现代检测技术综合设计报告基于虚拟仪器的压力测量系统.doc

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1、 现代检测技术综合设计报告 课 程 设 计 题 目： 基于虚拟仪器的压力测量系统 学 院 名 称： 电子与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气12-1 姓 名： 学 号 同 组 者 姓 名： 指 导 教 师： 日 期： 2014.06.092014.06.20 目 录 一、 任务书 1二、总体设计方案2.1 现代测控技术发展概述 12.2 自动检测系统的原理框图 2三、压力传感器3.1 传感器的选择 23.2 工作原理 23.3 工作特性 3四、硬件设计4.1 应变片的测量转换电路 34.2 电桥的放大电路 44.3 压力测量的总电路图 5五、Labview软件设计5.1

2、 程序流程图的设计 65.2 前面板的设计 65.3 实验框图的设计 8六、调试情况及结论6.1 程序的调试 126.2 实验结论 14七、课程设计心得体会 14参考资料 14 一、 任务书 用虚拟仪器Labview软件来编写压力测量系统。要求如下：1、利用Labview和适当压力传感器设计一个压力测量系统2、系统包括：系统开关、当前测量值、超限报警3、压力测量上下限、压力变化趋势4、测量过程统计数据（平均值、标准差等）5、前面板登陆界面等 二、 总体设计方案 2.1 现代测控技术发展概述 近些年来，随着半导体、计算机技术的发展，新型或具有特殊功能的传感器不断涌现出来，检测装置也向小型化。固体

3、化及智能化方向发展，应用领域也越加宽广。上至茫茫太空，下至海底、井下，大致工业生产系统，小至家用电器、个人用品，人们都可以发现自动检测技术的广泛应用。现代测控系统大多以微型计算机为核心，能完成较高层次的自动化检测和控制，在不同程度上具有“智能”技术。如基于网络的测控技术、基于虚拟仪器（VI）的测控技术、基于雷达与无线通信的测控技术，以及基于全球卫星定位系统（GPS）的测控技术等。现代测控技术隶属于现代信息技术，是以电子、测量及控制等学科为基础，融合了电子技术、计算机技术、网络技术、信息处理技术、测试测量技术、自动控制技术、仪器仪表技术等多门技术，利用现代最新科学研究方法和成果，对测控系统进行设

4、计和实现的综合性技术。当前，检测技术的发展趋势主要体现在一下几个方面。1、 不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性。2、 应用新技术和新的物理、化学效应，开拓检测领域。3、 发展集成化、功能化的传感器。4、 采用计算机技术，使自动检测技术智能化。5、 发展网络化传感器及网络化检测系统。虚拟仪器融合了仪器仪表技术、计算机技术、高速总线技术以及图形软件编程等技术。计算机在显示方式、存储能力、处理器性能、网络等方面的优势，使虚拟仪器具有多种优势。测量精度高、速度快、可重复性好、系统组建时间短、测量功能易于扩展等优点，有最终取代大量的传统仪器成为仪器领域主流产品的趋势。虚拟仪器

5、是上世纪90年代初期出现的一种新型仪器，它将许多以前由硬件完成的信号处理工作交由计算机软件进行处理，这种测试仪器的硬件化功能软件化，给测试仪器带来了深刻的变化，因此虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的方向之一。虚拟仪器是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，它尽可能多的将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理的功能，代替为计算机的程序来完成。这种硬件功能能软件化，是虚拟仪器的一大特征。操作人员在计算机的屏幕上利用指点设备操作虚拟的仪器，就像操作真实的仪器一样，完成对被测量的采集、显示、分析、处理、存储及数据生成。其特点是在通过硬件平台确定后，可由软件而不是硬件来决定仪器的功能。仪器的

6、功能是用户根据需要由应用软件来定义的，而不是事先由厂家定义好了的。因此用户不必购买多台不同功能的传统仪器，在现代测控应用中有着广泛的应用前景。总之，自动检测技术的蓬勃发展适用了国民经济发展的迫切需要，是一门充满希望和活力的新兴技术，目前取得的进展已十分瞩目，今后还将有更大的发展。 2.2 自动检测系统的原理框图 图2-1 自动检测系统原理框图其中，信号调理电路包括信号放大和滤波，其作用是对信号进行必要的调理。三、 压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特

7、征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、谐振式压力传感器、压阻式力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器及电容式加速度传感器等。下面就简单介绍一下该实验中所用到的电阻应变传感器的工作原理和工作特性。3.1 传感器的选择现代传感器在原理和结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方案和测量设备也就可以确定了。在选择传感器时，我们所

8、要考虑的因素是：根据测量对象与测量环境确定传感器的类型、灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性及精度。综合上述考虑因素，本次课程设计我们选用电阻应变片来完成任务。3.2 工作原理在了解电阻应变传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这一元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。通常是将应变片通过胶水粘贴在一个弹性体上，当弹性体手里发生变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生变化，从而使加在电阻两端上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应

9、变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路显示。电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。电阻应变片的工作原理是导体或半导体材料在外界里的作用下，会产生及楔形变，其电阻值也将随着发生变化的现象，这种现象也叫做应变效应。金属导体的电阻值可用下是来表示: （1）式中：金属导体的电阻率（） A导体的截面积（cm2） l导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝

10、受到外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可以很容易的看出，其电阻值会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面积增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻两端的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变。3.3 工作特性电阻式应变片传感器的优点是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、繁体化和品种多样化。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施，因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。四、硬件设计4.1 应变片的测

11、量转换电路 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将转换为输出电压U0。在不平衡电阻电桥中，可以用电阻传感器来代替某一桥臂的电阻，或某几个桥臂的电阻。当电阻传感器的阻值有所变化时，电桥失去平衡，计算机可以依据电桥的输出电压来计算出被测值。下图 为不平衡电桥的结构图：图4-1 不平衡电桥的结构设电桥的各臂的电阻分别为R1R2R3R4，它们可以全部或部分是应变片。由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大得多，因此可将电桥输出端看成开路，这种电桥称为电压输出桥，输出电压U0为: （2）由上式可知，若R1R3=

12、R2R4，则输出的电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。应变片工作时，其电阻变化，此时有不平衡电压输出： （3）上式表明，若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，实处电压为两者之差，若不同时，则输出电压为两者之和。电桥供电电压U越高，输出电压U0越大，但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂现象。基于这些原因可以合理的进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度。利用不平衡电桥来连接电路可以有效的进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度。4.2 信号处理电路4.2.1 信号放大电路 信号放大电路用于将传感器或经基本转

13、换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和处理。图4-2为差动减法放大电路，该电桥的放大电路由差动减法电路来实现，将单臂传感器的电阻变化转换成输出电压的变化。图4-2 差动减法放大电路 如图4-3为压力测量电路的二级放大电路，滑动变阻器0602和0603分别调节AD620和OP07的放大倍数。图4-3 放大电路4.2.2 信号滤波原理滤波电路是只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而限制另一部分频率成分通过的电路。滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组成的各种复式滤波电路。在该硬件接线电路

14、中，在多处地方采用了滤波电路来对信号进行调整。具体接线图见图4-4所示。4.3压力测量的总电路图当加在应变片上的压力变化时，应变片的阻值发生变化，桥式电路输出由此产生的电压信号，电位器w0601为空载调零电阻，可以提高系统的精确度。由于压力传感器输出的信号比较微弱，该信号经由AD260进行一级放大后，再进入OP07进行二级放大。电位器RW0602和RW0603分别为一级放大和二级放大反馈电阻。压力测量的实验原理如下图所示：图4-4 压力测量的硬件电路图五、Labview软件设计开始5.1 程序流程图的设计 系统初始化系统等待设定各参数值开始实验 模拟数据产生输出波形并统计停止实验退出NY退出登

15、录结束图5-1 软件程序流程图设计5.2 前面板的设计5.2.1 登陆和界面图如下所示：如下图1，这是得到压力测试的实验数据的时域波形。 图1图2：该部位的功能是用来对测量数据的上下限参数的设置，以及测量数据超过上下限的一个报警提醒功能。超过界限后，相应的提示灯会变为绿色。 图2图3：该部位的功能是得到模拟量压力的平均值和标准差。 图3图4：该部位是对整个压力测试系统进行停止操作时使用的。 图45.3 实验框图的设计 本系统程序框图设计主要包括数据的测量与采集、模拟数据读取、数据处理及显示、子程序的打开或关闭等，其中有些模块直接调用LABVIEW中的库函数，如乘除法、定时器等，还有一些模块则需

16、要用户进行自定义设计实现如下图5：该部位是登陆界面上显示压力测试系统和用户登录该名称的。 图5如下图6：该部位是用户输入自己的用户名和密码，若输入都为正确，则可以顺利进行子VI。当前用户名为：yyx密码为123456。若输入用户名有误，则会显示一下图7，则会显示“用户名错误，请重新输入”，下一个连接点的端口则会显示“F”代表False,代表出现了错误。若密码错误，则会显示图8的样子，也会出现错误现象，让你无法登陆。 图6 图7 图8图9该部位代表用户已经登录页面，正在连接子VI界面中，系统正在登录过程中，该部位我利用滑动杆显示系统登陆的过程，更加有真实感。那条墨绿色的线连接到我的Angela.

17、vi 这个系统。 图9图10为调用节点，而图11为调用节点的即时帮助信息。类别右键选择类VI服务器VI，在调用方法处右键选择方法运行VI。 图5.2-10图5.2-11图12为属性节点，图13为属性节点的即使帮助信息。在选择类处选择VI，在名称1处右键选择全部转换为写入，再右键属性工具栏可见，右键属性选择属性前面板窗口打开。其余的也根据需要依次设置。 图5.2-12图5.2-13若用户系统登录成功，将会自动跳到Angela.vi的子文件中运行。若系统登录不成功，出现用户密码，则会出现图5.2-13。 图5.2-13图5.3-14为压力测量系统登陆界面的总体框图（每隔1s出现一个随机数） 图5.

18、3-14图5.3-15则表示任意随机获取模拟量压力值，500表示范围。 图5.3-15图5.3-16表示一个被上限值和下限值规定的压力输入模拟量。右边图5.3-17则是对该物件的介绍。 图5.3-16 图5.3-17图5.3-18表示的是在500个随机模拟量中任意取20个，求出压力的平均值和标准差。 图5.3-18 图5.3-19图5.3-20表示的是毫秒计时器，定时1000毫秒，说明1秒钟采样一个压力值，速度会慢一点。看起来更加清楚点。 图5.3-20图5.3-21图5.3-22表示输入压力模拟量大于上限值，则输出为“TRUE”，布尔灯则会亮。 图5.3-22 图5.3-24图5.3-24表

19、示输入压力模拟量小于下限值，则输出为“TRUE”，布尔灯则会亮。与上述大于同理。图5.3-24 六、调试情况及结论 仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，并设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态，LABVIEW已经为采集卡配备了驱动程序。将硬件的USB接口接至电脑，对其进行相应的选项的选择，将压力曲线的程序框图中的随即数组用DAQ助手来代替，开始实验进行数据处理。因一些原因，以下的调试中没有连接硬件，只是用随机数组来进行模拟。6.1 程序的调试运行LABVIEW程序，进入压力测量系统的登录界面，如图6-1：在用户名和密码处输入正确的账户（用户名：yyx，密码：123456），如图

20、6-2： 图6-1图6-3是还没有输入模拟量的时候压力测试图表。 图6-3图6-4是模拟量超出上限值，产生上限报警。 图6-4图6-5是模拟量超出下限值，下限报警。按下停止按钮，则按下“停止”按钮，则运行停止。6.2 实验结论从以上的图中可以清楚的看出该系统可以快速准确的实验模拟压力的测量和显示，并且能够实现指定用户的登录，完成了设计任务。由于时间的原因和实验室硬件的有限，我在做这个任务的过程中并没有用到数据采集卡，因此在我的软件设计中，我只有模拟的数据，而没有DAQ助手形成的数据采集。七、课程设计心得体会 这次课程设计让我了解了虚拟仪器（LABVIEW）在编写实际应用程序时重要作用，进一步增

21、强了我理论应用实践的能力。在没有学习过LABVIEW之前，我接触了C语言，作为一种编程的工具，LABVIEW与C语言还是有很大的相似之处，如数据的类型、模块化的编辑特点等，但经过一段时间的学习，我发现LABVIEW采用了图形化的编写方式比C语言更加简单，不过在设计过程中我也遇到了一些困难，在设计和排版过程中还存在一些问题。经过查询资料，反复的修改和讨论，使得我的设计有了进一步的完善。本次课程设计是对我很好的一次磨练，虽然少了自己对硬件的连接，但是通过自己对硬件电路接线的分析，我也有很大的收获。通过这次的任务，我不仅学到了新知识，而且对课程设计文档的撰写方法也又一次的巩固。此次课程设计的顺利完成要感谢黄老师的辛勤指导和同学的相互学习交流，让我收获很大，为以后的学习打下基础。 参考文献：1梁森，王侃夫等.自动检测技术及应用M.第二版.北京：机械工业出版社.2011.2黄松岭,吴静等.虚拟仪器设计基础教程M.北京：清华大学出版社.2008.