基于虛擬儀器技術的壓力測量系統(tǒng)設計

1、測控系統(tǒng)綜合設計課程設計用紙目錄第一章 測控系統(tǒng)綜合設計設計任務書2第二章 總體設計方案6一、現(xiàn)代測控系統(tǒng)發(fā)展概述6二、測控系統(tǒng)總體結構圖8三、壓力傳感器的發(fā)展與概述8第三章 系統(tǒng)硬件設計10一、JLU-ELVIS型數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)的介紹10二、壓力測量與處理的基本原理11三、主要芯片介紹12四、傳感器的選擇13第四章 系統(tǒng)軟件設計16一、程序流程圖的設計16二、前面板的設計17三、框圖程序的設計19第五章 系統(tǒng)調(diào)試、運行以及結果35一、程序調(diào)試35二、運行以及結果36第六章 LabVIEW課程設計的心得體會37參考文獻39第一章 測控系統(tǒng)綜合設計設計任務書題目：基于虛擬儀器技術的壓力測量系統(tǒng)

2、設計一、設計任務本課題所要求設計的基于虛擬儀器技術的壓力測量系統(tǒng)的工作原理為：利用壓力應變片，將所受的壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號。當加在應變片上的壓力變化時，應變片的阻值發(fā)生變化，橋式電路輸出由此產(chǎn)生的電壓信號。首先，應設計硬件電路對該信號進行初步的調(diào)理包括空載調(diào)零和將信號進行兩級放大，然后由NI ELVIS II數(shù)據(jù)采集平臺提供的模擬輸入通道送至計算機中，利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabVIEW來開發(fā)系統(tǒng)軟件，以實現(xiàn)對語音信號的采集、分析、處理與報表生成等。并利用LabVIEW編寫的軟件系統(tǒng)對信號進行處理。具體指標與要求如下：(一)硬件設計要求1、理解壓力測量的原理，要求對壓力應變片進行選型，對壓力信

3、號調(diào)理電路進行設計，說明其工作原理。2、理解NI ELVIS II數(shù)據(jù)采集平臺的工作原理，通過NI ELVIS II數(shù)據(jù)采集平臺對壓力信號及其調(diào)理電路出來的電壓信號進行采集、分析與處理。(二)軟件設計要求要求采用狀態(tài)機的軟件設計結構來設計壓力測量系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件具有“系統(tǒng)初始化”、“系統(tǒng)等待”、“數(shù)據(jù)采集”、“報表生成”“打開報表”、“退出”等功能。具體要求如下：1、系統(tǒng)初始化壓力測量系統(tǒng)軟件運行后，首先進入系統(tǒng)初始化狀態(tài)。系統(tǒng)初始化狀態(tài)主要可以對NI ELVIS II數(shù)據(jù)采集平臺，所用的數(shù)據(jù)采集通道及軟件界面上的所有控件進行初始化。系統(tǒng)初始化結束后，軟件進行等待狀態(tài)中，等待其他功能的選中與

4、運行。2、系統(tǒng)等待在系統(tǒng)等待狀態(tài)下，用戶可選擇其他功能并運行。要求系統(tǒng)等待狀態(tài)采用事件驅(qū)動結構來實現(xiàn)。3、數(shù)據(jù)采集要求系統(tǒng)可以對壓力信號進行連續(xù)的實時采集、分析與顯示?？蓪Σ蓸訁?shù)進行設置包括對所用NI ELVIS II數(shù)據(jù)采集平臺物理通道、采樣速率、每通道采樣點數(shù)、電壓最大值與最小值等參數(shù)的設置。將采集到的時域波形、壓力大小等參數(shù)進行實時顯示。4、報表生成報表生成功能可以實現(xiàn)對壓力信號連續(xù)采集與分析過程中的相關參數(shù)包括所用NI ELVIS II數(shù)據(jù)采集平臺物理通道，電壓最大值、最小值、采樣速率、每通道采樣點數(shù)、時域波形等參數(shù)或波形作為報表的內(nèi)容進行保存。5、打開報表打開報表功能可以對保存的報

5、表進行打開以便進行離線進行分析和處理。6、退出按下“退出”鍵，將退出系統(tǒng)軟件。要求系統(tǒng)軟件界面設計友好，方便操作。在系統(tǒng)軟件界面即前面板上必須有狀態(tài)顯示欄，以顯示軟件當前運行的狀態(tài)。二、設計目的通過本次設計使學生具備：(1) 初步了解測控系統(tǒng)的設計步驟，掌握系統(tǒng)設計方法，加深對專業(yè)理論知識的理解，能夠綜合運用所學的傳感器原理與檢測技術、虛擬儀器技術、測控電路、測控系統(tǒng)原理與設計等專業(yè)知識設計測控系統(tǒng)各個單元，并組成系統(tǒng)。(2) 通過制定測控系統(tǒng)設計方案，合理選擇傳感器及其他元件，正確計算、選擇各電路和元件參數(shù)，確定尺寸和選擇材料，以及較全面地考慮制造工藝、使用和維護等要求，達到了解和掌握測控系

6、統(tǒng)綜合設計過程和方法的目的。(3) 進行設計基本技能的訓練。如：計算、繪圖、熟悉和運用設計資料（手冊、圖冊、標準和規(guī)范等）以及使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)、進行經(jīng)驗估算和數(shù)據(jù)處理及計算機應用的能力。 (4)了解現(xiàn)代儀器科學與技術的發(fā)展前沿，學習和掌握基于虛擬儀器技術的測控系統(tǒng)組成和工作原理；進一步掌握虛擬儀器LabVIEW圖形化軟件設計方法與調(diào)試技巧。(5)培養(yǎng)學生查閱資料的能力和運用知識的能力；提高學生的論文撰寫和表述能力；培養(yǎng)學生正確的設計思想、嚴謹?shù)目茖W作風；培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和運用知識的能力。三、設計要求1、了解和掌握整個以虛擬儀器技術平臺構建的測控系統(tǒng)組成、工作原理、各單元功能和應用背景。2、根據(jù)設

7、計任務進行文獻資料的檢索，根據(jù)測控系統(tǒng)的功能和工作原理，確定測控系統(tǒng)的功能，制定設計方案和設計虛擬儀器面板。3、合理選擇傳感器的種類與型號，設計信號調(diào)理電路；利用虛擬儀器技術軟件開發(fā)平臺LabVIEW來編寫與調(diào)試系統(tǒng)軟件。4、按學校課程設計的撰寫規(guī)范撰寫且提交一份完整的設計報告。四、設計內(nèi)容1、基于虛擬儀器技術的壓力測量系統(tǒng)硬件設計。2、基于虛擬儀器技術的壓力測量系統(tǒng)軟件設計。具體設計內(nèi)容詳見前面的設計任務。五、設計報告要求報告中提供如下內(nèi)容：1、 目錄2、正文(1)設計任務書(只需要打印指導教師提供的設計任務書，不要對任務書的內(nèi)容進行任何的修改)；(2)總體設計方案(包括對現(xiàn)代測控系統(tǒng)發(fā)展的

8、概述，構建一個測控系統(tǒng)的總體結構圖，壓力測量與處理的基本原理、壓力傳感器的發(fā)展與概述等，壓力測量信號調(diào)理電路的設計，并根據(jù)任務書要求，選擇合適的技術參數(shù)和技術方案，對多種設計方案進行分析比較，系統(tǒng)總體結構圖概述等)；(3)系統(tǒng)硬件設計，包括傳感器的選擇(測量原理分析，傳感器的量程、測量精度與結構、型號的確定)、信號調(diào)理電路的選擇、設計及計算(根據(jù)測量要求、傳感器的類型及特點，選擇或設計合適的信號調(diào)理電路，并繪制電氣系統(tǒng)原理圖。)；(4)系統(tǒng)軟件設計，包括系統(tǒng)軟件程序流程圖、前面板與框圖程序的設計及功能實現(xiàn)方法等；(5)系統(tǒng)總體調(diào)試、運行及其結果；要求有程序和運行結果等。3、收獲、總結與體會4、

9、參考文獻(不低于20篇)六、設計進度安排本課程設計共需2周時間，其具體安排見下表:時 間上午下午第一周星期一設計動員、布置設計任務查找與消化相關資料星期二查找與消化相關資料總體方案設計星期三總體方案設計系統(tǒng)硬件設計星期四系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計星期五系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試第二周星期一系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計星期二系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計星期三系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)總體調(diào)試及性能分析與總結星期四撰寫設計報告撰寫設計報告星期五完成設計報告并上交答辯七、設計考核辦法本設計滿分為100分，從設計平時表現(xiàn)、設計報告及設計答辯三個方面進行評分，其所占比例分別為20%、40%、40%。第二章 總體設計方案一、

10、現(xiàn)代測控系統(tǒng)發(fā)展概述20世紀70年代以來，測量技術不斷進步，出現(xiàn)了很多智能儀表，這些儀表在微電子的基礎上，與計算機相結合，使得基于儀表的測量技術漸漸演變，成為一門包含機械、電子、計算機的獨立的學科?，F(xiàn)代測控技術在追求儀表智能化的同時，還對其穩(wěn)定性、可靠性和適應性要求也不斷提高，相應的，隨著技術發(fā)展，測控技術大量應用高新技術和新的科學研究成果，測控技術的技術指標與功能不斷提高。作為代表，測控儀器儀表單元微小型化、智能化日趨明顯。測控技術的兩個方面，一個是測一個是控。“測”是依靠傳感器和信號傳輸電路，即測控電路；“控”則是依靠現(xiàn)代計算機的計算處理能力，根據(jù)數(shù)據(jù)得出相應結果，通過反饋等方式控制整個系

11、統(tǒng)。計算機已經(jīng)成為測控技術中的中堅力量，于是，網(wǎng)絡技術也就自然而然的越來越成為測控技術滿足實際需求的關鍵支持。但是不可否認，測控電路依然是測控技術發(fā)展的基礎，和另一個重要的發(fā)展方向。現(xiàn)代科學技術的融入不但使現(xiàn)代測控技術在各方面得到廣泛應用，而且加快了現(xiàn)代測控技術的發(fā)展，形成了現(xiàn)代測控技術朝微型化、集成化、遠程化、網(wǎng)絡化、虛擬化等方向發(fā)展。同時，現(xiàn)代測控技術是一門實踐性非常強的技術，既包括硬件、軟件的設計，又包括系統(tǒng)的集成，隨著其在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域應用的深度和廣度的擴大，它將為提高生產(chǎn)效率、改進技術水平做出巨大的貢獻。新型傳感器技術、現(xiàn)代測控總線技術、虛擬儀器技術、遠程測控技術、測控系統(tǒng)集

12、成技術等，都是這門涉及廣泛的學科的發(fā)展趨勢和方向。新型傳感器技術向微型化、數(shù)字化、集成化、智能化、網(wǎng)絡化傳感器、光纖傳感器和生物傳感器等幾個方向發(fā)展。傳感器是信息時代的三大支柱之一，目前新的智能化傳感器層出不窮，微處理器和網(wǎng)絡與傳感器的融合技術快速發(fā)展，新型傳感器在測量儀器儀表、測控系統(tǒng)中的應用日益廣泛和深入，可以說，新型傳感器技術的發(fā)展對現(xiàn)代測控技術的發(fā)展起到了很好的推動作用，新型傳感器技術是現(xiàn)代測控技術的一個重要組成部分。 現(xiàn)代測控總線技術具體包括了GPIB、VXI、CPCI、PXI、USB、IEEE 1394、現(xiàn)場總線和LXI這幾類總線，USB在現(xiàn)代的應用比重日益增加，也是發(fā)展最為迅速的

13、總線技術。測控總線是測控系統(tǒng)的重要組成部分，隨著計算機技術的發(fā)展，各種總線標準不斷推出和發(fā)展?，F(xiàn)代測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是采用標準總線計算機平臺、功能強大的軟件及應用總線技術的模塊化儀器設備的有機結合。這將極大地增強自動測試設備的功能與性能。在現(xiàn)代測控系統(tǒng)中，測控總線技術越來越受到重視。因此，在測控系統(tǒng)的研制、開發(fā)和應用中，選擇好的測控系統(tǒng)平臺總線，不僅有助于系統(tǒng)最終以較低成本滿足更高的性能要求，而且可以使系統(tǒng)更加容易擴充、升級和保護用戶的投資效益。虛擬儀器技術包括LabVIEW和LabWindows/CVI，包括開發(fā)環(huán)境和虛擬儀器設計。虛擬儀器系統(tǒng)是測控技術與計算機技術結合的產(chǎn)物，它從根本上更新

14、了儀器的概念，并在實際應用中表現(xiàn)出傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)勢，可以說虛擬儀器技術是現(xiàn)代測控技術的關鍵組成部分。虛擬儀器利用計算機和數(shù)據(jù)采集卡等相應硬件和專用軟件構成，既有傳統(tǒng)儀器的特征，又有一般儀器所不具備的特殊功能，在現(xiàn)代測控應用中有著廣泛的應用前景。遠程測控技術是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡、遠程測控系統(tǒng)的基礎?；贗nternet、現(xiàn)場總線和無線通信的遠程測控技術這三方面講述應用，通過分布式網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)、基于VXI和PXI總線的遠程測控系統(tǒng)。隨著測控任務變得日趨復雜以及大范圍測控要求的日益增多，進行遠程測控、組建網(wǎng)絡化的測控系統(tǒng)就顯得非常必要。網(wǎng)絡技術也必將在測控領域得到廣泛的應用，從而有力地帶動和促進遠

15、程測控技術的發(fā)展。采用遠程測控技術，不僅可以降低測控系統(tǒng)的成本、實現(xiàn)遠距離測控和資源共享，而且還能實現(xiàn)測控設備的遠距離診斷與維護，大大提高測控的效率。電子設備測控系統(tǒng)集成技術，包括現(xiàn)代測控系統(tǒng)的硬件設計（包括硬件需求分析、硬件集成、接口設計和可靠性與安全性設計），以及現(xiàn)代測控系統(tǒng)軟件設計（包括采用COTS的軟件集成、軟件組態(tài)和集成的標準化）。 采用系統(tǒng)集成技術解決測控系統(tǒng)的合理構成正成為測控界普遍關注的話題。測控系統(tǒng)的規(guī)模和功能各異，且存在各種模塊的集成以及在異構和分布環(huán)境下設備互連、互操作、數(shù)據(jù)傳輸和通信等諸多問題，測控一體化系統(tǒng)集成應運而生。測控一體化是當今測控系統(tǒng)的發(fā)展方向，它以計算機為

16、核心，采用組件技術將標準總線、硬件模塊或儀器單元和相應的測控軟件等進行構建，同時貫徹實施一系列系統(tǒng)集成標準體系，使之成為通用性和可移植性強的測控系統(tǒng)。測控一體化要求實現(xiàn)測控系統(tǒng)的集成，其目標不僅包括測控系統(tǒng)的體系結構集成，還包括功能集成、信息集成和環(huán)境集成，同時還要符合相應的系統(tǒng)集成標準。二、測控系統(tǒng)總體結構圖開始數(shù)值給定偏 差控制器執(zhí)行器被控過程數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)輸出結束測量變送干擾 三、壓力傳感器的發(fā)展與概述壓力傳感器在各類傳感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點,可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強的測量與控制。除此以外,還廣泛應

17、用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術是平面工藝與立體加工相結合,又便于集成化,所以可用來制成血壓計、風速計、水速計、壓力表、電子稱以及自動報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術最成熟、性能最穩(wěn)定、性價比最高的一類傳感器。壓力傳感器的發(fā)展歷程現(xiàn)代壓力傳感器以半導體傳感器的發(fā)明為標志,而半導體傳感器的發(fā)展可以分為四個階段: (1) 發(fā)明階段(1945 - 1960 年) :這個階段主要是以1947 年雙極性晶體管的發(fā)明為標志。此后,半導體材料的這一特性得到較廣泛應用。史密斯(C.S. Smith) 與1945 發(fā)現(xiàn)了硅與鍺的壓阻效應,即當有外力作用于半導體材料時,

18、其電阻將明顯發(fā)生變化。依據(jù)此原理制成的壓力傳感器是把應變電阻片粘在金屬薄膜上,即將力信號轉(zhuǎn)化為電信號進行測量。此階段最小尺寸大約為1cm。(2) 技術發(fā)展階段(1960 - 1970 年) :隨著硅擴散技術的發(fā)展,技術人員在硅的(001) 或(110) 晶面選擇合適的晶向直接把應變電阻擴散在晶面上,然后在背面加工成凹形,形成較薄的硅彈性膜片,稱為硅杯。這種形式的硅杯傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低、便于集成化的優(yōu)點,實現(xiàn)了金屬- 硅共晶體,為商業(yè)化發(fā)展提供了可能。(3) 商業(yè)化集成加工階段(1970 - 1980 年) :在硅杯擴散理論的基礎上應用了硅的各向異性的腐蝕技術,

19、擴散硅傳感器其加工工藝以硅的各項異性腐蝕技術為主,發(fā)展成為可以自動控制硅膜厚度的硅各向異性加工技術4 ,主要有V 形槽法、濃硼自動中止法、陽極氧化法自動中止法和微機控制自動中止法。由于可以在多個表面同時進行腐蝕,數(shù)千個硅壓力膜可以同時生產(chǎn),實現(xiàn)了集成化的工廠加工模式,成本進一步降低。(4) 微機械加工階段(1980 年- 今) :上世紀末出現(xiàn)的納米技術,使得微機械加工工藝成為可能。通過微機械加工工藝可以由計算機控制加工出結構型的壓力傳感器,其線度可以控制在微米級范圍內(nèi)。利用這一技術可以加工、蝕刻微米級的溝、條、膜,使得壓力傳感器進入了微米階段。第三章 系統(tǒng)硬件設計一、 JLU-ELVIS型數(shù)據(jù)

20、采集實驗系統(tǒng)的介紹JLU-ELVIS型數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)是一款基于美國國家儀器公司（NI）生產(chǎn)的教學實驗虛擬儀器套件（NI ELVIS）平臺，結合相應的LabVIEW 程序能完成包括光，頻率、聲、熱、壓力在內(nèi)的多種物理量的采集和測量的多傳感器數(shù)據(jù)采集綜合實驗系統(tǒng)，借助于NI ELVIS平臺提供的程控電源，函數(shù)信號發(fā)生器，±15V 和+5V 電源等資源，作為板上信號采集電路和相應信號調(diào)理電路的激勵信號和工作電源等。完整的廊括了傳感器實驗中所包含的物理信號源，傳感器電路，信號調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集和分析的全過程。利用本實驗系統(tǒng)可以完成光耦測頻，霍爾元件測頻，語音采集，光采集，溫度測量，壓力測量

21、等多種傳感器實驗。將電路板接到NI ELVIS上，將NI ELVIS的電源線接到220V市電，USB線纜接到裝有NI-ELVISmx設備驅(qū)動程序的計算機上。打開NI ELVIS的開關。觀察實驗板右上角三個綠色電源指示燈是否點亮，若燈亮，表示電路板電源工作正常，若燈不亮，表示電源工作異常，這種情況請檢查，電路板是否與NI ELVIS可靠連接，同時檢查一下保險管F1、F2、F5是否工作正常。直到電路板電源指示燈正常工作才能進行下一步工作。在前兩步工作完成的前提下，用萬用表測量保險管F6、F7的工作電壓，看輸出是否分別為+5V和-5V，若是則5D5電源模塊工作正常，若不是，請檢查5D5電源轉(zhuǎn)換模塊。

22、完成了以上步驟以后，表示系統(tǒng)的整體工作狀態(tài)正常，可以進入各個模塊的測試和調(diào)試工作了。圖3.1所示為JLU-ELVIS型數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)外觀圖。 圖3.1 JLU-ELVIS型數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)外觀圖二、壓力測量與處理的基本原理當加在應變片上的壓力變化時，應變片的阻值發(fā)生變化，橋式電路輸出由此產(chǎn)生的電壓信號，電位器W0601為空載調(diào)零電阻，可以提高系統(tǒng)的精確度。由于壓力傳感器輸出的信號比較微弱，該信號經(jīng)由AD260進行一級放大后，再進入OP07進行二級放大。電位器RW0602和RW0603分別為一級放大和二級放大反饋電阻。壓力測量的實驗原理圖如下圖3.2所示。 圖3.2壓力測量實驗原理圖本實驗設計

23、使用了JLU-ELVIS型數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)的壓力傳感器部分如下圖3.3所示。圖3.33、 主要芯片介紹： 該實驗模塊選用了AD620芯片和0P07作為放大芯片。AD620芯片：AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至10,000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設計，并且功耗較低(最大電源電流僅1.3 mA)，因此非常適合電池供電的便攜式(或遠程)應用。AD620具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 µV)和低失調(diào)漂移(最大0.6 µV/°C)特性，是電子秤和傳感器

24、接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，使之非常適合ECG和無創(chuàng)血壓監(jiān)測儀等醫(yī)療應用。由于其輸入級采用Supereta處理，因此可以實現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。AD620在1 kHz時具有9 nV/Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)的噪聲為0.28 µV峰峰值，輸入電流噪聲為0.1 pA/ Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時，AD620的0.01%建立時間為15 µs，非常適合多路復用應用；而且成本很低，足以實現(xiàn)每通道一個儀表放大器的設計。AD620 特性：通過一個外部電阻設置增益(增益范圍：1至1

25、0000)寬電源電壓范圍(±2.3 V至±18 V)具有比三運放IA設計更高的性能提供8引腳DIP和SOIC封裝低功耗，最大電源電流為1.3 mA低噪聲輸入電壓噪聲：9 nV/Hz(1 kHz)0.28 µV 峰峰值噪聲(0.1 Hz至10 Hz)出色的直流性能(B級)輸入失調(diào)電壓：50 µV(最大值)輸入失調(diào)漂移：0.6 µV/°C(最大值)輸入偏置電流：1.0 nA(最大值)共模抑制比：100 dB(最小值,G = 10)出色的交流特性帶寬：120 kHz (G = 100)0.01%建立時間：15 µsOP07芯片：O

26、p07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放 大傳感器的微弱信號等方面。 OP07管腳圖：特點： 超低偏移：150V最大。 低輸入偏置電流：1.8nA 。低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 。 超穩(wěn)定，時間： 2V/month最大高電源電壓范圍： ±3V至±22V

27、 OP07芯片引腳功能說明： 1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+ 四、傳感器的選擇現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1、根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原

28、理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。2、靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較

29、高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。3、響應特性 （反應時間）傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。4、線性范圍傳感器的線形

30、范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。5、穩(wěn)定性 傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對

31、其使用環(huán)境進行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。6、精度精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復精

32、度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。綜合上述各考慮因素，本次課程設計我們選用電阻應變片來完成本次課程設計。電阻應變片（圖3.4）是一種將被測件上的應變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化較小，所以這種應變片需要組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路執(zhí)行機構。 圖3.4電阻應變片第四章 系統(tǒng)軟

33、件設計一、 程序流程圖的設計開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)等待設定各參數(shù)的值開始實驗數(shù)據(jù)采集電壓/壓力轉(zhuǎn)換輸出波形停止實驗生成報表保存數(shù)據(jù)結束NY二、前面板的設計1.前面板如圖4.1.1所示圖4.1.12.如圖4.1.2所示，該部位功能是用來對頻率測頻參數(shù)的設置，可以設置數(shù)據(jù)采集卡的通道，最小電壓值，最大電壓值，掃描速率與每個通道的采樣點數(shù)。圖4.1.23.如圖4.1.3所示，該部位是一個LED等，開始試驗后，LED燈閃爍。圖4.1.34.如圖4.1.4所示，該部位是對正在執(zhí)行的過程進行文本提示。圖4.1.45.如圖4.1.5所示，該部位是對時域波形的顯示。圖4.1.56.如圖4.1.6所示，該部位用于對

34、實驗開始停止的控制。圖4.1.6三、框圖程序的設計框圖程序主要有程序狀態(tài)選擇框：初始化狀態(tài)，等待狀態(tài)，開始實驗打開數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)，退出等。（一）圖4.2.1為系統(tǒng)初始化總體原理圖：圖4.2.11、圖4.2.2，物理通道的選擇的初始化圖4.2.22、圖4.2.3，該部位是對頻率跟蹤測頻參數(shù)的設置，即將數(shù)據(jù)采集卡通道選擇為ai0，最大電壓值為5V，最小電壓值為-5V，采樣速率為1000，每通道采樣點數(shù)為1000。圖4.2.33、圖4.2.4，該部位是對示波器的初始化。圖4.2.44、 圖4.2.5，該部位是對文本提示中的內(nèi)容初始化。顯示為程序初始化。圖4.2.5（二）圖4.2.6，系統(tǒng)等待總體原理

35、圖：圖4.2.61、圖4.2.7，該部分將停止按鈕設為不可用并且變灰。圖4.2.72、圖4.2.8，這部分功能是將本VI的菜單欄顯示出來。 圖4.2.83、,該部分是一個事件結構。包括一個或多個子程序框圖或事件分支，結構執(zhí)行時，僅有一個子程序框圖或分支在執(zhí)行。事件結構可等待直至事件發(fā)生，并執(zhí)行相應條件分支，處理該事件。右鍵單擊結構邊框，可添加新的分支并配置要處理的事件。連線事件結構邊框左上角的“超時”接線端，指定事件結構等待事件發(fā)生的時間，以毫秒為單位。默認值為1，即永不超時。事件數(shù)據(jù)節(jié)點位于每個事件分支結構的左邊框內(nèi)側(cè)。該節(jié)點用于識別事件發(fā)生時LabVIEW返回的數(shù)據(jù)。依據(jù)為各事件分支配置的

36、事件，該節(jié)點可顯示事件結構每個分支中不同的數(shù)據(jù)。如配置單個分支處理多個事件，只有所有事件類型支持的數(shù)據(jù)才可用。在程序框圖上放置事件結構時，超時事件分支為默認分支。 超時事件：事件結構超時時發(fā)生。連接值至事件結構邊框左上角的“超時”接線端，指定事件結構在生成超時事件之前等待某個事件發(fā)生的時間，以毫秒為單位。時間標識是毫秒計數(shù)器，用于計算兩個事件的間隔或確定事件發(fā)生的順序。如表圖4.2.9所示表圖4.2.9 超時事件設置 值改變事件：用戶修改控件值時生成該事件。必須在“值改變”事件分支中讀取觸發(fā)布爾控件的接線端。即使用戶輸入的值與當前控件值相同，LabVIEW也可生成該事件。用于滑塊控件時，Lab

37、VIEW可在用戶更改控件值時生成滑塊的所有中間值（包括用戶釋放鼠標前寄存器中保存的值）。如表圖4.2.10所示。圖4.2.10值改變事件設置 菜單選擇(應用程序)事件：用戶在LabVIEW菜單選擇應用程序項時生成（例如，幫助»顯示即時幫助）。菜單選擇(用戶)事件可用于在用戶選擇用戶定義菜單項時生成事件。如表圖4.2.11所示。圖4.2.11 菜單選擇事件設置 前面板關閉事件：用戶以交互方式關閉VI前面板時生成（例如，選擇文件菜單中關閉菜單項或者單擊窗口邊框的關閉圖標）該事件。如用戶關閉前面板的VI未被作為子VI調(diào)用或不存在任何打開的引用，LabVIEW將中止該VI。如需完全執(zhí)行“前面

38、板關閉”事件分支，請確保用戶關閉前面板前應用程序打開VI的引用。如表圖4.2.12所示.圖4.2.12前面板關閉事件設置圖4.2.13事件結構（三）圖4.2.14，數(shù)據(jù)采集總體原理圖：圖4.2.141、圖4.2.15為設置實時壓力值的范圍為在正負3V之間 圖4.2.152、通過圖4.2.16選擇結構判斷壓力的值是否過高或者過低。 圖4.2.163、圖4.2.17通過開始控制并通用分支結構時間數(shù)據(jù)采集的開始與停止。 圖4.2.174、圖4.2.18，此部分的功能是對輸入通道的數(shù)據(jù)進行采集，將簇中的參數(shù)分離開來使用。 圖4.2.185、圖4.2.19所示，用來創(chuàng)建單個或多個虛擬通道，并將其添加至任

39、務。該多態(tài)VI的實例分別對應于通道的I/O類型（例如，模擬輸入、數(shù)字輸出或計數(shù)器輸出）、測量或生成操作（例如，溫度測量、電壓測量或事件計數(shù)）或在某些情況下使用的傳感器（例如，用于溫度測量的熱電偶或RTD）。圖4.2.19所示創(chuàng)建虛擬通道6、圖4.2.20所示所示是用來配置要獲取或生成的采樣數(shù)，并創(chuàng)建所需的緩沖區(qū)。該多態(tài)VI的實例分別對應于任務使用的定時類型。 圖4.2.20配置采樣數(shù) 7、圖4.2.21所示是使任務處于運行狀態(tài)，開始測量或生成。該VI適用于某些應用程序。圖4.2.21測量與生成8、圖4.2.22，對波形進行進行轉(zhuǎn)換并輸出數(shù)組。 圖4.2.229、圖4.2.23，此部分是將提示文

40、本的顯示變?yōu)椤罢诓杉瘮?shù)據(jù).”圖4.2.23 提示文本設置（四）報表生成總體原理圖：1.如圖4.2.24所示，該部分在作用是在保存數(shù)據(jù)時，將LED燈一直熄滅。圖4.2.24 LED燈的設置2. 圖4.2.25所示，該部分作用是把“文本提示：”設置為“正在保存實驗數(shù)據(jù)”圖4.2.253.如圖4.2.26所示，該部分的功能是對文本和參數(shù)化輸入進行組合，創(chuàng)建輸出字符串，圖4.2.26將時間日期合并成一行，并新建一個HTML格式的報表。設置一個頁眉，將“壓力測量實驗”設置為中央頁眉，頁眉大小為H4，最后將前面的字符串組合起來，即將其實文本，時間，物理通道，最大值，最小值，采樣速率。 圖4.2.26 圖

41、4.2.27創(chuàng)建時間日期4、 如圖4.2.28所示，該部分是將錯誤清除。圖4.2.28 清除錯誤5. 如圖4.2.29所示，如果4中的路徑指向現(xiàn)有文件或目錄，則不作任何操作，如果沒有指向現(xiàn)有文件或目錄，則新建一個文件或目錄對數(shù)據(jù)進行保存。如圖4.2.29保存文件（五）打開報表總體原理圖：（六）退出系統(tǒng)總體原理圖：1.如圖4.2.30所示，該部分主要是將文本提示顯示為“結束”。圖4.2.30 文本提示2、如圖4.2.31所示，該部分是將LED燈的狀態(tài)設置為熄滅，LED燈不亮。圖4.2.31 LED燈設置3、如圖4.2.32所示，該部分是用來跳出一個對話框，顯示一個包含一條消息和兩個按鈕的對話框。

42、具體如圖3.3.32所示。4.2.32 對話框圖4.2.33對話框的使用第五章 系統(tǒng)調(diào)試、運行以及結果一、程序調(diào)試1.將壓力傳感器接入電路，打開ELVIS的+5V±15V電源開關。2.打開壓力傳感器模塊的鈕子開關，運行計算機中的LabVIEW程序，進入JLU-ELVIS型虛擬儀器綜合實驗系統(tǒng)的主界面，在這里有一些菜單項供選擇，如實驗開始、幫助、初始化、退出等。點擊實驗開始菜單，進入壓力測量實驗，此時，會看到一些供選擇的如實驗原理、文件、開始實驗、狀態(tài)提示、停止實驗等按鈕和一些需要進行設置的框如通道的選擇、壓力上下限控制等。當我們按下選擇按鈕，就會進入到相應的界面，可以進行相應的操作；

43、根據(jù)實際的要求來設置各選項。但必須注意，通道的選擇設置一定要和硬件所連接的通道一致。3. 硬件連接和軟件設置都沒問題后，點擊“開始實驗”按鈕開始采集數(shù)據(jù)，這時會看到在時域顯示的界面上，波形會隨著壓力的改變而變化。觀察顯示的波形，并做好記錄，同時，還可以把采集到的數(shù)據(jù)保存成文件以便日后分析和處理；5.最后，點擊“停止實驗”按鈕，結束采集；6.點擊“退出”按鈕即可退出實驗。圖5.1，運行時前面板：圖5.1二、運行以及結果設置初始化參數(shù)：1.物理通道：ELVIS/ai52.最大值：5.003.最小值：-5.004.掃描頻率：1000.005.掃描點數(shù)：1000.00初始時，圖5.2，不加壓力狀態(tài)下的

44、時域波形顯示：圖5.2圖5.3，加壓力狀態(tài)下的時域波形顯示：圖5.3由上圖面兩圖可以清楚的看出該系統(tǒng)可以快速準確的實現(xiàn)壓力的測量和顯示，完成設計任務。第六章 LabVIEW課程設計的心得體會LabVIEW是美國國家儀器公司（簡稱VI公司）研制的一個功能強大的開發(fā)平臺，主要是為儀器系統(tǒng)的開發(fā)者提供體套能夠魯埃杰的建立，檢測和修改儀器系統(tǒng)的圖形軟件系統(tǒng)。他是一種圖形化的語言，廣泛的被工業(yè)界，學術界和研究實驗室所接受，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和以期控制軟件。與 C 和 BASIC 一樣，LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GP

45、IB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù) 顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW的特點：采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器；用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。在未學習LabVIEW以前，我已經(jīng)接觸過了C語言，VB。作為一種編程語言，labview有很多和他們相似之處，如數(shù)據(jù)的類型，數(shù)據(jù)流控制結構，程序調(diào)試工具及層次化，模塊化的編程特點等，但經(jīng)過一段時間的學習，我發(fā)行l(wèi)abview要比他們?nèi)萑杖腴T

46、的多。因為labview使用的都是工程師們沖用的術語和圖表，如各種旋鈕和開關等等，它的界面也是非常直觀形象，對于我們這種助學者有著極大的便出。C語言與VB我經(jīng)常用來編寫一些小程序，但也只是實現(xiàn)加減乘除等簡單的公式運算，并沒有復雜的圖形的繪畫。但同樣的學習時間里，我卻能夠用labview完成大多數(shù)的基礎設計，在基本相同的時間里，感覺上labview說或收獲更多一些。通過這次labview的課程設計，我了解現(xiàn)代儀器科學與技術的發(fā)展前沿；學習和掌握虛擬儀器系統(tǒng)組成和工作原理；并掌握虛擬儀器LabVIEW圖形化軟件設計方法與調(diào)試技巧；在這次課程設計中，哦我查閱了大量的資料，努力地運用我所學到的知識；使我的創(chuàng)新能力和運用知識的能力有了較大的提高。在其過程中我努力地嘗試建立一個正確的設計思想，并發(fā)現(xiàn)嚴謹?shù)目茖W作風的重要性（設計時我經(jīng)常出現(xiàn)比較低級的錯誤）。本次課程設計是