的、測(cè)試參數(shù)較多的場(chǎng)合,使用起來仍不方便,且受到一定的限制。

計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展直接導(dǎo)致了儀器儀表的飛速發(fā)展。為了克服PC插卡式儀器不能熱拔插以及外接式專用PC儀器的吞吐率總受總線速度限制等缺點(diǎn),出現(xiàn)了“虛擬儀器(VirtualInstrument,VI)”,這種儀器能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用,方便靈活。

測(cè)量?jī)x器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬儀器系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示完全用微機(jī)的軟件來完成。因此,只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件,就可以與微機(jī)組成測(cè)量?jī)x器。這種基于微機(jī)的測(cè)量?jī)x器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中,使用同一個(gè)硬件系統(tǒng),只要應(yīng)用不同的軟件編程,就可得到功能完全不同的測(cè)量?jī)x器。8.3虛擬儀器與軟件1986年,美國(guó)國(guó)家儀器公司(NationalInstrumentsCorporation,簡(jiǎn)稱NI公司)首先提出了虛擬儀器的概念,認(rèn)為虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信以及圖形用戶界面的軟件組成的測(cè)控系統(tǒng),是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。它充分利用了計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示及文件管理功能,同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板軟件化,這樣便構(gòu)成了從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器相同,甚至更優(yōu)越的儀器系統(tǒng)。

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數(shù)據(jù)流,同時(shí)地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據(jù),能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入。NI公司提出的虛擬儀器概念,引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革,使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域,和儀器技術(shù)結(jié)合起來,從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。

虛擬儀器技術(shù)引入到當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域,使數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生了重大變革。全世界的科學(xué)家和工程師都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到:使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的硬件和軟件技術(shù)來構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng),將會(huì)獲得前所未有的工作效率。虛擬儀器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線:一是GPIB→VXI→PXI總線方式(適合大型高精度集成系統(tǒng)),二是微機(jī)插卡式→LPT并行口式→串口USB方式→IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1394口方式(適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng),具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景)。8.3虛擬儀器與軟件8.3.1虛擬儀器的特點(diǎn)

無論是傳統(tǒng)的還是虛擬的儀器所實(shí)現(xiàn)的功能都非常相似,都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析,并且顯示最終數(shù)據(jù)結(jié)果。而虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處,就在于其具有開放性的構(gòu)成方式,即具有靈活性和功能的可重構(gòu)性。

虛擬儀器是用戶根據(jù)需要自己定義、自行組合的。用戶可以靈活地將各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件和各種附件結(jié)合起來,形成自己所需要的各種特定設(shè)備,可以是一臺(tái)數(shù)字多用表,也可以是一臺(tái)示波器,還有可能是一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器,或者它同時(shí)具有這些設(shè)備的所有功能甚至更多的功能。計(jì)算機(jī)是構(gòu)建虛擬儀器的基礎(chǔ),對(duì)于工業(yè)控制自動(dòng)化來講,計(jì)算機(jī)已成為一種功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的運(yùn)行平臺(tái)。當(dāng)各種與計(jì)算機(jī)有關(guān)的新技術(shù)出現(xiàn)時(shí),將同時(shí)把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大的功能推向一個(gè)新水平。

同其他技術(shù)相比,虛擬儀器技術(shù)具有以下特點(diǎn):8.3虛擬儀器與軟件(1)性能好虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),包括功能卓越的處理器和文件I/O,使用戶在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外,不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)了更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。(2)擴(kuò)展性強(qiáng)虛擬儀器的軟硬件工具使得人們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件,就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技時(shí),人們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備。(3)無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜,測(cè)量人員通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來滿足完整的測(cè)試需求,而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。虛擬儀器軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)接口,以幫助開發(fā)者輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng),減少了任務(wù)的復(fù)雜性。8.3虛擬儀器與軟件(4)具有良好的人機(jī)界面測(cè)量結(jié)果是通過由軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成的、與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面軟面板來實(shí)現(xiàn)的。因此,用戶可根據(jù)自己的愛好,利用PC強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能,通過編制軟件來定義自己所喜愛的面板形式。(5)性價(jià)比高在測(cè)試精度、速度和可重復(fù)性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)儀器。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)需要增加新的測(cè)量功能和提高其性能時(shí),用戶只需要增加軟件來執(zhí)行新的功能或增加或更換一個(gè)通用模塊即可,亦削減了費(fèi)用。(6)具有和其他設(shè)備互聯(lián)的能力具有同VXI總線和現(xiàn)場(chǎng)總線等的接口能力。此外,還可將VI接入網(wǎng)絡(luò),如因特網(wǎng)等,以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。作為新型儀器,VI在諸多方面是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的,這使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在21世紀(jì)初,我國(guó)就有50%左右的儀器為虛擬儀器。8.3虛擬儀器與軟件虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比,其優(yōu)勢(shì)見表8-1。表8-1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的性能特點(diǎn)比較8.3虛擬儀器與軟件8.3.2虛擬儀器的構(gòu)成方法

從構(gòu)成要素來講,VI是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和專用儀器硬件所組成的;從構(gòu)成方式來講,VI有以DAQ板和信號(hào)調(diào)理部分為硬件來組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng),以GPIB、VXI、串行總線、現(xiàn)場(chǎng)總線等標(biāo)準(zhǔn)總線為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。無論哪種VI系統(tǒng)都是將硬件儀器搭載到筆記本式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上,再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。因此VI的發(fā)展已經(jīng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展完全同步。1.虛擬儀器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī),如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源,是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此,計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展,導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。按照測(cè)控功能硬件的不同,VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu),它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、A-D轉(zhuǎn)換。8.3虛擬儀器與軟件

虛擬儀器通常由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成,其結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。

其中,硬件設(shè)備與接口可以是各種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線(GeneralPurposeInterfaceBus,GPIB)卡、串行接口卡、VXI總線儀器接口等設(shè)備,或者是其他各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備;設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序,虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通信;并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件。在這些控件中預(yù)先集成了對(duì)應(yīng)儀器的程控信息,所以用戶使用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板,就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)、方便。圖8-3虛擬儀器的結(jié)構(gòu)組成8.3虛擬儀器與軟件2.虛擬儀器的軟件系統(tǒng)構(gòu)成

給定計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和必要的儀器硬件之后,構(gòu)造和使用VI的關(guān)鍵在于應(yīng)用軟件。NI公司研制的VI軟件開發(fā)平臺(tái)提供了測(cè)控儀器圖形化編程環(huán)境,在這個(gè)軟件環(huán)境中提供了一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程模式,用戶只需連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序,利用軟件平臺(tái)可大大縮短VI控制軟件的開發(fā)時(shí)間,而且,用戶可以建立自己的措施方案。

虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層包括三部分:VISA庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。(1)VISA庫(kù)虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture,VISA),實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個(gè)I/O函數(shù)庫(kù)為VISA庫(kù)。它駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中,執(zhí)行儀器總線的特殊功能,是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接,以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程控。它對(duì)于儀器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者來說是一個(gè)個(gè)可調(diào)用的操作函數(shù)集。(2)儀器驅(qū)動(dòng)程序儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序,儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。(3)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上,直接面對(duì)操作用戶,通過提供直觀友好的測(cè)控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能,來完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。

虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫大致可分為兩種方式:1)用通用編程軟件進(jìn)行編寫,主要有Microsoft公司的VisualStudio、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder等。2)用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā),如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI以及工控組態(tài)軟件等。

應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號(hào)處理的各種功能函數(shù),如頻域分析的功率譜估計(jì)、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細(xì)化分析等;時(shí)域分析的相關(guān)分析、卷積運(yùn)算、反卷運(yùn)算、方均根估計(jì)、差分積分運(yùn)算和排序等;以及數(shù)字濾波等。這些功能函數(shù)為用戶進(jìn)一步擴(kuò)展虛擬儀器的功能提供了基礎(chǔ)。表8-2為各類虛擬儀器編程軟件的比較。8.3虛擬儀器與軟件8.3虛擬儀器與軟件8.3虛擬儀器與軟件

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,從引進(jìn)消化國(guó)外的虛擬儀器產(chǎn)品開始,虛擬儀器在我國(guó)的研究和應(yīng)用都得到長(zhǎng)足的發(fā)展:成都電子科技大學(xué)開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VISA庫(kù);哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系開發(fā)的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)ATS95可以實(shí)現(xiàn)對(duì)VXI、GPIB等總線接口的控制;成都某研究所在引進(jìn)PAWS平臺(tái)的同時(shí)也對(duì)面向信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)和平臺(tái)開發(fā)做了一定研究;吉林大學(xué)構(gòu)建了“圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)”等。但由于我國(guó)介入虛擬儀器研究比較晚,在硬件模擬方面沒有上規(guī)模、成系列的產(chǎn)品,導(dǎo)致測(cè)試軟件沒有全面發(fā)展,很多關(guān)鍵技術(shù)仍處于起步階段,在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)規(guī)范和相關(guān)產(chǎn)品,因此還有很長(zhǎng)的路要走。今后國(guó)內(nèi)虛擬儀器技術(shù)的研究應(yīng)在以下方面進(jìn)行努力:①開發(fā)自己的總線控制器,占領(lǐng)虛擬儀器技術(shù)的心臟地帶;②設(shè)計(jì)各種儀器模塊產(chǎn)品并形成系列化,降低虛擬儀器系統(tǒng)的集成成本;③設(shè)計(jì)完備成熟的VISA庫(kù),把握自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán);④開展面向信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)研究,與國(guó)際接軌,深入研究虛擬儀器的核心技術(shù)。8.3虛擬儀器與軟件8.3.3

LabVIEW虛擬儀器軟件及應(yīng)用舉例LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開發(fā),類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境,但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼,而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序,產(chǎn)生的程序是框圖形式。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件,可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線,可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序,而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式,程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器,是LabVIEW的程序模塊。使用這種語言編程時(shí),基本上不寫程序代碼,取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念,是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力,提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí),可以大大提高工作效率。8.3虛擬儀器與軟件1.LabVIEW操作面板簡(jiǎn)介

使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序,簡(jiǎn)稱為VI。VI包括三部分:程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。(1)程序前面板程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量,用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上,輸入量被稱為控制(Controls),輸出量被稱為顯示(Indicators)?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上,如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等,這使得前面板直觀易懂。圖8-4是一個(gè)溫度顯示程序的前面板。圖8-4LabVIEW軟件程序前面板界面8.3虛擬儀器與軟件(2)框圖程序每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序。框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫,可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。框圖程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線所構(gòu)成。其中端口被用來給程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用,圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令,而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流,定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。上述溫度顯示程序的框圖界面(部分)如圖8-5所示。圖8-5LabVIEW軟件程序框圖界面8.3虛擬儀器與軟件(3)圖標(biāo)/連接器圖標(biāo)/連接器是子VI被其他VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式,而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口,就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對(duì)應(yīng)。一般情況下連接器隱含不顯示,除非用戶選擇打開觀察它。LabVIEW提供了較豐富的控件選項(xiàng)板(對(duì)應(yīng)于前面板)和函數(shù)選項(xiàng)板(對(duì)應(yīng)于程序框圖),它們均為圖形化模塊,如圖8-6所示。設(shè)計(jì)時(shí)可隨時(shí)拖拽控件或函數(shù),放置在想要的位置,并按照邏輯關(guān)系連線,形成虛擬儀器系統(tǒng)。圖8-6LabVIEW的控件選項(xiàng)板和函數(shù)選項(xiàng)板8.3虛擬儀器與軟件2.數(shù)字信號(hào)分析舉例LabVIEW的AdvancedAnalysis軟件庫(kù)包括數(shù)值分析、信號(hào)處理、曲線擬合以及其他軟件分析功能。該軟件庫(kù)是建立虛擬儀器系統(tǒng)的重要工具,除了具有數(shù)學(xué)處理功能外,還具有專為儀器工業(yè)設(shè)計(jì)的獨(dú)特的信號(hào)處理與測(cè)量功能。除了AdvancedAnalysis軟件庫(kù),NI公司還提供了一些附加的分析工具庫(kù),借助這些分析軟件包,使LabVIEW具有更強(qiáng)大的分析功能。這些分析工具庫(kù)包括:1)聯(lián)合時(shí)頻分析(JointTimeFrequencyAnalysis)工具箱:用于分析常規(guī)傅里葉變換不易處理的時(shí)—頻特性。2)GMath工具箱:提供了擴(kuò)展的數(shù)學(xué)功能,如公式分析、求根值、畫輪廓線等。3)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具箱。

示例:用數(shù)字濾波器消除不需要的頻率分量。

數(shù)字濾波器用于消除不需要的頻率成分,是應(yīng)用最廣泛的信號(hào)處理工具之一。兩種數(shù)字濾波器分別是有限脈沖響應(yīng)(FIR)和無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器。FIR濾波器可以看成一般移動(dòng)平均值,它也可以被設(shè)計(jì)成線性相位濾波器。IIR濾波器有很好的幅值響應(yīng),但是無線性相位響應(yīng)。8.3虛擬儀器與軟件

下面的例子使用了中值濾波在噪聲存在時(shí)的脈沖分析。這個(gè)例子產(chǎn)生了一個(gè)被高斯噪聲污染的脈沖,并應(yīng)用中值濾波器。(1)前面板(見圖8-7)1)打開MedianFilter.vi程序。這個(gè)程序設(shè)計(jì)應(yīng)用中值濾波器,將一個(gè)被高斯噪聲污染的脈沖還原。2)轉(zhuǎn)換到框圖程序。(2)框圖程序(見圖8-8)1)驗(yàn)證主框圖程序,它使用了下面的子程序:MedianFilterVI子程序(在Analysis→Filters子目錄)。在本例中,采用中值濾波器,可通過調(diào)整輸入脈沖寬度、延遲時(shí)間、放大倍數(shù)以及高斯噪聲的強(qiáng)弱來驗(yàn)證濾波效果,并把干擾噪聲與輸出波形在同一屏幕上顯示。2)運(yùn)行該程序,改變?yōu)V波器不同參數(shù),觀察濾波器的效果。8.3虛擬儀器與軟件圖8-7中值濾波器應(yīng)用前面板8.3虛擬儀器與軟件圖8-8中值濾波器應(yīng)用程序框圖思考題與習(xí)題8-1智能儀器分為哪幾個(gè)層次?如何區(qū)分?8-2與傳統(tǒng)儀器相比,智能儀器有哪些主要特點(diǎn)?8-3在儀器開發(fā)中為什么要用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)?請(qǐng)舉例說明其優(yōu)越性。8-4簡(jiǎn)述虛擬儀器的軟硬件組成。8-5

LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)有哪些主要特點(diǎn)?簡(jiǎn)述采用LabVIEW進(jìn)行虛擬儀器軟件開發(fā)的方法和步驟。謝謝！第9章

位移測(cè)量目錄概述常用的位移傳感器位移測(cè)量的應(yīng)用9.19.29.39.1概述

位移測(cè)量是線位移和角位移測(cè)量的統(tǒng)稱。測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象,來選擇或設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)。在組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中,傳感器性能特點(diǎn)的差異對(duì)測(cè)量的影響最為突出,應(yīng)給予特別注意。表9-1介紹了一些常用的位移傳感器及其性能特點(diǎn),通過該表可以對(duì)位移傳感器有一個(gè)總體的了解。

由于在不同場(chǎng)合下對(duì)位移測(cè)量的精度要求不同,位移參量本身的量值特征、頻率特征不同,自然地形成了多種多樣的位移傳感器及其相應(yīng)的測(cè)量電路或系統(tǒng)。9.1概述9.2常用的位移傳感器9.2.1滑線電阻式位移傳感器

滑線電阻式或電位計(jì)式位移傳感器的工作原理已在第4章中做了介紹。這里介紹一種測(cè)量電路(見圖9-1)。由圖可見,當(dāng)滑動(dòng)觸點(diǎn)隨被測(cè)元件產(chǎn)生位移x或角位移α?xí)r,均可改變觸點(diǎn)與任一接點(diǎn)間的電阻值Rx,且Rx∝x/l,即阻值與位移x(或α)成正比。

圖9-1c為橋式測(cè)量電路,供橋電源為具有一定精度的直流穩(wěn)壓電源,電橋的輸出直接用光線示波器顯示。圖9-1滑線電阻式位移傳感器和測(cè)量電路9.2常用的位移傳感器

由于電橋必須輸出一定的電流驅(qū)動(dòng)光線示波器的振子工作,同時(shí)又要求輸出在一定的范圍內(nèi)是線性的,因此橋路中接入了電阻R0。為了保證電橋輸出的線性,要求橋臂值的相對(duì)改變量ΔR/R控制在10%以下。電阻阻值的大小就是按此條件來選取的,但R0也不宜過大,否則會(huì)降低電橋的輸出功率。為了提高電橋的靈敏度,還要求各橋臂的阻值相等,即組成全等臂電橋。電位器RH是用于預(yù)調(diào)平衡的。

滑線電阻的結(jié)構(gòu)形式有纏繞式和單絲式。纏繞式是用電阻絲纏繞在絕緣骨架上制成。骨架的材料常用電木或塑料,其形狀可根據(jù)需要而定。纏繞時(shí)應(yīng)保證一定的張力,且纏繞均勻。單絲式是用單根電阻絲張緊后固定在絕緣骨架的槽中而成。除自制的滑線電阻外,可利用現(xiàn)有的產(chǎn)品,如滑線變阻器、多圈電位器等。

滑線電阻式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、輸出大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但由于觸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)有機(jī)械摩擦,其使用壽命受限、分辨率較低、輸出信號(hào)噪聲大,故不宜用于頻率較高時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。9.2常用的位移傳感器9.2.2應(yīng)變片式位移傳感器

這種傳感器的測(cè)量原理是利用一彈性元件把位移量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量,然后用應(yīng)變片、應(yīng)變儀等測(cè)量記錄。測(cè)量位移的彈性元件和應(yīng)變片的組成,稱為應(yīng)變片式位移傳感器。它的種類也有多種,其差別就在于彈性元件的結(jié)構(gòu)形式。常用的彈性元件有懸臂梁、圓環(huán)和半圓環(huán)等。

圖9-2所示的懸臂梁彈性元件,若在其自由端有位移δ,則梁的表面會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)變?chǔ)?其值與δ成正比。通過圖示的貼片測(cè)出應(yīng)變?chǔ)?就可測(cè)得位移量δ。位移δ與應(yīng)變?chǔ)砰g的關(guān)系隨梁的結(jié)構(gòu)形式不同而異。圖9-2應(yīng)變片式位移傳感器9.2常用的位移傳感器對(duì)于等截面梁,貼片處的應(yīng)變?chǔ)排c位移δ間的關(guān)系為式中

l、h——梁的長(zhǎng)度、厚度; x——從自由端到貼片處的距離。若按圖9-2所示的方法貼片和接橋,則位移δ與應(yīng)變儀讀數(shù)的關(guān)系為對(duì)于等強(qiáng)度梁,則有

這種測(cè)量方法一般只用于小位移δ<250μm的情況。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、可靠,有較高的測(cè)量精度和良好的線性關(guān)系,與之配用的測(cè)量電路和儀器也較為成熟。9.2常用的位移傳感器

懸臂梁一般用彈簧鋼或磷銅片制成。梁的尺寸應(yīng)按所測(cè)的位移來選擇。給定ε(一般取500~1000),根據(jù)所測(cè)位移量δ,就可由式(9-1)或式(9-2)選擇合適的l與h。為了盡量減小對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響,設(shè)計(jì)彈性梁時(shí),應(yīng)根據(jù)具體情況,將變形梁的剛度限制在一定的范圍。

圖9-3所示的圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件,它在被測(cè)位移δ的作用下,會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和應(yīng)變,其應(yīng)變值與位移成正比。圓環(huán)的貼片和接橋如圖9-3a、b所示。半圓環(huán)的貼片、接橋如圖9-3c、d所示。圖9-3圓環(huán)和半圓環(huán)彈性元件及其貼片和接橋9.2常用的位移傳感器

由于這種方法直接測(cè)量的位移量較小,為了擴(kuò)大其量程,可通過一些裝置將小位移進(jìn)行變換。圖9-4所示就是用一斜面將小位移變換成大位移的裝置。圖9-4擴(kuò)大位移量程裝置9.2常用的位移傳感器9.2.3差動(dòng)變壓器式位移傳感器

圖9-5示出了差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)和接線情況,其基本工作原理在前文中已有說明,現(xiàn)就其輸出再做如下分析。圖9-5差動(dòng)變壓器的組成和接線9.2常用的位移傳感器

設(shè)一次側(cè)、二次側(cè)的互感系數(shù)分別為M1、M2,因互感M是和鐵心的搭接長(zhǎng)度Δl成正比的,則兩個(gè)二次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可表示為e1=K1eΔl1

e2=K2eΔl2式中

K1、K2——比例系數(shù); Δl1、Δl2——鐵心與兩個(gè)二次繞組搭接長(zhǎng)度的變化量;

e——一次繞組交流電源。

由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,有K1=K2,Δl1=-Δl2。這樣,W1、W2兩線圈反相串聯(lián)后的總輸出電壓可表示為e0=e1-e2=2KeΔl(9-3)

結(jié)構(gòu)一旦確定,則式(9-3)中的2K為一常數(shù),輸出信號(hào)e0是一個(gè)交流信號(hào),其幅值與位移Δl成正比,而頻率等于交流電源e的頻率(當(dāng)Δl是常量時(shí))或與之有一定的關(guān)系。

顯然,e0是調(diào)頻輸出,載波是e,調(diào)制信號(hào)是位移變化量Δl。差動(dòng)變壓器也是一種調(diào)制器。對(duì)于這樣一個(gè)調(diào)制信號(hào),在后續(xù)的測(cè)量環(huán)節(jié)中一般要設(shè)置一個(gè)典型的測(cè)量電路——相敏檢測(cè)電路,目的是既能檢測(cè)位移的大小,又能分辨位移的方向。

差動(dòng)變壓器式位移傳感器的測(cè)量系統(tǒng)及其組成中各環(huán)節(jié)的工作原理可參閱本書的有關(guān)內(nèi)容。下面再介紹一種可與差動(dòng)變壓器配用的測(cè)量電路——差動(dòng)整流電路。9.2常用的位移傳感器

如圖9-6所示,差動(dòng)整流電路與相敏檢測(cè)電路的功能基本相同,雖然檢波效率低,但因其測(cè)量線路簡(jiǎn)單,故用得也很多,差動(dòng)變壓器的最后輸出一般可用示波器直接顯示。由于示波器振子的內(nèi)阻都很小,當(dāng)差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路是電壓輸出時(shí),振子回路應(yīng)接入電阻,以保證線性。

國(guó)產(chǎn)的差動(dòng)變壓器式位移傳感器已有多種,其測(cè)量位移范圍有:0~±5mm,0~10mm,…,0~300mm等。

差動(dòng)變壓器式位移測(cè)量系統(tǒng)具有精度較高、性能穩(wěn)定、線性范圍大、輸出大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。由于可動(dòng)鐵心具有一定的質(zhì)量,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性較差。圖9-6差動(dòng)變壓器的差動(dòng)整流電路9.2常用的位移傳感器9.2.4光電脈沖式位移傳感器

光電脈沖式位移傳感器實(shí)際上是一個(gè)位移-數(shù)字編碼器,工作時(shí)可將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成定數(shù)量的電脈沖信號(hào)輸出,其工作原理如圖9-7所示。

圖9-7a是測(cè)量角位移的透射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器。圓盤1與被測(cè)軸2一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),照射到光敏二極管4上的光線就會(huì)時(shí)有時(shí)無,通過光敏二極管的光電效應(yīng)以及測(cè)量電路的變換就輸出電脈沖;電脈沖的數(shù)目與光線的通斷次數(shù)成正比,根據(jù)脈沖數(shù)目就可測(cè)出被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角。圖9-7光電脈沖式位移傳感器的組成9.2常用的位移傳感器

圖9-7b是測(cè)量線位移的反射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器。工作原理與透射式的基本相同,不同點(diǎn)僅在于照射光敏二極管的光是靠反射光。根據(jù)平板5上畫有黑白相間的等距反光條帶,當(dāng)平板與被測(cè)件一起運(yùn)動(dòng)時(shí),反射到光敏二極管4上的光線就會(huì)時(shí)有時(shí)無,同理就可輸出電脈沖信號(hào),其電脈沖數(shù)目與位移成正比。光電脈沖式位移傳感器的后續(xù)測(cè)量電路和顯示記錄裝置如圖9-8的框圖所示。輸出的電脈沖信號(hào)用計(jì)數(shù)器和數(shù)字打印機(jī)打印(計(jì)算機(jī)處理和顯示)。圖9-8測(cè)量電路及其系統(tǒng)組成9.2常用的位移傳感器

用上述方法,無法判斷位移的正負(fù)方向,在需要判斷方向的場(chǎng)合,需要多加一個(gè)光敏二極管和一套測(cè)量電路。兩光敏二極管的裝設(shè)位置如圖9-9所示。采用兩個(gè)光敏二極管后,當(dāng)圓盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光敏二極管2比1先感光;當(dāng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光敏二極管1比2先感光;我們可通過光敏二極管感光先后次序的不同,來判斷其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。所以它的測(cè)量電路有兩路,經(jīng)邏輯電路對(duì)信號(hào)做出比較判斷后給出方向信號(hào),其測(cè)量線路框圖如圖9-10所示。圖9-9光敏二極管位置示意圖圖9-10判斷位移方向的電路框圖9.2常用的位移傳感器

其輸出信號(hào)有方向信號(hào)與脈沖信號(hào)。當(dāng)用示波器記錄時(shí),可用兩個(gè)或三個(gè)振子分別記錄方向信號(hào)和脈沖信號(hào),處理數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行加減處理,才得真實(shí)位移。用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí),要用可逆計(jì)數(shù)器、方向信號(hào)(+)、(-)控制計(jì)數(shù)器的“加”、“減”法運(yùn)算、脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖,計(jì)數(shù)器所記錄的脈沖數(shù)就與實(shí)際位移成正比。如再增加脈沖數(shù)-位移轉(zhuǎn)換電路,則可制成各種數(shù)字式儀表,在LED等顯示器上直接讀出待測(cè)位移量。

這種測(cè)量方法的兩個(gè)顯著特征是測(cè)量的非接觸和信號(hào)的數(shù)字化。由此而帶出來的優(yōu)點(diǎn)是不影響被測(cè)對(duì)象,易于信號(hào)的傳輸和處理,測(cè)量裝置的安裝、使用方便,測(cè)量范圍大,長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)米,角度可在360°范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量等。當(dāng)采用普通光源和器件時(shí),分辨率較低,因此這種測(cè)量方法常用于精度要求一般的大位移測(cè)量和簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)中。9.3位移傳感器的應(yīng)用9.3.1回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量

回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)誤差是指在回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線偏離理想位置而出現(xiàn)的附加運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量,在機(jī)械工程的許多行業(yè)中都是很重要的。無論對(duì)于精密機(jī)床主軸的運(yùn)動(dòng)精確度,還是對(duì)于大型、高速機(jī)組(例如汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組)的安全運(yùn)行都有重要意義。

運(yùn)動(dòng)誤差是回轉(zhuǎn)軸上任何一點(diǎn)發(fā)生與軸線平行的移動(dòng)和在垂直于軸線的平面內(nèi)的移動(dòng)。前一種移動(dòng)稱為該點(diǎn)的端面運(yùn)動(dòng)誤差,后一種移動(dòng)稱為該點(diǎn)的徑向運(yùn)動(dòng)誤差。

端面運(yùn)動(dòng)誤差因測(cè)量點(diǎn)所在半徑位置不同而異,徑向運(yùn)動(dòng)誤差則因測(cè)量點(diǎn)所在的軸向位置不同而異。所以在討論運(yùn)動(dòng)誤差時(shí),應(yīng)指明測(cè)量點(diǎn)的位置。

下面介紹徑向運(yùn)動(dòng)誤差的常用測(cè)量方法。9.3位移傳感器的應(yīng)用

測(cè)量一根通用的回轉(zhuǎn)軸的徑向運(yùn)動(dòng)誤差時(shí),可將參考坐標(biāo)選在軸承支承孔上。這時(shí)運(yùn)動(dòng)誤差所表示的是回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線對(duì)于支承孔的相對(duì)位移,它主要反映軸承的回轉(zhuǎn)質(zhì)量。任意徑向截面上的徑向誤差運(yùn)動(dòng)可采用置于x、y方向的兩只位移傳感器來分別檢測(cè)徑向運(yùn)動(dòng)誤差在x、y方向的分量。在任何時(shí)刻兩分量的矢量和就是該時(shí)刻徑向運(yùn)動(dòng)誤差矢量。這種測(cè)量方式稱為雙向測(cè)量法(見圖9-11)。圖9-11雙向測(cè)量法9.3位移傳感器的應(yīng)用

由于種種原因,有時(shí)不必測(cè)量總的徑向運(yùn)動(dòng)誤差,而只需測(cè)量它在某個(gè)方向上的分量(例如分析機(jī)床主軸的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)加工形狀的影響就屬于這種情況),則可將一只傳感器置于該方向來檢測(cè)。這種方式稱為單向測(cè)量法(見圖9-12)。

在測(cè)量時(shí),兩種方法都必須利用基準(zhǔn)面來“體現(xiàn)”回轉(zhuǎn)軸線。通常是選用具有高圓度的圓球或圓環(huán)來作為基準(zhǔn)面。直接采用回轉(zhuǎn)軸上的某一回轉(zhuǎn)表面來作為基準(zhǔn)面雖然可行,但由于該表面的形狀誤差不易滿足測(cè)量要求,測(cè)量精度較差。圖9-12單向測(cè)量法9.3位移傳感器的應(yīng)用

實(shí)際上,傳感器所檢測(cè)到的位移信號(hào)是很復(fù)雜的?，F(xiàn)以雙向測(cè)量法為例(見圖9-13)來說明其復(fù)雜性。設(shè)O0為理想回轉(zhuǎn)中心,Om為基準(zhǔn)球的幾何中心,Or為瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心,e為基準(zhǔn)球的安裝偏心,θ為轉(zhuǎn)角,并令e與x軸平行時(shí)θ=0,r(θ)為徑向運(yùn)動(dòng)誤差。圖9-13位移信號(hào)分析9.3位移傳感器的應(yīng)用

若基準(zhǔn)球半徑Rm遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偏心e和徑向運(yùn)動(dòng)誤差r(θ),則兩傳感器檢測(cè)到的位移信號(hào)dx和dy分別為dx=ecosθ+rx(θ)+Sx(θ)(9-4)dy=esinθ+ry(θ)+Sy(θ)(9-5)

等號(hào)右側(cè)第一、二項(xiàng)分別為偏心e和運(yùn)動(dòng)誤差r(θ)在x、y方向上的投影,而第三項(xiàng)則為基準(zhǔn)球上相差90°的兩對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的形狀誤差。由此可見: