談虛擬儀器及其在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用

　　機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)主要是利用了虛擬儀器的技術(shù)思想及集成測(cè)試的優(yōu)勢(shì)，使得資源能夠極大程度上地進(jìn)行共享，本文是對(duì)虛擬儀器及其在機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用分析。

　　引言

　　現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展主要是看計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)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。隨著科學(xué)技術(shù)的的發(fā)展，尤其是科學(xué)技術(shù)當(dāng)中的信息科學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)我國(guó)工業(yè)的發(fā)展日新月異。工業(yè)領(lǐng)域中的機(jī)械工程測(cè)試的能力、技術(shù)也不斷得到更新。在測(cè)試分析的領(lǐng)域當(dāng)中，傳統(tǒng)的利用模擬信號(hào)來進(jìn)行信息處理的方式已逐漸被數(shù)字信號(hào)處理方式所替代，現(xiàn)使用最為廣泛的信息處理方式就是數(shù)字信號(hào)處理方法[1]。但是市場(chǎng)上數(shù)字化、智能化的測(cè)試儀器或是系統(tǒng)復(fù)雜多樣，雖然其方便了測(cè)試工作，但其儀器之間的連接非常復(fù)雜使得測(cè)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(xiàn)象。在這種背景下，虛擬儀器就被發(fā)明了出來，使得測(cè)試技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。

　　1.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的發(fā)展

　　現(xiàn)代工程測(cè)試技術(shù)是指人們利用專門的儀器設(shè)備，通過對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)量之后再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算及分析等，從而獲得人們所需要的研究對(duì)象的相關(guān)信息，使得人們能夠能過對(duì)信息流的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流及物質(zhì)流的控制的目的[2]�，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的向前進(jìn)步，但同時(shí)也要求有更高的機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)與之匹配，給機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)也帶來了挑戰(zhàn)�，F(xiàn)代工程測(cè)試技術(shù)已逐漸從原來的單一學(xué)科慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬W(xué)科之間的相互借鑒及滲透，使得現(xiàn)代工程測(cè)試技術(shù)能夠形成一個(gè)各學(xué)科內(nèi)容相互滲透的綜合性測(cè)試系統(tǒng)，傳統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)的方法、方式等都能得到更新及提升，讓工程測(cè)試技術(shù)得到進(jìn)一步地發(fā)展。

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)我國(guó)工業(yè)已實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化及工業(yè)自動(dòng)化，并且隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，其一體化及自動(dòng)化水平也越來越高，而工程測(cè)試系統(tǒng)是工業(yè)系統(tǒng)研發(fā)、應(yīng)用及教學(xué)過程當(dāng)中重要的組成部分，所以工程測(cè)試系統(tǒng)也要求越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的工程測(cè)試系統(tǒng)其功能比較簡(jiǎn)單，對(duì)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(cè)試所需要的成本，而且也限制了測(cè)試范圍，同時(shí)測(cè)試參數(shù)的精準(zhǔn)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(tǒng)完善及測(cè)量精準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)來滿足應(yīng)用新技術(shù)的需要，而虛擬儀器就是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的。

　　2.虛擬儀器的基本概念

　　虛擬儀器的引入，主要是隨著經(jīng)本文由論文聯(lián)盟http://收集整理濟(jì)及科技的發(fā)展，現(xiàn)代工程測(cè)試系統(tǒng)需要一種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更新方便，保證機(jī)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性，能實(shí)現(xiàn)資源共享，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，研發(fā)及應(yīng)用成本低廉且擁有自主版權(quán)等一系列功能的前提下而提出來的。應(yīng)用虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)械工程的具體測(cè)試需求，通過對(duì)系統(tǒng)模塊的自由調(diào)換組合、對(duì)系統(tǒng)資源的重新配置，并將現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)資源利用上，采取透明的方式來將機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用效率提高。

　　虛擬儀器當(dāng)中有硬件及軟件，硬件是用來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入及輸出，而軟件則是用來體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)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(tǒng)的前提下，通過利用不同的軟件來提供不同的測(cè)量?jī)x器所需要的功能。虛擬儀器不但實(shí)現(xiàn)了測(cè)試功能的軟件化，而且其面板控制也都是通過軟件來完成的，簡(jiǎn)單來說虛擬儀器的最重要核心就是軟件系統(tǒng)，通過軟件可對(duì)各種儀器進(jìn)行定義，可以說軟件系統(tǒng)就是虛擬儀器本身。

　　虛擬儀器中所帶的測(cè)量?jī)x器主要是用來采集數(shù)據(jù)，同時(shí)還肩負(fù)著測(cè)試及分析數(shù)據(jù)、輸出顯示結(jié)果等功能。其中數(shù)據(jù)的分析及其結(jié)果輸出都是通過軟件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，所以如果能在外部提供一套完整的用于采集數(shù)據(jù)的硬件，就可利用計(jì)算機(jī)來組成一套測(cè)量?jī)x器。我們把這種利用計(jì)算機(jī)來構(gòu)成的數(shù)字化測(cè)量?jī)x器叫做“虛擬儀器”[4]。

　　在實(shí)際的操作當(dāng)中，我們可以根據(jù)具體的測(cè)試需要將所用到的模塊化的硬件接口卡插入計(jì)算機(jī)的總線槽內(nèi)，這樣可同時(shí)將儀器的測(cè)試功能以及用來模擬畫面的面板控制都轉(zhuǎn)變成軟件模塊，然后將計(jì)算機(jī)硬件上的資源進(jìn)行充分地共享，這樣就能在計(jì)算機(jī)的幫助及協(xié)調(diào)下來將機(jī)械工程的測(cè)試、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及取用、數(shù)據(jù)顯示及回放一步到位地完成，而且還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的打印同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，這樣就將傳統(tǒng)儀器中所存在的問題都解決了，從而慢慢替代了傳統(tǒng)的以硬件為主的測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器的應(yīng)用排在了傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的原有結(jié)構(gòu)、測(cè)試模式及有關(guān)測(cè)試概念，使得機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，同時(shí)也體現(xiàn)了現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)正朝智能化及軟件化發(fā)展。虛擬儀器的應(yīng)用將對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)、提高生產(chǎn)效率以及教學(xué)過程當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)可見圖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(jié)構(gòu)

　　3.1硬件部分

　　由圖1中我們可知，虛擬儀器主要是通過利用計(jì)算機(jī)來將傳統(tǒng)測(cè)試儀器的測(cè)試功能進(jìn)行軟件化，也就是我們所說的將測(cè)試功能進(jìn)行軟件化的設(shè)計(jì);同時(shí)要根據(jù)具體的測(cè)試需要將所用到的模塊化的硬件接口卡插入計(jì)算機(jī)的總線槽內(nèi)，還要通過利用傳感器和測(cè)量電路來將測(cè)試對(duì)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組成的測(cè)試系統(tǒng)就完成了。

　　另外我們還可通過利用不同的集成測(cè)試方法來把傳統(tǒng)儀器所擁有的不同測(cè)試功能及面板控件等都集中在同一個(gè)軟件平臺(tái)上，這樣我們就可以利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)而實(shí)現(xiàn)各種不同的工程測(cè)試功能，這不僅發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)而且體現(xiàn)了利用虛擬儀器的測(cè)試效率。具體的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可見圖2。

　　圖2 多功能虛擬儀器的構(gòu)成

　　通過圖2我們可知要實(shí)現(xiàn)不同一的測(cè)試功能只需要啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的模塊就可實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械工程測(cè)試儀器來說，其比較方便且性價(jià)比明顯更高。其次，利用虛擬儀器可將計(jì)算機(jī)的硬件資源進(jìn)行充分共享，從而使得新的測(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)。再次，運(yùn)用虛擬儀器的測(cè)試儀器都測(cè)試功能都軟件化了，因此用于制造及調(diào)試硬件的費(fèi)用就大大減少了，從而使得研發(fā)及運(yùn)用成本有了大幅度地下降，傳統(tǒng)測(cè)試儀器當(dāng)中的硬加工也逐漸轉(zhuǎn)化成軟件加工，所需要耗費(fèi)的資源及能源在很大程度上就減少了，實(shí)現(xiàn)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(jí)非�？焓沟酶呖萍夹畔⒑�量大大增加從而使技術(shù)能夠快速更新并具信息化。除此之外，因應(yīng)用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀器自定義需求，用戶可根據(jù)自己具體需求來任意組裝系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試功能，使儀器具有強(qiáng)開放性、高參與性、個(gè)性化、系統(tǒng)模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化的特征。

　　3.2軟件部分

　　軟件部分是組成虛擬式測(cè)試系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，不同領(lǐng)域的編程人員可通過對(duì)不同編程語(yǔ)言 (比如說vb語(yǔ)言、vc語(yǔ)言、c++等)的利用，通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息進(jìn)行處理、運(yùn)算及分析等不同功能，同時(shí)還可通過面板控制來制造形象的動(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(dāng)于傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中的按鍵式儀器，但利用虛擬式測(cè)試系統(tǒng)可通過定義不同的系統(tǒng)功能而對(duì)數(shù)據(jù)處理及分析的方法進(jìn)行選擇，從而能獲得各種不同的測(cè)試及分析所用的數(shù)據(jù)或是圖形來幫助完成測(cè)試工作。虛擬儀器具體的軟件結(jié)構(gòu)可見圖3。

　　圖3 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)

　　從圖3中我們可看到虛擬儀器具體的軟件結(jié)構(gòu)，其中頻響測(cè)試的功能主要是通過利用傳遞函數(shù)的分析功能來實(shí)現(xiàn)的，其中包括測(cè)定頻響函數(shù)及計(jì)算相干函數(shù)，另外還可以通過對(duì)構(gòu)件的振動(dòng)物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定來使頻響測(cè)試功能得以實(shí)現(xiàn)。示波器的功能主要是通過顯示通道內(nèi)所輸入的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行波形存儲(chǔ)及波形回放而實(shí)現(xiàn)的。而信號(hào)分析儀的功能主要體現(xiàn)于以下幾個(gè)方面：對(duì)時(shí)域進(jìn)行分析、對(duì)頻域進(jìn)行分析以及對(duì)ar譜進(jìn)行分析等功能，在使用這些功能時(shí)，其都可通過信號(hào)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(xiàn)的是多文檔結(jié)構(gòu)的風(fēng)格，多分析窗體可將刷新情況同時(shí)顯示出來，一種信號(hào)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(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬儀器從根本上打破了傳統(tǒng)測(cè)試儀器的功能設(shè)定及實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的測(cè)試儀器其功能都是由廠家來設(shè)定的，其所能測(cè)試的對(duì)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(yīng)用虛擬儀器的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功能的自定義，用戶可利用不同的編程語(yǔ)言在不違反使用規(guī)則的前提下來對(duì)各功能模塊進(jìn)行變換、自由組合以實(shí)現(xiàn)不同用戶的測(cè)試所需，滿足了不同用戶的個(gè)性化需求。另外比較重要的一點(diǎn)是，運(yùn)用虛擬儀器的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)來說，其因?qū)崿F(xiàn)了各功能的軟件化，在很大程度上減少了研發(fā)及運(yùn)用硬件的成本，同時(shí)還減少了資源及能源的消耗，保護(hù)了環(huán)境的同時(shí)還促進(jìn)了企業(yè)的發(fā)展。這表明在未來的機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中，虛擬儀器的使用將成為主流，其有著廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。

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

　　虛擬儀器的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)其也廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。而在機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用虛擬儀器，通常來說是根據(jù)用戶的具體測(cè)試需求來對(duì)系統(tǒng)的軟件及硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)不同檢測(cè)需求，同時(shí)針對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。在這方面，美國(guó)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)出了一種用來測(cè)量mems中硅片厚度的光學(xué)測(cè)微計(jì)，其可分辨到微米級(jí)別。該系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)采集卡來將模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的控制，另外其是利用圖像采集卡來獲取晶體圖像的，而對(duì)于x、y坐標(biāo)的控制則是通過pc-step-4cx來實(shí)現(xiàn)的。除此之外最重要的，對(duì)于數(shù)據(jù)的分析及其結(jié)果的顯示及控制是通過利用labview圖形化的編程語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)的。

　　4.1機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)的硬件

　　下面我們以某一機(jī)械系統(tǒng)來了解虛擬儀器的具體應(yīng)用。利用該系統(tǒng)來測(cè)試機(jī)械產(chǎn)品是否達(dá)標(biāo)主要需要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行測(cè)量：振動(dòng)幅度、油壓力的最大值、平均值及變化規(guī)律、振動(dòng)頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與振動(dòng)力之間的關(guān)系。根據(jù)所要測(cè)試的參數(shù)，我們可進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

　　結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的有關(guān)設(shè)計(jì)思路及檢測(cè)的需求，我們需要用到的硬件有：傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、a/d轉(zhuǎn)換及計(jì)算機(jī)，其具體結(jié)構(gòu)可見圖4。其中的拉壓力傳感器主要是用來對(duì)振動(dòng)力的變化進(jìn)行檢測(cè);壓力傳感器則是用來對(duì)系統(tǒng)的壓力進(jìn)行檢測(cè);位移傳感器是用來對(duì)振動(dòng)的幅度進(jìn)行檢測(cè);而數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計(jì)是用來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量;計(jì)算機(jī)是用來對(duì)整個(gè)測(cè)試內(nèi)容和所需量程進(jìn)行控制的。

　　圖4 機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 圖5 機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　4.2機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)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(tǒng)程序以及應(yīng)用程序構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)可見圖5。軟件功能的編程主要是利用labview來實(shí)現(xiàn)。用戶接口則是利用圖形的方式來實(shí)現(xiàn)，這在很在程度上給用戶帶來的便利，用戶可將系統(tǒng)當(dāng)作按鍵儀器，根據(jù)自己的測(cè)試需求來選擇不同的測(cè)試功能，同時(shí)還可對(duì)數(shù)據(jù)的處理及分析方法進(jìn)行選擇，體現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的方便、快捷。

　　結(jié)語(yǔ)

　　機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)將虛擬儀器應(yīng)用主要是利用了虛擬儀器的技術(shù)思想及集成測(cè)試的優(yōu)勢(shì)，使得資源能夠極大程度上地進(jìn)行共享，借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)后就可利用軟件模塊將計(jì)算機(jī)所擁有的資源以及系統(tǒng)硬件存在的測(cè)試功能，通過對(duì)軟硬件模塊的變換或進(jìn)行不同設(shè)置，從而讓機(jī)械工程所需要的不同測(cè)試任務(wù)得以完成。這不但使測(cè)試功能多樣化，而且很大程度上降低了測(cè)試成本，同時(shí)還為機(jī)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。因此在未來的機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)的發(fā)展當(dāng)中，虛擬儀器的應(yīng)用將成為主流，發(fā)揮著其巨大的測(cè)試作用。

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