虚拟测试技术

虚拟测试技术（共10篇）

虚拟测试技术 篇1

0 引言

介质损耗角正切是反应电气设备绝缘性能的重要指标, 常用的测量方法有西林电桥法和电流比较仪式电桥法。西林电桥法是测量电容值和介质损耗角正切最为广泛的方法, 其缺点是易受到外界电磁场的干扰和电路中杂散电容的影响。相比于西林电桥, 电流比较仪式电桥不易受外部条件影响, 具有测量范围宽, 精度高, 高低压电气隔离, 操作简单安全等优点[1]。

通过分析电流比较仪式电桥特性, 设计基于Simulink的虚拟测试平台。利用Stateflow流程图设计离散傅里叶变换和自动平衡算法, 通过整周期截断提取系统电压基波幅值与相位, 排除系统谐波影响, 自动平衡算法在每个测量周期进行多次牛顿拉夫逊迭代, 实现电桥磁通平衡。在此测试平台上, 模拟各种实时情况, 验证算法性能。

1 电流比较仪式电桥虚拟测试平台

图1是虚拟测试平台的整体工作流程, 此测试平台集成电桥磁通平衡系统、数据采集模块、测量算法模块及相对误差分析与判定模块, 并通过将算法求得的修正值反馈至平衡系统来驱动仿真。

图2是基于Simulink的虚拟测试平台, 电桥平衡系统利用磁通平衡公式, 仿真电桥磁通实时平衡特性。数据采集模块模拟AD变换过程, 对系统信号做离散化处理并存入指定数组。离散傅里叶变换模块, 首先计算系统实际频率、基波有效值和相角, 并将变换后得到基波电压的实部和虚部分量作为初始数据输入自动平衡算法模块, 计算得到被测电容的电容值、介质损耗角正切及磁通平衡修正值。将所得值输入相对误差分析与判定模块进行算法精度实时分析并判定系统是否终止迭代[2]。

图3是电流比较仪式电桥原理图, 在铁芯上分别绕制了5个绕组N1~N4以及Ni, 其中N1~N4为匝数可调绕组, 可由控制系统调节匝数。电路由一个高压测试电源激励, N1绕组接入带有试品电容的支路;标准电容支路与绕组N2相连;N3和N4为平衡绕组, 接入经过处理得到的平衡电流;Ni绕组为检零绕组, 用于检测电桥平衡状态。α、β模块为乘法器, 主要是对输入电压值幅值进行放大或衰减, 电导G1与G2将输出的电压值重新转化为电流值。

电桥平衡时, 检零器绕组的电流Ii·=0, 得到磁通平衡方程[3]19:

带入原理图上各元件参数, 并令R·G1·N4=1, N3=N2, N2=0, 1, …999, 并记T=R·G2。比较 (1) 式实部虚部后可得电容值和介质损耗角正切表达式[4]21:

Peter Osvath和Sebastian Widmer于1986年提出电流比较仪式电桥的自动平衡算法, 并给出详细的数学推导[3]20。初始匝数N2 (=N3) 和β值只能实现电桥粗平衡, 通过牛顿—拉夫逊迭代计算N2和β的修正值直至磁路平衡, 并检测检零绕组Ni回路的电流是否为零, 这个修正的过程自动实现[4]22。将设定的参数代入公式 (2) 、 (3) 式中, 得到CX和tanδ。电桥各元件初始值如表1所示。

2 基于Stateflow流程设计

以数据采集模块为例, 介绍基于Stateflow的流程设计。如图4所示, 利用状态A与B之间的循环转换, 将每个时间间隔的采样值存入数组in[i]中, 状态C为清零判定, 对于频率50 Hz系统, 每5个系统周期采样1 000个点, 当i=100 1时将数组in输入下一模块, 作为离散傅里叶变换的初始值进行运算, 之后数组in清零进入下一采样周期继续采样过程, 更新间隔设为0.000 1 s。

目前, 实际应用的工业现场测量系统电压有效值、相角、频率方法, 主要包括过零检测法和离散傅里叶变换 (DFT) 法。其中, 离散傅里叶变换法由于其对谐波有较好的抑制作用而得到广泛应用[5]。通过整周期截断, 从采样数据中截取整周期分析数据, 提高计算精度[6]。利用Stateflow设计算法, 主要思路是先设计算法不同功能的分流程, 然后在主流程中整合引用。利用Stateflow流程图设计算法, 优势在于代码如出现错误, 可以迅速确定出错位置, 实现快速定位[7]。

3 测试与分析

3.1 电源初始相位偏差

保持其他初始条件如前所述, 控制系统电压初始相角在0°~10°以1°等间隔变化。分别考虑理想情况、系统电源含较小谐波和含较大谐波三种情况对算法的影响:较小谐波叠加5%基波幅值的3、5次谐波及3%基波幅值的7次谐波分量;较大谐波叠加10%基波幅值的3、5、7次谐波分量。如图5所示, 无论理想情况还是含谐波条件, 初始相角值测量相对误差均小于1.6%, 稳定在1.0%以下, 算法具有较好的精度和稳定性。

3.2 频率偏差

控制电源电压基波频率在47.5~52.5 Hz间以0.5 Hz等间隔变化, 验证自动平衡算法在频率波动条件下的精度和稳定性。如图6所示, CX相对误差稳定为0.7%, tanδ相对误差随频率波动保持在0.5%以下。

3.3 含高次谐波

对理想电压叠加5%~10%的高次谐波分量, 如表2所示。离散傅里叶算法计算后的基波有效值相对误差为2%~3%, 经自动平衡算法计算得CX相对误差稳定在0.7%, tanδ相对误差在0.13%~0.15%间, 自动平衡算法精度和稳定性较高。

4 结束语

利用MATLAB/Simunlink搭建电桥虚拟测试平台, 模拟工业现场电源相位偏差、频率偏差、高次谐波等实时情况, 对算法代码进行全面测试, 提高代码测试效率, 验证算法精度, 论证算法的工程适用性。利用Stateflow进行算法流程设计, 简化编程过程。Stateflow流程图可自动生成C代码, 为算法在FPGA、ARM、单片机等目标体系中进一步实现奠定了基础。

参考文献

[1]王作松. 介质损耗测量与各型电桥之比较[J]. 云南电力技术, 2003, 31 (1) :52-54.

[2]王晶, 翁国庆, 张有兵. 电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2008.

[3]Peter Osvath and Sebastian Widmer. A High-Voltage High-Precision SelfBalancing Capacitance and Dissipation Factor-Measuring Bridge[J]IEEE Transactions On Instrumentation and Measurement, 1986, 35 (1) :19-23.

[4]陆沈敏, 李刚, 赵刚. 电流比较仪式电桥自动平衡算法设计与测试[J]. 电测与仪表, 2013, 50 (5) :21-26.

[5]王茂海, 孙元章. 基于DFT的电力系统向量及功率测量新方法[J]. 电力系统自动化, 2005, 29 (2) :20-24.

[6]郑俊, 赵刚. 多脉冲整流变压器相位检测算法[J]. 电气自动化, 2013, 35 (4) :44-46.

[7]张威. Stateflow逻辑系统建模[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2007.

虚拟测试技术 篇2

表1 操作界面控件功能

编号

名称

功能

1

User Type

指示当前的用户类型( Operator 、Engineer 、Administrator )

2

Cycle Counter

预先可设置的翻盖次数，系统运行到达上限时该平台停止运行。

3

Start Angle 1

End Angle 1

拨片的起始角度(如 180° )和终止角度(如 100° )，通过微调( Jog )过程来确定。

4

Start Angle 2

End Angle 2

拨杆的起始角度(如 0° )和终止角度(如 130° )，通过微调( Jog )过程来确定。

5

Velocity

电机运动过程中的最大速度。

6

Acceleration

电机启动与停止时的加(减)速度。

7

Time 1-2

拨片开始往回动作到拨杆开始动作之间的时间间隔。

8

Time 2-1

拨杆开始往回动作到拨片开始动作之间的时间间隔。减小上述 2 个参数可以有效加快系统的运行速度。

9

Current Cycle

输出指示当前时刻的翻盖次数。

10

Cycle/s

输出指示当前时刻每秒翻盖的次数。

11

Left Time (h)

输出指示到预设的翻盖次数所剩余的时间。

12

Load Setting

按该控件从指定的文件载入上述的控制参数。并使拨杆、拨片到达载入的文件中所制定的位置。此时该平台其它控件不可用。

13

Save Setting

按该控件将上述控制参数存入指定的文件。此时该平台其它控件不可用。( Operator 用户不可用)

14

Initialize

系统初始化。( Operator 用户不可用)

使拨片、拨杆到达预定的初始位置并停止。此时该平台其它控件不可用。

15

Jog

微调操作。( Operator 用户不可用)

按该控件弹出微调面板，用户可以将拨片、拨杆微调至理想位置。

此时该平台其它控件不可用。

16

Test/Continue

开始(继续)测试。有以下两种情况：

⑴ 前一操作为 Pause 时按该控件表示继续测试，参数 #8 在原来基础上继续增加。

⑵ 前一操作为 Stop 或到达预设上限停止时按该控件表示开始新测试，参数 #8 从 0 开始增加。

此时该平台仅有 Pause 和 Stop 可用。

17

Pause

暂停测试。

此时系统停止运行，参数 #8 保持不变。暂停后该平台除 Pause 和 Stop 其它控件均可用。

18

Stop

停止测试。

此时系统停止运行，参数 #8 为 0 。停止后该平台除 Pause 和 Stop 其它控件均可用。

19

Setting File

Path

设置读取或写入控制参数文件的默认路径。

20

Change User

按该控件改变用户身份，登录成功后相应权限会发生变化。

21

Config

配置 NI PXI-7344 Board ID 及各轴与电机间对应关系。除非硬件连接发生改动请不要随意使用该控件并修改面板设置，否则可能导致系统无法正常运行。(仅有 Administrator 用户可用)

22

Exit

退出系统。

1) 运行程序，系统自动以Operator登录。

2) 系统开始对运动控制模块进行初始化，完成后弹出对话框询问是否需要载入控制参数，若选No则系统自动载入上次退出程序时的设置并使拨杆、拨片到达相应位置。若选Yes系统继续弹出对话框询问需要载入哪套平台的控制参数。选定后系统载入相应配置文件并使拨杆、拨片到达相应位置。

3) 若所测手机型号已有相应配置文件存在，跳至5)步。若该型号为初次测试，则以Engineer登录。按Initialize控件使该平台初始化。

4) 按Jog控件进入微调模式。将夹具微调至理想的起始位置和终止位置并记下对应角度值。按OK控件回到主面板并将控制参数#2、#3改为微调得到的结果。按Save Setting将当前设置存成新型号的配置文件。

5) 按Test/Continue控件开始测试。

6) 此时有3种不同情况：

① 等待翻盖次数到达控制参数#1所设上限后该平台停止运行。

② 按Stop控件停止操作，控制参数#8复0。

③ 按Pause控件暂停操作，控制参数#8保持当前值，可以调整控制参数后继续测试。

7) 按Exit控件退出测试系统。

4. 结束语

虚拟测试技术 篇3

关键词：石油测试设备；虚拟仪器；测试系统

在石油工业中，虚拟仪器技术发挥了越来越重要的作用。上世纪50年代我国诞生了第一代模拟仪器，包括指针式万用表、晶体管电压表等，并得到了广泛的应用。上世纪70年代我国又诞生了第二代数字化仪器，包括数字电压表和数字频率计等，测试精度和响应速度都得到了很大的提高。随着科技的发展，虚拟仪器技术也得到长足的发展，并在石油测试设备中得到广泛的应用。

1 虚拟仪器技术及其优点

上世纪80年代我国已经开始运用智能仪器，结合计算机技术和电子仪器技术，实现了对数据的自动逻辑判断、运算、存储和自动测试的功能，测试准确度有了明显的提高。软件是虚拟仪器技术的核心，以计算机本身的数据处理存储、加工功能为依托。虚拟仪器，与传统仪器相比具有较多的优点。虚拟仪器作为集成测试系统能够有效地集成不同的测试仪器功能。一台虚拟仪器搭配专用硬件板卡，就能够将很多集成仪器的功能集成起来，代替很多复杂和分离的测试仪器。这样可以降低使用费用，而且操作也更加便利。与此同时，虚拟仪器技术具有更加灵活的功能，通过一些特制软件，用户的特殊需要也可以得到相应的满足。虚拟仪器的开发时间和开发费用均低于传统仪器，因此操作和维护都比较便利。不同的测试结果能够在同一面板上显示出来并且实现自动化操作，对控制的自动化进程进行了有效的优化。在投入完整的虚拟仪器之后就能够使用软件编码来进行相应的控制和测试，极大的降低了维护和开发的成本[1]。

2 虚拟仪器技术在石油测试设备中的具体应用

在石油测试系统设计中引入虚拟仪器的概念，开发以虚拟仪器技术为基础的石油测试系统。以计算机的处理能力和资源为依据，用软件对测井信号进行显示、记录和处理。该测试系统分为获取和采集信号、分析和处理信号、输出和显示结果三大部分。硬件主要负责获取和采集信号，并对信号进行转化。计算机软件能够对信号进行有效的处理，并由外围设备和计算机显示和输出信号处理的结果[2]。

2.1 系统的硬件电路

以虚拟仪器技术为基础的石油测试系统在对物理信号进行测量前，主要由传感器对物理信号进行转化，使其成为计算机可以识别和处理的电信号。电信号的特点在于对噪声敏感、幅度较低，需要进行滤波和调制，然后再转化为数字格式。当前数据采集卡已经具有比较完善的功能，考虑到测井仪器供电具有一定的特殊性，为了完成信号到合和分离还需要增加一些电路。保护电路和电脑分离会将测井仪器的信号送进多路选择器，各种信息都由脉冲信号进行记录。数字信号处理器会对脉冲信号进行计数，并采集当前值，或者进行时间采样。在处理之前，要对编码信号和模拟信号进行转化，使其成为数字信号。数字信号处理技术可以选择小波分析技术，应用软件模块来完成消噪、滤波，不再配备不同的硬件电路板。模拟信号能够对物理信息进行反应，或者直接记录。

实时采集是石油测井仪器的一个重要使用要求，为了满足传输率的要求，不能使用普通的串口通信，因此在本系统中运用了串行总线接口技术（USB）[3]。

2.2 系统的软件设计

作为虚拟仪器技术的核心内容，该系统的软件分为两个主要组成部分：I/O接口仪器驱动程序、应用程序。应用程序又分为测试功能流程图进行定义的软件程序，和对虚拟面板功能进行实现的软件程序，两个部分。I/O接口仪器驱动程序的主要作用在于，对外部硬件设备的通信、驱动和扩展功能进行实现。

在当前的技术条件下有两种虚拟仪器开发软件平台：图形化编辑语言、文本编辑语言，其各有优缺点。图形化编辑语言的优点在于开发效率高、直观性强、编程简单，文本编程语言的优点在于具有较强的灵活性、能够便利地添加功能。本系统处理模块和虚拟空间的设计中主要使用的是图形化语言开发平台中的LabVIEW。

该平台的编程环境比较复杂、功能强大，该开发平台具有较多的函数库和虚拟仪器，使用较为便利，开发效率较高。对石油测试系统的软件设计包括两个方面：设计应用程序、设计带有USB接口的驱动程序。

根据实际需要，应用程序可以分为频谱分析仪子系统1个、虚拟示波器系统1个、检测子系统4个。只需将需要测试的项目名称输入主面板就可以打开相应的测试面板进行测试。每个子系统都具有不同的功能，因此需要不同的软件流程。每个项目都具有基本类似的检测流程，但其使用的子VI不完全相同，VI指的是在虚拟仪器。对于系统中一些完全独立的过程，可以将其设计成为不同的子VI，从而使软件设计就更强的模块化和程式化，使程序的可读性得到增强。在这一时间段内，测试系统都能够及时的记录脉冲信号的计数值，然后进行曲线拟合，将其在屏幕上进行显示，具有很强的直观性。同时系统也能够精确地记录模拟信号的幅度，并对模拟信号进行有效的消噪、带通滤波、低通、高通处理，软件会有效地转化数字化后的信号，并对其进行图像显示。

带有USB接口的驱动程序主要是用来对用户界面和仪器进行连接，该开发平台可供用户使用的传统的GPIB函数、VI包括串口通信函数、标准VISA I/O函数等。该系统使用了CIN接口技术来编写驱动程序，驱动程序的所有功能函数都能够通过C语言得以实现。

3 结语

在石油测试设备中应用虚拟仪器技术，开发以虚拟仪器技术为基础的是要测试系统，能够对传统石油测试系统进行有效的优化，在一个硬件平台上对仪器的调试进行有效的集成，极大地简化了开发环节，也使硬件电路的重复设计得到了有效的减少。通过应用计算机的处理能力和计算能力，以及数字信号处理技术，能够使石油测试设备的集成度和智能化得到有效的提高，充分发挥虚拟仪器技术的优势，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]韦秀瑜，马晓磊，刘桂莲.虚拟仪器技术在石油化工检测中的应用方式及前景分析[J].化工管理.2014（18）.

[2]耿卫江.基于计算机的虚拟仪器技术的设计与应用[J].信息技术与信息化.2015（07）.

基于虚拟仪器技术测试系统探讨 篇4

基于虚拟仪器的测试系统通常由通用仪器硬件平台和测试 (软件) 系统两部分组成。其中硬件系统部分主要包括计算机、数据采集卡、信号控制台、传感器等;软件系统用Labview、Labwindows/CVI等虚拟仪器软件平台进行编写。基于虚拟仪器的测试系统如图1所示。被对象传感器信号调理模块计算机数据采集卡显示输出打印。

1.1 传感器

传感器感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号。在实际测试中, 可以根据信号类型和检测方法来选择传感器, 包括温度、速度、压力、位移、振动传感器等, 例如, 热电偶、电阻测温计、热敏电阻和IC传感器可以把温度转变为ADC可测量的模拟信号。其他包括应力计、流速传感器、压力传感器, 他们可以相应地测量应力、流速和压力。在所有这些情况下, 传感器可以生成和它们所检测的物理量成比例的电信号。

1.2 信号调理模块

信号调理简单地说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号, 包括功率放大、滤波处理、电气隔离以及为传感器提供激励 (电压或电流) 等。信号调理关键技术可以将数据采集系统总体性能和精度提高10倍, A/D芯片只能接收一定范围的模拟信号, 而传感器把非电物理量变换成电信号后, 并不一定在这一范围内。传感器输出的信号有时还必须经放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施后, 才能送A/D转化器。D/A转化器将二进制数字量转化为电压信号, 许多情况下还必须经V/I转化才能驱动电动阀等执行机构, 有时候还必须经过功率放大、隔离等措施。

1.3 数据采集卡

数据采集卡是虚拟仪器常用的接口形式, 实现数据采集功能的计算机扩展卡, 可以完成信号数据的采集、放大及A/D转化任务。

1.4 计算机

计算机包括普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机、3g手机等。虚拟仪器的硬件基础是计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源。

2 虚拟仪器测试系统的软件系统

软件是虚拟仪器测试系统的核心。目前使用最多的虚拟仪器软件开发平台是NI公司的基于图形化编程平台Lab VIEW。它是美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台, 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受, 视为一种标准的数据采集和仪器控制软件, Lab VIEW集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。它还内置了便于应用的tcp/ip、Active X等软件标准的库函数。Lab VIEW的函数库包括数据采集、GFIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。Lab VIEW也有传统的程序调试工具, 如设置断点、以动画方式显示数据及其通过程序的结果、单步执行等, 便于程序调试。Lab VIEW简化了虚拟仪器系统开发过程, 缩短系统的开发和调试周期, 它让用户从繁琐的计算机代码编写中解放出来, 把大部分精力投入系统设计和分析当中, 而不再拘泥于程序编写细节。它可以增强使用者构建自己的学科和工程开发的能力, 提供了实验仪器编写和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时, 可以大大提高工作效率。

3 小结

本文主要是将虚拟仪器技术引入到现代的测试系统, 以及虚拟仪器技术和测试技术结合应用, 结合开发效率高、灵活性和兼容性强个重用度高的特点, 形成基于虚拟仪器技术测试系统框架。

摘要：虚拟仪器技术应用高性能的模块化硬件, 结合高效灵活的软件来完成各种测试、自动化和测量等方面的应用。将虚拟仪器技术引入现代各种测量测试系统中, 可以充分发挥虚拟仪器技术开发效率高、灵活性和兼容性强以及可重用度高的特点

关键词：虚拟仪器传感器,LabVIEW

参考文献

虚拟测试技术 篇5

基于虚拟仪器的气动弹性振动测试与分析系统

针对气动弹性试验的.需要,设计了基于虚拟仪器技术的振动测试与分析系统,主要用于频谱分析、模态辨识和颤振预测.系统的设计利用的是LabVIEW虚拟仪器开发平台及Matlab,内容涵盖振动信号的采集与分析处理.在地面振动试验和风洞试验中的应用实例验证了该套系统的有效性.

作 者：袁锐知 吴志刚 杨超 YUAN Rui-zhi WU Zhi-gang YANG Chao 作者单位：北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100191刊 名：测控技术 ISTIC PKU英文刊名：MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGY年，卷(期)：29(6)分类号：V215.3关键词：气动弹性 模态辨识 颤振预测 虚拟仪器

虚拟测试技术 篇6

随着计算机技术的迅猛发展,虚拟仪器技术在仪器测试技术领域得到了广泛的应用,已经成为21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向,并且不断地延伸到研究、制造和开发等众多领域。在雷达测控领域,各类雷达性能指标测试的数字化、标准化、通用化自动测试一直是业界研究的课题,基于GPIB通用总线接口和网络接口的虚拟仪器技术有力地支持了新一代雷达指标测试技术的研究。本文所涉及的雷达指标测试功能主要包括完成对各种抛物面雷达和方向图、差方向图、雷达轴比、雷达增益、雷达差零深、差斜率、差线性度、第一副瓣电平、3 dB点波瓣宽度以及10 dB点波瓣宽度的指标的自动化测试和计算,对所采集的数据进行图形化显示,并以可视化报告的形式打印出相关的测量曲线和特征点信息。测试系统成功地涵盖了“HP”,“RS”,“AGILENT”等三个系列的频谱仪及矢量网络分析仪,基本覆盖了常用的频谱仪和矢量网络分析仪类型。

1 系统组成

根据测试系统需求,雷达测试系统经过设备选型、设备接口论证、软件方案论证、关键技术攻关、测试软件研制和不同型号雷达测试实验六个阶段,结合目前使用的各类频谱仪种类,GPIB接口为标准配备的占到90%以上,高低速接口并存也是一个不容忽视的因素,以及实时控制系统均为标准机型的特点,雷达自动测试系统选择了成本低、效率高、兼容性强的硬件接口,整个系统由笔记本电脑、高速GPIB通信卡、电平转换器、便携式喷墨打印机和自行研发的基于GPIB通用总线接口的虚拟仪器技术测试软件系统组成。系统组成框图如图1所示。

2 雷达方向图测试方法

基于国军标的雷达统一测试方法是测试系统的一个难点,基于国军标的雷达方向图测量方法有三大类六种方法,第一类是测试场测量所采用的等高架测试场测量方法、源雷达高架的斜式测试场测量方法、反射测试场测量方法和缩距场测量方法;第二类是现场测量所采用的利用人工运动员测量方法;第三类是平面扫描近场测量所采用的展开法。这三类测量方法各有其适用范围,这里对常用的测试场测量方法进行简要介绍。

测试场测量包含等高架测试场测量方法、源雷达高架的斜式测试场测量方法、反射测试场测量方法和缩距场测量方法。其中等高架测试场测量方法要求测试场地面平坦,能够尽量屏蔽周围干扰,这种测试方法大多只能适合于微波暗室的测试环境。

源雷达高架的斜式测试场测量方法是在试验场常用的一种方法。斜式测试场测量示意图如图2所示。

具体测试方法和步骤如下:

(1) 源雷达架设在高塔上,被测雷达及定位装置架设在地面上,源雷达垂直方向图的第一零点指向几何反射点,架设高度应满足以下条件:

$h\ge 4D(1)$

(2) 源雷达与被测雷达之间的斜距满足以下公式:

$R\ge {\rm K}(D+d){}^2/\lambda (2)$

当d≤0.4D时,允许:

$R\ge {\rm K}D{}^2/\lambda (3)$

式中:R为测试距离;D为被测雷达口径最大线尺寸;d为源雷达口径最大线尺寸;λ为最短工作波长;K为根据具体测量精度要求而定的系数,但不得小于2。

3 基于GPIB的虚拟仪器技术

基于IEEE 488和IEEE 488.2协议GPIB总线的虚拟仪器技术是系统开发的关键。

雷达测试系统虚拟仪器技术能够利用高性能的模块化硬件,在兼容不同型号频谱仪的基础上结合特殊专业特点对仪器进行二次开发,结合所研制的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用,满足测试系统对同步和定时应用的需求。因为基于虚拟仪器技术的频谱仪软件开发是第一次,如何攻克这项技术成为关键的环节。

所谓虚拟仪器,就是用户在通用计算机平台上,根据测试任务需求,定义和设计仪器的测试功能,使得使用者在操作这台计算机时,就像是在操作一台他自己设计的测试仪器,实现了计算机与测试仪器的一体化。虚拟仪器的出现,打破了传统仪器由厂家定义,用户无法改变的工作模式,使得用户可以根据自己的需求,设计自己的仪器系统。与传统仪器相比,虚拟仪器在经济性、灵活性、扩展性和可维护性等方面都具有独特的优势,实质上代表了一种创新的仪器设计思想。

虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素,硬件功能是获取被测的物理信号,提供信号传输的通道。模块化I/O硬件以其效率高、接口全为主要特点,无论PCI,PXI,PCMCIA,USB或者是1394总线,都是模块化的I/O硬件的标准接口。软件则是实现数据采集、分析、处理、显示等功能,并将其集成为仪器操作与运行的一体化环境。

总体上而言,虚拟仪器硬件技术以VXI,PXI等先进的计算机接口总线发展为标志,而软件技术则以VISA,SCPI和IVA等最新标准和LabVIEW,LabWindows/CVI等先进开发平台为核心,构成一个比较完整的虚拟仪器技术体系,使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块,可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。LabVIEW软件不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,设置数据处理、转换、存储的方式,并将结果显示给用户。

虚拟仪器技术是以一种全新的理念来设计和发展的测试技术,它主要用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域,其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件,即“软件就是仪器”。它是在通用计算机平台上,根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能,其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能。

基于IEEE 488和IEEE 488.2协议GPIB总线的虚拟仪器软件的开发,由于LabVIEW商用软件投入成本较高,而且专用于雷达测试的功能并不多,在此条件下,自行开发一套适合于雷达测试专用的虚拟仪器软件成为一个迫在眉睫的任务。雷达测试系统是基于虚拟仪器技术的通用消息基接口来实现的,下面简要介绍虚拟仪器总线数据采集的常用方法。

基于虚拟仪器总线数据采集的方法通常可以分为两种,一种是通用接口的消息基接口,另外一种是寄存器基接口。消息基接口的作用是通过总线传送命令,从而控制仪器硬件的操作;通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。根据现有设备所涉及的设备的具体情况,利用消息基接口进行设计,具体消息基接口的框图如图3所示。

4 实际应用结果

通用虚拟仪器的软件接口开发取得了圆满的成功,它的研制成功使得以后对专用测试仪器设备的通用统一开发成为可能,实际应用证明是行之可靠的,可供技术人员在组建基于虚拟仪器技术的数据采集器时参考使用。

通用雷达和方向图、差方向图、雷达轴比、雷达增益、雷达差零深、雷达差斜率以及差线性度的指标自动化测试离不开雷达半功率波束宽度的自动计算和测试时雷达最佳运行速度的自动计算,计算是该系统的主要功能,能否很好地完成该项功能,统一的雷达测试方法是十分关键的。在GJB3308-98,GJB3310-98的基础上,结合长期以来的实际测试工作经验,形成了本测试软件的测试方法,通过在试验场现场的测试结果来看,测试数据和数据分析结果均达到或优于人工测量结果。关于测试方法的模型,由于篇幅关系,就不一一列举了。最后给出具体和方向图、差方向图测量结果输出图形,分别如图4,图5所示。

摘要：介绍了基于GPIB虚拟仪器技术的雷达自动测试系统的硬件构成和软件设计方法。通过对虚拟仪器技术的深入研究,重点论述了虚拟仪器技术的特点及其对本系统的有力支持,同时对雷达和方向图、差方向图、雷达轴比以及增益等雷达分系统性能测试方法也进行了详细的论述,并通过几个典型的软件设计模型分析了影响测试结果可靠性的诸多因素和环节。

关键词：虚拟仪器技术,通用接口总线,分贝方向图,轴比,算法

参考文献

[1]林继鹏,茹锋.虚拟仪器原理及应用[M].北京:中国电力出版社,2009.

[2]张麟兮.雷达目标散射特性测试与成像诊断[M].北京:中国宇航出版社,2009.

[3]庄钊文,袁乃昌,莫锦军,等.军用目标雷达散射截面预估与测量[M].北京:科学出版社,2007.

[4]弋稳.雷达接收机技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

[5][美]巴顿.雷达系统分析与建模[M].北京:电子工业出版社,2007.

[6]余成波.虚拟仪器技术与设计[M].重庆:重庆大学出版社,2006.

[7]李江全.虚拟仪器设计测控应用典型实例[M].北京:电子工业出版社,2010.

[8]杨运强.测试技术与虚拟仪器[M].北京:机械工业出版社,2010.

[9]张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2007.

虚拟测试技术 篇7

关键词：焊机自动测试系统,虚拟技术,分析

随着时代的进步和发展, 如今投入了诸多机型的电焊机, 如多功能逆变电焊机、全数字电焊机等, 有着更多的检测项目和要求, 过去测试中, 通常将传统的电压表、电流表、功率表等应用过来, 这样就出现了诸多的问题, 无法自动化的检测, 也可以自动判断处理焊机信号。如今采用的软硬件平台, 结合了Lab View软件和PXI硬件设备, 对虚拟仪器系统自主研发, 可以自动测试、异常判断电焊机。

1 系统组成

通常情况下, 会有高频信号干扰及引弧高电压产生于逆变焊机的检测过程中, 进而导致尖峰脉冲产生, 因此就将PXI硬件平台给利用过来, 以此来促使系统的稳定性和抗干扰性得到提升。系统将数字IO控制焊机输入输出变化及测试电路变换应用过来, 在信号分析方面采用的是数字化仪和NI-SCOPE驱动软件, 对于各项电压、电流、转速和时间参数等信号, 则是利用数字万用表和计数器卡来采集测量, 利用Lab View软件来自动判断检测到的结果, 并且采取相应的控制处理措施, 有着友好的人机界面, 这样就可以有效调节检测过程中的电气参数, 并且不会因为人为因素而有检测失误或者其他问题出现。Lab View软件附带的相关工具包, 可以将检测数据存为Access数据库, 这样以后可以更加方便的统计分析检测结果。

2 电焊机的外部模拟电路控制

除了应用PXI-6528数字IO卡之外, 还将NIDAQ测试驱动程序给应用过来, 这样就可以有效控制电焊机输入状态。比如赫兹转换、单相三相转换等等。在控制焊机的输出负载方面, 以数字的形式来控制负载的大小, 如果将13个负载接入进来, 那么组合出来的阻值就非常的多, 这样全系列电焊机的负载输出特性要求就可以得到满足。

各个通道隔离的控制模块是PXI-6528, 对于焊机输出造成的各种压力冲击可以有效的承受, 比如高频干扰、尖峰高电压等, 这样就不会因为设备或者人为错误, 而导致各类损失的出现。

对于焊机外部输出电平节点的数字输入信号, 可以借助于PX-I-6528来进行检测, 这是因为其具备数字输入功能。如果在数字输入端口接入保护信号, 那么就可以从软硬件两个方面, 对整个系统的稳定运行给予保护, 那么整个测试系统的协调程度就可以得到增加。

3 各个测试点信号的精确测量

300V是PXI-4070的最大电压量程, 1A和100兆欧分别是最大电流量程和最大阻值量程, 并且还具备其他的一系列功能, 如对频率直接测量、晶体管导通等等, 同时它具有较高的分辨率, 对于各个测试点的检测需求都可以得到满足。配合PXI-6528来切换各个检测信号, 可以按照流程, 来对各个测试点信号进行自动检测。并且, 数字化仪功能也是PXI-4070所具备的, 可以直接分析处理一些简单的信号, 利用两块PXI-4070, 就可以有效的测量和分析三相电参数。对焊机输入的电压信号和电流信号分别采集, 将本软件的运算分析功能给应用过来, 就可以对电焊机的输入电压、电流、有功功率以及功率因数和频率等参数进行测量。

4 送丝转速和时间参数的测量

过去将传统的转速测量方式应用过来, 在实践过程中, 逐渐暴露出来了一系列的问题, 本种方式是配合使用60P/R的旋转编码器和线速转速表, 采样频率为每秒2次到5次之间, 如果送丝出现了不稳定状况, 那么就会有较大的误差出现于测量值中。本系统将PXI-6602应用过来, 并且搭配采用3000P/R的旋转编码器, 有着较快的采样频率, 每秒可以达到10k左右, 然后借助于平均值法来平滑处理转速值, 就可以稳定的测量转速。PXI-6602的采样频率为每秒80兆, 并且输入端口较多, 有八个左右。通过转换电路进行隔离, 可以对电焊机的提前送气、滞后停气时间以及电流上升时间、下降时间等诸多的信号进行测量, 这样逆变焊机测量的精确度就可以得到显著的提升。

5 焊机输出信号的精确分析

逆变焊机有着较为复杂的输出信号, 焊机如果机型不同, 就有着较大的差异存在于输出的电压电流信号之间, 其中, 多数信号都叠加了交流信号、高频信号和直流信号, 在实际焊接的过程中, 有着更加复杂的焊接波形, 将传统的电压表和电流表应用过来, 无法对实际结果进行准确的测量。而PXI-5112拥有两路输入通道, 最高采样率为100MHZ, 将10倍衰减的电压探头给利用过来, 可以直接测量焊机的电压输出信号。配合使用某公司的A6304XL电流探头和TM502A电流放大器, 可以测量500A的交直流电流信号。借助于NI SCOPE驱动软件, 可以对电压电流信号的采样方式进行设定, 对精确稳定的波形信号进行获取。虽然将传统的示波器给应用过来, 本类功能也可以实现, 但是在检测多功能焊机时, 有着较多的检测项目和较高的检测要求, 需要对测试量程反复设定, 并且对这些高级功能反复调用, 会花费大量的时间和精力, 并且需要目测判断检测结果, 采用手工的方式记录, 存在着诸多的弊端。而采用本系统, 借助于虚拟仪器平台, 则可以促使测试测量的自动化得到有效实现, 借助于软件程序, 来对各个测量硬件的使用进行控制, 促使出错概率得到了最大程度的减少。

在PXI机箱中, 利用插入的方式来安装PXI板卡, 这种独特的设计, 可以更加便利的开发产品, 更好的更新和维护板卡。相较于以往的版本, 本软件将大量的Express给集合了起来, 这样对于产品开发人员是非常大的优势。并且各个板卡都对软件包进行了携带, 借助于这些Express, 就可以在较短的时间内对检测系统的基本框架进行构建。

6 结束语

通过叙述分析我们可以得知, 焊机自动测试系统在焊机检测中具有一系列的优势, 因此得到了较为广泛的应用。在调试之后的运行过程中, 发现本测试系统可以稳定的运行, 有着较高的测量精度。相较于传统的老测试设备系统, 需要人工目测记录, 手工操作次数较多, 新系统可以促使测量时间得到较大程度的减少, 并且在其他方面也具有较大的优势, 比如信号处理、数据的采集和存储以及数据传输等等, 开发成本较低。并且, 可持续开发性是新系统和传统仪器相比具有的最大优势。

参考文献

[1]杨云强, 宋永论, 尹淑艳, 等.基于虚拟仪器技术的新型焊机检测装置[J].焊接学报, 2004, 2 (2) :123-125.

[2]李建周, 陈方权, 闫一柏.虚拟仪器技术在焊机噪声测试中的应用[J].机电工程, 2005, 2 (9) :88-90.

[3]宋志军.使用虚拟仪器构建焊机自动测试系统[J].世界产品与技术, 2006, 2 (2) :777-779.

[4]赵卫松.虚拟仪器在热处理炉温度监控系统中的应用[J].电焊机, 2009, 2 (6) :133-135.

虚拟测试技术 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

虚拟测试技术 篇9

关键词：石油测试设备,虚拟仪器,测试系统

在石油工业中, 虚拟仪器技术发挥了越来越重要的作用。上世纪50 年代我国诞生了第一代模拟仪器, 包括指针式万用表、晶体管电压表等, 并得到了广泛的应用。上世纪70 年代我国又诞生了第二代数字化仪器, 包括数字电压表和数字频率计等, 测试精度和响应速度都得到了很大的提高。随着科技的发展, 虚拟仪器技术也得到长足的发展, 并在石油测试设备中得到广泛的应用。

1 虚拟仪器技术及其优点

上世纪80 年代我国已经开始运用智能仪器, 结合计算机技术和电子仪器技术, 实现了对数据的自动逻辑判断、运算、存储和自动测试的功能, 测试准确度有了明显的提高。软件是虚拟仪器技术的核心, 以计算机本身的数据处理存储、加工功能为依托。虚拟仪器, 与传统仪器相比具有较多的优点。虚拟仪器作为集成测试系统能够有效地集成不同的测试仪器功能。一台虚拟仪器搭配专用硬件板卡, 就能够将很多集成仪器的功能集成起来, 代替很多复杂和分离的测试仪器。这样可以降低使用费用, 而且操作也更加便利。与此同时, 虚拟仪器技术具有更加灵活的功能, 通过一些特制软件, 用户的特殊需要也可以得到相应的满足。虚拟仪器的开发时间和开发费用均低于传统仪器, 因此操作和维护都比较便利。不同的测试结果能够在同一面板上显示出来并且实现自动化操作, 对控制的自动化进程进行了有效的优化。在投入完整的虚拟仪器之后就能够使用软件编码来进行相应的控制和测试, 极大的降低了维护和开发的成本[1]。

2 虚拟仪器技术在石油测试设备中的具体应用

在石油测试系统设计中引入虚拟仪器的概念, 开发以虚拟仪器技术为基础的石油测试系统。以计算机的处理能力和资源为依据, 用软件对测井信号进行显示、记录和处理。该测试系统分为获取和采集信号、分析和处理信号、输出和显示结果三大部分。硬件主要负责获取和采集信号, 并对信号进行转化。计算机软件能够对信号进行有效的处理, 并由外围设备和计算机显示和输出信号处理的结果[2]。

2.1 系统的硬件电路

以虚拟仪器技术为基础的石油测试系统在对物理信号进行测量前, 主要由传感器对物理信号进行转化, 使其成为计算机可以识别和处理的电信号。电信号的特点在于对噪声敏感、幅度较低, 需要进行滤波和调制, 然后再转化为数字格式。当前数据采集卡已经具有比较完善的功能, 考虑到测井仪器供电具有一定的特殊性, 为了完成信号到合和分离还需要增加一些电路。保护电路和电脑分离会将测井仪器的信号送进多路选择器, 各种信息都由脉冲信号进行记录。数字信号处理器会对脉冲信号进行计数, 并采集当前值, 或者进行时间采样。在处理之前, 要对编码信号和模拟信号进行转化, 使其成为数字信号。数字信号处理技术可以选择小波分析技术, 应用软件模块来完成消噪、滤波, 不再配备不同的硬件电路板。模拟信号能够对物理信息进行反应, 或者直接记录。

实时采集是石油测井仪器的一个重要使用要求, 为了满足传输率的要求, 不能使用普通的串口通信, 因此在本系统中运用了串行总线接口技术 (USB) [3]。

2.2 系统的软件设计

作为虚拟仪器技术的核心内容, 该系统的软件分为两个主要组成部分:I/O接口仪器驱动程序、应用程序。应用程序又分为测试功能流程图进行定义的软件程序, 和对虚拟面板功能进行实现的软件程序, 两个部分。I/O接口仪器驱动程序的主要作用在于, 对外部硬件设备的通信、驱动和扩展功能进行实现。

在当前的技术条件下有两种虚拟仪器开发软件平台:图形化编辑语言、文本编辑语言, 其各有优缺点。图形化编辑语言的优点在于开发效率高、直观性强、编程简单, 文本编程语言的优点在于具有较强的灵活性、能够便利地添加功能。本系统处理模块和虚拟空间的设计中主要使用的是图形化语言开发平台中的Lab VIEW。

该平台的编程环境比较复杂、功能强大, 该开发平台具有较多的函数库和虚拟仪器, 使用较为便利, 开发效率较高。对石油测试系统的软件设计包括两个方面:设计应用程序、设计带有USB接口的驱动程序。

根据实际需要, 应用程序可以分为频谱分析仪子系统1 个、虚拟示波器系统1 个、检测子系统4 个。只需将需要测试的项目名称输入主面板就可以打开相应的测试面板进行测试。每个子系统都具有不同的功能, 因此需要不同的软件流程。每个项目都具有基本类似的检测流程, 但其使用的子VI不完全相同, VI指的是在虚拟仪器。对于系统中一些完全独立的过程, 可以将其设计成为不同的子VI, 从而使软件设计就更强的模块化和程式化, 使程序的可读性得到增强。在这一时间段内, 测试系统都能够及时的记录脉冲信号的计数值, 然后进行曲线拟合, 将其在屏幕上进行显示, 具有很强的直观性。同时系统也能够精确地记录模拟信号的幅度, 并对模拟信号进行有效的消噪、带通滤波、低通、高通处理, 软件会有效地转化数字化后的信号, 并对其进行图像显示。

带有USB接口的驱动程序主要是用来对用户界面和仪器进行连接, 该开发平台可供用户使用的传统的GPIB函数、VI包括串口通信函数、标准VISA I/O函数等。该系统使用了CIN接口技术来编写驱动程序, 驱动程序的所有功能函数都能够通过C语言得以实现。

3 结语

在石油测试设备中应用虚拟仪器技术, 开发以虚拟仪器技术为基础的是要测试系统, 能够对传统石油测试系统进行有效的优化, 在一个硬件平台上对仪器的调试进行有效的集成, 极大地简化了开发环节, 也使硬件电路的重复设计得到了有效的减少。通过应用计算机的处理能力和计算能力, 以及数字信号处理技术, 能够使石油测试设备的集成度和智能化得到有效的提高, 充分发挥虚拟仪器技术的优势, 具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]韦秀瑜, 马晓磊, 刘桂莲.虚拟仪器技术在石油化工检测中的应用方式及前景分析[J].化工管理.2014 (18) .

[2]耿卫江.基于计算机的虚拟仪器技术的设计与应用[J].信息技术与信息化.2015 (07) .

虚拟测试技术 篇10

随着现代化多层建筑的不断兴建, 电梯已成为重要的交通运输工具。曳引机作为电梯的动力部件, 直接关系到电梯的使用性能和安全性。因此曳引机的性能测试, 成为产品生产、研发、出厂检测不可或缺的环节[1]。传统的曳引机测试方法主要是采用直流电机电阻能耗给曳引机提供负载的方式。整个测试过程由人工控制, 人工记录数据, 不但效率低, 测试结果也易受人为因素的影响。此外, 由于曳引机的型号、规格繁多, 需要测试的项目也比较多, 给测试工作带来困难。

美国国家仪器 (national instruments, NI) 公司在上个世纪80年代提出了“虚拟仪器 (virtual instruments, VI) ”的概念[2]。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化信号传感器系统和用于数据处理、过程通信以及设计图形用户界面的软件组成的测控系统, 它把仪器的核心部件由传统的硬件转移到软件, 使软件成为这类仪器的核心[3]。

基于虚拟仪器技术设计的曳引机测试系统, 既能提高系统的自动化程度, 又能充分利用计算机的运算、处理、储存优势, 解决人工管理繁杂问题。本文以测试系统为平台, 针对曳引机不同性能的测试, 开发相应的测试子模块, 给曳引机的测试工作带来极大的扩展性, 降低了测试成本。

1 测试系统结构

从整体功能上可将测试系统分为测量系统和控制系统2部分。测试系统的结构组成如图1所示。测量系统以虚拟仪器技术为核心, 由PXI控制器、采集卡和互感器组成, 主要完成测试过程的信号测量、数据处理等功能;控制系统由PLC、负载试验台子模块、脉动试验台子模块以及扩展子模块组成, 主要完成设备状态监视、设备控制等功能。负载试验台子模块完成曳引机的空载、负载、过负载、温升、失步检测;脉动试验台子模块完成曳引机的反电动势谐波分析、脉动力矩分析、制动器制动性能检测;当上述两个子模块不能满足测试需求时, 可开发一个或多个新的测试子模块, 添加到扩展子模块。测试系统以PXI控制器作为上位机, 上位机通过OPC通讯完成对PLC的监视和控制。由PLC控制测试子模块对被测曳引机进行测试, 测试数据由传感器送到采集卡, 采集卡通过PXI总线将数据传给上位机, 上位机完成数据处理和存储, 并自动生成实验报告。

2 测试系统的硬件设计

根据测试系统结构, 分别设计各个部分的硬件, 设计的硬件满足5 kW~45 kW曳引机的测试要求。

2.1 上位机硬件设计

系统上位机采用PXI总线, 并引用PXI嵌入式控制器和PXI测量设备。硬件采用基于PXI总线功能强大的模块化虚拟仪器, 充分发挥了PXI总线的优势。本文采用凌华的PXI-3950控制器和PXIS-2508机箱。PXI-3950是专为PXI平台混合测试系统而设计研发的PXITM嵌入式控制器, 采用Intel Pentium M或Intel CoreTM2 Duo处理器, 能够为各种测试和测量应用提供稳固的操作环境;PXIS-2508机箱可以兼容PXI和CompactPCI规范, 提供1个系统槽和7个外设槽来满足系统随时扩展的测试需求。

2.2 数据采集硬件设计

对于不同类型的信号需要使用不同性能的采集卡, 基于曳引机测试的信号需求, 选取凌华PXI-2022采集卡。采集卡提供了8/16通道差分输入, 16位A/D转换器, 采样速率可达250 kHz, 可满足测试系统模拟量采集需求;采集卡提供2通道32位计数器可满足测试系统脉冲信号采集需求。在多采集卡的应用场合, 可通过PXI总线触发实现多卡同步采集, 使系统的应用极具灵活性。凌华还提供了32位LabVIEW驱动程序, 将PXI数据采集卡与LabVIEW软件开发平台结合在一起。

2.3 负载试验台子模块硬件设计

负载试验台硬件为交直流电机对拖系统, 结构如图2所示。一般曳引机额定转速都小于255 r/min, 若要通过高转速的直流机模拟负载, 必须为对拖系统配置变速箱。被测曳引机通过矢量控制型变频器驱动, 直流电机通过四象限运行的直流驱动器驱动。

负载试验台工作原理:试验中直流电机为被测机的动力输出提供负载, 并吸收被测机的机械能量, 直流驱动器通过控制直流电机的上网电流控制被测机的扭矩, 实现被测机的负载、过负载、温升、失步性能的测量[4]。

2.4 脉动试验台子模块硬件设计

脉动试验台子模块是以曳引机作为原动机直接拖动被测曳引机, 结构如图3所示。曳引机通过矢量控制型变频器驱动, 被测曳引机为从动机。为满足反电势和脉动力矩测量的范围需求, 试验中被测曳引机转速和功率必须要小于等于曳引机的转速和功率。

脉动试验台工作原理:反电动势谐波分析试验中变频器为速度模式, 曳引机为被测曳引机提供均匀的转速, 测量系统则自动测量被测曳引机进线绕组端电压及谐波分量;脉动力矩试验中曳引机调节自身的输出转矩, 并为被测曳引机提供小于40 r/min的转速, 同时测量系统自动记录转轴上转矩的波形;制动器性能试验中制动器抱闸, 再由曳引机拖动被测曳引机进行旋转, 同时测量系统自动记录转轴上的波形, 并计算静摩擦力和动摩擦力的大小。

3 测试系统软件设计

测试系统软件主要完成控制系统和测量系统的人机界面的开发, 具体开发的软件功能如图4所示。

测试系统软件在LabVIEW平台上进行二次开发设计, 运用LabVIEW模块化设计的思想, 依据系统软件功能划分为相对独立的功能模块, 继而对各功能模块进行开发设计[5]。

测试系统软件采用顺序流程结构设计, 工作流程图如图5所示。程序首先初始化运行各功能模块, 并通过NI OPC Server和PLC建立通讯, 各功能模块处于就绪状态;然后由用户选择曳引机规格, 程序则调用该规格参数并发送到下位机, 如往变频器中设置被曳引机的额定电流、额定电压、额定功率、电机极对数等参数;再由用户选择试验台及测试项目, 程序则调用不同的试验功能模块, 之后程序判断是否开始测试;测试开始以后, 程序控制下位机开启设备, 同时测量系统开始测量试验信号并对数据进行处理、保存直至测试结束。

4 测试系统验证

为验证测试系统的准确性, 对曳引机进行了负载性能测试, 将得到的数据与日本横河WT3000功率分析仪测得的数据进行比较。

4.1 实验仪器

采用横河WT3000高精度功率分析仪、日置电流互感器和品致电压互感器作为实验测量仪器。

4.2 实验过程

由用户选择曳引机规格和试验测试项目, 测试开始。软件给下位机发送试验开始指令, 下位机通过系统反馈的实际转矩来调节被测曳引机的负载。当上位机收到数据采集指令后, 系统自动采集数据, 与此同时人工打印WT3000的测量数据。

4.3 实验结果

实验结果如图6、图7、图8、图9所示:图中LV为测试系统测量结果;WT3000为横河仪器测量结果。从图可以看出, 两种测试方法获得的电流、电压、功率功率因素和输入功率数据误差都很小, 说明测试系统准确性比较高。

5 结语

测试系统以虚拟仪器技术为核心, 通过软硬件的无缝集成, 以合理的配置实现了曳引机各项性能测试要求[6]。经实际应用表明该系统在测试效率、测试精度、灵活性、可靠性等方面具有优越性, 解决了传统测试方法存在的人为误差和工作效率低等问题。同时该测试系统采用模块化设计可以方便地进行软硬件的扩展。除现有的两个测试功能子模块以外, 还可根据实际需要, 开发出新的扩展模块, 充分体现了灵活性和可扩展性的特点。该测试系统为曳引机性能测试提供可靠的技术支撑, 在实际应用中有较高的参考价值。

参考文献

[1]贾宇辉, 丁飞, 王孝洪, 等.电梯曳引机测试系统设计[J].机械与电子, 2005 (4) :27-29.

[2]伍星华, 王旭.国内虚拟仪器技术的应用研究现状及展望[J].现代科学仪器, 2011 (4) :112-116.

[3]陈鸿雁, 赵明富, 李太福.组件技术在虚拟仪器开发中的应用[J].自动化仪表, 2004, 25 (3) :42-44.

[4]商中梁.富士电机VG7变频器和RHC逆变器在交流永磁同步电机测试平台上的应用[J].电梯工业, 2007 (5) :41-45.

[5]数据采集编程指南中篇[M].美国国家仪器公司, 2012.