張寶莉 陳智敏 孫文杰 張 雷

西安電力高等專科學(xué)校 陜西 西安 710032

0 引言

在現(xiàn)代科技發(fā)展的過程中，不斷創(chuàng)新的計算機技術(shù)從各個側(cè)面影響著不同領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展模式。在20世紀(jì)后期隨著計算機硬件水平和軟件技術(shù)的迅速提升而出現(xiàn)并發(fā)展起來了一個有別于傳統(tǒng)儀器的嶄新的概念——虛擬儀器，虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，充分利用了最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能，將日益普及的計算機技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)結(jié)合起來，使用戶在操作計算機時，如同在操作自己定義的儀器，可以方便靈活地完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)存儲等。

為了突出高職高專教育特點，就必須給學(xué)生提供先進(jìn)的實驗儀器。但由于種種原因，導(dǎo)致實驗室建設(shè)規(guī)模嚴(yán)重滯后，實驗儀器相對落后，阻礙了學(xué)生探索和認(rèn)識世界的進(jìn)程。如何在現(xiàn)有實驗儀器的基礎(chǔ)上提升實驗儀器的性能，讓先進(jìn)的實驗內(nèi)容通過先進(jìn)的實驗儀器走進(jìn)實驗教學(xué)課堂是擺在教師面前的一個難題。為此我們在《熱工測量及儀表》課程的實踐教學(xué)中對虛擬儀器的使用做了一些探討，以希望提高教師的工作效率并改進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。

1 基于LABVIEW對UJ-31手動電位差計的虛擬實現(xiàn)

傳統(tǒng)的儀表實驗室由各種不同功能的儀表組成，以滿足不同實驗項目的需求。以手動電位差計為例，僅型號就有十余種。盡管其使用方法大同小異，但對于從未接觸過該儀表的學(xué)生來說，不僅其工作原理的掌握是一個難點，更為重要的是使用方法。本次通過對UJ-31型手動電位差計的虛擬實現(xiàn)，來說明其虛擬過程。

1.1 手動電位差計的工作原理

手動電位差計是根據(jù)平衡法（也稱補償法、零值法）將被測電勢與已知的標(biāo)準(zhǔn)電勢相比較，當(dāng)兩者的差值為零時，被測電勢就等于已知的標(biāo)準(zhǔn)電勢。其測量熱電勢的方法測得的結(jié)果極為準(zhǔn)確。其原因如下：由于它是在全補償時（亦即檢流計中無電流通過時）進(jìn)行測量、讀數(shù)。因此，被測熱電勢本身引起的壓降損失和導(dǎo)線上的壓降損失就不存在了，對測量結(jié)果也無影響；測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是依賴于標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢及測量回路電阻的精度，而標(biāo)準(zhǔn)電池及電阻一般可以得到較高的準(zhǔn)確性；并應(yīng)用了高靈敏度檢流計作為檢測工具。

1.2 UJ-31型手動電位差計的虛擬內(nèi)容

1）UJ-31型手動電位差計的虛擬系統(tǒng)構(gòu)成

UJ-31型手動電位差計的虛擬系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。虛擬儀器是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。它是基于計算機的軟硬件測試平臺，利用現(xiàn)有的計算機，加上PCI數(shù)據(jù)采集卡以及信號調(diào)理模塊和LABVIEW軟件，形成既有手動電位差計的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔、低價的新型儀器。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由計算機及其網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用軟件和儀器硬件三部分構(gòu)成，通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機融合為一體，把計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起。通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。

2）數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理

（1）信號調(diào)理模塊的作用

手動電位差計測量的是毫伏級信號，為了保證能夠精確測量，增加了SCC-68信號調(diào)理模塊。其主要作用有：

放大——放大器通過提高輸入信號的幅度來更好的匹配輸入電壓范圍，從而提高了小信號測量的精度和靈敏度，進(jìn)而提高了測量的分辨率和靈敏度。許多傳感器，例如熱電偶，需要更多的放大，而不僅僅是一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備單獨可以提供的。使用信號調(diào)理來放大靠近信號源的信號也減少了測量中的環(huán)境噪聲影響。

衰減——衰減降低輸入信號的幅度，以落入采集卡輸入范圍，從而可以利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來測量高電壓信號。

隔離——具有隔離的信號調(diào)理設(shè)備。通過使用轉(zhuǎn)換器、光或電容性耦合技術(shù)而不是物理連接來將輸入信號傳輸至測量設(shè)備，隔離切斷了接地環(huán)路。利用隔離技術(shù)，可以測量帶有較高的共模電壓的信號，同時也防止了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中昂貴的測量設(shè)備發(fā)生任何高電壓涌流。

濾波——濾波通過從信號中去除不希望的頻率分量來提高測量精度。除了從測量中去除噪聲，濾波也防止了信號混疊。

激勵——許多傳感器，激勵以電壓或電流的形式提供電源，因此可以在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用特殊類型的傳感器。

校準(zhǔn)——校準(zhǔn)通過調(diào)整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來補償傳感器中的不平衡，來提高測量精度。

冷端補償——信號調(diào)理模塊能夠?qū)崟r檢測熱電偶冷端所處溫度，對熱電偶具有冷端溫度的自動補償功能。

（2）數(shù)據(jù)采集

當(dāng)采用PCI-6221卡測量模擬電壓信號時，必須考慮下列因素：輸入模式（單端輸入或者差分輸入）、分辨率、輸入范圍、采樣速率，精度和噪聲等。

DAQ卡提供了可選擇的輸入范圍，它與分辨率、增益等配合，以獲得最佳的測量精度。

對采樣率的設(shè)置尤為重要。它決定了模/數(shù)變換的速率。采樣率高，則在一定時間內(nèi)采樣點就多，對信號的數(shù)字表達(dá)就越精確。采樣率必須保證一定的數(shù)值，如果太低，則精確度就很差。

濾波降噪也是一個必須考慮的問題。從測試現(xiàn)場采集到的信號中包含有對數(shù)據(jù)處理有用的信號、無用信號和噪聲，濾波的目的是從信號中提取有用的信號。在本系統(tǒng)中，將信號采集到電腦中，還需要利用程序完成復(fù)雜的分析和信號處理工作。

3）程序設(shè)計

程序設(shè)計時主要考慮的因素有：與實際設(shè)備外觀相似的程度、與實際設(shè)備功能相似程度、數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確程度以及數(shù)據(jù)共享等問題。在程序設(shè)計中，要做到虛擬儀表與實際設(shè)備的外觀完全相同，在數(shù)據(jù)顯示上盡可能也與實際設(shè)備相似。例如加入了隨機函數(shù)，從而使得儀表指針按動，看起來更為逼真。其程序構(gòu)架如圖2所示，操作面板如圖3所示。

圖2 程序后面板

圖3 程序前面板

為了擴大該虛擬儀表的使用范圍，滿足學(xué)生實踐教學(xué)需要，采用了網(wǎng)絡(luò)共享功能。方法是僅僅在一臺計算機上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)由TCP-IP協(xié)議通訊并共享數(shù)據(jù)，其他計算機通過網(wǎng)絡(luò)去讀取共享數(shù)據(jù)。

2 虛擬儀器在教學(xué)上的應(yīng)用

1）教學(xué)手段的改進(jìn)：在實驗教學(xué)中，首先通過觀看多媒體錄像等手段讓學(xué)生對設(shè)備的基本操作有一個初步認(rèn)識，然后把這些操作技術(shù)融入到實驗的內(nèi)容中進(jìn)行操作練習(xí)，這樣就可在較少的時間內(nèi)融入較多的實驗內(nèi)容。

2）教學(xué)內(nèi)容的更新：對于手動電位差計這種精密儀表，主要是作為標(biāo)準(zhǔn)儀表使用的。要求學(xué)生不僅要掌握其正確的使用方法，更為重要的是使學(xué)生掌握作為標(biāo)準(zhǔn)儀表，手動電位差計可以做哪些工作。于是在程序設(shè)計中又加入了動圈表、熱電偶等虛擬儀表，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)手動電位差計的過程中了解作為標(biāo)準(zhǔn)器，在檢定動圈表、熱電偶中的應(yīng)用。

3）教學(xué)方法的改革：以往的常規(guī)實驗，由于實驗組數(shù)較少，每組有很多同學(xué)，這樣就使一部分學(xué)生不夠積極主動?，F(xiàn)在在實踐中首先由信號發(fā)生器產(chǎn)生一個模擬電勢，每人一臺計算機，同時去讀取這個電勢。有時為調(diào)動學(xué)生的積極性，可以讓同學(xué)競賽，看誰能夠更快、更準(zhǔn)地讀出數(shù)據(jù)。然后更換另一組學(xué)生，同時讀取另外一個電勢，通過實驗取得了較好的效果。

3 結(jié)束語

通過對虛擬儀器實驗的嘗試，說明在高職院校建設(shè)虛擬儀器的實驗室具有可行性，也是高職院校部分實驗室建設(shè)與發(fā)展的一種趨勢。以通用計算機為平臺，加以模塊化的數(shù)據(jù)采集卡，利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LABVIEW改進(jìn)教學(xué)手段，更新教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法并編制相應(yīng)的虛擬儀器軟件，就可以構(gòu)建各種虛擬儀器，大大節(jié)約了實驗室建設(shè)成本。學(xué)生通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器運行，就象在使用一臺專門設(shè)計的電子儀器，完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成等，因此非常適宜于實驗教學(xué)。

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