毕业设计（论文）-基于虚拟仪器的超声波测厚仪的设计.doc

北方民族大学学士学位论文 论文题目: 基于虚拟仪器的超声波测厚仪的设计 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 专 业: 电气工程及其自动化 学 号: 指导教师姓名: 论文提交时间: 2010年5月21日 论文答辩时间: 2010 年5月28日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘 要由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于长度的测量，如测厚仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测厚仪，可以对各种板材和加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。本设计采用以 labview 为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测厚仪的硬件和软件设计方法。应用超声波压电陶瓷实现了超声波的发射与接收和声信号和电信号的转变；应用 labview 软件技术完成对探头接收的信号的处理，实现了超声波测厚仪的功能。经实验证明，这套系统设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决各种板材和加工零件精确测量、建筑施工工地以及一些工业现场的监控问题。关键词：超声波，测厚，labview abstractas the ultrasonic has strong directional, so its energy consumption is slow, and can spread long distance in the medium, therefore it often used in ultrasonic length measurement, such as thickness and material level measuring instrument can be achieved by ultrasound. ultrasonic thickness gauge can be a variety of plates and processing components for accurate measurement of the production equipment also can be a variety of pipes and pressure vessels, monitoring their use after the process of thinning the extent of corrosion. using ultrasonic detection tend to be quick, convenient, simple, easy to control, and in real-time measuring precision can reach the requirement of practical industrial, therefore in the research on the mobile robot also widely application.this design used labview with low cost for the core, high precision, miniaturization digital display ultrasonic thickness gauge of hardware and software design method. application of ultrasonic wave of piezoelectric ceramic realized the emitting and receiving signal harmonic signal and the transformation, application software technology to probe labview received signal processing, realize the ultrasonic thickness gauge function.the experiment proved that the system design is reasonable, strong anti-jamming ability, good real-time, expansion and upgrade, so the system can effectively solve all sorts of plank and machining parts, construction site accurate measurement of industrial site monitoring and some problems.keywords: ultrasonic, thickness, labview目 录前言 1第1章超声波测厚仪的简介.21.1.超声波的概述 .21.1.1.超声波概念 21.1.2.超声波的特性 21.1.3.超声波的应用 31.2.超声波测厚仪的应用 4第2章系统的总体设计52.1.系统设计任务与要求.52.1.1.系统设计的任务.52.1.2.系统设计的要求.52.2.系统整体方案的设计和论证.52.2.1.系统整体方案的设计.62.2.2. 系统整体方案的论证7第3章超声波测厚仪测厚原理、方法83.1.超声波测厚仪测量原理.83.2.超声波接收装置.93.2.1.超声换能器.93.2.2.超声波换能器测厚原理103.2.3.测厚方法的选择11第4章系统基于虚拟仪器的设计134.1.虚拟仪器134.1.1.使用优势134.1.2.主要特点144.2. labview154.2.1.labview的概述.154.2.2. labview的应用.154.2.3. labview常用控件164.3.在labview下的设计204.3.1.信号的生成.204.3.2.波形的处理224.3.3.信号的频域分析244.3.4.数据的处理264.3.5.整体设计.26第5章总结.30致谢31参考文献32附录1：程序框图.33附录2：英语原文.34附录3：中文译文.4453前 言 虚拟仪器(virtual instrument,简称vi)是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，它是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。它的出现使测量仪器和计算机之间的界线消失，开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一次革命。计算机和仪器结合方式主要有两种。一种是将计算机装入仪器，智能化仪器采用的就是这种结合方式；另一种方式是将仪器系统装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器的功能，常说的虚拟仪器就是这种方式。美国国家仪器(ni）公司开发的labview软件就是目前实现虚拟仪器最流行的设计工具软件之一。传统的超声波测厚仪由于硬件的束缚，测厚仪存在成本高、软件升级困难、设计复杂等不足，为了克服这些缺点，本论文利用了计算机与虚拟仪器软件labview相结合的技术，设计一台虚拟超声波测厚仪。虚拟超声波测厚仪具有数字式测厚仪的一切优点，同时由于其充分利用了计算机的软硬件资源，因而具有能够对数据进行一些传统仪器难以实现的功能，如对检测数据的智能化分析处理、测厚过程的软件控制、对波形的实时存取等。目前国内生产的超声波测厚仪主要是以微处理器为核心，以大规模集成芯片为外围电路，其中以tt，cl系列的使用最为广泛。超声波测厚仪一方面可以对各种板材和加工零件作精确测量，另一重要方面是可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。因此超声波测厚仪广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。本论文基于虚拟仪器的超声波测厚仪的设计运用labview软件设计的测厚仪，除测厚外，还可用于声速的测量。只要能传播超声波（频率高于20khz的声波）的工程材料（如金属、材料、玻璃等）都可以进行测量，方法简单，同时测量的结果清晰明了。 第1章 超声波测厚仪的简介1.1. 超声波的概述1.1.1.超声波的概念超声波是声音的类别之一，属于机械波。声波是指人耳能感受到的一种纵波，它是物体机械振动状态（或能量）的传播形式，其频率范围16hz-20khz。当声波的频率低于16hz时称为次声波，高于20khz则被叫做超声波。超声波和可闻声波本质上是一样的，它们的共同点都属于一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短。超声波有两大特点。一是波长短，具有良好的定向性，可作近似直线的传播，拥有良好的反射性能，并且在固体和液体内的衰减比电磁波小；二是功率大，能量集中，携带的能量比一般的声波大得多，可形成高强度、剧烈的振动，产生机械、光、热、电、化学和生物等各种效应。由于这两大特点，超声波在现代科技广泛应用，在医学、农业、军事等领域都有广泛的用途。1.1.2.超声波的特性1超声波具有许多优秀的特性：传播特性超声波由于波长很短，而通常被测物的厚度要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，但这保障了超声波在均匀介质中定向直线的传播。超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，声波能推动空气中的分子往复振动而对分子做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是很大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体分子受到超声波的作用而剧烈振动，此时液体内部将会产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，使液体微粒之间发生猛烈的碰撞，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的碰撞，会使液体的温度由于液体分子做功而骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解和化学反应。1.1.3.超声波的应用1在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。超声波治疗学的运用有赛福瑞家用超声治疗机；工程学方面的应用有水下定位与通讯、地下资源勘查等；生物学方面的应用有剪切大分子、生物工程及处理种子等；诊断学方面的应用有a型、b型、m型、d型、双功及彩超等；治疗学方面的应用有理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。超声检验超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。从换能器发出的超声波经超声波换能器聚焦在被测物上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把被测物的形象或厚度显示在荧光屏上。上述技术装置已在测量、医疗检查方面获得普遍的应用。在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。超声处理利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛的应用。基础研究超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收。通过物质对超声波的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在1012赫以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的,称为声子。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域。1.2.超声波测厚仪的应用超声波测厚是应用广泛的工业测厚方法之一，超声波测厚仪在电工技术、工业自动化、智能控制、通讯及电子技术等许多领域都有广泛的应用。随着计算机的软、硬件的日益发展。在测试系统中得到越来越广泛的应用。超声波测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。超声波测厚仪可对各种板材和各种加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度。由于超声波处理方便，并有良好的指向性，超声技术测量金属、非金属材料的厚度，既快又准确，无污染。在实际工作中，常常在只许可一个侧面可按触的场合，更能显示其优越性。超声波测厚仪广泛用于各种板材、管材壁厚、锅炉容器壁厚及其局部腐蚀、锈蚀的情况，因此对冶金、造船、机械、化工、电力、原子能等各工业部门的产品检验对设备安全运行及现代化管理起着主要的作用。超声波测厚仪仅是超声技术应用的一部分，还有很多领域都可以应用到超声技术。比如超声波雾化、超声波焊接、超声波钻孔、超声波研磨、超声波液位计、超声波物位计、超声波抛光、超声波清洗机、超声马达等等。超声波技术将在各行各业得到越来越广泛的应用。第2章 系统的总体设计2.1.系统设计任务与要求2.1.1.系统设计的任务设计虚拟超声波测厚仪的硬件需要选择合适的超声波传感器，进行超声波信号的传递与接收。软件部分则通过labview软件实现对超声波传感器接收信号的处理，并对结果进行数据化显示，清楚明了。主要技术指标如下：（1） 搭建虚拟仪器硬件平台（a）传感器的选择（b）被检材料的选择（2） 编制仪器的labview软件（a）探测方法的选择（b）探头频率的选择（c）灵敏度的选择（d）记录的存取（e）信号处理（f）结果显示。2.1.2.系统设计的要求虚拟测厚仪具有数字式测厚仪的一切优点，同时由于其充分利用了计算机的软硬件资源，因而具有能够对数据进行一些传统仪器难以实现的功能，如对检测数据的智能化分析处理、测厚过程的软件控制、对波形的实时存取等。2.2.系统整体方案的设计和论证2.2.1系统整体方案的设计由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到生产自动化的使用要求。 超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。本设计采用超声波直探头与虚拟仪器相结合，共同实现超声波测厚仪的功能。高频信号超声波发射器信号滤波频谱分析超声波接收器显示厚度被测物图2.1 设计系统框图labview 产生的信号传送到labview 数据卡,然后连接到超声波发射器发出。超声波接收器接收到反射回的超声波与超声波发射器发射的波进行底波与始波的相位差计算，就可以显示被测物的厚度。另外也可以选用labview本身产生不同相位的波形信号，通过labview频谱计算峰值频率，再求倒得到时间值，带入公式 2-1就可求出被测物的厚度。2.2.2系统整体方案的论证超声波测量的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出试样厚度。实用的测量方法有两种，一种是在被测物体的两端，一端发射，另一端接收的直接波方法；一种是发射波被物体反射回来后接收的脉冲回波法。本论文选择第二种方法即脉冲回波法方法进行测量。labview设计主要是超声波接收器接收超声波的反射信号并对其的处理，以实现测厚的数字化显示。首先使用仿真信号生成模块产生波形，他的参数、频率和信号类型的相应参数都可以分别设定，幅值取默认值1。波形送到fft spectrum mag-phase函数中，就得到了他们的幅频特性。输出的信号可以直接送给graph显示，为了计算时间值，需要先从这些信号中提取出峰值对应的频率。将频率值引出求倒，得到时间值。时间值的二分之一就是超声波穿过被测物的时间，再乘以超声波在被测物中传播的速度就可以得到被测物的厚度。超声波测厚仪的分辨率取决于对换能器的选择。超声波换能器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；频率高分辨率也高。所以薄物件测量时应选择频率高的传感器，而厚物件的测量时应用低频率的传感器。 第3章 超声波测厚仪测厚原理、方法3.1.超声波测厚仪测量原理2振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在112104hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于11hz的机械波，称为次声波；高于2104hz的机械波，称为超声波，超声波为直线传播方式，频率高，反射能力强。其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而用于距离测量。利用超声波检测往往较迅速、方便、计算简单、易于实时控制，且测量精度能达到工业实用要求，因此在超声波测厚的研制中得到广泛应用。超声波测厚仪检测厚度需使用超声波。测厚的的方法有共振法、干涉法、脉冲回波法等。现在主要采用脉冲回波法检测厚度的工作原理。当超声波从一种介质向另一种介质（密度分别为1，2）传播时，在其分界面将发生声波折射和反射现象。若声波垂直射入介质，其反射率r为 3-1式中ir、ie为反射波与入射波的声强；v1,v2为声波在两种介质中的传播速度从可以看出，如果两种介质的密度相差较大的话，声波基本上被全部反射。h12发射探头接收探头 图3.1 测量原理由图3.1可以看出，将被测物置于与它密度完全不同的介质上，此时，当发射换能器（发射探头）被测物发射超声波脉冲，设经校验后超声波波速为v,超声波速根据被测物不同而有所改变。当超声波传到被测物底部时被完全反射回来，被接收换能器（接收探头）所接收。测出从发射到接受的这段时间间隔，即回波时间t，就可以算出被测物的厚度h。 由上式可以看出：厚度的测量需要先得到超声波在不同被测物中传播的速度v以及传播的时间t。其中超声波声速v与通过的被测物材料有关，以下提供了超声波在不同材料里的传播速度。表3.1 不同材料的超声波波速材料声速（m/s）铝6260铁5900铜4700黄铜4640锌4170银3600玻璃2350锡3230金32403.2超声波接收装置3.2.1.超声换能器3超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换成相应的电信号。超声波由超声波发生器产生， 以电声型为主，主要部件为高频电源和换能器构成的探头。换能器由晶体制成，利用晶体的逆压电效应产生超声波，压电效应接收超声波。常用的晶体是石英、酷钛酸铅等。应用压电效应制作的超声波探头实际上是利用压电晶体的谐振工作。超声波发生器内部结构有2个压电晶片和1个共振板。当它的两电极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电品片振动，将机械能转换为电信号，这时就成为超声波接收器。超声波换能器根据构造可以分为直探头和斜探头。直探头垂直于工件表面使用， 传播的是超声纵波，有利于探测表面平滑的物体厚度。斜探头由直探头和波型转换器组成。超声纵波经渡型转换器以一定倾角入射到工件表面上时，发生反射、折射及波型转换。3.2.2.超声波换能器测厚原理45超声波换能器有发送器和接收器，发射器利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的.超声波发射器在被测物上方发射超声波，在发射波到达物体表面后会有一部分波反射回来被接收探头接收，此时开始计时，其余超声波继续传播，直到碰到被测物底部就返回来被接收器接收。被超声波接收器接收的波拥有一定的时间差，在工件表面最早被部分反射，由探头接收，在示波管上显示出来称为始波。由工件底面反射回来的波被探头接收，在示波管上显示出来，称为底波。在始波和底波之间，会有一些被衰减的波成为伤波。波始伤波底波图3.2 探头接收波形从上图可以看出，始波和底波之间的时间差t就是超声波在被测物内传播的时间。根据记录的时间t，就可以计算出被测物的厚度，这就是常用的时差法测距。发射波接收波从发射到接收的时间t图3.3 时差法考虑到现场测量的耐振性，我们选用性能稳定的话钛酸铅系压电陶瓷(pzt)探头。超声波为直线传播方式，频率高，反射能力强。测厚领域的超声波频率根据被测物不同而不同。因而设计时，超声波换能器的工作频率要合适，太低，声波的指向性增益也较低，测量精度受限制；太高，超声波的吸收值又太大，易衰减，使测厚量程变小。3.2.3测厚方法的选择由2.2.1可知探头根据构造可以分为直探头和斜探头。直探头垂直于工件表面使用，传播的是超声纵波，有利于探测表面平滑的物体厚度。本设计采用的是直探头。应以直探头测厚的主要方法有：标度直读法测厚标度校正后，由式可知，读取底波显示的标度值就可算得工件厚度。标度直读法只适用于较大深度的测定。对于厚度较薄的测定会不太精确，落在盲区之内的回波无法测量。水浸法如果被测物很薄，由于超声波在靠近探头的近场区除主波束外还有许多方向分散的副渡束，波束的干扰使得难于测量工件厚度。用水浸法可克服这个困难。测厚时将被测物置于水槽内，用水浸探头在被测物表面适当距离处进行探伤，水浸法所用水应纯净，探头表面不能有气泡。工件厚度的计算法与标度直读法相同。多次回波法超声波脉冲在被测物平行的上、下表面来回反射，声能不断减少。这时在示波屏上显示出一系列高度依次降低的回波。两个相邻回波标度差对应的距离就是工件厚度d。如果测厚标度校正后，n次回波相当的深度为s。则被测物厚度为：h=s/d。分割式探头法主要用于测量非常薄(小于2ram)物体的厚度。由于本论文选择的被测物表面光滑，上、下表面平行，材料均匀。所以采用标度直读法。第4章 系统基于虚拟仪器的设计4.1.虚拟仪器虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的结构反映了常见的虚拟仪器方案：被测对象信号处理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板4.1.1.使用优势6虚拟仪器技术就是利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、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。只有同时拥有高效的软件、模块化i/o硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。.性能高：虚拟仪器技术是在pc技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的pc技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件i/o，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。.扩展性强ni的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于ni软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。.开发时间少驱动和应用两个层面上，ni高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。ni设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。.无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。ni的虚拟仪器软件平台为所有的i/o设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。4.1.2.主要特点尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。目前，美国的ni公司和hp公司在虚拟仪器的研究方面处于领先地位，购买其虚拟仪器产品必将有助于我们的科研和教学工作，但价格非常昂贵。因此，根据自己的需要自行研究和开发虚拟仪器显得尤为重要。利用计算机的强大功能采用labview8.2图形编程语言，设计了一种方便使用的相位差计。该仪器的主要特点如下：采用了labview作为开发平台，软件编程方便、简洁、效率高；利用数据采集卡采集数据可测量两个同频信号的相位差；在现有的基础上，通过改变软件的设计，可以实现别的仪器的功能。如虚拟函数发生器、虚拟示波器等。相信随着计算机技术和测控技术的不断发展，虚拟仪器将成为未来教学科研的重要方法和手段，将取代传统一起成为测量仪器的主流。4.2. labview4.2.1. labview的概述labview 是实验室虚拟仪器集成环境（laboratory virtual instrument engineering workbench）的简称。是美国国家仪器公司（national instruments, ni）的软件产品。也是目前应用最广，发展最快，功能最强的图形化软件开发集成环境。labview 结合了简单易懂的图形开发环境与灵活强的g编程语言，提供了一个非常直观的编程环境：有专为大型应用开发、集体开发及应用配置设计的附加开发工具。包括应用编程生成器、图形比较、源代码控制、程序码编写指导及复杂矩阵运算功能。labview 不仅是一种编程语言，还是一种用于测量和自动化的特定应用程序开发环境，一种用来快速设计工业原型和应用程序的高度交互式的开发环境。同时，labview 还实现了对fpga等硬件的支持，实际上也是一种硬件设计工具。测量和自动化程序在处理和通用程序一样的问题（如数据结构的算法、文件i/o、网络i/o、用户i/o和数据库存取、打印等）的同时，还要处理额外的问题（如物理i/o、实时性约束和硬件配置等）。labview适用于测量和自动化应用程序的能力与通用编程的能力相互增强和扩展，时期在两个方面体现出强大的功能。4.2.2. labview的应用7 labview 的优点，使其在包括航天、航空、通信、汽车、半导体和生物医学等众多领域得到了广泛应用。从仪器控制、数据采集到测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从研究探索到技术集成，不同领域的科学家和工程师都在借助labview解决研究和工作中出现的各种应用课题。 应用于自动化测试和测量平台 近30 年来，ni公司革新了测量领域中工程师要年年进行测试和测量的方式。利用pc和虚拟仪器技术，通过labview 的集成软件包和pxi、pci、usb、ethernet等模块化测量和控制硬件，可以提高开发设计效率并降低自动化测试和测量应用程序的成本。测试和测量中的应用通常有生产测试、验证测试、机械测试、实时可靠性测试、便携式场地测试、射频rf和通信测试、机台测试、图像采集和数据采集等。应用于工业测量和控制平台labview 可用于要求苛刻的工业应用，如高级i/o、高速模拟信号采集、振动监控、控制及其视觉之类的高级处理应用，以及与工业硬件（如opc设备和plc）的通信。另外，可以将labview 中的可编程自动控制器集成于其他测控系统中，从而达到附加的测量和控制功能。应用于设计、原型建筑和发布labview 可用于高效的设计应用、仿真、仿真数据与正式测量之间的比较。将labview 和测量工具集成于附加的设计和仿真工具中，在设计过程中就可以将真实的测试工具与仿真模型进行比较，从而发现设计中的缺陷、减少重复设计、提高产品质量。应用于院校实验室labview 在测控领域掀起革新的同时，也增强和提高了院校实验室的研究。在实验室中，labview 将复杂的数据采集工作变得简便，便于研究人员集中精力和时间用于实验操作、数据分析和结论总结，而不是将大量时间用于搭建实验室设备。4.2.3. labview常用控件8数据类型数据交换和处理时程序设计中不可缺少的部分。labview作为虚拟仪器程序设计软件，提供了对多种数据类型的支持。labview中的数据类型包括数字型(numeric)、布尔型(即逻辑型，boolean)和字符串型(string)；构造数据类型包括数组和簇；其他数据类型包括枚举（refnum）、空类型等等。数字类型的前面板对象包含在控制模板numeric子模板中，传统的数据类型分为变量和常量两种，在某种意义上，labview的数据也可以这么分，numeric子模板中的前面板对象就相当于传统编程语言中的数字变量。labview的子模板包括多种不同形式的控制和指示，它们的外观各不相同，人数字量、滚动条、水箱、温度计、旋钮、表头、刻度盘以及颜色框等，但本质是完全相同的，都是数字型，只是外观不同而已。 簇一个簇中可以包含多种数据类型的元素，她包括简单数据类型和复合数据类型。由于簇可以包含不同的数据类型，创建簇时要将不同类型的数据打包；访问簇中的元素时要将簇解包。另外，在程序运行过程中，数组的长度可以自由改变，而簇的元素个数是固定的。.簇的创建在前面板上放置一个簇壳就创建了一个簇。然后你可以将前面板上的任何对象放在簇中。例如数组，你也可以直接从control 工具板上直接拖取对象堆放到簇中。一个簇中的对象必须全部是control，或全是indicator，不能在同一个簇中组合control与indicator，因为簇本身的属性必须是其中之一。一个簇将是control或indicator，取决于其内的第一个对象的状态。如果需要可以使用工具重置簇的大小。如果你要求簇严格地符合簇内对象的大小，可在簇的边界上弹出快速菜单选择自动定义大小.簇与子vi的数据传递一个vi的连接窗口最大有28个端子。可以通过把控制或显示对象捆绑成一个簇，仅使用一个端子实现功能。捆绑数据功能将分散的元件集合为一个新的簇，或允许你重置一个已有的簇中的元素。可以用位置工具拖曳其图标的右下角以增加输入端子的个数。最终簇的序是取决于被捆绑的输入的顺序。分解簇功能是将簇分解为若干分离的元件。程序结构程序结构是程序设计语言中的重要组成成分，同样labview中也不例外。labview提供了多种图形化的程序结构用来控制设计流程。labview程序结构主要有：循环结构、条件结构、顺序结构等。循环结构for循环是labview最基本的循环结构之一，它执行指定次数的循环，相当于语言中的for循环：for (i=0; in; i+ ) labview中的for循环可从框图功能模板子模板中创建。for循环执行的是包含在循环框架内的程序节点。其重复端口相当于c语言for中的i，初始值为0，每次循环递增步长为1。而且，重复端口的初始和步长在labview中是固定不变的，若要用到不同的初始值或步长，可对重复端口产生的数据进行一定的数据运算，也可用到移位寄存器来实现。条件结构条件结构相当于c语言中的switch语句或if else结构或case结构。 switch(表达式)case 常量表达式1：语句1； case 常量表达式2：语句2； case 常量表达式n：语句n；default ：语句n+1； 在某种意义上还相当于c语言的if语句： if(条件判断表达式) else条件结构包括多个子程序框图，根据传递给该结构的输入值执行相应的子程序框图。条件结构每次只能显示一个子程序框图，并且每次只执行一个条件分支。条件结构框由条件选择器标签、选择器接线端和分支子程序框组成。顺序结构顺序结构包含一个或多个按顺序执行的子程序框图或帧，程序中用帧结构来控制程序的执行顺序，执行完某一帧中的程序以后再执行下一帧中的程序。顺序结构包括层叠式顺序结构和平铺结构。.字符串和文件 程序设计语言除了识别自身语言规范的一些标识、信息外，还需要和外界交换信息。字符串和文件操作时labview与外界通信的重要方式。labview的许多功能体现在仪器控制上，labview与各种仪器等硬件设备通信有重要的意义。而硬件设备控制命令和数据大多为字符串和文件方式，因此，labview提供了大量的字符串和文件处理功能。字符串是ascii字符的集合，包括可显示的字符和不可显示的字符。字符串提供了一个独立于操作平台的信息和数据格式，labview支持操作系统地各种字体，包括中文字体。labview中常用的字符串数据结构有字符串。字符串数组等：在前面板中，字符串以文本输入框、标签和表格等形式出现。文件i/o操作时与文件交换数据的重要途径，文件操作包括打开和关闭文件操作。文件的读操作、文件的写操作和文件管理操作。文件操作中分为不同的文件格式，包括文本文件、二进制文件、电子表格文件、数据记录文件和测量文件。文件管理包括对文件、文件夹及其路径的操作。波形的显示 labview是以模拟真实仪器操作面板提供了强在的交互式界面设计功能。传统的仪器仪表中，除了最简单的数码显示外，能够显示测量信号波形和仪器工作状态的crt荧光屏正在广泛应用，包括数字示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪等，这些高级的仪器都必需具备实时图形显示能力。一幅精心设计的画面为用户提供的信息量，远远超过完全由数字或文字组成的报告。因此能够将大量测量数据转换为意义明确的显示曲线或三维图形的控件是设计虚拟仪器所必需的。按照处理测量数据的方式和显示过程的不同，labview波形显示控件主要分为两大类，一类为事后记录图（graph）,另一类为实时趋势图（chart），这两类控件都是用来对波形或图形进行显示的，它们的区别在于两面三刀者的数据组织方式及波形刷新方式不同。结于事后记录图graph方式来说，它的基本数据结构为数组，也就是就graph显示是将构成数组的全部测量数据一次显示完成；而实时趋势图chart方式是实时显示一个或几个测量数据，而且新接收数据点要接在原有波形的后面连续显示。它的基本数据结构是数据标量，也可以是数组。显示控件包括事后记录波形控件(waveform graph)、实时趋势图控件(waveform chart)、xy波形记录控件（xy graph）、密度图形显示控件(intensity graph)、密度趋势控件(intensity chart)等.4.3.在labview下的设计4.3.1.信号的生成数字信号具有高保真、低噪声、便于处理等优点，从而得到广泛的应用。信号分析是通过研究信号的描述、运算、特性以及信号发生一些变化时其特性相应的变化，来揭示自身的时域特性、频域特性等。在labview中信号的发生方法总体上可以分为两种，一种是通过外部硬件发生信号，用labview编写程序控制计算机的a/d数据采集卡而获取信号；另一种方式是选用labview本身产生波形信号，即用软件产生信号。用labview程序进行信号的发生主要依靠一些可以产生波形数据的函数、vis以及express vis来完成，另外一些数学应算函数也可以产生波形信号。超声波测厚的信号可以应用labview 产生信号传送到labview 数据卡,然后连接到超声波发射器发出。但设计较为复杂，本论文选用用软件产生具有一定相位差的波形信号。在函数选板上选择“express输入”，在该子选板中选择“仿真信号”函数，用此express vi来生成所需的仿真信号。由于超声波接收器将会收到的始波和底波的时间不一样，存在一定的相位差，因而使用两个仿真信号控件产生两个波形，北方民族大学学士学位论文 基于虚拟仪器的超声波测厚仪他们的参数：频率和信号类型的相应参数是一样的；相位则分别设定，幅值取默认值1。图 4.3.1 创建仿真信号的程序框图图4.3.2 仿真信号生成的前面板从图4.3.1可以看到有两个波形生成，它们是超声波接收器将会收到的始波和底波的波形。由于接收的时间不一样，所以存在一定的相位差，但其中频率是一样的。修改输入的频率、相位值，波形也会发生相应的变化。 在仿真信号vi中设置采样率和采样数，采样率至少为所设置频率的2倍，采样数值可以自动调节。4.3.2.波形的处理labview 中提供了多种滤波器和用来设计滤波器的函数节点和vi。滤波器接节点位于函数选板的“信号处理滤波器” 数字滤波器节点可以将输入信号直接经过滤波器处理，也可以计算滤波器系数来设计滤波器。滤波器包括butterworth滤波器、chebyshev滤波器、椭