虚拟仪器技术压力测量系统设计.docx

虚拟仪器技术压力测量系统设计.docx

《虚拟仪器技术压力测量系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《虚拟仪器技术压力测量系统设计.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

虚拟仪器技术压力测量系统设计

第一章《测控系统综合设计》设计任务书

题目：

基于虚拟仪器技术的压力测量系统设计

一、设计任务

本课题所要求设计的基于虚拟仪器技术的压力测量系统的工作原理为：

利用压力应变片，将所受的压力转换成电压信号。

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。

首先，应设计硬件电路对该信号进行初步的调理包括空载调零和将信号进行两级放大，然后由NIELVISII数据采集平台提供的模拟输入通道送至计算机中，利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW来开发系统软件，以实现对语音信号的采集、分析、处理与报表生成等。

并利用LabVIEW编写的软件系统对信号进行处理。

具体指标与要求如下：

（一）硬件设计要求

1、理解压力测量的原理，要求对压力应变片进行选型，对压力信号调理电路进行设计，说明其工作原理。

2、理解NIELVISII数据采集平台的工作原理，通过NIELVISII数据采集平台对压力信号及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。

（二）软件设计要求

要求采用状态机的软件设计结构来设计压力测量系统软件。

系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。

具体要求如下：

1、系统初始化

压力测量系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。

系统初始化状态主要可以对NIELVISII数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。

系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。

2、系统等待

在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。

要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。

3、数据采集

要求系统可以对压力信号进行连续的实时采集、分析与显示。

可对采样参数进行设置包括对所用NIELVISII数据采集平台物理通道、采样速率、每通道采样点数、电压最大值与最小值等参数的设置。

将采集到的时域波形、压力大小等参数进行实时显示。

4、报表生成

报表生成功能可以实现对压力信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NIELVISII数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。

5、打开报表

打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。

6、退出

按下“退出”键，将退出系统软件。

要求系统软件界面设计友好，方便操作。

在系统软件界面即前面板上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。

二、设计目的

通过本次设计使学生具备：

（1）初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的《传感器原理与检测技术》、《虚拟仪器技术》、《测控电路》、《测控系统原理与设计》等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。

（2）通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。

（3）进行设计基本技能的训练。

如：

计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。

（4）了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。

（5）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。

三、设计要求

1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。

2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。

3、合理选择传感器的种类与型号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。

4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。

四、设计内容

1、基于虚拟仪器技术的压力测量系统硬件设计。

2、基于虚拟仪器技术的压力测量系统软件设计。

具体设计内容详见前面的设计任务。

五、设计报告要求

报告中提供如下内容：

1、目录

2、正文

（1）设计任务书（只需要打印指导教师提供的设计任务书，不要对任务书的内容进行任何的修改）；

（2）总体设计方案（包括对现代测控系统发展的概述，构建一个测控系统的总体结构图，压力测量与处理的基本原理、压力传感器的发展与概述等，压力测量信号调理电路的设计，并根据任务书要求，选择合适的技术参数和技术方案，对多种设计方案进行分析比较，系统总体结构图概述等）；

（3）系统硬件设计，包括传感器的选择（测量原理分析，传感器的量程、测量精度与结构、型号的确定）、信号调理电路的选择、设计及计算（根据测量要求、传感器的类型及特点，选择或设计合适的信号调理电路，并绘制电气系统原理图。

）；

（4）系统软件设计，包括系统软件程序流程图、前面板与框图程序的设计及功能实现方法等；

（5）系统总体调试、运行及其结果；要求有程序和运行结果等。

3、收获、总结与体会

4、参考文献（不低于20篇）

六、设计进度安排

本课程设计共需2周时间，其具体安排见下表:

时间

上午

下午

第一周

星期一

设计动员、布置设计任务

查找与消化相关资料

星期二

查找与消化相关资料

总体方案设计

星期三

总体方案设计

系统硬件设计

星期四

系统硬件设计

系统硬件设计

星期五

系统硬件调试

系统硬件调试

第二周

星期一

系统软件设计

系统软件设计

星期二

系统软件设计

系统软件设计

星期三

系统软件调试

系统总体调试及性能分析与总结

星期四

撰写设计报告

撰写设计报告

星期五

完成设计报告并上交

答辩

七、设计考核办法

本设计满分为100分，从设计平时表现、设计报告及设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。

第二章总体设计方案

一、现代测控系统发展概述

20世纪70年代以来，测量技术不断进步，出现了很多智能仪表，这些仪表在微电子的基础上，与计算机相结合，使得基于仪表的测量技术渐渐演变，成为一门包含机械、电子、计算机的独立的学科。

现代测控技术在追求仪表智能化的同时，还对其稳定性、可靠性和适应性要求也不断提高，相应的，随着技术发展，测控技术大量应用高新技术和新的科学研究成果，测控技术的技术指标与功能不断提高。

作为代表，测控仪器仪表单元微小型化、智能化日趋明显。

测控技术的两个方面，一个是测一个是控。

“测”是依靠传感器和信号传输电路，即测控电路；“控”则是依靠现代计算机的计算处理能力，根据数据得出相应结果，通过反馈等方式控制整个系统。

计算机已经成为测控技术中的中坚力量，于是，网络技术也就自然而然的越来越成为测控技术满足实际需求的关键支持。

但是不可否认，测控电路依然是测控技术发展的基础，和另一个重要的发展方向。

现代科学技术的融入不但使现代测控技术在各方面得到广泛应用，而且加快了现代测控技术的发展，形成了现代测控技术朝微型化、集成化、远程化、网络化、虚拟化等方向发展。

同时，现代测控技术是一门实践性非常强的技术，既包括硬件、软件的设计，又包括系统的集成，随着其在国防、工业、农业等领域应用的深度和广度的扩大，它将为提高生产效率、改进技术水平做出巨大的贡献。

新型传感器技术、现代测控总线技术、虚拟仪器技术、远程测控技术、测控系统集成技术等，都是这门涉及广泛的学科的发展趋势和方向。

新型传感器技术向微型化、数字化、集成化、智能化、网络化传感器、光纤传感器和生物传感器等几个方向发展。

传感器是信息时代的三大支柱之一，目前新的智能化传感器层出不穷，微处理器和网络与传感器的融合技术快速发展，新型传感器在测量仪器仪表、测控系统中的应用日益广泛和深入，可以说，新型传感器技术的发展对现代测控技术的发展起到了很好的推动作用，新型传感器技术是现代测控技术的一个重要组成部分。

现代测控总线技术具体包括了GPIB、VXI、CPCI、PXI、USB、IEEE1394、现场总线和LXI这几类总线，USB在现代的应用比重日益增加，也是发展最为迅速的总线技术。

测控总线是测控系统的重要组成部分，随着计算机技术的发展，各种总线标准不断推出和发展。

现代测控系统的发展趋势是采用标准总线计算机平台、功能强大的软件及应用总线技术的模块化仪器设备的有机结合。

这将极大地增强自动测试设备的功能与性能。

在现代测控系统中，测控总线技术越来越受到重视。

因此，在测控系统的研制、开发和应用中，选择好的测控系统平台总线，不仅有助于系统最终以较低成本满足更高的性能要求，而且可以使系统更加容易扩充、升级和保护用户的投资效益。

虚拟仪器技术包括LabVIEW和LabWindows/CVI，包括开发环境和虚拟仪器设计。

虚拟仪器系统是测控技术与计算机技术结合的产物，它从根本上更新了仪器的概念，并在实际应用中表现出传统仪器无法比拟的优势，可以说虚拟仪器技术是现代测控技术的关键组成部分。

虚拟仪器利用计算机和数据采集卡等相应硬件和专用软件构成，既有传统仪器的特征，又有一般仪器所不具备的特殊功能，在现代测控应用中有着广泛的应用前景。

远程测控技术是现代通信网络、远程测控系统的基础。

基于Internet、现场总线和无线通信的远程测控技术这三方面讲述应用，通过分布式网络化测控系统、基于VXI和PXI总线的远程测控系统。

随着测控任务变得日趋复杂以及大范围测控要求的日益增多，进行远程测控、组建网络化的测控系统就显得非常必要。

网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用，从而有力地带动和促进远程测控技术的发展。

采用远程测控技术，不仅可以降低测控系统的成本、实现远距离测控和资源共享，而且还能实现测控设备的远距离诊断与维护，大大提高测控的效率。

电子设备测控系统集成技术，包括现代测控系统的硬件设计（包括硬件需求分析、硬件集成、接口设计和可靠性与安全性设计），以及现代测控系统软件设计（包括采用COTS的软件集成、软件组态和集成的标准化）。

采用系统集成技术解决测控系统的合理构成正成为测控界普遍关注的话题。

测控系统的规模和功能各异，且存在各种模块的集成以及在异构和分布环境下设备互连、互操作、数据传输和通信等诸多问题，测控一体化系统集成应运而生。

测控一体化是当今测控系统的发展方向，它以计算机为核心，采用组件技术将标准总线、硬件模块或仪器单元和相应的测控软件等进行构建，同时贯彻实施一系列系统集成标准体系，使之成为通用性和可移植性强的测控系统。

测控一体化要求实现测控系统的集成，其目标不仅包括测控系统的体系结构集成，还包括功能集成、信息集成和环境集成，同时还要符合相应的系统集成标准。

二、测控系统总体结构图

开始

数值给定

偏差

控制器

执行器

被控过程

数据采集

数据输出

结束

测量变送

干扰

三、压力传感器的发展与概述

压力传感器在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点,可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。

除此以外,还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。

由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。

压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。

压力传感器的发展历程

现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志,而半导体传感器的发展可以分为四个阶段:

（1）发明阶段（1945-1960年）:

这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。

此后,半导体材料的这一特性得到较广泛应用。

史密斯（C.S.Smith）与1945发现了硅与锗的压阻效应,即当有外力作用于半导体材料时,其电阻将明显发生变化。

依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上,即将力信号转化为电信号进行测量。

此阶段最小尺寸大约为1cm。

（2）技术发展阶段（1960-1970年）:

随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的（001）或（110）晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上,然后在背面加工成凹形,形成较薄的硅弹性膜片,称为硅杯。

这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点,实现了金属-硅共晶体,为商业化发展提供了可能。

（3）商业化集成加工阶段（1970-1980年）:

在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术,扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主,发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术[4],主要有V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。

由于可以在多个表面同时进行腐蚀,数千个硅压力膜可以同时生产,实现了集成化的工厂加工模式,成本进一步降低。

（4）微机械加工阶段（1980年-今）:

上世纪末出现的纳米技术,使得微机械加工工艺成为可能。

通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器,其线度可以控制在微米级范围内。

利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,使得压力传感器进入了微米阶段。

第三章系统硬件设计

一、JLU-ELVIS型数据采集实验系统的介绍

JLU-ELVIS型数据采集实验系统是一款基于美国国家仪器公司（NI）生产的教学实验虚拟仪器套件（NIELVIS）平台，结合相应的LabVIEW程序能完成包括光，频率、声、热、压力在内的多种物理量的采集和测量的多传感器数据采集综合实验系统，借助于NIELVISⅡ平台提供的程控电源，函数信号发生器，±15V和+5V电源等资源，作为板上信号采集电路和相应信号调理电路的激励信号和工作电源等。

完整的廊括了传感器实验中所包含的物理信号源，传感器电路，信号调理电路，数据采集和分析的全过程。

利用本实验系统可以完成光耦测频，霍尔元件测频，语音采集，光采集，温度测量，压力测量等多种传感器实验。

将电路板接到NIELVISⅡ上，将NIELVISⅡ的电源线接到220V市电，USB线缆接到装有NI-ELVISmx设备驱动程序的计算机上。

打开NIELVISⅡ的开关。

观察实验板右上角三个绿色电源指示灯是否点亮，若灯亮，表示电路板电源工作正常，若灯不亮，表示电源工作异常，这种情况请检查，电路板是否与NIELVISⅡ可靠连接，同时检查一下保险管F1、F2、F5是否工作正常。

直到电路板电源指示灯正常工作才能进行下一步工作。

在前两步工作完成的前提下，用万用表测量保险管F6、F7的工作电压，看输出是否分别为+5V和-5V，若是则5D5电源模块工作正常，若不是，请检查5D5电源转换模块。

完成了以上步骤以后，表示系统的整体工作状态正常，可以进入各个模块的测试和调试工作了。

图3.1所示为JLU-ELVIS型数据采集实验系统外观图。

图3.1JLU-ELVIS型数据采集实验系统外观图

二、压力测量与处理的基本原理

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图如下图3.2所示。

图3.2压力测量实验原理图

本实验设计使用了JLU-ELVIS型数据采集实验系统的压力传感器部分如下图3.3所示。

图3.3

3、主要芯片介绍：

该实验模块选用了AD620芯片和0P07作为放大芯片。

AD620芯片：

AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。

此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低（最大电源电流仅1.3mA），因此非常适合电池供电的便携式（或远程）应用。

　　AD620具有高精度（最大非线性度40ppm）、低失调电压（最大50µV）和低失调漂移（最大0.6µV/°C）特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。

它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。

　　由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。

AD620在1kHz时具有9nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声为0.28µV峰峰值，输入电流噪声为0.1pA/√Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。

同时，AD620的0.01%建立时间为15µs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。

AD620特性：

通过一个外部电阻设置增益

（增益范围：

1至10000）

宽电源电压范围（±2.3V至±18V）

具有比三运放IA设计更高的性能

提供8引脚DIP和SOIC封装

低功耗，最大电源电流为1.3mA

低噪声

输入电压噪声：

9nV/√Hz（1kHz）

0.28µV峰峰值噪声（0.1Hz至10Hz）

出色的直流性能（B级）

输入失调电压：

50µV（最大值）

输入失调漂移：

0.6µV/°C（最大值）

输入偏置电流：

1.0nA（最大值）

共模抑制比：

100dB（最小值,G=10）

出色的交流特性

带宽：

120kHz（G=100）

0.01%建立时间：

15µs

OP07芯片：

Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

OP07管脚图：

特点：

超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

1.8nA。

低失调电压漂移：

0.5μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month最大高电源电压范围：

±3V至±22V　

OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+

四、传感器的选择

现代传感器在原理与结构上千差万别，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法和测量设备也就可以确定了。

测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

2、灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。

当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3、响应特性（反应时间）

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过火的误差。

4、线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

5、稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

6、精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

综合上述各考虑因素，本次课程设计我们选用电阻应变片来完成本次课程设计。

电阻应变片（图3.4）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。

它是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化较小，所以这种应变片需要组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路执行机构。

图3.4电阻应变片

第四章系统软件设计

一、程序流程图的设计

开始

系统初始化

系统等待设定各参数的值

开始实验

数据采集

电压/压力转换

输出波形

停止实验

生成报表

保存数据

结束

N

Y

二、前面板的设计

1.前面板如图4.1.1所示

图4.1.1

2.如图4.1.2所示，该部位功能是用来对频率测频参数的设置，可以设置数据采集卡的通道，最小电压值，最大电压值，扫描速率与每个通道的采样点数。

图4.1.2

3.如图4.1.3所示，该部位是一个LED等，开始试验后，LED灯闪烁。

图4.1.3

4.如图4.1.4所示，该部位是对正在执行的过程进行文本提示。