基于LabVIEW的互相關(guān)流速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它基于labview的互相關(guān)流速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要兩相流在自然界和工業(yè)過程中是普遍存在的，其中離散相的運(yùn)動速度、尺寸、位置等參數(shù)的監(jiān)測是一個非常重要的測量研究課題。兩相流相關(guān)測速系統(tǒng)主要由上、下游傳感器把流動噪聲信號的變化轉(zhuǎn)化為電信號的變化，然后通過放大，濾波，a/d轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號送到互相關(guān)器處理，最后輸出渡越時間，進(jìn)行流速的計(jì)算。本設(shè)計(jì)采用虛擬儀器技術(shù)和互相關(guān)原理相結(jié)合，設(shè)計(jì)了互相關(guān)流體流速測量儀。該方法利用了上、下游流動噪聲信號的相關(guān)性，通過求兩通道中信號與信號的互相關(guān)函數(shù)，得到兩個信號的時延，在已知兩傳感器間距l(xiāng)的情況下，知道兩個信號的時延可以求出流體的流速。設(shè)計(jì)中用labview語言編制程序，模擬生成隨機(jī)流動噪聲信號，將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集卡中，之后再將數(shù)據(jù)采集出來做各種相關(guān)運(yùn)算。本設(shè)計(jì)闡述了基于虛擬儀器技術(shù)和互相關(guān)原理流體流速測量儀的實(shí)現(xiàn)過程，給出了使用labview語言的核心程序，并對結(jié)果誤差進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：兩相流；互相關(guān)；虛擬儀器；流速測量the system of cross-correlation velocity measurement base on labviewabstractthe two-phase flow is widespread in nature and industrial processes.the measurement of parameters of multiphase flow，such as velocity，size and position of bubbles is a very important investigation subject.two-phase cross-correlation flow velocity measurement system changes the flow noise signal into electrical signal by the upper and under sensors，through the amplification，filtering，a/d converter circuit，and the digital signal will be sent cross correlator.finally output is the transit time and the velocity.this systemic designed to inter-related fluid flow measuring instrument virtual instrument technology and the principle of combining cross-correlation.this method got delay of two signals by cross-correlation function between two signals.the fluid flow can be exceed by the delay value of the two signal in case of the distance of l between two sensors is known.system carry the data which is a random noise signal simulation by labview，and then acquisition the data to various computing.this system shows fluid flow rate measuring instrument achieve process based on labview and cross-correlation which shows core procedures of labview and analysed the error of the result.key words：two-phase flow；cross-correlation；virtual instrument；velocity measurement目 錄摘 要iabstractii第一章 引言11.1兩相流測量的應(yīng)用背景11.2我國流量儀表的發(fā)展及現(xiàn)狀11.2.1概述11.2.2我國流量儀表的發(fā)展回顧21.2.3流量儀表總體的技術(shù)發(fā)展方向31.2.4對流量測量技術(shù)的展望3第二章 相關(guān)流量測量技術(shù)42.1相關(guān)流量測量技術(shù)簡介42.2相關(guān)測量技術(shù)的發(fā)展簡史42.3互相關(guān)知識簡介52.3.1測量原理52.3.2互相關(guān)算法歸一化算法差動自相關(guān)算法72.4相關(guān)流量測量的特點(diǎn)92.5相關(guān)測試系統(tǒng)的構(gòu)成92.6相關(guān)流量計(jì)的局限性102.7相關(guān)流量測量技術(shù)未來的發(fā)展方向10第三章 虛擬儀器簡介123.1虛擬儀器簡介123.1.1虛擬儀器簡介123.1.2虛擬儀器的發(fā)展過程123.1.3虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成143.1.4虛擬儀器的分類143.1.5虛擬儀器的技術(shù)優(yōu)勢153.2 labview簡介163.2.1 labview簡介163.2.2 labview的作用173.2.3 labview的優(yōu)點(diǎn)173.3數(shù)據(jù)采集技術(shù)183.3.1數(shù)據(jù)采集技術(shù)簡介183.3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器和變換器信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集設(shè)備203.3.3 pc與軟件21第四章 基于labview的互相關(guān)流速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)234.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)234.2前面板的設(shè)計(jì)234.2.1用戶登錄界面254.2.2模擬采樣信息更改界面和模擬信號生成界面264.2.3相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)界面274.2.4數(shù)據(jù)保存回放界面294.2.5流速計(jì)算界面294.3程序框圖的設(shè)計(jì)304.3.1用戶登陸程序313.3.2模擬信號生成程序314.3.3相關(guān)算法程序模塊324.3.4計(jì)算流體流速程序334.3.5波形保存程序344.3.6數(shù)據(jù)回放程序34總結(jié)35參考文獻(xiàn)36附錄37附錄a37附錄b38致謝3942第一章 引言1.1兩相流測量的應(yīng)用背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多相流動體系在國民經(jīng)濟(jì)和人類生活中的地位日益重要。它遍布于化工、冶金、能源、環(huán)保、輕工和軍工等各個工業(yè)領(lǐng)域，煤粉輸送、原油開采、污水排放、紙漿輸送、粉塵測量、氣力輸送等生產(chǎn)過程均存在多相流體的測量問題。由于多相流各相流體的動力學(xué)特性極其復(fù)雜，因此多相流的測量迄今為止在國際上尚未得到滿意的解決。多相流動體系，通常是由兩種連續(xù)介質(zhì)和若干種不連續(xù)介質(zhì)組成的，連續(xù)介質(zhì)通常稱為連續(xù)相，不連續(xù)介質(zhì)如固體顆粒、水泡、液滴等稱為分散相(或非連續(xù)相)。根據(jù)流體中包括物質(zhì)相數(shù)目的不同多相流一般可以分為兩相和三相流。根據(jù)組分物理狀態(tài)的不同，兩相流一般又分為氣/液、氣/固、液/固、液/液(如油/水)兩相流；三相流一般分為氣/液/液、氣/液/固三相流等。多相流動體系中又以兩相流動體系最為普遍。兩相流動體系在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中設(shè)計(jì)范圍十分廣泛，例如，自然界的大漠揚(yáng)沙，江河的泥沙俱下，以及空氣中煙塵彌漫都是與人類生活有關(guān)的兩相流現(xiàn)象。兩相流由兩種組分構(gòu)成，而各組分之間存在著密度、粘度等物理性質(zhì)上的差異，在重力、溫度、壓力、各相流量及管道形狀等諸多因素的作用下兩相流的各組分之間會產(chǎn)生滑脫及隨機(jī)可變的相界面效應(yīng)，因此其物理特性和數(shù)學(xué)描述比單相流檢測復(fù)雜得多，致使兩相流參數(shù)檢測難度很大。要認(rèn)清兩相流體系的復(fù)雜現(xiàn)象，揭示兩相流運(yùn)動的機(jī)理，建立兩相流動模型并對流動過程進(jìn)行預(yù)測或控制，首先要解決的就是兩相流檢測的技術(shù)問題。隨著海洋石油開采和海洋高技術(shù)的發(fā)展，尤其是混相增壓和混相計(jì)量技術(shù)的需求，加之工業(yè)生產(chǎn)過程中計(jì)量、節(jié)能和控制精度的提高，對于兩相流參數(shù)檢測的要求越來越迫切。此外，兩相流參數(shù)檢測技術(shù)還能為流體力學(xué)工作者提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)手段，促進(jìn)兩相流體力學(xué)理論的發(fā)展，為兩相流過程工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。幾十年來，國內(nèi)外科技工作者在解決兩相流流動參數(shù)的檢測問題上開展了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作，已經(jīng)取得了一些成果，近年來，基于多相流流動特征信號提取流動參數(shù)的軟測量方法取得了一定進(jìn)展。同時研發(fā)出了一些商品化的多相流量計(jì)產(chǎn)品，并在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用，但是仍存在許多問題1。1.2我國流量儀表的發(fā)展及現(xiàn)狀1.2.1概述流量計(jì)量廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)研究、對外貿(mào)易以及人民生活各個領(lǐng)域，目前，已投入使用的流量計(jì)已超過100種，按測量原理分，主要有力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、電學(xué)原理、光學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等2。流量、溫度和壓力被公認(rèn)為熱工計(jì)量的三大重要參數(shù)，隨著工業(yè)及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，流量計(jì)量技術(shù)及產(chǎn)品日新月異。具有悠久歷史的流量測量，可追溯到公元1000年前古埃及測量尼羅河水流量。西方國家工業(yè)革命的實(shí)施，推動了流量測量技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。特別是20世紀(jì)，過程測量能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域?qū)α髁繙y量的需求急速增長，同時，由于電子技術(shù)、特別是微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為流量儀表的制造技術(shù)提供一代又一代電子元器件，進(jìn)一步推動了流量儀表從機(jī)械式、機(jī)電一體化、智能化、模塊化等的推陳出新。當(dāng)今，微電子技術(shù)對流量儀表的發(fā)展之影響舉足輕重，基于大規(guī)模集成電路及通訊技術(shù)的應(yīng)用，總線型、智能化、具有遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、自診斷等功能的流量儀表，成為了流量儀表中的新生代，引領(lǐng)著現(xiàn)代流量計(jì)量儀表的新潮流和新趨勢。新技術(shù)、新器件、新材料、新工藝和新軟件的開發(fā)應(yīng)用，使得流量儀表的測量準(zhǔn)確度越來越高，測量的流量范圍越來越大，儀表對測量介質(zhì)的要求降低，適用范圍越來越寬，對實(shí)現(xiàn)智能化其使用更為方便并越來越傻瓜化，產(chǎn)品的可靠性得到了很大的提高。伴隨著基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，我國流量儀表在趕超先進(jìn)水平的過程中，機(jī)遇與困難并存，實(shí)現(xiàn)趕超還要走一段較長的路。31.2.2我國流量儀表的發(fā)展回顧我國歷史上，早在戰(zhàn)國時期“都江堰”污水工程中，就在崖壁上刻了“水則”用來測量水位，控制流量，這同古羅馬用孔板測量居民用水的流量和古埃及用堰槽方法測量尼羅河的流量一樣，都是古代人智慧的結(jié)晶。近代歷史上，我國作為一個半殖民地半封建的國家，受到外國列強(qiáng)的勢力瓜分，根本沒有自己的民族工業(yè)，也沒有我們自己的儀表工業(yè)，更沒有我國的流量儀表工業(yè)可言。新中國成立后，隨著第一個5年計(jì)劃的實(shí)施， 在原蘇聯(lián)援助項(xiàng)目的帶動下，我國引進(jìn)使用了許多蘇聯(lián)的流量儀表，上海一些儀表制造企業(yè)陸續(xù)仿制這些產(chǎn)品，形成了一定的流量儀表生產(chǎn)能力，如孔板流量計(jì)、文丘利節(jié)流裝置、橢圓齒輪流量計(jì)、浮子式水銀差壓計(jì)等。50年代末到60年代，由上海熱工儀表研究所（上海工業(yè)自動化儀表研究所）、沈陽玻璃儀器廠、上海光華儀表廠、開封儀表廠、哈爾濱儀表廠等開發(fā)生產(chǎn)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)等，70年代到80年代，北京化工研究院、重慶工業(yè)自動化儀表研究所、上海工業(yè)自動化儀表研究所、上海自動化儀表九廠等先后開發(fā)了熱式質(zhì)量流量計(jì)、渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、刮板流量計(jì)等流量儀表。90年代，太行儀表廠、湖北儀表廠、合肥儀表廠、北京自動化儀表研究所等先后研究開發(fā)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、液體多聲道超聲波流量計(jì)、流量、溫度、壓力組合式一體化流量計(jì)等等3。1.2.3流量儀表總體的技術(shù)發(fā)展方向隨著電子技術(shù)軟件技術(shù)的發(fā)展，特別是傳感器技術(shù)的發(fā)展，使流量儀表的多參數(shù)測量已成可能，流量計(jì)不同的原理和信號為不同參量的測量提供相應(yīng)的測量方法，有待人們進(jìn)一步研究并使之成為產(chǎn)品。相關(guān)技術(shù)主要有：(1)超聲波流量計(jì)的技術(shù)開發(fā)(2)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)新技術(shù)(3)渦街流量計(jì)(4)一體型流量儀表的研究開發(fā)(5)夾裝式管道用超聲波流量計(jì)的現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)開發(fā)(6)小流量及微流量測量 (7)多相流量計(jì)量技術(shù)研究31.2.4對流量測量技術(shù)的展望流量測量技術(shù)發(fā)展到今天雖然已日趨成熟 ,但其種類仍然不斷增加、新的結(jié)構(gòu)、新的用途的流量儀表不斷涌現(xiàn)。每種流量計(jì)都有其適用范圍，也都有局限性，至今尚無一種對于任何場合都適用的流量計(jì)。同時，由于流量測量技術(shù)的復(fù)雜化，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展給流量計(jì)量提出更新更高的要求，流量計(jì)量的現(xiàn)狀遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計(jì)量技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究解決。特別對腐蝕性流體、臟污流體、高粘性流體、多相流體、微小流量等的檢測，有待進(jìn)一步發(fā)展更有效的測量手段。4第二章 相關(guān)流量測量技術(shù)2.1相關(guān)流量測量技術(shù)簡介相關(guān)流量測量技術(shù)是以隨機(jī)過程相關(guān)理論和信息理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種在線流動參數(shù)檢測技術(shù)。早在上世紀(jì)60年代，英國等國家利用隨機(jī)函數(shù)互相關(guān)理論開展了工業(yè)生產(chǎn)過程中物體移動速度及管道中流體流動速度的測量研究。70年代，相關(guān)流量測量技術(shù)迅速發(fā)展起來，一些研究成果顯示了相關(guān)測量方法在解決環(huán)境惡劣且介質(zhì)復(fù)雜的兩相流測量方面的潛力，實(shí)現(xiàn)了一些相關(guān)流量測量系統(tǒng)。70年代中后期，研究的重點(diǎn)主要是低成本的“高速在線實(shí)時互相關(guān)器”，以便用于工業(yè)生產(chǎn)，如德國的e+h及英國的kent公司。但是，到80年代中期，相關(guān)流量測量技術(shù)并未因高速相關(guān)器的實(shí)現(xiàn)而在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，對相關(guān)流量測量技術(shù)的研究又轉(zhuǎn)到隨機(jī)信號相關(guān)理論、流場變化對傳感器作用、流動噪聲信號提取與處理、傳感器設(shè)計(jì)等方面。進(jìn)入90年代，相關(guān)測速代表的實(shí)際物理含義解釋成為制約相關(guān)流量測量技術(shù)發(fā)展的重要因素，建立相關(guān)測速與流體實(shí)際流速間準(zhǔn)確、有效關(guān)聯(lián)物理模型成為相關(guān)流量測量理論的發(fā)展重點(diǎn)。52.2相關(guān)測量技術(shù)的發(fā)展簡史(1)50年代常用模擬式相關(guān)器，采用模擬電路計(jì)算相關(guān)函數(shù)，模擬技術(shù)(乘法器、積分器)精度低，零漂大，工作頻率不夠高，模擬信號的時延設(shè)備復(fù)雜，所以被后來的數(shù)字式相關(guān)器替代了。在數(shù)字式相關(guān)器中，用數(shù)字技術(shù)計(jì)算相關(guān)函數(shù)，數(shù)字乘法器精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對高頻信號，因舍棄樣點(diǎn)，減少量化的比特?cái)?shù)而導(dǎo)致誤差。(2)1962年由p.jespers等提出采用1比特量化的極性重合相關(guān)器，簡化了乘法器與積分器，使電路大為簡化，提高了運(yùn)算速度。具有數(shù)字式相關(guān)器時延簡單、無零漂等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高頻信號，但測量結(jié)果的隨機(jī)誤差較大。(3)1973年a.m.hayes提出了兩種簡化方法來簡化相關(guān)器的設(shè)計(jì)，降低其價格，實(shí)現(xiàn)速度顯示。第一種方法是粗量化方法:對輸入信號之一或兩者作8比特或12比特的粗糙量化處理；第二種方法是兩點(diǎn)差分法:使兩個相關(guān)函數(shù)在兩個時延值處的差值趨于零。存在問題是積分時間的取值及流速變化時響應(yīng)慢等。(4)1979年，henry提出渡越零點(diǎn)極性相關(guān)的算法，從而使相關(guān)計(jì)算的軟件實(shí)現(xiàn)成為可能，并在280上成功實(shí)現(xiàn)了這種算法，效率高、運(yùn)算速度快，而且不需外加電路。但此法需記錄零點(diǎn)信號數(shù)據(jù)，只適用于信號帶寬小于2.5khz的場合。(5)1989年，harba提出了一種“塊采樣”的極性算法，可同時采集一批輸入信號，采樣率高，速度快，所需存貯量少于零點(diǎn)渡越法，計(jì)算時間短(比零點(diǎn)渡越法快)，不需專門硬件，應(yīng)用范圍廣。22.3互相關(guān)知識簡介基于互相關(guān)法進(jìn)行流量測量早在60年代提出后，c o u l t h l a r d 、me s c h、b e c h等科學(xué)家對該方法進(jìn)行了深入的研究，隨著對高精度非接觸式多相流流量測量的需求日益增大，基于相關(guān)函數(shù)的流量測量方法重新引起科學(xué)界的重視。德國科學(xué)研究院已于1997年批準(zhǔn)資助由兩個大學(xué)八個研究所提出的重點(diǎn)研究項(xiàng)目“流量測量中的流體動力學(xué)基礎(chǔ)研究”，其中九個子項(xiàng)目之一是“基于相關(guān)函數(shù)和多極配置的聲學(xué)體積流量測量方法研究”。為了克服國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施相對較弱的現(xiàn)狀，西安工業(yè)大學(xué)教授王磊、西安工業(yè)大學(xué)博士生王智慧與德國essen大學(xué)在該領(lǐng)域進(jìn)行了合作研究，并制造出超聲波互相關(guān)流量測量裝置6?；ハ嚓P(guān)流量測量技術(shù)是以隨機(jī)過程的互相關(guān)理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種在線流動參數(shù)檢測技術(shù)，利用流體內(nèi)部自然產(chǎn)生的隨機(jī)流動噪聲現(xiàn)象，將流體的流動速度測量轉(zhuǎn)化為流體通過在不同位置兩傳感器間的時延估計(jì)問題。其測量精度與流體的溫度、濃度無關(guān)，是一種高精度測量方法，適合于兩相流體及多相流體流量的計(jì)量7。2.3.1測量原理基于隨機(jī)過程中的相關(guān)理論，利用流體內(nèi)部自然產(chǎn)生的隨機(jī)流動噪聲現(xiàn)象，將流體的流動速度測量轉(zhuǎn)化為流體通過相距一定距離的兩截面的時間間隔測量問題。如圖2.1所示，流體在管道內(nèi)流動時，從相距l(xiāng)的兩個結(jié)構(gòu)完全相同的上下游傳感器可以分別提取出與被測流體流動狀況有關(guān)的流動噪聲信號x(t)和y(t)，對兩路隨機(jī)信號作互相關(guān)運(yùn)算可以得到互相關(guān)函數(shù)rxy()的圖形(如圖2.2)，互相關(guān)函數(shù)可由下式計(jì)算得出：rxy()= (21)互相關(guān)函數(shù)峰值位置所對應(yīng)的時間位移0一般稱之為渡越時間。在滿足“凝固”流動模型假設(shè)條件下，被測流體混合速度vcp可用相關(guān)速度vc來表示，即：vcp=vc= (22)實(shí)際流體流動不可能完全符合“凝固”流動模型假設(shè)，尤其是在兩相或多相流測量中存在相間局部相對運(yùn)動、速度分布和濃度分布的復(fù)雜流動狀態(tài)，使得相關(guān)測速既不等于兩相流實(shí)際混合速度，也不等于分相實(shí)際速度，因此，在式22中引入了流速校正因子k，得到被測流體體積流量q為5：q =kvca = (23)圖2.1 相關(guān)流量測量的基本原理圖2.2 流動噪聲信號及互相關(guān)函數(shù)圖2.3.2互相關(guān)算法對于兩個隨機(jī)信號x(t)和y(t)，為求得其相關(guān)函數(shù)，有下面幾種計(jì)算形式：歸一化算法為了方便地比較和說明上、下游傳感器的流動噪聲信號x(t)和y(t)相關(guān)程度的大小，計(jì)算其歸一化互相關(guān)函數(shù)： (24)在上式中，、分別為x(t)、y(t)的均方值。對于的估計(jì)可以通過離散化信號樣本在時域上的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。具體地，如果以x(k),y(k)(k=0，1，2，n- 1，n+l-1)分別表示等間隔離散化的x(t)和y(t)，則的估計(jì)值為下式，(m=0，1，l) (25)上式中，m為對應(yīng)于延時量的延時點(diǎn)數(shù)，對所有的都滿足。利用該式對進(jìn)行估計(jì)時，對應(yīng)于每一個不同的延時量m的，總共需進(jìn)行2n次的數(shù)值乘法和數(shù)值加法運(yùn)算，當(dāng)樣本不斷變化時，還需不斷地對和進(jìn)行估計(jì)，其運(yùn)算量更大，而為了提高相關(guān)函數(shù)測量的實(shí)時性，對相關(guān)器中乘法和加法運(yùn)算速度的要求是相當(dāng)高的8。差動自相關(guān)算法差動自相關(guān)測量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.3所示。設(shè)上、下游兩個傳感器檢測流體隨機(jī)流動噪聲所獲得的信號分別為x(t)和y(t)，經(jīng)差動電路后得 (26)若流體流動符合“凝固”假設(shè)，則可認(rèn)為y(t)為x(t)的延時，故 (27)式中為流體流過兩個傳感器的渡越時間，故 (28)對z(t)做自相關(guān)：=可見z(t)的自相關(guān)函數(shù)由4部分組成。和分別為x(t)和y(t)信號的自相關(guān)數(shù)，如果信號為符合平穩(wěn)遍歷性的隨機(jī)信號，根據(jù)隨機(jī)理論其自相關(guān)函數(shù)應(yīng)該為一沖激信號，即 (29)和分別為原點(diǎn)搬移到t=和t=-的自相關(guān)函數(shù)。當(dāng)這4者相加時，可以預(yù)見，其波形除在t= 0處有一正峰值外，在t=和t=-處應(yīng)該分別有一負(fù)峰值。但是時間t=沒有實(shí)際意義，因此只要取坐標(biāo)軸的右半部分找到負(fù)峰值所對應(yīng)的時間就可以確定流體的渡越時間，見圖2.4。由圖2.3可見，差動自相關(guān)測量方法除需兩個獨(dú)立檢測轉(zhuǎn)換電路外，系統(tǒng)的后續(xù)處理電路只用一路。這樣，只需保證傳感器和轉(zhuǎn)換電路的對稱性，而硬件電路大為簡化，技術(shù)難度和成本都大大降低。用差動自相關(guān)的方法使2個傳感器互為參照，可以從原理上做到很好地、動態(tài)地抵消傳感器初始值的影響，使輸出信號只與擾動量有關(guān)系，大大提高檢測靈敏度，并可以減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量9。差動自相關(guān)與互相關(guān)法從原理上很相似，但比它更具有以下幾大突出的優(yōu)點(diǎn):(1)減少了對系統(tǒng)對稱性的要求，提高了整個系統(tǒng)的性價比。只要保證傳感器和轉(zhuǎn)換電路的對稱性，對后面復(fù)雜的信號處理電路則要求較小，并共用一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。既減小了技術(shù)難度，又減少了硬件電路。(2)能夠提高測量的靈敏度。電容傳感器的本身的初始值大，而信號引起的變化量小。初始值的存在限制了電路的放大倍數(shù)，從而影響了測量靈敏度。采用差動自相關(guān)的方法，使兩個傳感器互為參照，從原理上抵消了初始值的影響，且不會增加電路的復(fù)雜性。(3)有極好的抗共模干擾的能力。對兩個傳感器受到的因溫度、振動等因素產(chǎn)生的共模干擾對差動自相關(guān)系統(tǒng)影響很小10。圖2.3 差動自相關(guān)測量系統(tǒng)圖2.4 差動自相關(guān)函數(shù)波形2.4相關(guān)流量測量的特點(diǎn)用渡越時間相關(guān)法測量流量，屬于非接觸式測量方法，即流量檢測元件不與被測流體相接觸，傳感器一般放在管子外壁，不破壞原來流體的流場，也不會造成節(jié)流壓力損失因而節(jié)約能量?？蓽y介質(zhì)的面廣，既可測潔凈液體和氣體又能測臟污流體、漿液及氣/固、液/固兩相流。測得的流量僅與管道體積有關(guān)，故不必進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定，能抑制外界輸入的干擾信號輸出呈線性，精度較高。相關(guān)法測流量有廣闊的應(yīng)用前景11。2.5相關(guān)測試系統(tǒng)的構(gòu)成相關(guān)測試系統(tǒng)包括隨機(jī)流動噪聲敏感器、流動噪聲信號傳遞通道和互相關(guān)器三個關(guān)鍵部件。流動噪聲信號檢測系統(tǒng)由測量管段、傳感器以及信號放大、調(diào)節(jié)和濾波等環(huán)節(jié)構(gòu)成。上、下游傳感器的敏感元件所檢測到的信號，隨噪聲信號分別通過放大、解調(diào)及濾波等環(huán)節(jié)后，包含在其中的隨機(jī)噪聲信號被提取出來，并輸入相關(guān)測量系統(tǒng)作進(jìn)一步處理。相關(guān)測量系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)相關(guān)流量測量。通過比較上、下游流動噪聲信號的相似性，確定流動噪聲信號在上、下游傳感器所在橫截面之間的平均傳遞時間。從某種意義上講,相關(guān)流量測量系統(tǒng)要解決的是系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識問題。流動參數(shù)模型描述了參考模型的參數(shù)與被測流體的體積平均流速或體積流量之間的關(guān)系。一般來說，根據(jù)流動噪聲信號的檢測原理及傳感器的結(jié)構(gòu)形式，可以對流動參數(shù)模型進(jìn)行一些定性分析，確定其模型的形式。但由于被測流體流動的復(fù)雜性，通過上述分析獲得的流動參數(shù)模型還需要通過定量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證6。2.6相關(guān)流量計(jì)的局限性目前，相關(guān)流量計(jì)還有一些局限性有待完善。(1)測量精確度不高上、下游信號通道特性的不一致性和互相關(guān)運(yùn)算中平均時間有限時是引起測量誤差的兩個主要原因。目前相關(guān)流量計(jì)的流速測量精確度可以達(dá)到2%左右。(2)單一流量計(jì)測量覆蓋面小由于多項(xiàng)流流型很復(fù)雜，相間界面即各相的形態(tài)變化很大，目前尚無一種多相流量計(jì)可以覆蓋所有流型范圍。(3)vc的物理意義尚待進(jìn)一步探討相關(guān)速度vc與被測流體的平均速度vcp之間的關(guān)系與許多因素有關(guān)。由于流動噪聲現(xiàn)象的隨機(jī)性，很難根據(jù)單純的理論計(jì)算來確定它們的關(guān)系。(4)標(biāo)定工作較為困難122.7相關(guān)流量測量技術(shù)未來的發(fā)展方向相關(guān)流量測量技術(shù)以其適用面廣、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量顯示出在解決多相流“困難流體”方面的廣泛應(yīng)用前景，相關(guān)流量計(jì)從產(chǎn)生、發(fā)展直到今天已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，相關(guān)流量測量技術(shù)已從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的原理性研究發(fā)展到儀器儀表公司規(guī)?；a(chǎn)并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場在線測量階段，但是，客觀地說，相關(guān)流量測量技術(shù)仍存在許多尚未解決好的問題，并有待進(jìn)一步研究和發(fā)展，相關(guān)流量測量技術(shù)未來發(fā)展方向?yàn)椋?1)要對相關(guān)流量測量系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化（包括相關(guān)測速傳感器及必要的分相含率傳感器)。(2)原來人們認(rèn)為相關(guān)流量測量是一種絕對測量方法，但深入研究后發(fā)現(xiàn)，這個觀點(diǎn)不是完全正確的，相關(guān)測速不僅取決于敏感場的區(qū)域范圍及靈敏度分布，還與分散相與敏感場相互作用方式有關(guān)（即使兩相流呈均勻分布，由于敏感場各點(diǎn)權(quán)因子不同最后的相關(guān)測速仍不會等于流體平均流速），兩相流流型復(fù)雜多變且流動過程中離散相與連續(xù)相之間滑脫等現(xiàn)象也會使相關(guān)測速變得異常復(fù)雜。(3)在深入研究相關(guān)流量傳感器檢測機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，相關(guān)流量計(jì)的標(biāo)定是另一個急待解決的問題13，相關(guān)流量計(jì)的測量對象大都為“困難流體”，而許多“困難流體”的標(biāo)定本身就是一個難以解決的困難問題，所以相關(guān)流量計(jì)的標(biāo)定問題值得深入研究，多相流標(biāo)定裝置的水平也有待于進(jìn)一步提高。(4)相關(guān)流量測量系統(tǒng)向智能化信息處理方向發(fā)展及優(yōu)化后的陣列集成傳感器對多相流多種信息挖掘與融合技術(shù)研究是保證相關(guān)流量測量技術(shù)向更寬應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的新途徑5。第三章 虛擬儀器簡介3.1虛擬儀器簡介3.1.1虛擬儀器簡介虛擬儀器是現(xiàn)代技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，cpu處理能力的增強(qiáng)，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸認(rèn)識到，可以把儀器的信號分析和處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出功能轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)來完成。這樣，可以利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和寬大的顯示屏更好地完成原來的功能。如果在計(jì)算機(jī)內(nèi)插上一塊數(shù)據(jù)采集卡，就可以把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊都集中在一臺計(jì)算機(jī)中了，而軟件就成了虛擬儀器的關(guān)鍵，任何一個使用者都可以通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能，這就是美國ni公司“軟件就是儀器”一說的來歷。 所謂虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶操作計(jì)算機(jī)的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其靈活性，用戶在使用過程中，可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送以及存儲方面的限制。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將ni labview圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。3.1.2虛擬儀器的發(fā)展過程(1)gpibvsipxi總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）gpib于1978年問世，vxi于1987年問世，pxi于1997年問世。(2)pc插卡并口式串口usb方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）pc插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口usb方式于1999年問世。綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素：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。 3.1.3虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成，如圖3.1所示。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以pc為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、vxi總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。圖3.1 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成圖虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺和測控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。 按照測控功能硬件的不同，vi可分為daq、gpib、vxi、pxi和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成測試軟件是虛擬儀器的主心骨。ni公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實(shí)用成果時，就用軟件就是儀器來表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。ni公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分：(1)儀器面板控制軟件 (2)數(shù)據(jù)分析處理軟件 (3)儀器驅(qū)動軟件 (4)通用i/o接口軟件3.1.4虛擬儀器的分類虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：(1) pc總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如labview相結(jié)合（注：美國ni公司的labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言visual c+,visual basic,labviews/cvi構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受pc機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點(diǎn)。另外，isa總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，pci總線的虛擬儀器價格比較昂貴。(2)并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國link公司的dso-2xxx系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式pc機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。(3)gpib總線方式的虛擬儀器gpib技術(shù)是ieee488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨(dú)立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的gpib系統(tǒng)由一臺pc機(jī)、一塊gpib接口卡和若干臺bpib形式的儀器通過gpib電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊gpib接口可帶多達(dá)14臺儀器，電纜長度可達(dá)40米。gpib技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。gpib測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時應(yīng)用。(4)vxi總線方式虛擬儀器vxi總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線vme總線在vi領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的rfi/emi屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，vxi系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建vxi總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。(5)pxi總線方式虛擬儀器pxi總線方式是pci總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。pxi的高度可擴(kuò)展性。pxi具有8個擴(kuò)展槽，而臺式pci系統(tǒng)只有34個擴(kuò)展槽，通過使用pcipci橋接器，可擴(kuò)展到256個擴(kuò)展槽，臺式pc的性能價格比和pci總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。3.1.5虛擬儀器的技術(shù)優(yōu)勢同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢：(1)性能高虛擬儀器技術(shù)是在pc技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的pc技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件i/o，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實(shí)時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢。(2)擴(kuò)展性強(qiáng)ni的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于ni軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進(jìn)整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。(3)開發(fā)時間少在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，ni高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。ni設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。(4)無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時間。ni的虛擬儀器軟件平臺為所有的i/o設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。美國國家儀器公司ni（nationalinstruments）提出的虛擬測量儀器（vi）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河14。3.2 labview簡介3.2.1 labview簡介 labview(laboratory virtual instrument engineering workbench)主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，它是一種基于圖形編程語言（g語言）的開發(fā)環(huán)境，主要是以框圖形式編寫程序。它與c等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處，如：相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)制工具，以及層次化、模塊化的編程特點(diǎn)。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而labview使用圖形語言（即：各種圖標(biāo)、圖形符號、連線等），以框圖的形式編寫程序。用labview編程無須太多的編程經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)閘abview使用的都是測試工程師熟悉的術(shù)語和圖標(biāo)，如各種旋鈕，開關(guān)，波形圖等，界面直觀形象。labview是一個功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，它完整的集成了與gpib、vxi、rs-232和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊。labview還具有內(nèi)置程序庫，提供了大量的連接機(jī)制，通過dlls、共享庫、ole等途徑實(shí)現(xiàn)與外部程序代碼的連接。使用labview開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建32位的編譯程序，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測試等任務(wù)提供了更快的執(zhí)行速度。labview是真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨(dú)立的可執(zhí)行程序，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨(dú)運(yùn)行。一個labview程序包含三個主要部分：前面板、框圖程序、圖標(biāo)/連接端口。前面板是labview程序的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是仿真真實(shí)儀器的前面板。框圖程序則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制。圖標(biāo)/連接端口用于把labview程序定義成一個子程序，以便在其他程序中加以調(diào)用，這使labview得以實(shí)現(xiàn)層次化，模塊化編程。3.2.2 labview的作用由于labview可以用來創(chuàng)建通用的應(yīng)用程序，因此被稱為一種通用的編程語言，但是它在測試、測量和自動化等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢，因?yàn)閘abview提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，同時它還提供了大量常用于自動化測試測量領(lǐng)域的圖形控件，這使得用戶可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲的自動化測試測量系統(tǒng)。因此它被廣泛的應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務(wù)的產(chǎn)品開發(fā)所有階段?，F(xiàn)在歐美的許多高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生選修g語言并用它開發(fā)應(yīng)用軟件的人已經(jīng)超過c等文本語言。近年來我國高校g語言教學(xué)實(shí)踐也正在迅速開展。labview不僅可以用來快速搭建小型自動化測試測量系統(tǒng)，還可以用來開發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。3.2.3 labview的優(yōu)點(diǎn)選擇labview開發(fā)測試和測量應(yīng)用程序的一大決定性因素是其開發(fā)速度。通常，使用labview開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的速度比使用其他編程語言快410倍。這一驚人速度背后的原因在于labview易用易學(xué)，它所提供的工具使創(chuàng)建測試和測量應(yīng)用變得更為輕松。labview的具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。(1)提供了豐富的圖形化控件，并采用圖形化的編程方法，徹底把工程師們從復(fù)雜枯澀的文本編程工作中解放出來。(2)內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程中如果有語法錯誤，它會被立即顯示出來。(3)由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實(shí)現(xiàn)了自動的多線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力。(4)通過dll、cin節(jié)點(diǎn)、activex、.net或matlab腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)labview與其他編程語言混合編程。(5)通過應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布exe、動態(tài)鏈接庫或安裝包。(6)labview提供了大量的驅(qū)動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。(7)labview內(nèi)建了600多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。(8)ni同時提供了豐富的附加模塊，用戶擴(kuò)展labview在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如實(shí)時模塊、pda模塊、fpga模塊、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（dsc）模塊、機(jī)器視覺模塊與觸摸屏模塊等。3.3數(shù)據(jù)采集技術(shù)3.3.1數(shù)據(jù)采集技術(shù)簡介數(shù)據(jù)采集與儀器控制是labview最具有競爭力的核心技術(shù)之一。ni公司提供了種類豐富的硬件設(shè)備以滿足不同的測量與控制需求，其中包括數(shù)據(jù)采集(daq)硬件、實(shí)時測量與控制、pxi與compact pci、信號調(diào)理、開關(guān)、分