機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中虛擬儀器的應(yīng)用

劉效含

(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中虛擬儀器的應(yīng)用

劉效含

(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

概述了虛擬儀器系統(tǒng)，包括多功能虛擬儀器的構(gòu)成、軟件部分。對(duì)虛擬儀器在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討，包括應(yīng)用內(nèi)容分析、Matlab在機(jī)械控制工程后臺(tái)控制策略中的應(yīng)用、Labview在機(jī)械控制工程前臺(tái)用戶界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、應(yīng)用價(jià)值。

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)；虛擬儀器；應(yīng)用

1 虛擬儀器

虛擬儀器作為一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，主要是以通用計(jì)算機(jī)為依據(jù)，由用戶對(duì)其定義加以設(shè)計(jì)，具有測(cè)試和虛擬面板的功能。虛擬儀器的面板具有虛擬性，能利用軟件編程實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能，組合不同測(cè)試功能的軟件模塊，保證測(cè)試功能的多樣性，是計(jì)算機(jī)與測(cè)試技術(shù)深度融合的重要體現(xiàn)。虛擬儀器包括應(yīng)用軟件與儀器硬件平臺(tái)，軟件可分為I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序，硬件平臺(tái)可分為I/O接口設(shè)備與計(jì)算機(jī)。I/O接口設(shè)備主要是放大、采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換被測(cè)輸入信息，串口總線儀器、PXI總線儀器、VXI總線儀器、GPIB總線儀器、數(shù)據(jù)采集卡/板等I/O接口的硬件設(shè)備。計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)的重要組成部分，包括嵌入式計(jì)算機(jī)、便捷式計(jì)算機(jī)和PC機(jī)。

虛擬儀器的開(kāi)發(fā)要借助恰當(dāng)?shù)能浖ぞ?，目前常使用的是文本式編程語(yǔ)言(VisualBasic語(yǔ)言和C語(yǔ)言等)和圖形化編程語(yǔ)言(HPVEE和LabVIEW等)。LabVIEW主要是以連線、圖標(biāo)和圖形語(yǔ)言作為文本編寫(xiě)程序，保證編程具有較高的開(kāi)發(fā)效率，相對(duì)直觀、簡(jiǎn)單。對(duì)以LabVIEW為基礎(chǔ)的虛擬儀器，主要是借助PC機(jī)的在線幫助、圖形環(huán)境和運(yùn)算能力等功能，利用軟硬件組建面板，完成數(shù)據(jù)的顯示與分析以及儀器的控制等。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有較強(qiáng)的可重配置性和可復(fù)用性，價(jià)格低廉，計(jì)算更新周期短等。

1.1 多功能虛擬儀器的構(gòu)成

第一，要實(shí)現(xiàn)不同一的測(cè)試功能，只需啟動(dòng)對(duì)應(yīng)模塊就可實(shí)現(xiàn)。第二，利用虛擬儀器可將計(jì)算機(jī)的硬件資源充分共享，使新的測(cè)試儀器具有功能強(qiáng)大、智能化、高可靠性、操作界面簡(jiǎn)潔及方便推廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。第三，運(yùn)用虛擬儀器，測(cè)試功能軟件化，用于制造及調(diào)試硬件的費(fèi)用大大減少，使研發(fā)及運(yùn)營(yíng)成本大幅度下降，傳統(tǒng)測(cè)試儀器中的硬加工也逐漸轉(zhuǎn)化成軟件加工，所需耗費(fèi)的資源及能源減少，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保及綠化的社會(huì)發(fā)展需求。第四，軟件升級(jí)快，增加高科技的信息含量，快速更新并具信息化。除此之外，應(yīng)用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀器自定義的需求，用戶可根據(jù)自己的需求任意組裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試功能，使儀器具有強(qiáng)開(kāi)放性、高參與性、個(gè)性化、系統(tǒng)模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化的特征。

圖1 多功能虛擬儀器的構(gòu)成
Fig.1 The composition of multi-functional virtual instrument

1.2 軟件部分

軟件部分是組成虛擬式測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，不同領(lǐng)域的編程人員可通過(guò)對(duì)不同編程語(yǔ)言 (比如說(shuō)VB語(yǔ)言、VC語(yǔ)言、C++等)的利用，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的處理、運(yùn)算及分析等不同功能，還可通過(guò)面板控制來(lái)制造形象的動(dòng)態(tài)旋鈕、按鈕、指示燈或顯示窗口等多種操作界面。軟件的虛擬面板相當(dāng)于傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中的按鍵式儀器，但利用虛擬式測(cè)試系統(tǒng)可通過(guò)定義不同的系統(tǒng)功能而選擇數(shù)據(jù)處理及分析方法，獲得不同的測(cè)試及分析所用的數(shù)據(jù)或圖形來(lái)完成測(cè)試工作。

2 虛擬儀器在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用內(nèi)容分析

虛擬儀器在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用，可從兩個(gè)方面分析：一是測(cè)試系統(tǒng)軟件方面。軟件部分作為虛擬儀器中的重要構(gòu)成部分，由應(yīng)用程序與系統(tǒng)程序組合而成。軟件可利用LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)編程，借助圖形形式實(shí)現(xiàn)用戶接口，用戶以系統(tǒng)為按鍵儀器，從自身的測(cè)試需求出發(fā)，對(duì)不同的測(cè)試功能進(jìn)行合理選擇。用戶也可選擇數(shù)據(jù)的分析和處理方法，保證測(cè)試系統(tǒng)的快捷性和方便性。二是測(cè)試系統(tǒng)硬件方面。在機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)硬件中，應(yīng)用虛擬儀器時(shí)，可對(duì)振動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間關(guān)系、振動(dòng)頻率、油壓力的變化規(guī)律與平均值、振動(dòng)幅度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合測(cè)試的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如以虛擬儀器的檢測(cè)需求和設(shè)計(jì)思路為依據(jù)，利用計(jì)算機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和傳感器等，保證測(cè)試的順利進(jìn)行。

2.2 Matlab在機(jī)械控制工程后臺(tái)控制策略的應(yīng)用

Labview軟件采用圖形化的語(yǔ)言，將要完成的任務(wù)通過(guò)調(diào)用方式在軟件中以圖形方式顯示。界面顯示的所有元件跟軟件中的程序一一對(duì)應(yīng)，用戶只需將界面連接在一起，無(wú)須進(jìn)行其相關(guān)程序的設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的真正控制，必須采用Matlab來(lái)完成。而使用Matlab首先要解決兩個(gè)軟件數(shù)據(jù)的接口問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)利用Labview軟件中提供的Matlab script接口實(shí)現(xiàn)了二者之間數(shù)據(jù)的連接，通過(guò)Matlab為單容水箱的被控對(duì)象參數(shù)K和T、單容水箱的水位信息以及控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊Matlab軟件的左邊框，系統(tǒng)會(huì)彈出相關(guān)對(duì)話框，然后輸入相關(guān)參數(shù)信息。為了便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，還要利用Matlab中的時(shí)延控制器對(duì)實(shí)時(shí)曲線的顯示速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。用戶選擇工具箱中的時(shí)延控制器，調(diào)節(jié)其旋鈕位置，完成對(duì)控制系統(tǒng)中輸入和輸出的設(shè)計(jì)，最后將系統(tǒng)所需要的PID控制算法輸入到軟件的中間程序，即完成對(duì)單容水箱整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3 Labview在機(jī)械控制工程前臺(tái)用戶界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

啟動(dòng)Labview軟件，創(chuàng)建一個(gè)新的文件，進(jìn)入Labview的主界面。在Labview軟件的圖形選擇框中，選用立方形狀的水箱，用鼠標(biāo)將其拖到軟件的顯示界面中。將單容水箱實(shí)驗(yàn)中要用的水管以及調(diào)節(jié)閥等元器件拖到界面顯示區(qū)域，將各個(gè)零部件按照實(shí)驗(yàn)原理連接到一起，得到一個(gè)模擬的單容水箱系統(tǒng)。從Labview的工具欄中選中示波器對(duì)水箱中水位的變化情況。還要選中多個(gè)數(shù)字輸入框，用來(lái)完成對(duì)單容水箱系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的輸入和顯示。

Labview和Matlab的應(yīng)用徹底解決了傳統(tǒng)教學(xué)方法中大量的計(jì)算和繪制曲線精度較低的問(wèn)題，教師在教學(xué)過(guò)程中可以通過(guò)演示，讓學(xué)生直觀看到其控制效果。借助Labview和Matlab軟件，教師的課程教學(xué)變得清晰明了，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)也比較輕松，起到了事半功倍的效果。Matlab軟件中提供的仿真功能，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能有效排除外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程造成的影響。

2.4 應(yīng)用價(jià)值

以LabVIEW為基礎(chǔ)的虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)測(cè)試分析儀器的輸出、分析和采集等功能模塊，保證功能的虛擬化與軟件化，降低測(cè)試系統(tǒng)的成本。此外，計(jì)算機(jī)能夠利用虛擬儀器技術(shù)形成多功能測(cè)試系統(tǒng)，不僅保持計(jì)算機(jī)的原有功能，還能具備智能信號(hào)發(fā)生器、集成在線測(cè)試儀、頻譜分析儀、數(shù)字存儲(chǔ)示波器等功能，擴(kuò)展計(jì)算機(jī)在信號(hào)的產(chǎn)生與分析、IC測(cè)試、數(shù)據(jù)域、頻域和時(shí)域等方面的功能，強(qiáng)化系統(tǒng)的靈活性與功能。虛擬儀器能簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)，將傳統(tǒng)儀器構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)化為計(jì)算機(jī)+數(shù)據(jù)采集卡(PC插卡)+信號(hào)預(yù)處理模塊+傳感器，有效提高機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)水平。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)機(jī)械工程的測(cè)試要分析和測(cè)試常見(jiàn)機(jī)械的幾何參數(shù)和傳動(dòng)性能，以保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。充分利用計(jì)算機(jī)的豐富資源和虛擬儀器，提高計(jì)算機(jī)與儀器系統(tǒng)的集成度，改善儀器性能，促進(jìn)現(xiàn)代機(jī)械工程的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 熊詩(shī)波，黃長(zhǎng)藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)(第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2] 焦敬品，何存富.機(jī)電類專業(yè)《測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)》模式研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2017，(03)：75-76.

[3] 王清.《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》探討[J].科技信息， 2016，(17)：500.

[4] 張欣悅.測(cè)試技術(shù)課程改革與實(shí)踐[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2015，(13)：94-95.

Applicationofvirtualinstrumentinmechanicalengineeringtestingtechnology

LIU Xiao-han

(College of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130012, China)

This paper summarizes the virtual instrument system, including the composition of multi-function virtual instrument and software. The application of virtual instrument in mechanical engineering test technology were analyzed and discussed, including the application of content analysis, the application of Matlab in the background control strategy of mechanical control engineering, the application value of Labview in user interface design of mechanical control engineering.

Mechanical engineering test technology; Virtual instrument; Application

U415.5

B

1674-8646(2017)20-0152-02

2017-08-15

劉效含(1990-)，女，碩士，助教。