談虛擬儀器及其在機械工程測試技術(shù)中的應用
機械工程測試系統主要是利用了虛擬儀器的技術(shù)思想及集成測試的優(yōu)勢，使得資源能夠極大程度上地進(jìn)行共享，本文是對虛擬儀器及其在機械工程測試技術(shù)中的應用分析。
引言
現代技術(shù)的發(fā)展主要是看計算機技術(shù)的進(jìn)步，計算機技術(shù)的不斷革新在很大程度上能牽動(dòng)各行業(yè)的技術(shù)得以更新。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的的發(fā)展，尤其是科學(xué)技術(shù)當中的信息科學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，現我國工業(yè)的發(fā)展日新月異。工業(yè)領(lǐng)域中的機械工程測試的能力、技術(shù)也不斷得到更新。在測試分析的領(lǐng)域當中，傳統的利用模擬信號來(lái)進(jìn)行信息處理的方式已逐漸被數字信號處理方式所替代，現使用最為廣泛的信息處理方式就是數字信號處理方法[1]。但是市場(chǎng)上數字化、智能化的測試儀器或是系統復雜多樣，雖然其方便了測試工作，但其儀器之間的連接非常復雜使得測試工作的效率大大降低，并且存在很多硬件及軟件的冗余現象。在這種背景下，虛擬儀器就被發(fā)明了出來(lái)，使得測試技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。
1.機械工程測試技術(shù)的發(fā)展
現代工程測試技術(shù)是指人們利用專(zhuān)門(mén)的儀器設備，通過(guò)對研究對象進(jìn)行試驗、測量之后再進(jìn)行相關(guān)運算及分析等，從而獲得人們所需要的研究對象的相關(guān)信息，使得人們能夠能過(guò)對信息流的控制來(lái)實(shí)現對能量流及物質(zhì)流的控制的目的[2]�，F代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展帶動(dòng)了機械工程測試技術(shù)的向前進(jìn)步，但同時(shí)也要求有更高的機械工程測試技術(shù)與之匹配，給機械工程測試技術(shù)也帶來(lái)了挑戰�，F代工程測試技術(shù)已逐漸從原來(lái)的單一學(xué)科慢慢轉變?yōu)槎鄬W(xué)科之間的相互借鑒及滲透，使得現代工程測試技術(shù)能夠形成一個(gè)各學(xué)科內容相互滲透的綜合性測試系統，傳統的測試技術(shù)的方法、方式等都能得到更新及提升，讓工程測試技術(shù)得到進(jìn)一步地發(fā)展。
隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，現我國工業(yè)已實(shí)現機電一體化及工業(yè)自動(dòng)化，并且隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)水平的提高，其一體化及自動(dòng)化水平也越來(lái)越高，而工程測試系統是工業(yè)系統研發(fā)、應用及教學(xué)過(guò)程當中重要的組成部分，所以工程測試系統也要求越來(lái)越復雜。傳統的工程測試系統其功能比較簡(jiǎn)單，對于很多需要用上的軟件或是硬件資源都不能兼容或進(jìn)行共享，這不但加大了進(jìn)行測試所需要的成本，而且也限制了測試范圍，同時(shí)測試參數的精準度也大大下降。在這種情況下，人們急需要一套能夠綜合各學(xué)科、功能多樣、系統完善及測量精準的測試系統來(lái)滿(mǎn)足應用新技術(shù)的需要，而虛擬儀器就是在這種需求下應運而生的。
2.虛擬儀器的基本概念
虛擬儀器的引入，主要是隨著(zhù)經(jīng)本文由論文聯(lián)盟http://收集整理濟及科技的發(fā)展，現代工程測試系統需要一種技術(shù)能實(shí)現系統更新方便，保證機動(dòng)運轉的靈活性，能實(shí)現資源共享，系統功能強大，研發(fā)及應用成本低廉且擁有自主版權等一系列功能的前提下而提出來(lái)的。應用虛擬儀器的測試系統可以根據機械工程的具體測試需求，通過(guò)對系統模塊的自由調換組合、對系統資源的重新配置，并將現有的標準化系統資源利用上，采取透明的方式來(lái)將機械工程測試技術(shù)的應用效率提高。
虛擬儀器當中有硬件及軟件，硬件是用來(lái)實(shí)現信號的輸入及輸出，而軟件則是用來(lái)體現整個(gè)系統在運行時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)及功能[3]。虛擬儀器可在利用同一個(gè)硬件系統的前提下，通過(guò)利用不同的軟件來(lái)提供不同的測量?jì)x器所需要的功能。虛擬儀器不但實(shí)現了測試功能的軟件化，而且其面板控制也都是通過(guò)軟件來(lái)完成的，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)虛擬儀器的最重要核心就是軟件系統，通過(guò)軟件可對各種儀器進(jìn)行定義，可以說(shuō)軟件系統就是虛擬儀器本身。
虛擬儀器中所帶的測量?jì)x器主要是用來(lái)采集數據，同時(shí)還肩負著(zhù)測試及分析數據、輸出顯示結果等功能。其中數據的分析及其結果輸出都是通過(guò)軟件系統來(lái)實(shí)現的，所以如果能在外部提供一套完整的用于采集數據的硬件，就可利用計算機來(lái)組成一套測量?jì)x器。我們把這種利用計算機來(lái)構成的數字化測量?jì)x器叫做“虛擬儀器”[4]。
在實(shí)際的操作當中，我們可以根據具體的測試需要將所用到的模塊化的硬件接口卡插入計算機的總線(xiàn)槽內，這樣可同時(shí)將儀器的測試功能以及用來(lái)模擬畫(huà)面的面板控制都轉變成軟件模塊，然后將計算機硬件上的資源進(jìn)行充分地共享，這樣就能在計算機的幫助及協(xié)調下來(lái)將機械工程的測試、計算、數據處理及分析、數據存儲及取用、數據顯示及回放一步到位地完成，而且還能實(shí)現數據的打印同時(shí)對數據進(jìn)行管理，這樣就將傳統儀器中所存在的問(wèn)題都解決了，從而慢慢替代了傳統的以硬件為主的測試系統。虛擬儀器的應用排在了傳統測試技術(shù)的原有結構、測試模式及有關(guān)測試概念，使得機械工程測試技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，同時(shí)也體現了現代測試技術(shù)正朝智能化及軟件化發(fā)展。虛擬儀器的應用將對產(chǎn)品的研發(fā)、提高生產(chǎn)效率以及教學(xué)過(guò)程當中的實(shí)驗都產(chǎn)生世大的影響。
3.虛擬儀器的組成及特點(diǎn)
虛擬儀器主要是由硬件及軟件共同組成，其具體組成結構可見(jiàn)圖1。下面就從這兩方面作具體分析。
圖1 虛擬儀器具體組成結構
3.1硬件部分
由圖1中我們可知，虛擬儀器主要是通過(guò)利用計算機來(lái)將傳統測試儀器的測試功能進(jìn)行軟件化，也就是我們所說(shuō)的將測試功能進(jìn)行軟件化的設計;同時(shí)要根據具體的測試需要將所用到的模塊化的硬件接口卡插入計算機的總線(xiàn)槽內，還要通過(guò)利用傳感器和測量電路來(lái)將測試對象與模塊接口卡進(jìn)行連接，這樣一套完整的利用虛擬儀器來(lái)組成的測試系統就完成了。
另外我們還可通過(guò)利用不同的集成測試方法來(lái)把傳統儀器所擁有的不同測試功能及面板控件等都集中在同一個(gè)軟件平臺上，這樣我們就可以利用一臺計算機而實(shí)現各種不同的工程測試功能，這不僅發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢而且體現了利用虛擬儀器的測試效率。具體的實(shí)現結構可見(jiàn)圖2。
圖2 多功能虛擬儀器的構成
通過(guò)圖2我們可知要實(shí)現不同一的測試功能只需要啟動(dòng)相對應的模塊就可實(shí)現，相對于傳統的機械工程測試儀器來(lái)說(shuō)，其比較方便且性?xún)r(jià)比明顯更高。其次，利用虛擬儀器可將計算機的硬件資源進(jìn)行充分共享，從而使得新的測試儀器具有功能強大、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)。再次，運用虛擬儀器的測試儀器都測試功能都軟件化了，因此用于制造及調試硬件的費用就大大減少了，從而使得研發(fā)及運用成本有了大幅度地下降，傳統測試儀器當中的硬加工也逐漸轉化成軟件加工，所需要耗費的資源及能源在很大程度上就減少了，實(shí)現了環(huán)保及綠化的社會(huì )發(fā)展需求。再一個(gè)軟件的升級非�？焓沟酶呖萍夹畔⒑看蟠笤黾訌亩辜夹g(shù)能夠快速更新并具信息化。除此之外，因應用虛擬儀器實(shí)現了測試儀器自定義需求，用戶(hù)可根據自己具體需求來(lái)任意組裝系統從而實(shí)現不同的測試功能，使儀器具有強開(kāi)放性、高參與性、個(gè)性化、系統模塊化及標準化的特征。
3.2軟件部分
軟件部分是組成虛擬式測試系統的最關(guān)鍵部分，不同領(lǐng)域的編程人員可通過(guò)對不同編程語(yǔ)言 (比如說(shuō)vb語(yǔ)言、vc語(yǔ)言、c++等)的利用，通過(guò)計算機來(lái)實(shí)現對信息進(jìn)行處理、運算及分析等不同功能，同時(shí)還可通過(guò)面板控制來(lái)制造形象的動(dòng)態(tài)旋鈕、按鈕、指示燈或是顯示窗口等種操作界面[5]。軟件的虛擬面板相當于傳統測試系統當中的按鍵式儀器，但利用虛擬式測試系統可通過(guò)定義不同的系統功能而對數據處理及分析的方法進(jìn)行選擇，從而能獲得各種不同的測試及分析所用的數據或是圖形來(lái)幫助完成測試工作。虛擬儀器具體的軟件結構可見(jiàn)圖3。
圖3 虛擬儀器的軟件結構
從圖3中我們可看到虛擬儀器具體的軟件結構，其中頻響測試的功能主要是通過(guò)利用傳遞函數的分析功能來(lái)實(shí)現的，其中包括測定頻響函數及計算相干函數，另外還可以通過(guò)對構件的振動(dòng)物性參數進(jìn)行測定來(lái)使頻響測試功能得以實(shí)現。示波器的功能主要是通過(guò)顯示通道內所輸入的信號，并對其進(jìn)行波形存儲及波形回放而實(shí)現的。而信號分析儀的功能主要體現于以下幾個(gè)方面：對時(shí)域進(jìn)行分析、對頻域進(jìn)行分析以及對ar譜進(jìn)行分析等功能，在使用這些功能時(shí)，其都可通過(guò)信號分析儀在菜單或是工具條上進(jìn)行方便的選擇。另外軟件體現的是多文檔結構的風(fēng)格，多分析窗體可將刷新情況同時(shí)顯示出來(lái)，一種信號的改變可在不同的分析窗體中同時(shí)顯示。
3.3虛擬儀器的特點(diǎn)
在機械工程測試系統中應用虛擬儀器從根本上打破了傳統測試儀器的功能設定及實(shí)現。傳統的測試儀器其功能都是由廠(chǎng)家來(lái)設定的，其所能測試的對象也是固定的，另外儀器所能完成的任務(wù)也比較單一。然而應用虛擬儀器的機械工程測試系統實(shí)現了功能的自定義，用戶(hù)可利用不同的編程語(yǔ)言在不違反使用規則的前提下來(lái)對各功能模塊進(jìn)行變換、自由組合以實(shí)現不同用戶(hù)的測試所需，滿(mǎn)足了不同用戶(hù)的個(gè)性化需求。另外比較重要的一點(diǎn)是，運用虛擬儀器的機械工程測試系統相比于傳統的測試系統來(lái)說(shuō)，其因實(shí)現了各功能的軟件化，在很大程度上減少了研發(fā)及運用硬件的成本，同時(shí)還減少了資源及能源的消耗，保護了環(huán)境的同時(shí)還促進(jìn)了企業(yè)的發(fā)展。這表明在未來(lái)的機械工程測試系統當中，虛擬儀器的使用將成為主流，其有著(zhù)廣闊的發(fā)展及應用前景。
4.虛擬儀器在機械工程測試技術(shù)中的應用
虛擬儀器的發(fā)展非常迅速，現其也廣泛應用于各領(lǐng)域。而在機械工程測試系統當中應用虛擬儀器，通常來(lái)說(shuō)是根據用戶(hù)的具體測試需求來(lái)對系統的軟件及硬件進(jìn)行設計，以實(shí)現不同檢測需求，同時(shí)針對檢測結果進(jìn)行分析。在這方面，美國的弗吉尼亞洲技術(shù)公司有了一定成就，其利用虛擬技術(shù)研發(fā)出了一種用來(lái)測量mems中硅片厚度的光學(xué)測微計，其可分辨到微米級別。該系統主要是通過(guò)數據采集卡來(lái)將模擬信號及數字信號輸出，從而實(shí)現對激光器的控制，另外其是利用圖像采集卡來(lái)獲取晶體圖像的，而對于x、y坐標的控制則是通過(guò)pc-step-4cx來(lái)實(shí)現的。除此之外最重要的，對于數據的分析及其結果的顯示及控制是通過(guò)利用labview圖形化的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現的。
4.1機械工程測試系統的硬件
下面我們以某一機械系統來(lái)了解虛擬儀器的具體應用。利用該系統來(lái)測試機械產(chǎn)品是否達標主要需要對以下參數進(jìn)行測量：振動(dòng)幅度、油壓力的最大值、平均值及變化規律、振動(dòng)頻率、發(fā)動(dòng)機的轉速與振動(dòng)力之間的關(guān)系。根據所要測試的參數，我們可進(jìn)行如下設計。
結合虛擬儀器技術(shù)的有關(guān)設計思路及檢測的需求，我們需要用到的硬件有：傳感器、動(dòng)態(tài)應變儀、a/d轉換及計算機，其具體結構可見(jiàn)圖4。其中的拉壓力傳感器主要是用來(lái)對振動(dòng)力的變化進(jìn)行檢測;壓力傳感器則是用來(lái)對系統的壓力進(jìn)行檢測;位移傳感器是用來(lái)對振動(dòng)的幅度進(jìn)行檢測;而數字式光電轉速計是用來(lái)對發(fā)動(dòng)機的轉速進(jìn)行測量;計算機是用來(lái)對整個(gè)測試內容和所需量程進(jìn)行控制的。
圖4 機械工程測試系統硬件結構 圖5 機械工程測試系統軟件結構
4.2機械工程測試系統的軟件
軟件部分是虛擬儀器的最關(guān)鍵組成部分，其主要是由系統程序以及應用程序構成，其具體結構可見(jiàn)圖5。軟件功能的編程主要是利用labview來(lái)實(shí)現。用戶(hù)接口則是利用圖形的方式來(lái)實(shí)現，這在很在程度上給用戶(hù)帶來(lái)的便利，用戶(hù)可將系統當作按鍵儀器，根據自己的測試需求來(lái)選擇不同的測試功能，同時(shí)還可對數據的處理及分析方法進(jìn)行選擇，體現了測試系統的方便、快捷。
結語(yǔ)
機械工程測試系統將虛擬儀器應用主要是利用了虛擬儀器的技術(shù)思想及集成測試的優(yōu)勢，使得資源能夠極大程度上地進(jìn)行共享，借助計算機平臺后就可利用軟件模塊將計算機所擁有的資源以及系統硬件存在的測試功能，通過(guò)對軟硬件模塊的變換或進(jìn)行不同設置，從而讓機械工程所需要的不同測試任務(wù)得以完成。這不但使測試功能多樣化，而且很大程度上降低了測試成本，同時(shí)還為機械產(chǎn)品的研發(fā)提供了技術(shù)保障，使研發(fā)效率得以提高。因此在未來(lái)的機械工程測試技術(shù)的發(fā)展當中，虛擬儀器的應用將成為主流，發(fā)揮著(zhù)其巨大的測試作用。
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