14 工程測試技術(shù) 第六章 工程測試案例分析

1、工程測試技術(shù),第六章、工程測試案例分析,工程測試技術(shù),計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù) 軸心軌跡測量 樁基應(yīng)力波檢測 樓宇安防系統(tǒng) IC卡智能水表 汽車安全氣囊測控 氣體溫度測量,本章學(xué)習(xí)內(nèi)容：,本章學(xué)習(xí)要求：,1. 了解虛擬儀器的構(gòu)成和工作原理 2. 了解常用的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) 3. 了解典型的工程測試案例,第六章、工程測試案例分析,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),虛擬儀器是在PC基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測試儀器系統(tǒng)。 是在計(jì)算機(jī)上顯示傳統(tǒng)儀器面板，將硬件電路完成的信號(hào)調(diào)理和處理功能由計(jì)算機(jī)程序完成。 硬件功能軟件化是虛擬儀器的一大特征。,1. 虛

2、擬儀器定義(Virtual Instrument, VI),2. 虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展過程,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),模擬儀器,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),傳統(tǒng)儀器:廠商定義,虛擬儀器:用戶定義,傳統(tǒng)儀器的功能是由廠商事先定義好的，其功能用戶無法變更。 虛擬儀器最大的特點(diǎn)是其功能由軟件定義，可以由用戶根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整，用戶選擇不同的應(yīng)用軟件就可以形成不同的虛擬儀器。 當(dāng)虛擬儀器用戶需要改變儀器功能或需要構(gòu)造新的儀器時(shí)，可以由用戶自己改變應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)，而不必重新購買新的儀器。,3. 儀器定義和功能的轉(zhuǎn)變,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),4. 用戶定義虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn),用戶定義 費(fèi)用低 靈活 可再用性

3、可重新配置,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),5. 虛擬儀器分類,PC-DAQ 測試系統(tǒng)：以數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。 GPIB 系統(tǒng)：以GPIB 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。 PXI系統(tǒng)：以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。 VXI系統(tǒng)：以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)：以現(xiàn)場總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。 串口系統(tǒng)：以RS232標(biāo)準(zhǔn)串行總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。,根據(jù)虛擬儀器所采用的信號(hào)測量硬件模塊的不同，虛擬儀器可以分為下面幾種形式：,6.1計(jì)

4、算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(1) 基于PC-DAQ 數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng),通過/轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等； 再通過/轉(zhuǎn)換把數(shù)字控制量轉(zhuǎn)化成模擬控制量，送到執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)反饋控制。 根據(jù)需要還可加入信號(hào)調(diào)理和實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(Digital Signal Processing， DSP)等硬件模塊。,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(2)基于通用接口總線GPIB 接口的儀器系統(tǒng),利用GPIB 接口卡將若干GPIB (General Purpose Interface Bus)儀器連接起來，用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。 運(yùn)用GPIB 擴(kuò)展技術(shù)，可以很方便地將多臺(tái)儀

5、器組合起來，形成較大的自動(dòng)測量測試系統(tǒng)。 用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試，排除人為因素造成的測試測量誤差。 可以很方便擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。,GPIB 于1978年問世，為IEEE488標(biāo)準(zhǔn)。,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(3) 基于PXI 總線的虛擬儀器系統(tǒng),PXI (PCIbus eXtension for Instrument)總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線，即PCI (Peripheral Component Interconnect)總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。 PXI總線模塊是另一種新型的基于板卡式相對(duì)獨(dú)立的模塊化儀器，從物理結(jié)構(gòu)看，一個(gè)PXI總線系統(tǒng)包括：

6、一塊為嵌入模塊提供安裝環(huán)境的背板及其機(jī)箱 一個(gè)控制背板上時(shí)序和協(xié)調(diào)各PXI板卡的主控制器 若干插接在背板上的PXI 板卡,CompactPCI總線由多家廠商于1994年提出。 PXI總線由美國NI等公司于1997年發(fā)布。,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(4) 基于VXI 總線的虛擬儀器系統(tǒng),VXI (VME Bus Extension for Instrument)總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線，即VME(Versa Module Eurocard)總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。 其物理結(jié)構(gòu)包括VXI背板、VXI主控制器和VXI板卡等組成。 VXI和PXI都具有標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)，定時(shí)和同步精確

7、，模塊可重復(fù)利用，對(duì)速度、精度要求不高，眾多儀器廠商支持等優(yōu)點(diǎn)，很快得到了廣泛的應(yīng)用。 VXI比PXI總線出現(xiàn)稍早，成本相對(duì)昂貴，主要用于軍方和環(huán)境要求苛刻的場合。 由于PXI系統(tǒng)兼容PCI總線和CompactPCI總線，其出現(xiàn)后發(fā)展迅猛，大有取代VXI系統(tǒng)之勢。,VXI總線由HP等公司于1987年提出，1992年成為IEEE 1155標(biāo)準(zhǔn)。,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),現(xiàn)場總線(Field Bus)儀器，是一種用于惡劣環(huán)境條件下的、抗干擾能力很強(qiáng)的總線儀器模塊。 與上述的其它硬件功能模塊相類似，在計(jì)算機(jī)中安裝了現(xiàn)場總線接口卡后，通過現(xiàn)場總線專用連接電纜，就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用

8、計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場總線儀器進(jìn)行控制。 目前工業(yè)以太網(wǎng)在測控系統(tǒng)中也獲得了大量應(yīng)用，但工業(yè)以太網(wǎng)往往用于系統(tǒng)的上層，下層仍然多采用現(xiàn)場總線。,(5) 現(xiàn)場總線模塊,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(6) 串行接口儀器,很多儀器帶有RS232 串行接口，通過連接電纜將儀器與計(jì)算機(jī)相連就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)儀器進(jìn)行控制。 在要求高速和實(shí)時(shí)的環(huán)境里，目前的一個(gè)發(fā)展趨勢是采用USB串行接口（或IEEE1394串行接口），以解決RS232串行接口傳輸速率過低的缺點(diǎn)。,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6. 虛擬儀器的兩條發(fā)展道路,(a) 適合大型高精度集成系統(tǒng),(c) 虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因

9、素： 計(jì)算機(jī)是載體； 軟件是核心； 高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。,GPIB,VXI,PXI,1978,1987,1997,(b) 適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景,PC插卡,并口,串口USB,1980,1995,1999,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),常用虛擬儀器板卡,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),7. 虛擬儀器的組成,虛擬儀器主要由傳感器，信號(hào)采集與控制板卡，信號(hào)分析和顯示軟件幾部分組成,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(2) 虛擬儀器的基本構(gòu)成,(1) 虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(3) 虛擬儀器軟件驅(qū)動(dòng)模塊（硬件板卡驅(qū)動(dòng)）,為簡化硬件板

10、卡編程和控制，提高代碼復(fù)用程序。NI和Agilent已標(biāo)準(zhǔn)化了數(shù)百種常用儀器、板卡的驅(qū)動(dòng)，屏蔽了直接控制這些硬件的復(fù)雜性，它們已成為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的有機(jī)組成部分，開發(fā)時(shí)可直接復(fù)用這些硬件驅(qū)動(dòng)代碼。并出臺(tái)了可互換虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)軟件接口標(biāo)準(zhǔn) (Interchangeable Virtual Instrument)。,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),IVI 結(jié)構(gòu)：,Plug&Play,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),主要包括波形圖、選鈕、儀表頭、推鈕、溫度計(jì)、棒圖等儀表顯示常用的軟件儀表盤顯示模塊。 類似于Windows應(yīng)用程序中的控件。,(4) 信號(hào)分析與處理軟件,(5) 儀器表頭顯示軟件,利用數(shù)字信

11、號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析與處理，滿足應(yīng)用的需求。,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),8. 常見的虛擬儀器軟件平臺(tái),LabView,Agilent VEE,DASYLab,DirectView,ProcessControl,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),LabView,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),何嶺松教授所在課題組開發(fā)的虛擬儀器平臺(tái),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),9. 小型虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā),虛擬儀器為計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供一項(xiàng)很好的技術(shù)解決方案，在制造業(yè)中我們可以借鑒它來進(jìn)行機(jī)

12、床操作面板設(shè)計(jì)等工作。,目的：LabView，VEE過于龐大，不適合在現(xiàn)場使用，缺乏面向某一特定領(lǐng)域的專用控件。,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(1) 虛擬儀器主體程序設(shè)計(jì)(COM容器),MFC Exe,Support ActiveX Control,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),該簡單的樣例程序就可以插入任何ActiveX控件(COM組件)，如下圖所示：,Windows日期控件,LabView選鈕控件,設(shè)計(jì)完成的容器程序,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(2) 虛擬儀器控件設(shè)計(jì)(COM組件),MFC ActiveX,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),設(shè)計(jì)完成的控件,重載繪圖方法部分,6.

13、1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),(3) 虛擬儀器圖形控件設(shè)計(jì)簡介,80 0,繪圖過程分解：,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),設(shè)計(jì)樣例：,x=120 y=70 Fillbar x,y,140,120,10904646 Arc x+70,y+100-15,80,45,135,14 Fillcircle x+70,y+90,4,14 Line x+70,y+100-10,x+14,y+27,14 Line x+70,y+100-10,x+127,y+27,14 Line x+70,y+5,x+70,y+15,14 Textout x+30,y+70,15,-50 Textout x+90,y+70,15,50 Te

14、xtout x+35,y+100,15,數(shù)字電壓表 Line x,y,x+140,y,15 Line x,y,x,y+120,15 Line x+140,y,x+140,y+120,8 Line x,y+120,x+140,y+120,8 Line x+70,y+100-10,x+100,y+20,12 Line x+71,y+100-10,x+100,y+20,12 Line x+69,y+100-10,x+100,y+20,12,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,芯片,硬件,軟件,網(wǎng)絡(luò),LANs,Internet,總線,AT,10. 催生虛擬儀器的土壤,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),

15、自動(dòng)化 軟件,PLC,串行口,數(shù)據(jù)采集,過程,現(xiàn)場總線,個(gè)人計(jì)算機(jī)或 工作站,圖象,公司 Intranet or Internet,分布式 I/O,動(dòng)作,11. 基于虛擬儀器的新型工業(yè)測控系統(tǒng)架構(gòu),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),12. 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),13. 虛擬儀器技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域,通訊 AT&T, Alcatel, Ericsson 計(jì)算機(jī) IBM, Apple, Dell 半導(dǎo)體 Motorola, TI, Thomson-CSF 汽車 Ford, Chrysler, Nissan, Toyota 電子 Sony, Siemens,石油化工 Shell, Mo

16、bil Research 紡織 Instron, Dupont, Eli Lilly, Albany International 制造 Ericcson, Duracell 食品加工 Sara Lee, Ben & Jerry抯, Shiner 醫(yī)藥 Johnson & Johnson,Proctor & Gamble,測試和測量,工業(yè)自動(dòng)化,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),何嶺松教授項(xiàng)目組開發(fā)虛擬聲級(jí)計(jì),Visual Sound Instrument,6.1計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),6.2軸心軌跡測量,轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)子軸心自轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子不平衡 對(duì)中不良 轉(zhuǎn)子和定子碰磨,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理 制

17、造安裝誤差 轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻 受熱不均勻 轉(zhuǎn)子初始彎曲 轉(zhuǎn)子在使用過程中被腐蝕、磨損 轉(zhuǎn)子上零部件松動(dòng)、脫落等,交變彎曲應(yīng)力引起疲勞損傷，出現(xiàn)裂紋甚至斷裂 產(chǎn)生過度振動(dòng)和噪聲，加速磨損，降低壽命和效率 振動(dòng)會(huì)傳到地基，引起工作環(huán)境惡化,1. 問題的提出,軸心繞定子中心渦動(dòng),監(jiān)測方法：軸心軌跡測量！,不同故障狀態(tài)下的軸心軌跡圖及其分析,開始出現(xiàn)1X的倍頻分量2X、3X等，這是局部碰磨的重要特征之一。,顯示了明顯的裂紋故障特征，即除同頻振動(dòng)1X外，還存在幅值明顯的2X、3X等超諧分量。,頻譜中出現(xiàn)兩個(gè)峰值，即1X同頻振動(dòng)和0.5X半頻振動(dòng)，且半頻振動(dòng)振幅大大超過1X同頻振動(dòng)。這是轉(zhuǎn)子不平衡的特征。,

18、2. 軸心軌跡測量,軸心軌跡獲取一般采用兩個(gè)互成90安置的非接觸式渦流傳感器，在各自方向測量轉(zhuǎn)軸組件相對(duì)機(jī)座的振動(dòng)位移。 傳感器信號(hào)經(jīng)放大、抗混濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換器后進(jìn)入計(jì)算機(jī)。,設(shè)相互垂直安裝的兩個(gè)檢測軸振動(dòng)位移傳感器信號(hào)為x(t) 和y(t) ， 在復(fù)平面進(jìn)行組合，形成復(fù)信號(hào)z(t)=x(t)+jy(t) 即是轉(zhuǎn)子軸心軌跡。,軸心軌跡圖的合成,若軸上為鍵槽，則探頭零點(diǎn)以軸表面為參考面；若軸上為鍵，則探頭零點(diǎn)以鍵的頂面為參考面。,若用一只探頭，則安裝在軸的垂直方向；若用兩只探頭，則相互成90安裝。探頭之間距離要大于40mm，以避免相互干擾。,首先判斷軸位移方向，確定合適的探頭位置，保證軸位

19、移在傳感器線性范圍內(nèi)，探頭應(yīng)在靠近推力盤處安裝。,探頭安裝在機(jī)殼內(nèi)部時(shí)，要注意引線用卡子固定在殼體上，還要注意穿出機(jī)殼處的密封及接頭的密封。,安裝圖示,提要,序號(hào),測量參數(shù),電渦流傳感器的安裝,電渦流傳感器激勵(lì)線圈與被測體的關(guān)系,關(guān)于電渦流的一些特性是在假定被測體為半無限導(dǎo)體而得出的。 在激勵(lì)頻率比較高、導(dǎo)體表面曲率半徑比計(jì)算出來的集膚厚度大得多，那么深度無限的平面導(dǎo)體概念和結(jié)果也就可以擴(kuò)大應(yīng)用到其它形狀的導(dǎo)體中去，此時(shí)的靈敏度不會(huì)發(fā)生變化，否則靈敏度就會(huì)急劇下降。 當(dāng)被測導(dǎo)體的直徑等于線圈外徑的2.14倍時(shí)，厚度等于穿透深度的5.3倍時(shí)，電渦流的徑向軸向密度已衰減到5%，可以認(rèn)為被測體與半無

20、限導(dǎo)體無異。,電渦流傳感器的特性曲線,電渦流傳感器的溫漂及其補(bǔ)償,電渦流傳感器缺點(diǎn)是高溫下工作會(huì)產(chǎn)生溫漂，必須進(jìn)行溫度標(biāo)定,然后進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 軟件補(bǔ)償法：在試驗(yàn)前，根據(jù)不同溫度下傳感器輸出特性，求出各溫度下應(yīng)當(dāng)補(bǔ)償?shù)钠盍浚瑢⑦@些值按溫度制成表格存入內(nèi)存，當(dāng)計(jì)算機(jī)通過采樣溫度大小后，通過取得某一溫度下應(yīng)當(dāng)補(bǔ)償量進(jìn)行補(bǔ)償即成。 硬件補(bǔ)償法：硬件補(bǔ)償就是在線路中加補(bǔ)償環(huán)以消除溫漂。,補(bǔ)償前的特性曲線,補(bǔ)償后的特性曲線,3. 軸心軌跡分析,6.3氣體溫度測量,在管道內(nèi)，速度快但溫度不高的氣體溫度測量 工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐中，速度不高、但溫度很高的燃燒氣流的溫度測量 內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高速噴射燃燒氣流溫度的測量,在工程測量中涉及面廣，測溫仍以接觸法為主。應(yīng)用熱電偶采取一定的技術(shù)措施，能獲得較為理想的測量結(jié)果。,各類噴射出來的燃燒氣流的測溫，對(duì)這類噴焰或等離子體的噴焰的溫度測量可采用非接觸法。,1. 問題的提出,接觸法氣流測溫中碰到的一些特殊問題,氣體的熱容與對(duì)流換熱系數(shù)均小于液體，而且在許多場合，溫度分布不均勻。 當(dāng)熱電偶的溫度較高時(shí)，它以輻射換熱方式向周圍較冷