傳感器綜合應(yīng)用1

機(jī)電類

《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》教材配套多媒體課件統(tǒng)一書號：ISBN978-7-111-34300-4配套教學(xué)網(wǎng)站：或（共13章，第十三章上）2012年7月版3/5/20241第十三章傳感器在現(xiàn)代

檢測系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用

本章介紹傳感器在現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用，以及如何組成測控系統(tǒng)，對現(xiàn)代檢測系統(tǒng)、虛擬儀器、LabVIEW、DAQ等在檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用作了介紹。并簡單介紹檢測系統(tǒng)中常用的硬件。3/5/2024213.1現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)13.2基于虛擬儀器的檢測系統(tǒng)傳感器在汽車中的應(yīng)用、傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用、傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用、傳感器在智能樓宇中的應(yīng)用：見十三章（下）第十三章傳感器在現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

目錄進(jìn)入進(jìn)入3/5/20243傳感器在控制系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用舉例一個現(xiàn)代化火力發(fā)電廠需要多臺計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，來快速地測量鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)上許多重要部位的溫度、壓力、流量、液位、燃燒狀況、轉(zhuǎn)速、振動、位移、應(yīng)力等熱工、機(jī)械參數(shù)，還必須測量發(fā)電機(jī)的電壓、電流、功率、功率因數(shù)以及各種輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，然后進(jìn)行綜合處理，將各被監(jiān)測的重要參數(shù)進(jìn)行數(shù)字或模擬顯示，自動調(diào)整運(yùn)行工況，對某些超限參數(shù)進(jìn)行聲光報警或采取緊急措施。在上述這個系統(tǒng)中，需要數(shù)百個不同的傳感器將各種機(jī)械、熱工量轉(zhuǎn)換成電量，供計算機(jī)采樣、運(yùn)算和記錄。

3/5/20244現(xiàn)代化火力發(fā)電廠及其控制系統(tǒng)火力發(fā)電廠控制室火力發(fā)電廠機(jī)組汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)3/5/20245第一節(jié)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)可分為三種基本結(jié)構(gòu)體系（智能儀器、.個人儀器、自動測試系統(tǒng)）

1.智能儀器：將諸如微處理器、存儲器、接口等芯片與傳感器融合在一起，可組成智能儀器。它有專用的小鍵盤、開關(guān)、按鍵及顯示屏等，多使用匯編語言，體積小，專用性強(qiáng)。3/5/20246智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖3/5/20247智能傳感器的特點(diǎn)“IntelligentSensor”或“SmartSensor”稱為智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器，具有類似于人工智能的作用。它將微處理器、存儲器、接口芯片與傳感器融合在一起，組成的檢測系統(tǒng)，有專用的小鍵盤、開關(guān)、按鍵及顯示器（如數(shù)碼管）等，多使用匯編語言，體積小，專用性強(qiáng)，性價比高。

3/5/20248智能儀器的單片機(jī)芯片及模塊

51系列單片機(jī)芯片3/5/20249智能儀器的數(shù)字信號處理DSP芯片

3/5/20241051系列單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊

3/5/202411各種智能儀器

最低溫度最高溫度手持式頻譜儀和示波器3/5/2024122.個人儀器個人儀器又稱個人計算機(jī)儀器系統(tǒng)。它是以個人計算機(jī)（必須符合工控要求）配以適當(dāng)?shù)挠布娐放c傳感器組合而成的檢測系統(tǒng)。組裝個人儀器時，將傳感器信號傳送到相應(yīng)的接口板（或接口盒）中，再將接口板插到工控機(jī)總線擴(kuò)展槽中，或?qū)⒔涌诤械腢SB插頭插入計算機(jī)相應(yīng)的插座上，編寫相應(yīng)的軟件就可以完成自動檢測功能。

3/5/202413個人儀器的硬件結(jié)構(gòu)框圖利用個人計算機(jī)本身所具有的完整配置來取代智能儀器中的微處理器、開關(guān)、按鍵、顯示數(shù)碼管、串行口、并行口等，充分利用了個人計算機(jī)的軟硬件資源，并保留了個人計算機(jī)原有的許多功能。傳感器信號送到相應(yīng)的接口板上，再將接口板插到工控機(jī)總線擴(kuò)展槽中或?qū)Ｓ玫慕涌谙渲?，配以相?yīng)的軟件就可以完成自動檢測功能。開發(fā)者的重點(diǎn)在于程序的編寫。3/5/202414一體化工作站

平板式工作站（帶觸摸屏）軍用便攜式工作站3/5/202415一體化工作站（續(xù)）

3/5/202416工業(yè)計算機(jī)（工控機(jī)）機(jī)箱

工控機(jī)的抗電磁干擾能力、防振、防潮、防塵能力均較強(qiáng)，有較多的擴(kuò)展槽，它的電源系統(tǒng)有較好的抗電磁干擾能力。雖然工控機(jī)的價格比個人電腦貴，但可靠性強(qiáng)得多，性能價格比高，適合在工業(yè)現(xiàn)場條件較惡劣的場合使用。3/5/202417工業(yè)級底板底板上的擴(kuò)展槽用于插接各種數(shù)據(jù)采集卡PCI擴(kuò)展槽ISA擴(kuò)展槽3/5/202418各種數(shù)據(jù)采集卡ISA數(shù)據(jù)采集卡ISA數(shù)據(jù)采集卡的插腳間隔為2.54mm（0.1英寸）3/5/202419各種數(shù)據(jù)采集卡（續(xù)）PCI數(shù)據(jù)采集傳輸卡3/5/202420ISA槽與PCI槽的外形區(qū)別ISA槽PCI槽將功能卡插到ISA槽中功能卡的鍍金腳3/5/202421端子板與功能卡的連接端子板作為功能卡的擴(kuò)展附件，用于連接傳感器信號光耦25芯排線數(shù)據(jù)鎖存器去計算機(jī)ISA槽傳感器信號線接線端子3/5/202422端子板與功能卡的連接37芯排線端子板PCI數(shù)據(jù)采集、控制卡傳感器信號線接線端子輸出信號接線端子去計算機(jī)PCI槽3/5/202423其他端子擴(kuò)展板

34芯排線插座37芯排線插座3/5/202424USB

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)卡（盒）USB數(shù)據(jù)采集電纜數(shù)據(jù)接線端子3/5/202425數(shù)據(jù)采集便攜式工控整機(jī)

3/5/202426筆記本電腦數(shù)據(jù)采集整機(jī)

信號從USB

端口輸入3/5/202427筆記本電腦數(shù)據(jù)采集

USB接口盒及信號電纜利用USB擴(kuò)展分線器可配接多個接口盒信號輸入3/5/202428USB接口卡及USB電纜3/5/202429嵌入式計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器信號采集卡可多層疊合，插入到嵌入式計算機(jī)的總線接口中，就可以構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3/5/202430各種嵌入式計算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡3/5/202431自動測試系統(tǒng)

自動測試系統(tǒng)是以工控機(jī)為核心，以標(biāo)準(zhǔn)接口總線為基礎(chǔ)，以可程控的多臺智能儀器為下位機(jī)組合而成的一種現(xiàn)代檢測系統(tǒng)。一個自動測試系統(tǒng)還可以通過各種標(biāo)準(zhǔn)總線成為其它級別更高的自動測試系統(tǒng)的子系統(tǒng)。許多自動測試系統(tǒng)還可以作為服務(wù)器工作站加入到Intern網(wǎng)絡(luò)中，成為網(wǎng)絡(luò)化測試子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)試等。3/5/202432自動測試系統(tǒng)的原理框圖以工控機(jī)為核心,以標(biāo)準(zhǔn)總線接口為基礎(chǔ),以可程控的多臺智能儀器為下位機(jī)組合而成的一種現(xiàn)代檢測系統(tǒng)。在現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中，往往要安裝上百個傳感器，都通過各自的通用接口總線,與上位機(jī)連接。上位機(jī)利用測試軟件,對每一臺智能儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀寫，控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行。許多自動測試系統(tǒng)還可以作為服務(wù)器工作站,加入到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)試.3/5/202433網(wǎng)絡(luò)化儀表示意圖工業(yè)總線

3/5/202434網(wǎng)絡(luò)化儀表工業(yè)總線

局域網(wǎng)3/5/202435

鋼廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例3/5/202436

糧食溫濕度測控系統(tǒng)實(shí)例上位機(jī)(內(nèi)插CAN通信卡)溫度分線器CAN總線通風(fēng)機(jī)械測濕探頭測溫電纜智能分機(jī)通風(fēng)控制器濕度分線器3/5/202437測溫電纜測溫電纜多采用數(shù)字式溫度傳感器，還包括導(dǎo)線、抗拉鋼絲繩及護(hù)套組成的。測溫電纜內(nèi)包含一組溫度傳感器，有些能監(jiān)測到整個被測區(qū)域最高的溫度。不論包含多少個溫度傳感器芯片，內(nèi)芯線只需2~3條總線。在傳感器位置，有突出的保護(hù)節(jié)，間隔幾米，計算機(jī)能確定溫度異變的區(qū)域。測溫電纜可以實(shí)現(xiàn)計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測定多地點(diǎn)、大范圍溫度群，可以應(yīng)用于各類倉儲業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、隧道、供電電纜等。3/5/202438帶計算機(jī)的檢測系統(tǒng)簡介一、帶計算機(jī)的檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能1.性能價格比高；2.設(shè)計靈活性高；3.操作方便；4.有強(qiáng)大的運(yùn)算功能；5.具有記憶功能；6.有自校準(zhǔn)功能；7.能進(jìn)行自動故障診斷。3/5/202439二、帶計算機(jī)的檢測系統(tǒng)的工作流程

巡回檢測概念:

計算機(jī)首先向多路采樣開關(guān)陣列的選通地址譯碼器寫入準(zhǔn)備采樣的傳感器地址，由譯碼器接通該地址對應(yīng)的采樣開關(guān)，所要采樣的信號被連接到放大器，放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，計算機(jī)通過數(shù)據(jù)總線接受該數(shù)字信號。一個采樣點(diǎn)采樣結(jié)束后，計算機(jī)轉(zhuǎn)而發(fā)送第二個采樣地址，對第二個傳感器采樣，直至全部被測點(diǎn)均被采樣完畢為止。計算機(jī)不可能在同一時刻讀取所有傳感器來的信號，而是分時但快速地輪流讀取所有的被測量，這種采樣方式稱為“巡回檢測”。3/5/2024408通道巡回檢測數(shù)據(jù)采集器8個傳感器信號輸入端口3/5/202441信號噪聲的濾波電路許多檢測系統(tǒng)都用于慢速變化的非電量測量，例對如溫度和壓力傳感器的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。在許多情況下，傳感器噪聲會使原本緩慢波動的數(shù)據(jù)跳動不止。為了降低高頻噪聲，經(jīng)常會在傳感器和采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器級之間接一個模擬RC低通濾波器。但是，要獲得分鐘級的時間常數(shù)，就需要非常大的R、C值，而不易做到。

3/5/202442簡易數(shù)字濾波技術(shù)在工業(yè)中經(jīng)常采用如下軟件抗干擾技術(shù)：對存在干擾和隨機(jī)誤差的信號進(jìn)行等準(zhǔn)確度快速多次采樣，然后先舍去不穩(wěn)定的第一個采樣值，再舍去若干個最大值和最小值，將余下的幾個中間值求算術(shù)平均值，該算術(shù)平均值可以認(rèn)為是排除了干擾后的較正確的結(jié)果，這種方法有時也被稱為簡易數(shù)字濾波。

3/5/202443三、檢測系統(tǒng)中的幾種重要部件

1.采樣開關(guān)

1）干簧繼電器：干簧繼電器主要由驅(qū)動線圈和干簧管組成，驅(qū)動線圈繞在干簧管外面。當(dāng)線圈通以額定電流后，干簧管中的兩根常開彈簧片互相吸引而吸合。它的耐壓較高，額定電流較大，導(dǎo)通電阻接近零。耗電較大、速度較慢是干簧繼電器的主要缺點(diǎn)。干簧管干簧繼電器3/5/202444

(2)CMOS模擬采樣開關(guān)

模擬采樣開關(guān)切換對象是多路模擬信號。它的控制端處于“有效”狀態(tài)時，內(nèi)部的P溝道MOS管或N溝道MOS管導(dǎo)通，模擬開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通電阻約幾歐至幾百歐（視型號而定）。當(dāng)控制端處于“無效”狀態(tài)時開關(guān)截止，截止電阻大于108Ω。其優(yōu)點(diǎn)是集成度高，動作快（小于1

s）、耗電省等。缺點(diǎn)是有一定的導(dǎo)通電阻、各通道間有一定的漏電、擊穿電壓低、易損壞等。

3/5/2024452.放大器從傳感器來的信號有許多是毫伏級的微弱信號，須經(jīng)放大才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)對放大器的主要要求是：準(zhǔn)確度高、溫漂小、共模抑制比高、頻帶寬至直流。目前常用的放大器有以下幾種型式：一種是高準(zhǔn)確度、低漂移的雙極型放大器；另一種為隔離放大器，它帶有光電隔離或變壓器隔離的低漂移信號放大器，以及一個高隔離度的DC/DC電源。3/5/202446精密隔離放大器舉例

線性誤差：小于0.01%

輸入阻抗：1MΩ

隔離度：2500V/50Hz/1min

工作溫度：-10℃～+60℃3/5/202447隔離電源精密隔離放大器電路框圖3/5/202448精密隔離放大器舉例（續(xù)）

導(dǎo)軌安裝式3/5/202449隔離放大器用的隔離電源

典型技術(shù)指標(biāo)：封裝：SIP、DIP

（符合UL94-V0標(biāo)準(zhǔn)）；電壓準(zhǔn)確度：±1%；工作溫度：-40～+85℃；效率：80%Min（滿載)；隔離電壓：1500VDC；80mVp-pMax；輸出紋波/噪聲（20MHz帶寬)；功率：0.1W～2W（可選）3/5/2024503.A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）

放大器放大后的模擬信號必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能由計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。目前采用較多的A/D轉(zhuǎn)換器有兩大類：一類是并行A/D轉(zhuǎn)換器，另一類是串行A/D轉(zhuǎn)換器。在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，又有逐位比較型和雙積分型之分。前者轉(zhuǎn)換速度較快，有8位、12位、16位等規(guī)格。位數(shù)越高，準(zhǔn)確度也越高，但價格也相應(yīng)提高；后者轉(zhuǎn)換速度較慢（每秒10次左右），不太適合巡回檢測系統(tǒng)，常見的有3位半、4位半等規(guī)格。

3/5/202451A/D轉(zhuǎn)換器的光耦合接口電路

3/5/2024524.D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）與接口電路

計算機(jī)運(yùn)算處理后的數(shù)字信號經(jīng)常必須轉(zhuǎn)換為模擬信號，才能用于工業(yè)生產(chǎn)的過程控制。它的輸入是計算機(jī)給出的數(shù)字量，它的輸出是與數(shù)字量相對應(yīng)的電壓或電流。如果在計算機(jī)與D/A之間插入多路光耦合器就能較好地防止工業(yè)控制設(shè)備干擾計算機(jī)的工作。如果使用多路采樣保持器，只要使用一只D/A即可進(jìn)行多路D/A轉(zhuǎn)換。

3/5/202453

D/A轉(zhuǎn)換器的光耦接口電路

4~20mA3/5/202454可編程序控制器中的傳感器接口板

傳感器與PLC的聯(lián)系主要是輸入接口。不同的“I/O模板”與各種不同的傳感器配套：

模擬量輸入模板、開關(guān)量輸入模板、溫度輸入控制模板等。用戶只須按照說明書選購不同功能的模板即可構(gòu)成完整的自動檢測控制系統(tǒng)。

三菱系列可編程控制器西門子系列可編程控制器3/5/202455PLC的模擬量輸入模板接線舉例熱敏電阻與模擬輸入模塊的四線連接圖3/5/202456可編程序控制器中的光耦接口電路

PLC的開關(guān)量輸入電路

1—現(xiàn)場開關(guān)盒2—傳輸線3—電源4—光耦合器

請分析工作過程：當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)S（例如行程開關(guān)）閉合時，反相器IC2的輸出是高電平還是低電平？LED亮還是暗？3/5/202457PLC中的開關(guān)量傳感器接口電路

PLC的低電平有效無源輸入電路

3/5/202458PLC中的開關(guān)量傳感器接口電路（續(xù)）PLC的高電平有效有源輸入電路

3/5/202459五、帶計算機(jī)的檢測技術(shù)應(yīng)用實(shí)例1.陶瓷隧道窯溫度、壓力監(jiān)測控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)涉及熱工參數(shù)的測量，它采用工控機(jī)。該系統(tǒng)將巡回數(shù)據(jù)采集電路及控制電路裝在獨(dú)立的接口箱中，接口箱中有定時器、計數(shù)器、并行輸入／輸出接口等，接口箱與主機(jī)之間通過并行接口插卡與計算機(jī)通信。

3/5/202460隧道窯外形3/5/202461隧道窯計算機(jī)檢測控制系統(tǒng)框圖

3/5/2024622.智能化流量積算儀

使用計算機(jī)技術(shù)，將一次儀表送來的瞬時流量q對時間t作積分，求出流量累積總量q總：也可將短暫時段ti與該時段的瞬時流量qi的平均值相乘，并對乘積進(jìn)行累加，從而得到累積流量：

3/5/202463智能化流量積算儀原理智能化流量積算儀采用差壓法測量瞬時流速，因此必須首先測出差壓⊿p。由于溫度和壓力會引起流體的密度的變化，有時還需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償，所以必須測出流體的溫度和壓力。如果使用熱電偶，還必須測量熱電偶的冷端（室溫）溫度。上述四種信號先由標(biāo)準(zhǔn)的一次儀表轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號，經(jīng)信號傳輸線傳送到本積算儀的輸入端，再用取樣電阻（250.０Ω）轉(zhuǎn)換成４個低內(nèi)阻的1~5V電壓信號：U⊿p、Up、Ut、Uto。上述四個電壓信號按順序輪流通過采樣繼電器K1~K2傳送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，再經(jīng)光耦，由單片機(jī)計算出累積流量。3/5/202464智能化流量積算儀原理框圖

3/5/202465智能化流量積算儀的設(shè)計要點(diǎn)

單片機(jī)必須將瞬時流量對時間作積分運(yùn)算，本項目中，單片機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)的時間段（例如1s）內(nèi)，對V/F轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖數(shù)進(jìn)行累加計數(shù)，就可以達(dá)到近似于積分的目的。為了顯示累計結(jié)果，一般必須設(shè)置6位或更多的數(shù)碼管。為了選擇顯示噸、或千克、或立方米等不同的單位，也為了選擇顯示瞬時流量還是累計流量，積算儀面板上還必須設(shè)置選擇按鍵，由單片機(jī)讀取不同的選擇方式，并在數(shù)碼管的右邊顯示出相應(yīng)的單位。使用多只光耦，能將左邊的傳感器回路及繼電器與右邊易受干擾的單片機(jī)回路隔離開來。3/5/2024663.傳感器在模糊控制洗衣機(jī)中的應(yīng)用

所謂模糊控制系統(tǒng)是模擬人智能的一種控制系統(tǒng)。它將人的經(jīng)驗、知識和判斷力作為控制規(guī)則，根據(jù)諸多復(fù)雜的因素和條件作出邏輯推理去影響控制對像。模糊洗衣機(jī)能自動判斷衣物的數(shù)量（重量）、布料質(zhì)地（粗糙、軟硬）、骯臟程度來決定水位的高低、洗滌時間、攪拌與水流方式、脫水時間等，將洗滌控制在最佳狀態(tài)。不但使洗衣機(jī)省電、省水、省洗滌劑，又能減少衣物磨損。

3/5/202467模糊洗衣機(jī)的模糊推理3/5/202468模糊控制洗衣機(jī)中的傳感器

1－脫水缸（內(nèi)缸）2－外缸3－外殼4－懸吊彈簧(共4根)5－水位傳感器6－布量傳感器7－變速電動機(jī)8－帶輪9－減速、離合、剎車裝置10－排水閥11－光電傳感器3/5/202469第二節(jié)基于虛擬儀器的檢測系統(tǒng)虛擬儀器的概念是美國國家儀器公司（NI）于1986年提出的。它引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以進(jìn)入儀器領(lǐng)域，從而開創(chuàng)了“軟件就是儀器”（TheSoftwareistheInstrument）的先河。虛擬儀器（VI）是指：在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，用途由用戶自己定義的、測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的、具有虛擬面板的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等?；啬夸?/5/202470虛擬儀器的特點(diǎn)

1）突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制，增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。2）實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，增加了系統(tǒng)的靈活性；可實(shí)時、直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理；通過圖形用戶界面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了界面友好、人機(jī)交互。

3）基于計算機(jī)總線，硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)尺寸。

4）基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，廣泛支持諸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，可方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。

3/5/202471虛擬儀器用PC機(jī)＋儀器板卡→代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器

用計算機(jī)軟件→代替硬件分析電路3/5/202472虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的性能比較

傳統(tǒng)儀器虛擬儀器功能由儀器生產(chǎn)廠家定義功能由用戶定義與其他設(shè)備連接受限可方便地連接到網(wǎng)絡(luò)及其他外圍設(shè)備圖形界面小，信息量小全漢化圖形界面，信息量大信號電纜和開關(guān)多，操作復(fù)雜采用虛擬旋鈕，故障率低，有操作保護(hù)系統(tǒng)封閉，功能固定，擴(kuò)張性低系統(tǒng)開放、靈活，可構(gòu)成多種儀器測試系統(tǒng)開發(fā)時間長測試系統(tǒng)開發(fā)時間短數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印硬件是關(guān)鍵，必須由專業(yè)廠家升級軟件是關(guān)鍵，升級方便儀器間一般無法通用，昂貴儀器之間利用率高，整體價格相對便宜技術(shù)更新慢（周期為5～10年）軟件技術(shù)更新快（周期為1～2年）開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高基于軟件體系的開發(fā)和升級，費(fèi)用較低3/5/202473虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖

傳統(tǒng)儀器由信號采集、信號處理、結(jié)果表達(dá)以及儀器控制等4部分組成，大多是用電子線路來實(shí)現(xiàn)的。在虛擬儀器中，信號采集和A/D、D/A轉(zhuǎn)換仍由硬件實(shí)現(xiàn)，而信號處理和結(jié)果表達(dá)用軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器通常由三大功能塊組成：模塊化數(shù)據(jù)采集硬件、計算機(jī)硬件平臺和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成。3/5/202474虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)圖3/5/202475LabVIEW簡介

LabVIEW是基于C語言的、革命性的圖形化開發(fā)語言，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和表達(dá)。它的目標(biāo)是簡化程序的開發(fā)工作，讓工程師和科學(xué)家能充分利用PC的功能，快速、簡便地完成自己的工作。二十余年的不斷充實(shí)，使LabVIEW成為豐富、強(qiáng)大的實(shí)用工具軟件包。它的內(nèi)部配有GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的庫函數(shù)，以及全球數(shù)百家廠商的儀器驅(qū)動程序。圍繞這些核心軟件還陸續(xù)開發(fā)出多種附件。使用LabVIEW編程時，主要是“繪制”程序流程圖。3/5/202476LabVIEW在虛擬儀器中的應(yīng)用在LabVIEW中開發(fā)的程序稱為VI，其擴(kuò)展名為“.vi”。VI包括三個部分：前面板（FrontPanel）、程序框圖（Blockdiagram）和圖標(biāo)/連接器（Iconandconnectorpane）。程序框圖是定義VI功能的程序源代碼。每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D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”和連線構(gòu)成。其中端口用來完成程序前面板的控制以及顯示、傳遞數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框用來實(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，從而定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。3/5/202477虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺

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公司的虛擬儀器VisualBasic和虛擬儀器VisualC++、Borland公司的Delphi和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Lab

windows/CVI等。

3/5/202478LabVIEW與其他系統(tǒng)的結(jié)合使用3/5/202479用LabVIEW編寫的虛擬儀器面板傳統(tǒng)儀器只有一塊儀器面板；虛擬儀器的“面板”可根據(jù)用戶自己定義。儀器的操作是通過鼠標(biāo)選中不同的按鍵和旋鈕來完成的。

3/5/202480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。輸入量稱為控制器，輸出量稱為顯示器?？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。3/5/202481LabVIEW程序在LabVIEW中開發(fā)的程序都被稱為VI。VI包括三個部分：1.前面板（FrontPanel）；2.程序框圖（BlockDiagram）；3.圖標(biāo)/連接器（IconandConnectorPane）3/5/202482程序框圖程序框圖是定義VI功能的程序源代碼。每一個程序前面板都對應(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?？驁D程序由“端口”、“節(jié)點(diǎn)”、“圖框”和連線構(gòu)成。

3/5/202483心電信息系統(tǒng)的虛擬儀器面板3/5/202484聲級計的虛擬面板3/5/202485聲級計的虛擬面板（續(xù)）聲級計的測試效果13/5/202486聲級計的虛擬面板（續(xù)）聲級計的測試效果23/5/202487虛擬儀器的面板（續(xù)）單蹤頻域譜陣3/5/202488便攜式和臺式

虛擬儀器外形3/5/202489虛擬儀器軟件總線體系結(jié)構(gòu)3/5/202490DAQ系統(tǒng)的組成

DAQ（數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)從真實(shí)世界捕捉并傳輸物理量，從傳感器等設(shè)備收集和測量被測信號，并將它們送到計算機(jī)進(jìn)行處理。3/5/202491DAQ系統(tǒng)的基本組成部分和功能（1）首先由傳感器、變換器將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號。（2）信號是DAQ系統(tǒng)中的傳感器、變換器的產(chǎn)物。（3）信號調(diào)理的功能：減小噪聲、使信號適合于測量。常用的信號調(diào)理有放大、線性化、隔離和濾波等。（4）計算機(jī)平臺用于獲取、測量和分析數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備。（5）軟件完成測量和控制應(yīng)用程序的設(shè)計和編程。3/5/202492DAQ系統(tǒng)的特點(diǎn)DAQ系統(tǒng)是指基于PC標(biāo)準(zhǔn)總線的數(shù)據(jù)采集功能模塊，也稱為數(shù)據(jù)采集卡。有各種性能和功能的系列DAQ功能模塊可供用戶選擇使用。在PC上掛接DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺虛擬儀器。市場上的數(shù)據(jù)采集卡都有專門配套的驅(qū)動程序，甚至有的驅(qū)動程序可以在不同的高級語言中被調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的識別與數(shù)據(jù)傳輸，這就在使用上大大減少了使用的難度以及復(fù)雜性。3/5/202493DAQ系統(tǒng)的功能和分類（1）功能

①將傳感器、變送器等被測量,如光、溫度、壓力或振動等轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號的裝置；②信號調(diào)理：信號調(diào)理是指連接到DAQ系統(tǒng)的硬件,可控增益放大或衰減,信號經(jīng)濾波、隔離、整形等，使其適合于處理。（2）數(shù)據(jù)采集卡的品種：①按采集對象，可分為：模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出、定時/計數(shù)等三種；②按接入的總線，可分為：USB、PXI、PCI、PCIExpress、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等；③按隔離方式，可分為：隔離和非隔離；④按采集速度，可分為：采樣速度可分成高速和低速；⑤按分辨力，可分為：12位、16位、24位等；⑥按通道數(shù),可分為:8、16、32、64、128通道等。3/5/202494虛擬儀器的DAQ板卡3/5/202495基于PC的WE7000模塊式接口DAQ系統(tǒng)3/5/202496DAQ系統(tǒng)的組成3/5/202497DAQ的I/O接線盒使用100針連接器，將I/O信號連接到插入式DAQ上。3/5/2024984路24位熱電偶輸入通道DAQ與J、K、R、S、T、N、E和B熱電偶兼容，即插即用的USB連接。驅(qū)動軟件支持MacOSX和Linux系統(tǒng)3/5/202499基于PC-DAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊三部分構(gòu)成。前端預(yù)處理電路包括增益控制電路、低通濾波電路等。低通濾波電路起抑制高頻噪聲及對信號預(yù)處理功能。3/5/2024100五、虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

——東風(fēng)135高速柴油機(jī)的臺架試驗3/5/2024101柴油機(jī)臺架試驗軟硬件結(jié)構(gòu)框圖3/5/20241021.數(shù)據(jù)采集卡的選擇可以采用NI公司生產(chǎn)的NIUSB-6009型數(shù)據(jù)采集卡。它是一塊基于14位USB總線的多功能采集卡，8通道的14位模擬輸入、兩個模擬輸出、12根數(shù)字I/O線，以及一個32位定時器。模擬量輸入范圍是-10~10V，采樣速率為48KS/s，支持USB2.0即插即用。本課題可以用LabVI