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1、1精密测试技术课程（设计）论文题目： 虚拟仪器在精密测试技术中的发展和应用 学号： 姓名： 班级： 专业： 机械设计制造及其自动化 二零一四年四月二十一日2虚拟仪器在精密测试技术中的发展和应用 摘要：本文论述了虚拟仪器的概念、组成以及虚拟仪器技术的定义，并与传统仪器进行了对比，并讨论了虚拟仪器的发展，从虚拟仪器的应用范围上，得出了虚拟仪器相比传统仪器具有明显的优点和广阔的发展前景的结论。 关键词：虚拟仪器、发展、应用1、虚拟仪器 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子工业测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断涌现，在许多
2、方面已经冲破了传统仪器的概念。虚拟仪器就是其中的一种，虚拟仪器是基于通用 PC 建立的可编程仪器及仪器系统，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。在虚拟仪器中，硬件仅仅是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个仪器的关键。用户可以通过软件构造几乎任意功能的仪器，而不像传统仪器那样受到仪器厂家的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器方法，开辟了测控技术的新纪元。 。现在虚拟仪器已得到了广泛应用，并成为当前国内外测试技术领域十分关注的技术热点。1、虚拟仪器概念 所谓的虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义
3、的具有虚拟面板，其测试功能由测试软件来实现的一种计算机系统。虚拟仪器的实质是利用计算机的显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机的软件实现信号的数据运算、分析、处理；利用 I/O 接口设备完成信号的采集、调理，从而完成各种测试功能的计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板就如同使用一台专用的测量仪器。虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用者操作这台计算机，就像是在使用一台专门设计的电子仪器。2、虚拟仪器的组成 虚拟仪器由硬件和软件两部分构成。硬件由计算机和 I/O 接口设备组成，按功能可分为 3 个主要部分：信号输入：完成信号的采集、放大
4、和 A/D 转换，将被测信号变成标准信号（一般用电压信号）以利于计算机处理。对于多量程采集卡，只需根据传感器输出选择量程即可。信号输出：将计算机产生的数字信号经过信号调理转换成适合于被测系统的激励信号。这两部分由 I/O 接口设备（如：数据采集卡、GPIB 总线仪器、VXI 总线仪器、PXI 总线仪器和串口系统等）完成。信号处理：利用计算机对所采集的信号进行分析、显示和存储等，PC 机是硬件平台的核心。软件是虚拟仪器的核心，仪器的功能由用户在软件平台上编程实现。目前最常用的软件开发工具是美国 NI 公司的 LabWindows/CVI 2和 LabVIEW。NI 公司的虚拟仪器平台LabVIE
5、W 简化了虚拟仪器系统的开发过程，缩短了系统开发和调试的周期。即使是个编程的新手，也能用全图形化方式编程的 LabVIEW很快地”画”出程序来。因为 LabVIEW 是真正面向科学家和工程师的编程语言。3、虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器具有下面一些特点：（1）虚拟仪器的软硬件都具有开放性、模块化、互换性、可重复使用等特点。一般运行于 Windows 环境，可以同时启用多个应用，而且用户可以根据需要灵活组合，大大提高了使用效率，克服了传统仪器功能专一限制很死的缺点。 （2）大大地降低了测试成本。传统测量多采用硬件设备或仪器，这些设备本身的制造成本就很高，在实验室或研究所内使用还可以。但
6、是，在野外、工作现场，设备的搬运、维护费用很高，使测试成本大大地提高，有时甚至无法实现。而虚拟仪器是借助于计算机以软件为核心，随着计算机的微型化，携带非常方便，有人形象地说“把实验室拎3着走” 。由于所有信号有一个公用的量化、分析和处理通道，减少了复杂的开关矩阵和信号电缆。因此，采用虚拟仪器既省去了大量设备硬件的制造成本，也减少了搬运维护等费用，对于经济条件较紧张的我国来说更具有现实意义。 （3）使用效率高。传统仪器都是自成系统、功能单一、体积庞大、仪器繁多，而虚拟仪器只需要一台计算机，其它必须的硬件如A/D、D/A 等都是固定在计算机插槽上的，体积小，使用起来非常方便。虚拟仪器是一种软件化的
7、测量装置，软件的灵活性与复用性使用户可以根据自己的需要定义测量装置，也可以灵活地组合仪器。模块化和规范化的设计为虚拟仪器组建自动测试系统提供了极大的方便。资源可重复使用，做完实验后，PC 机又可转入它用，不仅虚拟仪器工作台的 PC 机可以一机多用，而且即使实验室也可以一室多用，节约了设备资源，提高了利用率，可缓解高校实验室空间不足的局面。 （4）功能更强大，处理能力更强。信号处理理论的不断完善和计算机运算能力的大大提高，使虚拟仪器具有强大的数据处理能力。这就是通常所说的“一台有采集卡的计算机加上用户自己开发的 VI，就具有了几个实验室仪器的测试能力” 。（5）远程访问和交互式操作。通过 Int
8、erNET 真正实现软硬件资源的共享。这样研究人员可不到现场就能高效地进行实验，而把工作重点放在实验结果的处理分析上，大大提高了科技人员的工作效率，降低了劳动强度。将多种测试集于一体的方法缩短了测试时间，提高了测试速度。 （6） 测量精度更高。传统仪器的操作件都是物理实体，操作次数多了可能会出现滑丝、指示不准等机械故障，导致测量误差大。而虚拟仪器主要是软件完成，操作简单，受电缆长度、阻抗和仪器修正因素的影响较小，提高了测量的准确性和可重复性，测量精度也会相应提高。二、虚拟仪器应用随着 PC、半导体和软件功能的进一步更新，虚拟仪器的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中，它已成为传统仪器的主
9、要替代方式。而虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性能价格比不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户不必再受限于传统仪器的使用限制和昂贵的价格，进一步降低了使用成本，减少了系统的开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，使它的功能和应用领域不断增强和扩大。虚拟仪器系统开放、灵活, 可与计算机技术保持同步发展, 将之应用在测量方面可以提高精确度, 降低成本, 并大大节省用户的开发时间, 可以随时采集和记录从传感器传来的数据，并对之进行统计
10、、数字滤波、频域分析等原理，因此已经在测量领域得到广泛的应用。硅晶片作为电子行业中的一种基本材料而一直受到重视。近年来, 基于硅晶片的微机械结构( EMMS) 也得到了很大发展。MEMS 设备通常是作为压力传感器或加速度计使用,这种微型结构是在一片硅晶片上蚀刻出来的, 经过特殊的加工处理,在硅晶片上形成穴、沟、锥形等各种形状的机械元件, 将这些元件组合, 就能构成微型机械系统。美国的维吉尼亚州技术公司应用虚拟仪器技术开发了一种光学测微计, 用来测量 MEMS 设备中硅晶片的厚度, 分辨率可达到微米级。他们的目标是使用现成的数据采集、图像处理等方面的工具来开发系统, 以减少开发时间和提高市场效益
11、。在检测技术引进基于 LabVIEW 语言的虚拟仪器，利用虚拟仪器在信号处理分析及显示方面的强大功能，将许多检测技术基本理论方便地用图形表达出来，生动地验证了信号描述、信号调理、信号处理分析等方面的有关理论。也可利用虚拟仪器开发工具开发专用虚拟仪器系统，可以把一台个人计算机变成一组检测仪器，用于数据/图像采集、控制与模拟。在实验室中, 利用虚拟仪器开发工具开发专用虚拟仪器系统, 可以把一台个人计算机变成一组检测仪器, 用于数据/ 图像采集、控制与模拟。中国农业大学的研究人员利用虚4拟仪器开发平台开发了用于精密播种机性能检测的实验室自动化系统, 该系统使用LabWindow s/ CV I 建立
12、直观、简洁的 GU I( 用户图形接口) ,利用数据采集板的模拟量输出建立直流电机的闭环控制, 同时通过定时 I/ O 采集来自光电传感器的 T TL 脉冲信号。系统可自动检测常规台架试验中的所有项目,获得所需的各类结果,如理论调整粒距、合格粒距平均值、排种性能、种子外形尺寸等,并做到操作界面可视化,通过建立 DDE 将测试结果直接传送到 EXCEL 及自动打印试验报告等,测试分辨率为 50ns。通过对精密播种机性能测试软件进行少量的修改并附加 PMCIA 总线的 DAQcard1200 数据采集卡,移植到笔记本电脑上,该系统即可适用于田间试验项目的测试( 如播种均匀度等) 。三、虚拟仪器的发
13、展现状 1、国外发展情况 国外虚拟仪器技术自上世纪 80 年代由美国 NI 公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的研究热点和应用前沿。近年来，世界各国的许多大型自动测控和仪器公司均相继研制了为数不少的虚拟仪器开发平台，但最早和最具影响力的还是 NI 公司的图形化开发平台 LabVIEW（NI 也推出了基于 C 语言模式的 Labwindows/CVI 等交互式开发平台） 。虚拟仪器在国外已发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，目前也是全球最大的虚拟仪器制造国。2、国内发展情况 国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化 NI 的产品开始。国家自然科学基金委员会也曾将虚拟仪器研究作为现代
14、机械工程科学前沿学科之一，列入为 “十五”期间优先资助领域。目前有些研究已取得可喜成绩，如 863 项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化” ，所研制的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的技术。这项成果表明我国在虚拟仪器方面走出一条自主创新的路子。3、前景 虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产生了不可估量的影响。虚拟仪器广泛应用于电子测量、化学工业、电力工程、物矿勘探、医疗
15、、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。 目前，虚拟仪器在那些发达国家中设计、生产、使用已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，已成为各大学理工科学生的一门必修课程，而在我国虚拟仪器的设计、生产、使用正在起步。国内专家预测，未来的几年内，我国将有 50的仪器为虚拟仪器。届时，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，各种有关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。4、虚拟仪器发展过程中要处理好的几项关键性技术 虚拟仪器的发展取决于 3 个重要因素：计算机是载体，软件是核心，高质量的 A/ D采集卡及调理放大器是关键。又因为虚拟仪器是基于微计算机的测试仪器，因此必然与微计算机相关技术的进展有密切的关系，操作虚拟仪器就是通过良好的界面环境操作带有虚拟仪器功能设备的通用计算机。同时，虚拟仪器是测试仪器，它又带有浓厚的测试仪器的特征。因此必须处理好以下几项关键性的技术：虚拟仪器的发展必须依赖于计算机的进步和发展；必须借助各种硬件技术和强大的软件资源；必须制定开放式的虚拟仪器 I/O 总线标准。四、结束语5虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一次“革命” ，是仪器领域的一个新的里程碑 ，它使现代测控系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强。无论是测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理 ，还是涉及其
