機械工程測試技術中虛擬儀器的應用

劉效含

(長春理工大學光電信息學院，長春 130012)

機械工程測試技術中虛擬儀器的應用

劉效含

(長春理工大學光電信息學院，長春 130012)

概述了虛擬儀器系統，包括多功能虛擬儀器的構成、軟件部分。對虛擬儀器在機械工程測試技術中的應用進行了分析和探討，包括應用內容分析、Matlab在機械控制工程后臺控制策略中的應用、Labview在機械控制工程前臺用戶界面設計中的應用、應用價值。

機械工程測試技術；虛擬儀器；應用

1 虛擬儀器

虛擬儀器作為一種計算機儀器系統，主要是以通用計算機為依據，由用戶對其定義加以設計，具有測試和虛擬面板的功能。虛擬儀器的面板具有虛擬性，能利用軟件編程實現儀器的測量功能，組合不同測試功能的軟件模塊，保證測試功能的多樣性，是計算機與測試技術深度融合的重要體現。虛擬儀器包括應用軟件與儀器硬件平臺，軟件可分為I/O接口儀器驅動程序與應用程序，硬件平臺可分為I/O接口設備與計算機。I/O接口設備主要是放大、采集、模/數轉換被測輸入信息，串口總線儀器、PXI總線儀器、VXI總線儀器、GPIB總線儀器、數據采集卡/板等I/O接口的硬件設備。計算機作為硬件平臺的重要組成部分，包括嵌入式計算機、便捷式計算機和PC機。

虛擬儀器的開發要借助恰當的軟件工具，目前常使用的是文本式編程語言(VisualBasic語言和C語言等)和圖形化編程語言(HPVEE和LabVIEW等)。LabVIEW主要是以連線、圖標和圖形語言作為文本編寫程序，保證編程具有較高的開發效率，相對直觀、簡單。對以LabVIEW為基礎的虛擬儀器，主要是借助PC機的在線幫助、圖形環境和運算能力等功能，利用軟硬件組建面板，完成數據的顯示與分析以及儀器的控制等。與傳統儀器相比，虛擬儀器具有較強的可重配置性和可復用性，價格低廉，計算更新周期短等。

1.1 多功能虛擬儀器的構成

第一，要實現不同一的測試功能，只需啟動對應模塊就可實現。第二，利用虛擬儀器可將計算機的硬件資源充分共享，使新的測試儀器具有功能強大、智能化、高可靠性、操作界面簡潔及方便推廣等諸多優點。第三，運用虛擬儀器，測試功能軟件化，用于制造及調試硬件的費用大大減少，使研發及運營成本大幅度下降，傳統測試儀器中的硬加工也逐漸轉化成軟件加工，所需耗費的資源及能源減少，實現了環保及綠化的社會發展需求。第四，軟件升級快，增加高科技的信息含量，快速更新并具信息化。除此之外，應用虛擬儀器實現了測試儀器自定義的需求，用戶可根據自己的需求任意組裝系統，實現不同的測試功能，使儀器具有強開放性、高參與性、個性化、系統模塊化及標準化的特征。

圖1 多功能虛擬儀器的構成
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試系統的關鍵部分，不同領域的編程人員可通過對不同編程語言 (比如說VB語言、VC語言、C++等)的利用，通過計算機實現對信息的處理、運算及分析等不同功能，還可通過面板控制來制造形象的動態旋鈕、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于傳統測試系統中的按鍵式儀器，但利用虛擬式測試系統可通過定義不同的系統功能而選擇數據處理及分析方法，獲得不同的測試及分析所用的數據或圖形來完成測試工作。

2 虛擬儀器在機械工程測試技術中的應用

2.1 應用內容分析

虛擬儀器在機械工程測試技術中的應用，可從兩個方面分析：一是測試系統軟件方面。軟件部分作為虛擬儀器中的重要構成部分，由應用程序與系統程序組合而成。軟件可利用LabVIEW來實現編程，借助圖形形式實現用戶接口，用戶以系統為按鍵儀器，從自身的測試需求出發，對不同的測試功能進行合理選擇。用戶也可選擇數據的分析和處理方法，保證測試系統的快捷性和方便性。二是測試系統硬件方面。在機械工程測試系統硬件中，應用虛擬儀器時，可對振動力與發動機轉速間關系、振動頻率、油壓力的變化規律與平均值、振動幅度等參數進行測量，并結合測試的參數進行設計。如以虛擬儀器的檢測需求和設計思路為依據，利用計算機、A/D轉換、動態應變儀和傳感器等，保證測試的順利進行。

2.2 Matlab在機械控制工程后臺控制策略的應用

Labview軟件采用圖形化的語言，將要完成的任務通過調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應，用戶只需將界面連接在一起，無須進行其相關程序的設計。要實現對控制系統的真正控制，必須采用Matlab來完成。而使用Matlab首先要解決兩個軟件數據的接口問題。

本設計利用Labview軟件中提供的Matlab script接口實現了二者之間數據的連接，通過Matlab為單容水箱的被控對象參數K和T、單容水箱的水位信息以及控制參數進行設定。用戶可以通過點擊Matlab軟件的左邊框，系統會彈出相關對話框，然后輸入相關參數信息。為了便于學生對實驗結果的觀察，還要利用Matlab中的時延控制器對實時曲線的顯示速度進行調節。用戶選擇工具箱中的時延控制器，調節其旋鈕位置，完成對控制系統中輸入和輸出的設計，最后將系統所需要的PID控制算法輸入到軟件的中間程序，即完成對單容水箱整個控制系統的設計。

2.3 Labview在機械控制工程前臺用戶界面設計中的應用

啟動Labview軟件，創建一個新的文件，進入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，用鼠標將其拖到軟件的顯示界面中。將單容水箱實驗中要用的水管以及調節閥等元器件拖到界面顯示區域，將各個零部件按照實驗原理連接到一起，得到一個模擬的單容水箱系統。從Labview的工具欄中選中示波器對水箱中水位的變化情況。還要選中多個數字輸入框，用來完成對單容水箱系統中相關參數的輸入和顯示。

Labview和Matlab的應用徹底解決了傳統教學方法中大量的計算和繪制曲線精度較低的問題，教師在教學過程中可以通過演示，讓學生直觀看到其控制效果。借助Labview和Matlab軟件，教師的課程教學變得清晰明了，學生學習起來也比較輕松，起到了事半功倍的效果。Matlab軟件中提供的仿真功能，在實驗過程中能有效排除外界因素對實驗過程造成的影響。

2.4 應用價值

以LabVIEW為基礎的虛擬振動測試系統借助計算機的軟硬件資源，在計算機上實現測試分析儀器的輸出、分析和采集等功能模塊，保證功能的虛擬化與軟件化，降低測試系統的成本。此外，計算機能夠利用虛擬儀器技術形成多功能測試系統，不僅保持計算機的原有功能，還能具備智能信號發生器、集成在線測試儀、頻譜分析儀、數字存儲示波器等功能，擴展計算機在信號的產生與分析、IC測試、數據域、頻域和時域等方面的功能，強化系統的靈活性與功能。虛擬儀器能簡化測試系統，將傳統儀器構成的測試系統簡化為計算機+數據采集卡(PC插卡)+信號預處理模塊+傳感器，有效提高機械工程測試技術水平。

3 結語

對機械工程的測試要分析和測試常見機械的幾何參數和傳動性能，以保證機械設備的正常運行。充分利用計算機的豐富資源和虛擬儀器，提高計算機與儀器系統的集成度，改善儀器性能，促進現代機械工程的可持續發展。

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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。