仪器测试技术发展论文

2024-08-19

仪器测试技术发展论文（共9篇）

仪器测试技术发展论文篇1

测试技术作为获取信息的手段之一,是一门与计量科学和产品质量紧密相关的科学,是仪器仪表和测试手段的结合,是人们认识和改造自然的一种不可或缺的手段。仪器设备的不断精密和复杂化对测试系统提出了更高的要求,促进了测试系统的不断发展。测量技术根据仪器的发展大致可分为五代:模拟仪器技术、数字仪器技术、智能仪器技术、虚拟仪器技术及IVI技术。

1 模拟仪器技术

模拟仪器现在已经很少被运用到了,只能在某些实验室才能被看到。如指针式万用表、晶体管电压表等。他们的基本结构是电磁机械式的,借助指针来显示测试结果。

2 数字仪器技术

数字仪器现在还被广泛应用在一些简单设备的测量中,如数字电压表、数字频率计等,这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量,并以数字方式输出最终结果。

3 智能仪器技术

20世纪70年代以来,随着微处理器和计算机技术的发展,微处理器和计算机被越来越多的嵌入到测量仪器中构成了所谓的智能仪器。智能仪器是测试技术由人工测试迈向自动测试的重要一步,从此测试技术与计算机技术紧密的联系起来了。

与模拟仪器和数字仪器相比,智能仪器内置微处理器,既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力,可取代部分脑力劳动,同时具有快速响应和较高准确性的优点。

但是它的功能模块全部都是以硬件或固化的软件的形式存在的,缺乏灵活性。随着设备复杂性的不断提高,测试系统也变得越来越复杂。一方面,一个测试系统中经常会出现多台带有微机的仪器与PC机同时使用,但又不能相互补充和替代,造成了资源的极大浪费。另一方面,由这类仪器搭建的测试系统一般都是专用系统,一旦其被测对象退役,为其服务的一大批专用测试系统也随之报废。

4 虚拟仪器技术

4.1 概述

虚拟仪器技术是指以通用计算机作为系统控制器、由软件来实现人机交互和大部分功能的一种仪器测试系统。虚拟仪器的内部功能划分如图1所示。[1]

从图中可以看出,在虚拟仪器中,硬件仅仅是为了解决信号的采集,信号处理和测量结果的显示则是借助于计算机显示器以虚拟面板的形式来实现的。另外,数据的传送、分析、处理、存储也都是由计算机软件来完成的,这就大大突破了传统仪器仪表信号采集、信号处理和结果表

达与仪表控制三部分都用电子线路来实现的限制。虚拟仪器和传统仪器的最大区别是虚拟仪器以软件为核心,传统仪器以硬件为核心。[2]

4.2 虚拟仪器的硬件构成

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机,如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等,测控功能硬件是计算机硬件平台的外围部分,它与计算机硬件平台构成了虚拟仪器系统的硬件环境,也是虚拟仪器的硬件基础。目前常见的虚拟仪器硬件平台如表1所示,用户针对不同应用,可以选用不同的虚拟仪器硬件平台。[3]

4.3 虚拟仪器的软件构成

在虚拟仪器中,软件是整个仪器的关键核心部分。它将所有的仪器控制信息均集中在虚拟仪器的软件模块中,一方面实现了部分仪器硬件的软件化,另一方面,通过软件技术和数值算法,实时的对数值资料进行分析处理;同时通过图形用户接口技术,真正做到人机交互。

虚拟仪器的软件结构分为3部分:输入输出(I/O)接口软件、仪器驱动程序和应用软件开发环境。[4]

输入输出接口存在于仪器与驱动器之间,是完成对仪器的内部的寄存器单元进行直接存储数据的操作,对总线背板和器件做测试并为仪器与驱动程序提供信息传递的底层软件,是测试系统软件的基础。

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器实现控制与通信的软件程序集,是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。每一种设备驱动都具有一个共同的应用程序编程接口(API)。因此,即使是不同的操作系统,应用程序也是可移植的。

虚拟仪器的应用软件建立在仪器驱动程序之上,直接面对操作用户,是虚拟仪器软件的上层。虚拟仪器软件开发环境大致分为两种:一种是用传统编程软件进行编写,如Visual Basic、Visual C++和Delphi等。另一种是用图形化编程软件进行开发,如Labview、Lab Windows、CVI、VEE等。

5 IVI技术概述

随着测试仪器的快速发展,出于设备废行、升级而引起的硬件设备的变更常常迫使系统人员对现有测试系统软件进行重复的修改和编译工作。为进一步方便测试系统最终用户对系统的使用和维护,在1998年成立了IVI基金会,其宗旨是致力于建立和推行一套IVI规范,使得测试工程师可以对不同厂家、不同型号的同一类仪器编写相同的程序代码,当测试系统硬件发生变化时,测试程序代码可以重用。具体的说,IVI技术有以下特点:

1)通过仪器的可互换性,节省测

试系统的开发费用。

2)通过仿真,使测试开发更容易,

更经济。

3)量程检查及参数强制。

4)通过状态缓冲,改善测试性能。

5)多线程安全性。

5.1 IVI系统的结构

一个标准的IVI系统结构如图2所示,由测试程序、IVI配置程序、IVI分类驱动程序、IVI引擎、IVI专用驱动程序和IVI配置文件六部分组成。[5]

1)测试程序:测试程序是上层应用程

序,在此实现用户界面的编程、各项参数配置以及驱动程序的调用。

2)IVI分类驱动程序:一个分类程

序是一组仪器无关函数和属性,用于控制某一类型的仪器。

3)IVI专用驱动程序:包含一个控制特定仪器的驱动程序。

4)IVI引擎:IVI引擎完成状态缓存、仪器属性跟踪、分类驱动程序到具体驱动程序的映射功能,是实现IVI仪器驱动程序完成状态缓存和其他增强性能的关键支持库。

5)IVI配置程序:IVI配置程序用于配置仪器无关测试系统,创建和配置IVI逻辑名称。

6)IVI配置信息文件:该文件存储了所有逻辑名称和分类程序到具体仪器驱动程序的映射信息。

5.2 IVI仪器无关性的实现方法

IVI技术的最大优点是实现了仪器的互换性,即仪器无关性。其实现方法如图3所示。

在应用软件中通过逻辑名称调用分类驱动程序初始化函数,IVI引擎通过逻辑名称检查IVI配置文件,以确定正在使用的具体仪器,并动态的调用具体移动驱动程序相应的初始化互换函数,与仪器建立会话连接,并将会话句柄返回给分类驱动程序,然后分类驱动程序其他函数通过该句柄发送仪器控制命令和接收数据,这些函数同样被IVI引擎映射到具体仪器驱动的函数,以完成对硬件仪器的I/O操作。因为测试程序调用的是分类驱动程序,而分类驱动程序通过不同的具体仪器驱动程序来操作具体仪器,所以更换了仪器后,只要修改配置文件中的信息,使程序中的逻辑名称指向新的仪器和仪器驱动程序,而应用程序不需要任何改变。[6]

5.3 IVI仪器驱动程序

由上述可知,IVI仪器驱动程序是IVI系统的关键之一。IVI驱动程序是软件接口,是用户应用程序与I/O接口之间承上启下的中间层。IVI驱动程序可细分为:IVI专用驱动程序、IVI类兼容专用驱动程序、IVI定制专用驱动程序和IVI分类驱动程序。这几类驱动程序之间的关系如图4所示。

IVI仪器驱动程序的工作机制如图5所示。当驱动程序在高层函数中设置属性时,IVI引擎访问属性范围表进行范围检查和强制设定值,并在适当时候激活属性回调函数,执行I/O操作。如果执行了I/O操作,则高层函数还要在驱动程序中调用检查状态回调函数,以读取仪态状态寄存器,查看是否有错误发生。由此可见,在IVI驱动程序中,一个高层函数可能由一系列的调用IVI库函数以及最终对硬件操作的I/O所组成,并通过IVI引擎对仪器驱动程序进行管理。

6 结束语

随着计算机技术的快速发展,测试技术必将不断发展以适应快速发展的仪器设备的测试需求。

由上面的论述可以看出,在测试技术的发展中,计算机已经成为整个测试系统的核心,软件成为测试系统的灵魂。如何使测试系统的准确性更高、测试速度更快、测试代码的可重复性更好、仪器的互换性更强将是学者研究的热点。

虽然IVI技术发展迅速,实现了大部分仪器的互换功能,但是IVI技术还有很多地方需要进一步的发展和完善。可以预见,IVI技术仍将是测试技术研究的热点。

参考文献

[1]Ross B.DoD Automatic Test Systems Strategy Refresh IEEE AUTO T ES-TCON[C].2004.

[2]王勇,王昌龙,戴尔晗.现代测试技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[3]秦云川,徐大专,李彤.测量仪器总线技术的发展与现状[J].中国仪器仪表,2005,8:48-52.

[4]IVI Foundation.IVI-3.1:Driver ArchitecctureSpec-vl.1.http://www.ivifoundation.org.

[5]杨锁昌,孟晨,黄考利.仪器无关测试系统IVI配置文件的管理[J].计算机自动测量与控制,2001,9(4):4-6.

仪器测试技术发展论文篇2

手机测试

挑战：

中国的手机市场发展迅猛，世界各大手机厂商竞相争夺手机用户。在如此激烈的竞争中，手机的功能日趋丰富，比如摄像头、MP3、FM调频收音机等等。同时，手机通讯协议也层出不穷，GSM、CDMA、GPRS、CDMA、EDGE、WCDMA等等。为了应对产品的不断变化，工程师面临着提高效率并缩短产品市场化时间的挑战，他们需要一个灵活而强大的.通用测试平台。我们先来看一个通用测试平台针对手机通讯协议的变化而表现出来的优势。大家知道，2G的协议比如GSM和CDMA都已被成功地运用于市场了，而3G的协议比如WCDMA，CDMA2000等等是未来的必然趋势。在从2G到3G的转变中，面临客户群、设备置换、技术的成熟度风险等等问题。运营商希望能够进行平滑的过渡，在不丢失已有手机用户的情况下，首先升级交换网络部分，这使得用户可以使用过渡期的2.5G产品，然后等时机成熟时再升级无线网络部分达到3G的标准。2G的测试仪器已经比较成熟，3G的测试产品正在加紧开发，2.5G的专用测试设备却由于传统仪器制造商考虑到研发成本和市场前景的问题而匮乏。

一家著名的手机制造商制造了支持EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)协议的2.5G手机产品，需要针对这一产品的测试方案。EDGE是一个专业协议，由于它的出现时间比较短，了解它的人也比较少，要在短期内构建一个EDGE测试系统是一个巨大的挑战。为了在市场上与同行竞争，需要在一个月内能够使用这套测试设备。

应用方案：

利用TestStand模块化，兼容性强，可自定义的特点，根据生产测试的需要对其进行修改与完善，并结合LabVIEW，GPIB卡，以及相应的测试仪器，创建百分之百符合自己需要的CDMA基站测试系统。

使用的产品：

硬件上整个系统包含了一个PXI机箱，其中有：

NI PXI-8186

2.2 GHz Intel奔腾4处理器的嵌入式PC，预装Windows XP操作系统

NI PXI-5660

2.7GHz RF信号分析仪，9 kHz到2.7 GHz，20 MHz实时带宽，80 dB真实动态范围

NI PXI-5670

RF信号源，250 kHz到2.7 GHz，16位，100 MS/s任意波形发生，22 MHz实时带宽

NI PXI-5122

14位数字化仪，100 MS/s实时采样，2 GS/s随机间隔采样，100 MHz带宽

NI PXI-4070

6位半数字万用表，6 ppm精度

其中，NI PXI-5660被用作矢量信号分析仪，NI PXI-5670被用作射频信号源，NI PXI-5122被用作示波器，NI PXI-4070被用作数字万用表。

软件上使用了LabVIEW图像化开发环境和NI-DAQmx驱动程序。

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仪器测试技术发展论文篇3

河南农大农业测试技术与仪器研究中心 (又名河南农大测试技术研究所、河南农大迅捷测试技术有限公司) , 是以发展快速检测技术与装备为宗旨的产学研一体的校办研究中心, 成立于1992年。拥有一支优秀的研究团队, 依靠河南农大学科齐全的优势, 大力推进现代检测技术与农业的结合。

主要产品有:

一、迅捷土壤养分速测仪系列 (8种) 。是高效、准确、低廉、便携、多用集为一体的土壤速测仪比实验室测试成本低10~15倍, 科技部重点攻关成果。特点是:

1.常量元素有效氮磷钾的联合浸提剂:提高浸提速度24倍, 节约测试时间70%。 (发明专利2项) 。已制定为农业部行业标准。

2.铵态氮、速效钾、碱解氮速测分析方法:提高分析速度2~24倍, 发明专利2项、实用新型专利1项。有效磷温度自动校准。已制定为农业部行业标准。

3.土样水分测定比色方法:3分钟完成测试, 不受土类的影响适于现场测定鲜土。免除风干过程, 缩短测试周期2~3天。

4.触摸屏、多通道、多项目 (常量微量元素) , 以及GPS定位测土施肥网络服务平台。

二、迅捷植株营养诊断仪系列。用于诊断作物营养, 指导作物追肥, 有三类产品:

1.迅捷反射仪-试纸条作物营养诊断仪:按试纸条功能, 可测定植株任意成分, 为国内首创产品。国产、进口试纸条都可使用, 摆脱了国外高价耗材的技术垄断控制。已申报发明专利。

2.迅捷反射式叶绿素仪:为国内外首创, 与日本SPAD, 或美国CM-200等透射式叶绿素仪相比, 其叶片厚度及叶绿素浓度不受限制。大大提高了高浓度叶绿素叶片的检测精度。

3.迅捷反射式叶绿素定量直读测定仪。已申报发明专利。

三、迅捷食品安全速测仪系列4种。是国家食品安全关键技术专项子项目产品, 特点是检测项目多, 兼具生化 (酶抑制率) 和理化比色功能, 具有消除假阳性功能, 实用新型专利。可测杀虫剂、杀菌剂生长调节剂残留, 重金属、有害添加剂等20多种食品中的有害成分。

四、迅捷瞬稳式化学发光分析仪两种。国家创新基金产品, 特点:一是可观察发光动力学全过程。二是无须仪器药剂泵送与分配系统, 大大简化结构和成本, 而重现性误差不大于2.5%。实用新型专利。是大陆唯一静态注射瞬稳式化学发光分析仪, 和唯一化学发光教学专用仪。

五、迅捷表面等离子生物分析仪。可检测大分子蛋白, 病毒、激素、DNA、兽药残留等, 在大陆是唯一小型化, 生物芯片可更换产品, 耗材费用低。已出口朝鲜。

年底将推出激光一字线型新一代SPR生物分析仪。

仪器测试技术发展论文篇4

专业简介：

电气工程及其自动化涉及电力电子技术，计算机技术，电机电器技术信息与网络控制技术，机电一体化技术等诸多领域，是一门综合性较强的学科，其主要特点强弱电结合、电工技术与电子技术结合、软件与硬件结合、元件与系统结合，使学生受到电工电子、信息控制及计算机技术方面的基本训练、具有从事电气工程领域某专业方向的工程设计、系统分析、系统运行、研究开发、经济管理和教学工作的基本能力。有很强的适应性，既可以在电力系统和电气装备领域，也可以在自动化及信息领域从事工程设计、研究开发、系统运行、设备制造等工作。

主干学科：

电气工程、控制科学与工程

主要课程：

主要课程：电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、工程电磁场、信号系统与信号处理、连续与离散控制系统、微机原理及接口技术、自动控制原理、PLC原理及应用、电机学、电力电子技术、电力系统分析。

主要实践性教学环节：

模拟电子技术基础实验、微机原理与接口实验、电机学实验、电机控制课程设计、电气工程认识实习、金工实习、电子电路基本技能实习、电子技术综合设计与实践、可编程器件及数字系统、电气技术基础综合设计与实践、毕业设计

测试计量技术及仪器

测试计量技术及仪器学科属仪器科学与技术中的二级学科，它是一门涉及数学、物理学、微电子学、精密机械、传感器技术、自动控制技术、计算机技术和通信技术的交叉新型学科，并与信息、通信工程、计算机科学与技术、电子科学与技术、控制科学与工程紧密联系并相互支持。本学科的研究范畴是：研究获取客观世界信息与处理的方法及工具。其发展方向一是测量范围向两端延伸，测量精度进一步提高，二是向动态、实时在线、遥控、多功能、数字化、智能化方向发展。

主要课程：

机械工程现代测试实验、机械制造技术基础、精密机械设计、智能仪器、分析仪器、分析测试试验、在线检测技术、现代测试技术、互换性与测量技术、光电检测技术、数值计算方法、VC编程、地球探测技术及仪器、虚拟仪器、精密测量理论与技术、随即信号分析与处理、弱信号检测、计量学基础、传感器工程

车辆测试技术及仪器是测试计量技术及仪器专业中的研究方向之一，主要开展关于车辆动态测试与分析技术、动态性能评价、动态测试原理与方法、专用测试仪器开发、车辆故障智能化诊断、结构模态分析、机电一体化方面的新技术研究及其设备仪器、机械自动化生产线、车辆检测车及检测线等方面的的研究、研制开发工作。动态测试与信号处理、专用测试仪器研制、汽车检测和汽车故障智能化诊断是本研究方向的特色。

一级学科名称：仪器科学与技术

二级学科名称：精密仪器及机械、测试计量技术及仪器

仪器测试技术发展论文篇5

1.1 计量测试仪器的概念

现代计量测试仪器的概念即仪器仪表与测量之间的关系。从专业角度来看, 计量测试与仪器仪表之间是相互区别又相互联系的。生活中我们常见的仪器仪表常用来检测物理、化学的数值, 作用在于测量方法与原理, 探求是实现过程。计量测试则与仪器仪表不同, 计量测试不仅是测量, 而是通过测量所获取的信息对其进行集中的系统化处理, 分析信息中的数据。因此, 计量测试就是通过计量和测试来获取测量信息, 而计量测试则必须借助仪器仪表来实现观测目的。

1.2 计量测试仪器研究的现状

目前计量测试仪器随着科学技术的不断进步, 带动着现代计量测试仪器的创新发展, 而现代计量测试仪器自身不断完善不断改进。现代计量测试仪器与传统计量测试仪器相比, 现代计量测试仪器的测量范畴已经不再局限于计量测试与仪器仪表相结合的模式下, 而是以计算机为核心, 与信息技术相融合, 通过智能仪表, 进行自动检测、自动分析、自动处理的智能模式。这种智能模式下的现代计量测试仪器不仅使测量信息更为准确, 还极大地提高了工作时效, 同时解决了某些人工无法测量的领域难题, 实现了在没有仪器仪表的情况下也能够准确测量。就目前研究现状来看, 现代计量测试仪器具有极大的优越性。

2 现代计量测试仪器的特点

目前科学技术日趋成熟, 现代计量测试仪器也变得更加智能化。随着人们对现代计量测试仪器的要求不断增多, 现代计量测试仪器的功能也在不断增加。现代计量测试仪器的特点主要包括测量速度与智能化程度、灵活性与信息化技术的融合。

2.1 测量速度与智能化程度

随着科学技术的不断提高, 现代信息技术应用十分广泛。其中作为改造物质世界的现代计量测试仪器, 已经广泛应用到工业生产的各个领域及方方面面。现代计量测试仪器采用先进的智能检测技术, 因此, 智能化是现代计量测试仪器最为显著的特点。现代计量测试仪器通过采用先进的智能检测设备, 将以最快的测量速度对故障诊断、样品检测等多项内容进行自动化的信息处理。除此之外, 现代计量测试仪器还需要外部部件的性能支持, 例如我们常见的通信、打印、存储等设备为现代计量测试仪器提供相应的便利条件, 同时这些设备在创新中不断改进、不断完善。现代计量测试仪器的智能化程度大致从三个方面进行分析, 量程选择功能的智能化是现代计量测试仪器智能化的第一个方面, 即核心是以自动转化技术为基础, 向高智能化方向转变, 并根据测量信号的变化调节量程, 实现现代计量测试仪器跟踪监测。第二个方面是故障诊断功能的智能化, 由于现代计量测试仪器的应用越来越广泛, 使用现代计量测试仪器通道越来越多, 因此容易引发一系列的故障问题。故障诊断功能的智能化, 可以加强测量通道自身的自我诊断能力, 对故障显示、故障分析、故障自我修复等进行自动化提示, 从根本上提高了现代计量测试仪器的实用性。最后一个方面是现代计量测试仪器可以提供人性化的服务, 例如比较实用的报警功能、自动信息存储功能、自我校准功能等。

2.2 灵活性与信息化技术的融合

现代计量测试仪器除了具备强大的快速测量和高智能化外, 还具有高灵活性。现代计量测试仪器与传统计量测试仪器相比最大技术突破在于, 传统计量测试仪器以硬件检测设备为主, 形成工艺较为复杂, 同时零件参数存在着较大的分散性。现代计量测试仪器以软件为主, 减少了复杂的硬件工艺生成程序。此外, 对零件参数或对各项功能、性能指标进行更改时, 现代计量测试仪器具有更强的灵活性与扩展性, 通用化程度较高。现代计量测试仪器在灵活性的基础上还通过借助计算机融合了信息化技术, 由于现代计量测试仪器的测量通道较多且十分复杂, 通过与信息化技术融合, 可以对不同通道进行扫描抽样检测, 实现方便快捷的实时测量。现代计量测试仪器与信息技术的融合还体现在现代计量测试仪器的多传感器信息融合, 对多次测量结果、从多个角度、多个侧面进行分析, 从而获得较为准确的测量结果。

3 现代测量仪器的发展方向

随着科学技术取得一次又一次的重大突破, 信息技术与现代计量测试仪器之间的应用也越来越广泛。现代计量测试仪器的发展主要依靠信息技术的支持, 朝着更高层次的智能化发展。现代计量测试仪器要想得到更快更好的发展, 其根本在于将数据的处理方法进行升级。随着现代计量测试仪器普及应用, 标准化程度也在不断提高, 力求实现分散仪器设备进行联网使用, 减少系统损耗。就当前现代计量测试仪器的发展而言, 智能化还需要进一步升级, 智能化升级包括多个方面, 也就是说全面的智能化升级。现代计量测试仪器智能化发展, 强化其指令功能, 丰富其图形指令, 不断简化现代计量测试仪器软件设计, 将现代计量测试仪器智能化进一步升级, 从而提高现代计量测试仪器的实用性。另一方面, 现代计量测试仪器可以利用虚拟现实技术, 减少硬件设施建设, 以最低的成本提高现代计量测试仪器的测量速度与时效。现代计量测试仪器智能化升级, 离不开应用新型信息技术的协同发展, 将科技前沿信息技术融合到现代计量测试仪器中, 与多学科交叉渗透, 从而提高仪器的整体性能。现代计量测试仪器作为人类进步与改造物质世界的重要标志, 具有不可比拟的优越性, 现代计量测试仪器在创新、改进与完善中将取得更大成就, 更好地服务于人们的生活。

摘要：随着科学技术的不断进步, 现代计量测试仪器广泛用于日常生活中的各个领域。现代计量测试仪器是人类认识与社会发展的重要标志, 对加强我国经济发展、国防建设、社会生产等方面都发挥着重要作用。本文根据计量测试仪器的概念与特点进行阐述说明, 探究现代计量测试仪器未来的发展方向。

关键词：计量测试仪器,发展方向,特点

参考文献

[1]李宏校.现代计量测试仪器的特点与发展方向[J].中国新技术新产品, 2015 (22) :31-35.

[2]叶声华, 秦树人.现代测试计量技术及仪器的发展[J].中国测试, 2009 (02) :29-33.

[3]余富贵.现代计量测试仪器特点分析[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2015 (07) :23-29.

仪器测试技术发展论文篇6

典型的数据采集控制系统由四大部分组成。

由于可编程仪器放大器技术、即插即用技术、告诉数据采集技术、多层电路板技术等最新技术的运用,让我们的数据采集卡很好的保证了和仪器一样的性能(精度、可靠性),该解决方案的使用让用户可以建立功能更加灵活,性能高但成本并不高的数据采集控制系统。

(一)基于GPIB接口的虚拟仪器

GPIB(General Purpose Interface Bus)是一种8位并行数据通讯接口,传输率达每秒钟1MB以上,有IEEE488 1 1987和IEEE48821992两个标准。如图所示,GPIB构成的虚拟仪器系统由GPIB接口卡和一台计算机以及若干台GPIB仪器通过标准的GPIB电缆相互连接而成。利用VXI总线实现虚拟仪器VXI是虚拟仪器比较具有代表性的硬件实施平台,它的特点是数据传送性能高,支持共享存储器,拥有多处理器结构,在实际运用中可以同时操作和测量数个已获得的数据通道,且可以实现对对个参数的高精度测量。一个基本的VXI仪器系统可以有三种不同的配置方法。

1)GPIB控制解决方案;

2)嵌入式计算机控制方案;

3)MXI总线控制方案;

从目前业界来说,比较主流的开发环境主要有2种:基于图形编程语言设计的虚拟仪器,比如labview,另一种为编程语言设计的虚拟仪器,例如CVI等。其中labview是世界上首次使用图形编程技术的开发系统,其本质是32位编译型程序开发系统。

(二)虚拟仪器技术的关键以及发展

虚拟仪器的最关键最基本的技术为总线技术。

我们要用到电脑的几种插槽(如PCI插槽、ISA以及各种扩展槽),在开发虚拟仪器之前,我们必须先确定用何种总线标准,PCI总线就是近年来一种比较先进和主流的总线规范。这种总线规范具有极好的兼容性,且功能全,传输效率也相对较高。在1998年,NT公司公开发布了PXI总线标准,这种标准可以看做是PCI在该领域的一次突破性扩展,有了这种新的标准,让我们的硬件功能可以更加强劲,在处理虚拟仪器的数据时处理速度大幅度提升。

二、虚拟仪器技术的应用

在开发和推广图形化编程技术这方面,我们首先要提到的是总部位于美国的NI。该公司作为业界的领军者,可以提供一个完成度非常高的虚拟仪器系统所需的所有硬件产品(包括各种性能优良的的数据采集产品,各种GPIB仪器控制产品以及各种不同配置方案的VXI仪器控制产品等)。NI的虚拟仪器的开发平台Lab VIEW作为目前最常见的编译型图形化编程语言,将以往非常复杂且程序繁琐的编程简化为直观、简单的图标或菜单,并运用线条将各个图像相互连接起来的简单编程方式。Labview中的源程序,非常类似于程序流程图。因此,我们只需要将程序流程框图做好,程序的编译也大体完成。在查错时也不必先编译,而是找出语法的错误即可。在实际操作中,我们只需要简单的点击鼠标左键三次,立即可以找出错误的类别,和具体的位置。该特性使用起来非常方便也极大的降低了工作人员的工作量。

三、汽车发动机检测系统

我国的清华大学利用虚拟仪器技术建立的汽车引擎检测系统,对发动机的动态检测如功率特性、负荷等特性进行检测。以前我们都是在DOS下开发的开发程序,往往需要很多年才开发出的系统在实际的使用中都不理想,现在将系统移植到labview下,不但开发时间大大缩短,开发出的检测系统其功能性、控制性能、扩展性能都大大的提高。

四、虚拟仪器技术在汽车测试实验中的应用

现在我们使用labview所提供的基本模块来制作简易的实验测试系统,便能够相对比较形象的展示出实验场景的搭建,并且可以对相关的控件进行操作,开展实验。

下面本文将以汽车热敏电阻传感器作为例子来介绍如何使用该系统编制程序进行实验。

名称:热敏电阻特性曲线测定

要求:实测PTCNTC 2种热敏电阻的温度曲线

工具:一般配置的计算机(win7操作系统)、labview软件

用公式节点给出随温度变化2种热敏电阻阻值的变化关系

我们将温度区间设定为20-120摄氏度,其中每5摄氏度为一个测试节点,每个温度测量的时间间隔是1000ms用功能面板里的write to spread sheet file函数,将电阻值和温度值保存成文本格式(.txt)。具体的文件名和保存路径有用户自己来设置。

具体顺序如下,当程序启动,先选择类型为热敏电阻,点击电吹风加热键,随着温度的持续增加,负温度系数的热敏电阻阻值直线降低,最终当温度上升至120度时,画出温度特性曲线,这是计算机自动弹出保存按键,键入自定义的文件名予以保存。

与传统实验方式比较

优点总结

在传统的实验中,所需要的实验设备非常多,具体有数热敏电阻、万用表、烤枪、温度计等等,而在虚拟设备中,我们仅仅要用到的硬件是装有labview软件的计算机。相对来说实验的经费投入大大减少,且极大的降低了实验室日常维护保养得难度。

仪器测试技术发展论文篇7

声纳是海军舰艇进行水下搜索、警戒、侦察及通信的主要装备,其种类多,型号复杂,作为构成声纳装备基本单元的电路板(PCB)种类更是多达数百种,而且随着高新装备不断列装部队,声纳装备PCB结构越来越复杂,数字化、集成化程度越来越高,PCB的测试、维修已成为声纳装备维修最重要的内容。PCB传统的维修、测试方法是将电源、信号源通过人工的方法接入PCB,再利用电压表、示波器、逻辑分析仪等测试仪器对PCB输出端及关键点的信号进行测试,维修人员再通过分析电路结构、查找技术资料或根据个人经验来判断PCB工作是否正常,进而查找故障点。这种方法工作量大、连线极为繁琐,维修效率低下;需配置种类繁多、价格昂贵的仪器仪表;工作成败完全取决于维修人员的技术水平。由于存在上述缺陷,传统的维修、测试方法已经不能很好地满足声纳装备PCB维修、测试需要。而虚拟仪器技术的发展为声纳装备PCB测试和维修提供了新的思路。利用该技术,可以更好地发挥计算机强大的信息处理功能和图形界面功能,大大简化了测试设备,极大地提高部队的装备应急保障能力。

虚拟仪器是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物,它将计算机资源(CPU、存储器、显示器等)和通用仪器硬件(A/D、D/A变换器、数字输入/输出、定时和信号处理器等)与用于数据分析、过程通讯及用户图形界面的软件有效地结合起来,组成了功能强大、多变的虚拟仪器。其核心思想是利用计算机强大的资源优势使本来需要专用硬件实现的技术软件化,以便最大限度地降低系统成本,增强系统功能与灵活性。用户借助通用的计算机硬件平台,调用不同的测试软件,就可以构成不同功能的仪器。构筑仪器的核心由原来的硬件转移到了软件,由此形成了“软件就是仪器”这样的新概念。

1 虚拟仪器技术及特点

虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器中,硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡(DAQ)、串/并口、IEEE488接口(GPIB)卡、VXI控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。在这里,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个系统的关键。正由于软件是虚拟仪器的关键,所以当基本硬件确定以后,就可以通过不同的软件(如用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件)实现不同的功能。因此,从某种意义上可以说:软件就是仪器。用户可以根据自己的需要,设计自己的仪器系统,满足多种多样的应用要求。

与传统仪器相比,虚拟仪器的特点在于:

(1)强调“软件就是仪器”的新概念,软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色。由于充分利用计算机技术,完善了数据的传输、交换等性能,使得组建系统变得更加灵活、简单。

(2)复用性强,系统费用低。应用虚拟仪器思想,用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器,如同一个高速数字采样器,可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接,还可实现虚拟仪器的分布式共享,更好地发挥仪器的使用价值。

(3)可操作性强,易用灵活。虚拟仪器面板可由用户定义,针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解,测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线,这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。

2 声纳PCB测试系统的功能要求

声纳PCB测试系统作为一台专用的具有自动测试功能的仪表,它应具有下述功能:

(1)自动给被测PCB提供最佳测试环境。计算机根据被测PCB的电路特点,提供合适的激励信号,并自动将激励信号加至PCB信号输入端,使PCB处于一种最适合测试的工作状态。

(2)自动将PCB响应信号采集到计算机中,利用计算机本身的软、硬件资源和较为成熟的虚拟仪器技术,完成对采集信号的波形显示、波形分析,得出PCB的各技术指标,并与存储在计算机中的其标准值进行比较,全面对被测PCB的技术状况进行评估。

(3)在采用板边测试法时,仅靠板边信息将PCB故障定位到器件几乎是不可能的。考虑到声纳PCB是由较为典型的单元电路构成,操作者亦为专业技术人员,故本测试系统将每块PCB分成若干个单元电路,通过仿真或实测手段,将每个单元电路关键点信号存入计算机。这样在进行故障诊断时,在计算机的提示下,测试者通过测试夹将关键点波形采入计算机进行显示。同时计算机将该点标准波形显示出来,测试者通过比较判断,即可压缩故障范围,找到故障点。这样一方面能达到快速测试、维修的效果,同时减少了诊断软件的复杂性,节约了开发成本。

3 系统的硬件结构

由于声纳装备PCB种类繁多、结构复杂,要完成对所有PCB的自动测试、诊断,系统硬件和软件是相当复杂的。为了较好地完成这些任务,本测试系统采用了混合型计算机构成的混合型应用系统。它是由通用计算机与单片机系统通过标准接口相连而成。通用计算机系统称为主机,主机与插在其PCI插槽中的数据采集卡、任意波形发生卡承担应用系统中人机对话、数据采集、模拟及数字信号产生、大容量数据的计算、诊断、打印和图形显示等任务,单片机部分则完成系统的对象控制任务。本测试系统硬件由通用微机、可程控测试接口、数据采集卡、任意波形发生卡、直流低压电源及转接器组成。系统结构组成如图一示:

当系统工作时,主机通过串口将PCB型号传送给单片机,单片机将存贮在EPROM中相应型号PCB控制字写入电子阵列开关及继电器阵列控制寄存器,自动将电源、激励信号接到PCB相应引脚上,将PCB输出端连接到数据采集卡的输入端;主机同时通过驱动软件控制任意波形发生卡(产生模拟信号)或数据采集卡(产生数字信号)产生相应的激励信号到待测PCB;通过数据采集卡采集被测PCB响应数据,并通过总线将数据传送给主控机。主控机在主诊断程序的控制下,完成对采集信号的波形显示及波形分析,得出PCB的各技术指标,并与存储在计算机中的其标准值进行比较,全面对被测PCB的技术状况进行评估。各主要模块功能如下:

(1)可程控测试接口模块:由以89S52为核心的单片机系统、以MT8816芯片构成的电子开关阵列及继电器阵列构成,负责将直流电源、激励信号分配给PCB输入端,并将PCB输出信号接到数据采集卡的输入端。

(2)任意波形发生卡:采用一块基于PCI总线的PCI4311卡,该卡采用大容量FPGA和SRAM技术实现DDS控制器驱动生成双路独立的任意波形发生,输出从0.02Hz到10MHz,调节步长为0.02Hz。常规使用时可以选择输出正弦波、方波、三角波、锯齿、脉冲波、噪声等常规波形,对波形进行调频、调幅处理,亦可输入用户指定波形文件或数学表达式生成所需的波形,负责向PCB提供测试所需各种模拟激励信号。

(3)数据采集卡:采用两块NI PCI-6224卡,每块NI PCI-6224卡具有32路模拟输入(分辨率:16-Bit,采样频率:250khz),48路数字I/O。其功能是:完成对采集的模拟信号进行A/D变换:负责向数字电路提供测试码和PCB响应信号的采集;对于带CPU的电路板,与待测电路板的数据总线、地址总线和控制总线连接,完成对电路板的控制和读写操作。

(4)主控微机:采用通用台式PC(至少具备三个PCI插槽),主要功能:控制和指挥整个测试过程;完成所有数据处理及人机交互。

4 系统的软件结构

声纳PCB测试系统的软件系统主要由微机主控程序及单片机控制程序两部分组成。单片机控制程序用C语言编写,用于管理可程控测试接口模块;微机主控制程序通过人—机界面实现对测试系统的整体控制、操作,主要完成待测PCB的性能测试、故障诊断、辅助诊断、信息显示等主要功能,采用Visual Basic 6.0(即VB6)作为支撑软件。

微机主控软件系统包含以下几部分内容:系统测试管理软件;系统自检、校验软件;电路板功能测试软件;电路板诊断软件;电路板测试诊断数据库;被测电路板测试诊断报告。各部分主要功能如下:

系统测试管理软件:提供一个友好的中文操作界面,用于管理整个测试系统执行测试诊断任务。

系统自检、校验软件:用于对整个测试诊断系统进行自检和校验。

电路板功能测试软件:该子程序对待测电路板进行故障检测。故障检测时首先根据测试诊断数据库提供的信息对任意波形发生卡、数据采集卡及单片机系统进行初始化并启动其工作,然后依据测试诊断数据库中的要求进行测试。将测量结果和测试诊断数据中的有关数据相比较,以确定故障检测是否完成。若没有检测出故障,则报告并回到软件主控模块;若检测出电路存在故障,则报告并进入电路板诊断软件。

电路板诊断软件:根据电路板测试诊断数据库提供的信息,提示用户将测试针接到电路板相应位置,利用虚拟仪器面板显示测试点信号波形及相关参数,同时将电路板测试诊断数据库存贮的该测试点的正确信息显示在屏幕上,供用户比对,完成故障隔离和故障定位。

电路板测试诊断数据库:该数据库是和待测电路板是一一对应的,在对某类型电路板进行测试诊断之前,必须建立与它对应的数据库。其内容主要包括诊断步骤、模拟激励、数字激励、信号类型、测试节点、测试位置、特征范围、正确情况、错误情况和提示信息等。它是整个软件部分的核心。

被测电路板测试诊断报告:根据测试诊断程序执行的结果,输出被测电路板的有关测试诊断结果信息。

5 结束语

本文提出了解决声纳装备PCB测试、维修的总体方案。由于采用了计算机控制技术、虚拟仪器技术及模块化设计理念,整个系统硬件结构较为简单,易于升级;同时该系统采用了自动测试,辅助诊断的维修方法,一方面能达到快速、高效维修的目的,另一方面极大地减少了诊断软件的复杂程度,使得系统更加可靠、经济。

但是由于声纳装备PCB种类繁多,而每一种型号的PCB均需建立一个测试诊断数据库,工作量较大,要在短时间内一次性建立所有型号声纳装备PCB测试诊断数据库存在较大难度,因此该测试系统需要在声纳装备维修过程中不断完善,以充分发挥其作用。

参考文献

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仪器测试技术发展论文篇8

近年来, 新能源领域得到了空前发展。以电动汽车为代表的新能源汽车正被大面积推广。新型动力电池是电动汽车的技术关键。铅酸电池的大量使用容易造成环境的铅污染[1], 而锂电池的大电流放电能力不足, 超级电容电池是近年来兴起的一种新型电池。相比铅酸电池和锂电池, 超级电容电池具有充电速度快、循环寿命长、容量大及对环境无污染等优点, 因而得到越来越广泛的应用[2]。超级电容电池伏安特性及其容量重要参数, 产品出厂需要进行大量测试。专业的电池测试管理系统费用十分昂贵, 因此, 本文针对实验室动力型超级电容电池的测试需要, 在现有程控直流电源和电子负载的基础上, 采用虚拟仪器技术, 在L a b V I E W环境下搭建电池的软件测试平台, 实现对电池测试的控制、数据采集和分析功能。

1 超级电容电池工作原理

超级电容电池原理上结合了超级电容器和锂离子电池的优点[3]。超级电容器主要是利用了多孔电极材料的高比表面积的特点, 通过电解液离子极化形成的双电层完成储能[4]。超级电容器在工作时, 由于多孔材料做成的电极浸在电解溶液中, 中间加有隔膜。当充电时, 带正电的电极大量吸附阴离子, 而带负电的电极吸附阳离子。但是电荷并不会通过电极表面转移, 而是在电极和电解液之间重新排列富集, 从而产生了位移电流。于是能量就通过富集于电极表面而存储[5]。这种结构的电池具有功率密度高、循环寿命长和低温性能好的优点。而锂离子电池是一种典型的电化学电池, 其正负电极中嵌有不同的锂离子化合物。电池工作过程中, 不断有锂离子从一端电极中脱离, 经过电解液, 又嵌入到另一端电极中。电荷就随着电解液和电极之间的电化学反应而转移[6]。这种原理电池具有安全性好、能量密度高和自放电低的优点[5]。超级电容电池的一个电极采用双电容储能机制, 另一个电极采用电化学储能机制[3]。因而具备了两者的共同优点, 尤其是高比功率、高比能量和高放电电压以及长循环寿命的特点[9]。

2 虚拟仪器介绍

虚拟仪器 (Virtual Instruments, VI) 是一种以计算机为载体的自动化测量与控制系统, 用来实现对现实世界的各种物理量进行测量或对物理过程进行控制[7]。NI公司为虚拟仪器设计的软件环境是Lab VIEW, 是目前最常用的虚拟仪器开发平台。Lab VIEW编程环境主要包括前面板和后面板。其中前面板放置的是人机交互的控件, 完成计算机输入设置、参数和图像显示, 后面板完成程序的编写。Lab VIEW与传统的编程软件相比, 采用的是非常直观易懂的图形语言, 即G语言。不需要繁琐的代码编写, 只需把相关函数或者功能模块的输入输出端子相应连接起来即可, 大大降低了编程难度。Lab VIEW开发环境自带多种通信接口, 包括RS232、USB、GPIB等, 能够非常便捷地与多种设备仪器进行通信。Lab VIEW编程环境提供直接调用MATLAB的接口, 能够借助MATLAB处理复杂的数据运算。

3 超级电容电池测试平台设计

3.1 平台整体结构

本文设计的超级电容电池测试平台主要组成部分包括上位机的虚拟仪器部分、程控直流电源、电子负载以及充放电电路控制部分。电源、负载以及电路控制部分是平台的执行机构, 受到上位机虚拟仪器的控制, 与上位机之间采用RS232C协议通信。平台整体结构如图1所示。电路控制需要一个能和上位机通信的处理器, 接收上位机发出的电路开闭指令, 并驱动电路中的接触器断开或闭合。为了今后能够对测试平台进一步改进, 如进行测试中的超级电容电池电压均衡控制或者其他更多参数实时测量等, 下位机特为此预留出多个I/O口。

3.2 前面板设计

软件的前面板是人机交互接口, 前面板主要放置的是软件需要的输入输出控件。根据钒电池测试的具体要求, 程序的前面板应该包括如下功能:输入主要是电池充放电的参数, 包括设备选择、充放电方式选择、参数大小、充放电截止参数/时间以及充放电启动/停止/数据保存和电路开闭的开关和文件命名输入等。输出主要是软件的显示控件, 包括电池充放电曲线、实时电流电压、当前累计充放电容量和测试时间。前面板不涉及到编程问题, 一个良好的前面板设计, 主要应该考虑各控件的位置, 保证整齐、美观。图2为本文设计的超级电容电池测试开放平台前面板图。

3.3 后面板程序设计

软件后面板完成前面板中数据的传递, 向硬件系统发出指令, 接收数据处理等环节的任务。后面板的设计采用了模块化的程序编程思想, 先将系统需要实现的各个功能模块编写为可以在顶层程序中直接调用的子vi。本文着重介绍以下几个重要模块的编写。

3.3.1 串口通信模块设计

如前所述, 本文中所涉及的通信全部是RS232通信。在Lab VIEW中使用串口通信, 需要借助Lab VIEW提供的VISA库完成。VISA (Virtual Instruments Software Achitecture) 虚拟仪器体系结构是VXI——即插即用联盟规定的标准I/O接口软件, 是目前仪器设备接口类型功能函数的超集[10]。Lab VIEW环境自带VISA的API函数, 支持串口的读写、开闭及配置等操作。因此通过VISA可以实现任何类型的串口通信应用。如图3为通信串口的配置和读写程序[11,12]。程序首先配置串口通信参数为9600波特率, 8位数据, 零校验和1位停止位。程序通过使用串口字节数属性以读取所有接收到的数据。

3.3.2 电源和负载控制及数据采集[13]

本文程控直流电源和电子负载使用台湾艾德克斯的大功率产品, 作为程控设备采用的指令是SCPI指令。SCPI指令是一种用于可编程仪器的标准指令集, SCPI指令包括IEEE.2标准中的通用指令和设备特定指令。本文用到的是设备特定的指令, 主要包括设置充放电参数、测量电压电流及启动与停止指令。其指令格式为:<关键字>:参数。电源提供的充电方式包括恒压充电和恒流充电模式, 电子负载还提供恒功率和固定电阻放电模式。因为充电时需要考虑在测试容量时有恒流转恒压的充电过程, 因此需要设置充电电流和充电电压。放电过程则只需要选择某种特定的方式即可, 不同方式对应于不同的SCPI指令, 因此, 在编写这个部分时采用枚举变量选择case结构进行设置。

对于数据采集, 主要是通过直流电源和电子负载远端测量端子和输出/入端构成的负反馈回路, 测量得到精确的电池端电压及输入/出电流大小, 并以ASCII码形式上传到上位机进行处理。设备上传数据需要得到上位机程序的指令才能进行。这里需要用到两条指令, 即“MEAS:CURR?”和“MEAS:VOLT?”。平台设置的采集时间间隔为1秒。这一部分放在主程序循环之中。测量电压的程序图如图5所示。

平台提供了数据的保存功能, 由于Lab VIEW提供有对excel电子表格的读写接口, 本文将测量的原始数据和计算处理的数据统一保存在excel里[14,15]。Excel表头包括序号、时间、电压、电流、功率、安时容量和瓦时容量等栏目。其中的累计容量计算采用电流对时间积分求得[1], 瓦时容量通过功率对时间的积分计算。

4 实验验证

利用此测试平台, 可以针对超级电容电池进行一系列基于充放电的测试实验, 如超级电容电池的容量测试、效率分析。本文以对四个标称为35Ah的电池组成的串联电池组的容量测试实验为例对测试平台进行验证。根据超级电容电池组的测试标准[1], 电池容量测试方法是先将电池充满电, 静置到温度稳定在25±2℃后, 进行恒流放电, 计算放电的安时容量。此处电池组设定恒流充电电流17.5A, 待电池充电到电池组端电压上升到60V时, 转为恒压充电模式, 待电流下降低于0.3A时, 认为电池已完全充满。放电过程采用17.5A电流恒流放电, 电压截止电压设定为42V, 得到放电容量值为32.4Ah。图6为实验的充放电曲线。电池放出的容量小于35Ah, 这是因为, 当电压下降到42V后, 还能继续放电。但此时, 从图中可以看出, 电压和功率正在迅速降低, 设定42V的截止电压是因为电池在实际工作中保持适度的放电深度对电池是有好处的。另外, 在这个充放电过程中随机选择多点, 采用电压表测量电池组端电压, 使用福禄克的电流钳测量电路中的电流, 均与直流电源、电子负载显示以及上传的数据吻合。因此, 实验证明该平台在超级电容电池测试应用中是可靠的。

5 结束语

仪器测试技术发展论文篇9

在雷达系统中,伺服系统的主要任务是采用各种有效方式使天线电轴对准目标,或使天线光轴(机械轴)随动位置指令。因而,伺服系统具有很重要的地位,而驱动电机是伺服系统的核心设备。船载雷达工作在大洋之上,工作环境比较特殊,伺服电机要长期保持良好的工作状态比较困难,同时也很重要。因而,设计一种电机检测系统,定期检测电机的工作性能和参数就很有必要且极具意义。关于虚拟仪器在伺服电机中的应用,国内已经开展了很多研究[1,2,3,4,5,6,7]。本文设计了一种直流电机性能虚拟仪器测试系统,该系统采用National Instruments公司的LabVIEW和LabVIEW RT虚拟仪器软件平台以及与其配套的PCI,SCXI和compactFieldPoint(cFP)虚拟仪器硬件来完成。该系统可以实现电机负载控制以及对扭矩、转速、功率及机体温度的实时监控;并且通过TCP/IP协议测试数据的远程共享和用户实现对测试系统的远程操控。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

电动机性能虚拟仪器测试系统主要由主控机、实时监控模块、测功机以及待测直流电机四部分组成,如图1所示。

主控机为一台工作站,用于提供图形化用户界面,完成对系统软硬件的配置和设置,实时更新各指标参量对时间的波形显示和经曲线拟合后电动机的特性曲线,完成测试数据的记录工作。与此同时,主控机还通过嵌入式PCI数据采集卡完成对非控制参量(如输入电压和工作电流)的测量工作。

测功机为电涡流测功机,用于为待测电机提供负载,并由其内部的传感设备将待测电机在该负载下的扭矩、转速以及输出功率等待测指标参量转换为cFP实时监控模块A可以接收的电压信号。

1.2 工作原理

电动机性能虚拟仪器测试系统可在自动和手动两种工作模式下运行。主要测试项目有:输入电压、输入电流、输入功率、扭矩、转速、输出功率、机体表面温度、机体内部温度等。自动工作模式下,主控机首先等待用户完成软硬件的设置和配置,然后提请用户选择负载测试或定参数测试。负载测试下,用户需要设置负载曲线、负载时间、循环时间以及测试时间等测试参数;定参数测试下,用户可以选择指定扭矩、转速或者功率,并设置相应的定标参数、控制参数以及测试时间。完成以上步骤以后,就可以启动测试程序,测试系统即按照用户制定的负载自动加载,同时完成对待测电机性能的测试,或者通过一定的控制算法保持定标参数的稳定,并对该状态下待测电机进行自动测试。系统运行的同时,用户可以在实时监测图表中观察各指标参量对时间的波形显示和经过曲线拟合后得到的电动机特性曲线,并可将有价值的图表导出存盘。当测试时间到达时,系统自动终止测试。

2 硬件结构

电动机性能虚拟仪器测试系统硬件组成框图如图2所示,下面对其主要的组成部分进行介绍[3]。

2.1 主控机

主控机选用一台工作站,内嵌了一块PCI-6052多功能数据采集卡,PCI-6052多功能数据采集卡前置了一块SCXI-1120信号调理卡和配套的SCXI-1327衰减终端,用于采集待测电机工作电压和工作电流的输入信号。

2.2 实时监控模块

实时监控模块选用cFP分布式I/O实时系统,该系统具有FIFO数据队列、断电数据缓存、看门狗状态监测等单元以及高抗冲击性和高抗扰性等特性,用于完成系统最核心的实时采集与控制功能。采用cFP-2020作为实时系统控制器,支持LabVIEW RT实时模块,可脱离LabVIEW编程环境独立实时地运行下载到控制器存储器中的应用程序,并通过控制器内嵌的10/100 Base TX以太网接口实现测试数据的网络共享[8]。

一块cFP DI-330板用于响应紧急停车开关,紧急关闭系统,防止意外事故发生;一块cFP DO-403用于控制与各待测电机相连的固态继电器SSR,以实现系统对工作电路的闭合或断开;一块cFP AO-210板用于为测功机提供加载信号,以增大或减小待测电机所承受的负载,从而在一定的负载下对电动机进行控制。转矩转速测量仪输出的信号直接与计算机串口相连,利用LabVIEW的串口功能实现数据采集。

2.3 实时测温模块

实时测温模块同样选用cFP分布式I/O实时系统,采用cFP-2020控制器,配以4块cFP TC-120八通道热电偶模块,可直接用于测量标准J型热电偶,并提供相应的信号调理、输入噪声过滤、冷端补偿以及热电偶的温度算法,用于在电动机工作端实施前端数据采样,并利用基于TCP/IP协议的分布式I/O网络共享功能实现数据的远程共享。

2.4 测功机

电涡流测功机由制动器、测力机构和测速装置等几部分组成。制动器调节原动机的载荷,并同时把所吸收的原动机功率转换为热能,水冷系统进行热量的转移。测功机是根据作用力矩与反作用力矩大小相等方向相反的原理来测量扭矩,因此所测扭矩可以通过作用在测功器上的旋转力矩(即制动器外壳反力矩)来指示。

电涡流测功机主要由旋转部分(感应体)、摆动部分(电枢和励磁部分)、测力部分和校正部分组成。感应体产生涡流的地方在导磁涡流环的孔壁上。给励磁绕组通上直流电后,围绕励磁绕组产生一个闭合磁通。当感应体被原动机带动旋转时,气隙磁密随感应体的旋转而发生周期性变化,在涡流环孔壁表面及一定深度范围内将产生涡流电势,并产生涡流,该涡流所形成的磁场又与气隙磁场相互作用,产生了制动转矩,采用相位差转矩转速传感器测量转矩和转速[8]。

2.5 转矩转速传感器

海安航天机电生产的CGQ型转矩转速传感器,主要由扭力轴、转筒及壳体等三部份组成。磁检测器包括配对的两组内、外轮,永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装在扭力轴测量段的两端,内齿轮装在转筒内,和外齿轮相对,永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内,感应线圈安装在壳体的两端盖内。在驱动电机的带动下,内齿轮随同转体旋转。永久磁钢,内外齿轮构成环状闭合磁路[9]。

当扭力轴受到扭矩时,产生扭角。扭角的变化即扭矩的变化,也即相位差的变化。

2.6 控制机柜

控制机柜主要由控制开关、开关电源、滤波器以及连接线路组成,为各路传感模块提供相应的多路接口,使之与待测电机连接,并提供安全的系统供电、激励注入、信号隔离、幅度调节以及风冷控制等辅助功能,为整个电动机测试系统提供强电支持及系统应急措施。

3 软件结构及算法

3.1 软件结构

电动机性能虚拟仪器测试系统总体采用一种基于TCP/IP协议的客户机/服务器(CS)结构。服务器架构为cFP分布式I/O体系,利用其内嵌的独立式实时系统实现目标参量的信号采样,并完成对目标参量的实时监测和控制。客户机则采用通用的PC机结构,借助TCP/IP协议实现与服务器之间控制参量及检测数据的通信,并提供GUI图形化用户界面,实现人机交互,完成控制参数的输入以及检测数据的分析、运算和图表显示[10]。

3.2 PID控制算法

该系统试验了位置式、增量式和积分分离式三种PID控制算法[1]。

3.2.1 位置式控制算法

位置式PID控制算法描述为:

$\begin{array}{l} u (k) = Κ_{Ρ} e (k) + Κ_{Ι} \sum_{k = 0}^{k} e (j) + \\ Κ_{D} [e (k) - e (k - 1)] (1) \end{array}$

式中:k为采样序号,k=0,1,2…;u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值;e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值;KI为积分系数,KI=KPT/TI;KD为微分系数,KD=KPTD/T;KP为比例系数,TI为积分时间常数,TD为微分时间常数,T为采样周期。

该算法的优点是原理简单,易于实现;缺点是每次输出均与先前状态有关,要对e(k)进行累加,运算工作量大,而且输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置,如计算机出现故障,u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。

3.2.2 增量式控制算法

增量式PID控制算法为:

$\begin{array}{l} Δ u (k) = Κ_{Ρ} Δ e (k) + Κ_{Ι} e (k) + \\ Κ_{D} [Δ e (k) - Δ e (k - 1)] (2) \end{array}$

式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)。

该算法的优点是:由于计算机输出增量,误动作时影响小。当计算机发生故障时,由于输出通道或执行装置具有信号锁存作用,故仍能保持原值。控制增量Δu(k)的确定仅与最近k次的采样值有关,易通过加权处理而获得较好的控制效果;其不足之处在于积分截断效应大,有静态误差,溢出的影响大。

3.2.3 积分分离式控制算法

积分分离PID控制算法为:

$\begin{array}{l} u (k) = Κ_{Ρ} e (k) + β Κ_{Ι} \sum_{k = 0}^{k} e (j) + \\ Κ_{D} [e (k) - e (k - 1)] 3) \end{array}$

式中:β=1;|e(k)|≤εβ=0;|e(k)|>ε。

当|e(k)|>ε,即偏差值|e(k)|比较大时,采用PID控制,可避免过大的超调,又使系统有较快的响应;

当|e(k)|≤ε,即偏差值|e(k)|比较小时,采用PID控制,可保证系统的控制精度。

经过试验比较,采用积分分离式PID控制算法将过渡过程时间由位置式的19.5 s和增量式的16 s缩短为12 s,最大超调量由位置式的36%和增量式的25%缩小为18%,具有超调小,响应速度快,稳定性能好,遇干扰回复能力强等优点。

4 结语

该电动机性能虚拟仪器测试系统,理论上可以实现直流电机的负载控制以及对扭矩、转速、功率以及温度的实时监测,并利用TCP/IP协议可实现主控机对直流电机的远程操控以及测试数据的网络共享。

摘要：虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术两门学科的结晶,在此将现代虚拟仪器技术应用于船载测控雷达直流电机测试,设计了船载测控雷达直流伺服电机的在线测试系统,使用PID控制算法控制定标参量,通过TCP/IP协议实现了测试数据的远程共享和用户对测试系统的远程操控。该系统可以实现直流电机的负载控制以及对扭矩、转速、功率以及温度的实时监测。

关键词：虚拟仪器,电机测试,PID,TCP/IP

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