基于labview虚拟仪器的压力测量课程设计.docx

1、基于基于 labview 虚拟仪器的压力测量课程设计虚拟仪器的压力测量课程设计 一.引言 虚拟仪器(Virtual 工 nstrument)是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。虚拟仪器利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器打破了传统仪器功能为厂家定义，用户无法修改的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动测试系统。电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式:虚拟仪器(Virtual 工 nstr。ment)。虚拟仪器

2、是指在通用 算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。NI公司的 LabVIEw 是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将 LabVIEW 与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不像传统的仪器那样，受生产商所设计功能的限制。LabvIEW 提供一种像数

3、据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。它的基本程序单位是 v工。LabvIEW 通过图形编程的方法，建立一系列的 VI，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一个 VI完成;对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种 VI以完成每项子任务，然后把这些 VI组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括众多功能子虚拟仪器的集合。使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关心程序流程方面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题，这些问题在LabVIEw中都迎

4、刃而解了。LabVIEW 还带有多种基本的 VI库。其中包括采用 GP 一工B、V工 SA、VXI和串行接口的仪器的驱动程序。LabVIEw还拥有功能超强且庞大的分析函数库，其涵盖了统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。二.设计任务 虚拟仪器课程设计，是虚拟仪器课程的实践性教学坏节。是对学生学习虚拟仪器的综合性训练。要完成一门课程设计涉及到多方面的知识，涉及到许多实际知识与技能（编程、与测试技术）。对于“虚拟仪器课程设计”要求利用图形化编程软件来完成编程、检测及观察测试的结果。了解力转换成电信号的工作原理，将金属丝电阻应变片附在弹簧的表面，测量出电阻应

5、变片电阻的变化，可以计算出弹簧片受力的大小，设计虚拟压力测量仪，要求绘制出压力随时间的变化曲线，以表格的形式存放采集的数据。要求：1)综合运用计算机程序设计、虚拟仪器课程中学到的理论知识去完成课程设计。2)通过查资料来完成设计。3)分析出整个虚拟仪器的结构和组成，完成若干功能模块程序的编写。方案选择的原则是根据掌握的知识和资料，针对仪器的功能设计要求，以及经济性来进行方案选取。在这个过程中要使方案具有合理性、可靠性、经济性、功能好、技术好等的优点。在课程设计中要多思、多想、多尝试。4)学会在虚拟软件里调试程序，用自己编写的程序经过测试，观察测试的结果，并把测试结果复制剪切下来，以便分析和论证，

6、形成一个完整的课程设计。5）设计要求有软、硬件两部分的设计内容。硬件部分要求设计出信号的采集并结合实验室的 USB1208FS 数据采集卡,设计信号调理电路。6）设计说明书要有软件和硬件电路的设计，即测试信号应能和数据采集卡相连（注意 USB1208FS 数据采集卡的标准电压值）。设计题目：虚拟仪器在压力测量中的应用设计 了解力转换成电信号的工作原理，将金属丝电阻应变片附在弹簧的表面，测量出电阻应变片电阻的变化，可以计算出弹簧片受力的大小，设计虚拟压力测量仪，要求绘制出压力随时间的变化曲线，以表格的形式存放采集的数据。三.设计方案 3.1应变测量原理 半导体应变片可用于应力测量和应力分析，以及

7、作为各种传感器的力一电转换元件，它基于金属丝在受拉或受压后发生弹性形变，其电阻值也随之产生相应的变化这一物理特性实现的。在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化RR 与应变LL成正比，因而RR=KLL。其中，K为电阻应变片的灵敏系数。用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。当压力 F在一定范围内时，应变 x以一个常数正比于 F。式中：L为两孔中心距的 50；E为梁的弹性模量；b为梁的宽度；h 为孔上下最薄处的厚度。如图 1所示，在双孔梁的上下两端面分别对应孔的

8、顶端处贴上电阻应变片，将它们按图 1(b)所示的方式组成全桥测量电路。这种桥式测量电路，可以灵敏地测量极微小的电阻变化。当弹性体受物体作用时，弹性体便产生弹性形变，粘在其表面的电阻应变片则随其同步变形，因而改变了它们的电阻值。由于电阻应变片组成的桥式电路是平衡的，而电阻应变片的电阻变化会引起电桥的不平衡，因而输出电压信号，该信号与梁端的受力 F成正比。当力 F使单个应变片的电阻变化R 时，全桥测量电路的输出电压 U0=URR。应变测试过程如图 2 所示。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。选用 NI公司具有信号调理模块的数据采集卡，不必再另外设计信号调理电路。3

9、.2信号滤波电路 从应变片组成的电桥电路中出来的电压信号通常会伴随着噪声、振动等于扰，为了得到较为准确的低频应变信号，在将采集到的应变信号送到计算机之前，需要进行滤波处理。双二阶环滤波电路利用两个以上的加法器、积分器等组成的运算放大电路，根据要求的传递函数，引入适当的反馈，构成滤波电路。其突出特点是电路灵敏度低，特性非常稳定，并可实现多种滤波功能，这里使用低通滤波。具体电路如图 3所示。构成低频滤波器时，电路固有频率和通带增益如下：3.3电阻片的温度效应 电阻片由金属材料制成，它的阻值随着温度的变化也将产生变化。另外，由于试件和电阻材片的线性膨胀系数不同，从而会使电阻片的阻值发生变化。温度变化

10、引起的电阻变化是客观存在的，但不希望在测量结果中反映出来。温度补偿,作为测量电桥的四个臂，当称重时受到负载 F的作用后，R1，R2受拉伸阻值增加，R3，R4受压缩阻值下降，四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好，并且还具有温度补偿作用。输出应变信号电压为：式中：1，2，3，4 分别为各桥臂应变片感受的应变量；T为各应变片随温度变化所产生的应变量。3.4桥路预调零点 为测量方便起见，在试件变形前，要求电桥起始输出电压等于零，即 U0=0。要挑选完全一样的电桥电阻是很困难的，可以采取在电桥上调零的措施来达到使其平衡的目的。这里采用并联电阻法，如图 4所示。调整电位器 Ra，使 R3，R4 上并

11、联的电阻得到调整，以达到调零的作用。3.5虚拟仪器及 labview 软件设计 虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计的测试功能，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。美国国家仪器公司生产的 NI-LabVIEW 是目前最为成功，应用最广泛的虚拟仪器软件开发系统。它一种基于 G语言的 32 位编译型图形化编程语言，其图形化界面可以方便的进行虚拟仪器的开发。虚拟仪器设备可以由使用者自己定义，这意味着可以自由地组合计算机平台，硬件（包括传统仪器），软件，以及各种实现应用所需要的附件。这种灵活性在由供应商定义，

12、功能固定，独立的传统仪器上是很难达到的。常用的数字万用表，示波器，信号发生器，数据记录仪，以及温度和压力监控仪器就是这种传统仪器的代表。从传统仪器设备向虚拟仪器设备的转变，为现代实验带来了更多实际的利益，同时也促进着实验手段不断更新。（1）、路径模块 前面板：程序框图：（2）、创建表格模块 显示时间和压力值（3）、曲线拟合模块 采集到数据后软件运行如下图所示:前面板运行图：程序总框图：3.6压力测试 检查压力传感器和压力信号是否完好，按照颜色对应关系正确连接信号线。打开信号调理器电源开关。运行压力测试程序。然后开始测量观察压力变化。表格如下：四总结 此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的重要作用，进一步增强了我理论应用实践的能力。在设计过程中也遇到一些困难，表格的形成和曲线的拟合方面比较生疏，经过查询资料，反复讨论修改，是设计进一步完善。此次课程设计的顺利完成要感谢戴老师的辛勤指导和同学的相互学习交流，让我收获很大，为以后得学习打下基础。五参考文献 Labview8.2基础教程，雷振山著，中国铁道出版社 LabVIEW 程序设计与应用国防科技大学 杨乐平 李海涛 肖相生 等编著 电子工业出版社 LabVIEW 8.20 程序设计从入门到精通，陈希辉，清华大学出版社