（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器技术的典型机械特性测量方法及装置研究.pdf

中文摘要虚拟仪器技术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、测量和自动化控制的一种应用技术。灵活高效的软件能帮助我们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。为了实现断路器机械特性的准确测试，方便快捷地获得断路器机械特性参数，为断路器的研发与生产提供可靠的性能参数，本文研究和设计了基于虚拟仪器技术的机械特性测量方法及装置设计。根据本文介绍的基于虚拟仪器技术的机械特性测量方法及装置设计，我们能够为断路器设计准确实时的自动化检测功能，包括可在线直观检测过程，实时获取检测信息，读取已测过的数据参数、对特性曲线进行比较分析等。主要工作内容：1 介绍基于虚拟仪器技术的智能自动化检测方法，并简单介绍了我国断路器行业的发展历史和断路器的主要应用领域。2 研究和设计虚拟仪器技术在机械特性检测中的具体实现方法。主要包括运动自动控制方法及装置设计和力自动检测方法及装置设计。3 硬件设计：建立高精度的伺服控制传动系统，该闭环系统通过读取编码器的反馈脉冲获得实际行进的位移，从而精确控制系统的进给量，达到高精度位移控制；高精度的传感放大系统和基于p c 的高速并行数据采集与控制系统保证了力跳变峰值的准确捕获：4 软件设计：在l a b v i e w 环境下，不仅实现了简洁直观的界面，而且实现了高效的实时自动化检测功能，主要包括：人机交互界面、实时数据库、实时曲线和检测数据显示、电机控制等。5 集成软硬件系统的调试与实验数据分析。关键词：虚拟仪器l a b v i e w 力传感伺服传动自动化检测a b s t r a c tt h ev i r t u a li n s t r u m e n t sh a sr e v o l u t i o n i z e dt h ew a y so fm e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o nf o re n g i n e e r sa n ds c i e n t i s t si ni n d u s t r y , g o v e r n m e n t ，a n da c a d e m i a l e v e r a g i n gp c sa n dc o m m e r c i a lt e c h n o l o g i e s ，v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni n c r e a s e sp r o d u c t i v i t ya n dl o w e r sc o s t sf o rt e s t , c o n t r o la n dd e s i g na p p l i c a t i o n st h r o u g he a s y - t o - i n t e g r a t es o f t w a r e ，a n dm o d u l a rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lh a r d w a r e i tu s e st h eh i g hp e r f o r m a n c eo ft h em o d u l a rh a r d w a r ea n dh i g h l ye f f e c t i v en i m b l es o f t w a r et oc o m p l e t ev a r i o u sk i n d so ft e s t ，s u r v e ya n da u t o m a t e dc o n t r 0 1 i no r d e rt or e a l i z ea c c u r a t et e s ta n dr a p i dg a i no fp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc i r c u i tb r e a k e r s , a n dt op r o v i d er e l i a b l ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc i r c u i tb r e a k e r s ，t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e do nt h et h e o r ya n di m p l e m e n to ft e s t i n gf o rc i r c u i tb r e a k e rp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h i sm e t h o dm a k e si te a s yt oa u t o - t e s tc i r c u i tb r e a k e rp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa c c u r a t e l ya n dr e a l t i m e ，i n c l u d i n go n l i n ed i r e c t v i e w i n go ft h ee x a m i n a t i o np r o c e s s ，o b t a i n i n gt h er e a l - t i m et e s t i n gi n f o r m a t i o n ，r e a d i n gd a t am e a s u r e df r o md a t a b a s et oc o m p a r ed i f f e r e n tp r o d u c t s ，d i s p l a y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cd y n a m i cc u r v ea n ds oo n t h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：1 i n t r o d u c t i o no ft h ei n t e l l i g e n ta u t o m a t i o ne x a m i n a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n db r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h ec i r c u i tb r e a k e rd e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt h em a i na p p l i c a t i o nd o m a i ni no u rc o u n t r y 2 r e s e a r c h e do nh o wt or e a l i z ea u t o t e s tf o rp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sd i s p l a c e m e n ta n df o r c e ，b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 3 h a r d w a r ed e s i g n ：e s t a b l i s h e dh i g ha c c u r a c ys e r v o - c o n t r o lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，h i g hq u a l i t yf o r c es e n s o ra n da m p l i f i e r , h i g hs p e e dp a r a l l e ld a t aa c q u i s i t i o na n dt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np c 4 s o f t w a r ed e s i g n ：u s i n gl a b v i e 彤w eg a i n e dn o to n l yc o m p a c ta n di n t u i t i o n i s t i ci n t e r f a c e ，b u ta l s oe f f i c i e n tr e a l - t i m ea u t o t e s tf u n c t i o n 5 i n t e g r a t e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m ，d e b u g g e da n da n a l y z e dt h ed a t am e a s u r e d k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t , l a b v i e w jf o r c es e n s o r , s e r v o c o n t r o lt r a n s m i s s i o n a u t o t e s t独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞盗盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：禹揿签字同期：助刁年7 月d 同学位论文版权使用授权书本学位。1 - 了i 匕义1 ，f 自- 兀t - - l t 全了解苤叠基堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：i 萄杨导师签名：签字同期：加印年f 月f 。日签字同期：d斟够川天津大学硕士学位论文第一章绪论1 1 引言第一章绪论当今世代是信息化时代，各个领域常以信息的获取与利用为中心。在现代工业生产、仪器仪表高度自动化和信息管理现代化的过程中，以大量涌现出以计算机为核心的信息处理与过程控制结合的实用系统。伴随这这种系统的发展，一些先进技术，如信息传感技术、数据处理技术及计算机控制技术正在飞速发展并不断变革，综合其发展概述，仪器虚拟化是其中主要发展趋势之一。在2 0 世纪8 0 年代中期出现的虚拟仪器( v i s u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 技术是虚拟技术在仪器仪表领域的一个重要应用，是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。虚拟仪器不仅使仪器技术与计算机软、硬件技术和总线技术紧密结合，而且采用了数字信号处理，系统辨识和数学建模等现代方法。虚拟仪器的出现是对传统仪器观念的一次变革，是2 l 世纪测控仪器的重要发展方向。目前，国内外针对要求较高的断路器应用行业，如航空航天和造船等，断路器的机械性能检测，主要还是通过人工方式，或基于单片机的嵌入式检测设备进行。不论是单纯的手工检测还是结合单片机的检测系统，都有很大的缺陷，检测数据不直观，数据保存完全依靠人工记载，无法保存过程图形数据，实时曲线，不利于工程师们对断路器产品的特性进行仔细的分析，查找出具体的错误来源并更正。本课题的研究目的是以智能检测与控制技术为基础，借助于虚拟仪器技术，设计基于p c 的断路器机械特性的自动化检测方法，通过断路器机械特性原理的分析，为实现断路器机械特性参数的自动化检验，准确评估断路器的机械特性，为断路器的设计和研发工程师提供大量准确、直观的参数信息。1 2 虚拟仪器技术的发展及现状虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是随着计算机技术和现代测量技术的发展而产生的一种新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方向。虚拟仪器的概天津大学硕士学位论文第一章绪论念由美国国家仪器公司首先提出，它是针对传统仪器的重大突破。1 2 1 虚拟仪器技术概述在2 0 世纪8 0 年代中期出现的虚拟仪器( v i s u a li n s t r u m e n t ，简称v 1 ) 技术是虚拟技术在仪器仪表领域的一个重要应用，是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。在这种背景下，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，n d 在2 0 世纪8 0 年代首先提出虚拟仪器f v i r t u a ii n s t r u m e n t ，v 1 ) 的概念，认为虚拟仪器式是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种有计算机作为同一硬件平台，并由计算机操纵的模块化、软件化的仪器。v l 是利用现有p c 计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又能有一般仪器所没有特殊功能的新型计算机仪器系统。v i 的主要工作是把传统仪器的控制界面移植到普通计算机上，利用计算机的资源，实现相关的测控要求。由于v i 技术给用户提供了一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户可以根据自己的需要来设计自己的仪器系统，从而满足了多种多样的应用要求，具有极好的性能价格比，它可广泛的应用于试验、科研、生产、军工等的检测与控制。虚拟仪器不仅使仪器技术与计算机软、硬件技术和总线技术紧密结合，而且采用了数字信号处理，系统辨识和数学建模等现代方法。虚拟仪器的出现是对传统仪器观念的一次变革，是2 1 世纪测控仪器的重要发展方向。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。虚拟仪器技术的三大组成部分：1 高效的软件软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。n i 公司提供的行业标准图形化编程软件l 曲v l e w ( 1 a b o r a t o r yv i r t u a le n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) ，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。此外，n i 提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件s i g n a l e x p r e s s 、用于传统c 语言的l a b w i n d o w s c v i 、针对微软v i s u a ls t u d i o 的m e a s u r e m e n ts t u d i o 等等，均可满足天津大学硕士学位论文第一章绪论客户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。2 模块化的i o 硬件面对如今日益复杂的测试测量应用，n i 提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用p c i ，p x i ，p c m c i a ，u s b 或者是1 3 9 4 总线，n i 都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式i o 到c a n 接口等工业通讯，应有尽有。n i 高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师q j g , j 建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。目前，n i 已经达到了每2 个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了用户的选择面：例如n i 新近推出的新一代数据采集设备先期推出的2 0 款m系列d a q 卡，就为数据采集领域设定了全新的标准。3 用于集成的软硬件平台n i 首先提出的专为测试任务设计的p x i 硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和p c 技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。由n i 发起的p x i 系统联盟现已吸引了6 8 家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至近千种。p x i 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的l o 硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助p x i 高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。虚拟仪器技术的四大优势：性能高：虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承 了以现成即用的p c 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：n i 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n i 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。天津大学硕士学位论文第一章绪论开发时间少：在驱动和应用两个层面上，n i 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。n i 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。n i 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。1 2 2l a b v i e w 的起源与发展l a b v i e w 是虚拟仪器概念的首创者，也使得虚拟仪器这一概念成为实际可行的现实，它是美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s ( 简称n i ) 公司推出得一个图形化软件开发环境。n i 公司称，l a b v i e w 是一个通用软件的开发平台。确实，在一般的数据管理、科学计算等方面，在l a b v l e w 环境下也可以开发出优秀的应用程序。但是l a b v i e w 最大的优势还在于测控系统的开发，因为它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且l a b v i e w 程序还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实时数据库链接。标准化总线和网络化、软件化的仪器是未来测试与仪器技术发展的主要标准，这一切都离不开先进的测试与仪器软件开发平台，而图形化虚拟仪器集成开发环境l a b v i e w 提供了最佳的平台。l a b v i e w 支持各种先进测试总线，支持v i s a , s c p i ，i v i ，d a t a s o c k e t 等各种虚拟仪器软件标准，而且l a b v i e w 本身事实上也已经成为图形化编程语言的工业标准。在8 0 年代初，几乎所有的仪器控制程序都是用b a s i c 语言开发的，几乎所有使用可编程仪器的实验室在搭建测试系统时，仪器控制器的主导语言都是b a s i c 。所有使用仪器的工程师和技术人员都得做编程工作，与所有的文本编程语言一样，使用b a s i c 语言进行仪器编程的过程是单调、繁琐而乏味的。n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的编程团队注意到了这些现象，开发了一种用于开发仪器控制程序的新工具，减轻工程师和科学家们的负担。n a t i o n a li n s t r u m e n t s公司的创始人j i mt r u c h a r d 和j e f f k o d o s k y 博士，以及j a c km a c c ri s k e n 顾问便着手开发这种软件工具。天津大学硕士学位论文第一章绪论l a b v i e w 最初的概念来源于一个大型测试系统，该系统用于测试海军的声纳定位仪传感器，该系统的主要缺点是需要投入极长的编程时间( 超过1 8 个工作年) ，使用者想做任何改动都得懂得面板上的复杂方法。k o d o s k y 重新定义了该测试系统的概念，提出了虚拟仪器的仪器软件分层体系的概念，即一个虚拟仪器可由若干较低层的虚拟仪器组成，低层虚拟仪器代表了最基本的软件结构模块，负责计算和输入输出操作。虚拟仪器的概念是核心概念，而且这个概念最终包含在这个产品的名称中，该产品最终命名为l a b v i e w ，即l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ( 实验室虚拟仪器工程工作平台) 的首字母缩写组合。工程师在设计系统时常常要绘制框图，而l a b v i e w所体现的一大革新就是将框图转化为可被计算机识别和编译的程序，使用图形化的工作平台作为一种程序设计语言来开发仪器软件。这样可以帮助工程师将问题形象化，轻松完成系统设计，减轻编程负担。虽然l a b v i e w 本身是一个功能完整的软件开发环境，但它同时也是一种功能强大的编程语言。由于l a b v i e w 采用基于流程图的图形化编程方式，因此也被称为g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 。与其它编程语言相同，g 语言既定义了数据类型。结构类型。语法规则等编程语言基本要素，也提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在内的程序调试工具，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。对测试工程师而言，l a b v i e w 最大的优势表现在两方面：一方面是编程简单，易于理解，尤其是对熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手快，效率高；另一方面l a b v i e w 针对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，就可免去自己编写程序的繁琐，而且l a b v m w 作为开发的工业标准，提供了各种接口总线和常用仪器的驱动程序，是一个通用的软件开发平台。从1 9 8 6 年l o 月n i 公司正式发布l a b v i e w1 0f o rm a c i n t o s h 到2 0 0 2 年4月推出的l a b v i e w6 1 ，再到2 0 0 3 年推出的l a b v i e w7e x p r e s s ，到2 0 0 5 年年底推出的最新版本的l a b v i e w8 ，l a b v i e w 已经发布了十多个更新版本，几乎是不到两年就推出一个新版本，可见l a b v i e w 本身的技术进步和需求发展十分迅猛。l a b v i e w2 0 以前的版本都是运行在m a c i n t o s h 平台上，1 9 9 2 年8 月发布的l a b v i e w2 5 是第一个能够在w i n d o w s 平台上运行的版本。1 9 9 3 年1 月，增加了大量新特性的l a b v i e w3 0 正式发行，标志着l a b v i e w 作为一个比较完整和性能优异的图形化软件开发环境得到工业界和学术界的承认，并迅速占邻市场，赢得了广大用户的青睐。l a b v i e w 从1 9 8 6 年正式推出，目前已经发展到以最新版本l a b v i e w 8 为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制、p i d 控制等众多附加软件包，运行于w i n d o w sn t 9 8 2 0 0 似p ，l i n u x ，天津大学硕士学位论文第一章绪论m a c i n t o s h ，s u n ，h p u x 等多种平台的工业标准软件开发环境。在美国，许多工科大学已将l a b v i e w 作为课堂或实验室教学内容，作为工程师素质培养的一个方面。不同领域的科学家和工程师将这个易用的软件包应用在他们工作中的各种课题。1 2 3l a b v i e w 的现状2 0 0 5 年年底，美国国家仪器有限公司( n i ) 宣布推出重要升级版一一l a b v i e w 8 以及l a b v i e w 8 中文文档版。该版本带来了全新分布式智能的新功能套件，使嵌入式设计者、测试与控制系统工程师运用同一个图形化平台，同步实现网络的数据传输、实时通信与报警、事件和数据的记录等功能。l a b v i e w 8 具有突出的新特性，它提供一个崭新的基于项目的环境( l a b v i e wp r o j e c t ) 来开发和管理大型应用；l a b v i e w 8 拥有e x p r e s s 技术简化仪器控制和数据采集，利用提供的l a b v i e w 仪器驱动查找器，自动识别所连接的仪器，缩短了首次测量时间；l a b v i e w 8 和同时推出的数据采集驱动软件n i d a q m x 8 一起，提供数据采集l o 服务器和全新u s b 自动生成器；l a b v i e w 8 将设计、仿真与物理测量相结合，利用可自定义的系统快速地进行原型设计；l a b v i e w 8 为分布式智能的工业测量和控制系统提供多种控制方式，使用现有的基于f p g a 的i o 平台，工程师可以无需学习复杂的v h d l 编程，即可直接在f p g a 上实施控制和逻辑算法。l a b v i e w 8 包括了对l a b v i e w 实时模块、l a b v i e wf p g a 模块、l a b v i e wp d a 模块，以及l a b v i e w 数据记录和监控模块的重大升级。n il a b v i e w8 以其分布式智能极大地简化了分布式系统的开发。对于运行于各分布式系和远程设备上的进程，分布式智能使这些进程的开发得以简化。全新l a b v i e wp r o j e c t ( 项目) 工具用于管理大型应用的所有文件、简化同类型软件的开发并管理所有硬件目标，从而精简应用程序并提高系统管理的效率。此外，n il a b v i e w 继续推出更为完善的e x p r e s s 技术，用于仪器控制、数据采集和数据存储。不论创建何种类型的系统，也不论使用l a b v i e w 的经验如何，都可利用l a b v i e w8 的新功能更快捷轻松地设计各种控制和测试应用。使用l a b v i e w8 ，可以更轻松地开发并部署大型应用。l a b v i e wp r o j e c t 管理大型应用，结合使用源代码控制软件，使用应用程序生成器发布应用程序，分布式和实时系统，不论是将应用发布于同一台机器的不同进程，或是将应用发布于各远程设备的不同架构( 如f p g a 和d s p ) 上，l a b v i e w8 的分布式智能总能助您轻松开发多处理器系统。使用l a b v i e wp r o j e c t 管理分布式对象和设备通过共享变量实现远程结点之间的数据共享通过实时以太网同步分布式系统的执行全新仪器控制技术l a b v i e w 有业界领先的仪器控制软件包。l a b v l e w8 以其全新的技术令仪器控天津大学硕士学位论文第一章绪论制更进一步，再次印证其领先地位。使用高级仪器l o 助手，实现快速开发使用新的仪器驱动程序查找器自动查找并下载驱动程序使用仪器驱动程序项目创建向导快速创建仪器驱动程序全新g u i 控制利用l a b v i b w8 全新的用户界面对象和功能，您能开发出专业化的可完全自定义的前面板。使用l a b v i e wx c o n t r o l创建新的前面板对象，定制运行r u n t 眦e 快捷菜单用于l a b v l f _ , w 前面板对象，信号处理分析和数学运算。l a b v i e w8 对数学、信号处理和分析进行了重大的补充和完善。l a b v i e w 最新发布的版本中，信号处理分析和数学具有更为全面和强大的库，其中包括5 0 0 多个函数。l a b v i e w8 引入了新的编码结构，以增强l a b v l e w 的应用开发能力并提高代码运行的效率。使用d i a g r a md i s a b l es t r u c t u r e 暂时搁置l a b v i e w 代码使用新的共享变量简化远程结点间的通信。运用实时项目向导，简化实时系统开发。除了明显扩展了开发环境，l a b v i e w8大大增强了l a b v i e w 平台的开发功能和易用性。l a b v i e w8r t ( 实时) 模块通过其主机和对象的同步处理，加速了分布式实时开发，同时简化了新的共享变量间的通信。l a b v i e w8d s c 模块以新共享变量实现与l a b v l e w 开发环境的紧密集成，用于警报、记录和标定。l a b v i e wp d a 模块具有更完善的用户界面、高级编程功能和新的通信选项。1 2 4 l a b e w 在工业与工程中的应用及其特点l a b v i e w 在包括航空、航天、通信、汽车、半导体、生物医学等世界范围的众多领域得到广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，我们都可以发现l a b v l e w应用的成果和开发的产品。l a b v l e w 与v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v l 等编程语言不同，后几种都是基于文本的语言，而l a b v l e w 则是使用图形化程序设计语言g 语言，用框图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。一个v i 由三个主要部分组成：框图、前面板和图标连接器。框图是程序代码的图形表示。1 l a b v i e w 应用于测试与测量l a b v l e w 已成为测试与测量领域的工业标准，它可以通过g p i b ，v x i ，p l c 、串行设备和插卡式数据采集板构成实际的数据采集系统。它提供工业界最大的仪器驱动程序库，它还支持通过i n t e r n e t ，a c t i v e x ，d d e ，s q l 等交互通信方式实现数据共享，它所提供的众多开发工具使得复杂的测试与测量任务变得简单易得。一个典型的温度测量的v l 如下两图1 1 和1 2 所示：天津大学硕士学位论文第章绪论图1 1 温度测量系统前面板图黼篙黼耩嚣i 袅；。 同同网磊匾【、一j四h日m 。融“f ；藉。_ ”h 。l 匮圈。 群昏一目* 一川一一t d蟹国匐 詈铲田】- 恒i i 虱孵嗲圃_ l ，“誓龟剀1 2 韫度删情系统程序框蚓2l a b v i e w 应用r 过程控制和i i k 自动化由于l a b v i e w 强大的硬件驱动、罔彤显示能力和便捷的快速程序醴计，使得它为过程控制和t 业自动化应用提供，优秀的解决方案。当然对于更复杂的专门的工业自动化领域在l a b v i e w 基础上发展起来的b r i d g e v i e w 是更好的选大律大学硕上学位论文第一章绪论择。一个典型的过程控制的v i 如下两图1 3 和i _ 4 所示图l 一3 过程控制系统前面板图3l a b v i e w 应用于实验室研究与自动化l a b v l e w 为科学家和工程师提供了功能强人的高级数学分析库，包括统计、天津太学硕士学位论文第一章绪论估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学计算模块，可满足他们计算、分析的需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合，l a b v i e w 也提供了专门的附加软件包。一个典型的两通道数字示渡器的v i 框图如下两图l 一5 和1 6 所示：图i - 5 两通道数宁示波器前面板图。圈静虱5 藤硐斟蟛q憎幄蜀圈誉圈嘲埴 捌固蛔圄图1 6 两通道数宁q i 波器程序框图l a b v i e w 图形编程开发环境是为满足i 堆师们需要而设训的使他们可以用最低的费用快速的建立具有灵活性和。r 扩展性的测试、测量和控制应用。天津大学硕士学位论文第一章绪论l a b v i e w 是功能齐全的图形化编程语言，而且也具有传统基于文本的程序语言的灵活性。使用例如自动化代码生成、测量助手、应用模板和可配置的快速v l( e x p r e s sv i ) 这些交互式快速技术，对于所有用户，无论其编程的经验如何，l a b v i e w 都能使开发变得更加快速和轻松。虚拟仪器在性价比、灵活性以及用户化方面，具有实际的仪器不可比拟的优势。同时，使用l a b v i e w 比起传统的语言和其它控制及数据采集程序包具有更大的优势。与使用传统的编程语言相比，l a b v i e w 大大的提高了生产效率，而且其功能上的障碍最小；图形用户界面是内置的，操作直观、使用简便，而且更为美观；l a b v i e w 的图形语言g 是一种真正的编程语言，而不是专门的应用程序。它几乎没有内在的局限性。由于令人烦恼的语法规则被消除了，减少了编程人员的编程难度和工作量。在l a b v i e w 环境下可以快速做出模型，有利于快速并有效的证明模型是否可以重新使用或扩大为完整的应用软件。另外，先进的内置库和附加的工具箱满足了科学、工程以及数学计算的需要。l a b v i e w 软件环境的主要特点，l a b v i e w 是一个基于g ( g r a p h i c ) 语言的图形编程开发环境，在工业界和学术界中广泛用作开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的标准语言，对于科学研究和工程应用来说是很理想的语言。它含有种类丰富的函数库，科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测试系统。l a b v i e w 编程语言最主要的两个特点是图形化编程和数据流驱动。其主要特点有以下几点：1 模块化和层次结构：l a b v wv i 是设计过程中的模块，都可以单独运行。这样，l a b v i e w 的程序就可以根据需要轻松地从极其复杂的控制系统缩减为简单的数据记录应用程序。2 数据流编程模式：n il 曲v i e w 使用已获取专利的数据流编程模式，它能使编程者从基于文本程序语言的顺序结构中解脱出来。图形化代码对于那些熟悉框图和流程图的工程师和科学家们显得非常直观。由于l a b v i e w 的执行顺序是由节点间的数据流而不是由文本的顺序所决定，所以，编程者可以轻松的建立程序框图来并行执行多个操作。除此以外，l a b v i e w 的并行特性使得多任务和多线程更易于实现。通过菜单选择，无需工程师编程即可通过菜单选择分配线程执行的优先级。3 编译化执行：在许多应用中，执行的速度十分关键。l a b v i e w 是唯一具有编译器的图形编程环境，所生成的优化代码的执行速度可与编译后的c 语言程序相媲美。编程者可以用l a b v i e wp r o f i l e 来分析和优化实时性操作。l a b v i e w 无需牺牲执天津大学硕士学位论文第一章绪论行速度便可提高开发效率。4 开放的环境：l a b v i e w 具有开放的环境，能和第三方软件轻松连接。通过l a b v i e w 能把现有的应用程序和n e t 组件、a c t i v e x 调用、d l l 以及广泛的网络协议相连。也可以在l a b v i e w 中创建能在其他软件环境中调用的独立执行程序或者动态连接库。基于图形编程语言l a b v l e w 的虚拟仪器与传统仪器的对比：1 灵活性：传统仪器系统封闭、功能固定、可扩展性差，功能和模块由生产厂家定义，而虚拟仪器可由用户自行定义功能模块，大大扩展了其灵活性。2 费用：虚拟仪器的开发维护费用更低，系统组建时间更短。只需通过增加软件模块或者通用硬件模块来增添新的测量功能，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。另外，由于虚拟仪器的结构基于软件体系，所以应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，可以大大节省一笔维护费用，从而延长设备的使用寿命。低廉的开发成本使虚拟仪器更有市场竞争力，据估算，虚拟仪器价格仅是传统仪器的五到十分之一。3 用户化：传统仪器用户界面小且简单，用户操作起来不够方便，提示信息也较少。而虚拟仪器通过软件技术可实现丰富、快捷、方便的用户界面，通过多种数据显示方式能够提供更为全面丰富的信息，用户使用时一目了然。即便是有特殊要求的复杂界面，也可以借助更深入的编程技术得以实现。4 测量误差：传统仪器受系统误差的影响，不同仪器之间个体差异较大，往往会影响测量结果，而虚拟仪器在p c 机上运行，不同的p c 机上运行具有相同的效果，个体差异很小。5 数据处理：计算机运算速度的日益提高，使虚拟仪器处理数据的过程非常快速，而数字信号处理理论的成熟发展使得数据处理过程更为可信、精确。传统仪器无法编辑数据，而虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印。6 软硬件接口：传统仪器与其它仪器设备的连接十分有限，而虚拟仪器在普通p c 机上就可实现，可方便的与网络外设及多种仪器连接，现在流行的d a q ( 数据采集) 卡、g p i b ( 通用接口总线) 卡、v x i ( 系统控制接口卡) 、p l c ( 可编程逻辑控制器) 等都可以插入计算机插槽。软件方面，可以方便地与c 、m a t l a b等接口式调用，可与数据库连接，以及方便地支持网络传送数据。天津大学硕士学位论文第一章绪论1 3 机械特性参数检测的意义与方法在当今社会中，各类电动机、高低压开关、断路器、继电器等广泛应用于航空、航天、通信、汽车、半导体、生物医学、供电配电、家庭用电与各种家用电器。它们能否正常工作至关重要，一旦出现故障，小至毁坏电器设备，大至对人们的人身安全造成伤害，甚至可能影响社会经济的发展。而其是否能正常工作主要直接取决于其自身的机械特性，所以对机械特性参数的检测具有很高的要求，需要高效而精确可靠的检测方法。1 3 1 机械特性概述机械特性是一个泛指的概念，对于不同的对象它可以作不同的定义，所指的内容也各不相同。通常情况下，机械特性主要是指与运动相关的一些参数( 如位移、行程、速度、动量等) 和与力相关的某些参数( 如力值、转矩、扭矩、功率和功等) 。对一个特定对象而言，其机械特性用几个相应的机械特性参数来度量。如：对电动机而言，转速、转矩、电磁扭矩、额定转速和额定功率等是其几个主要的机械特性参数；而对高低压开关、断路器、继电器等而言，接通力值、接通备用行程、接通时间、断开时间、断开力值、接通断开速度、接通和断开同步性、机械寿命、电寿命都是用以衡量其机械特性的几个主要的机械特性参数。1 3 2 断路器概述、断路器机械特性分析及检测方法断路器的发展历史：世界上最早的断路器出现于1 8 8 5 年，它是一种刀开关和过电流脱扣器的组合。1 9 0 5 年具有自由脱扣装置的空气断路器诞生。1 9 3 0 年以来，随着科技的进步，电弧原理的发现和各种灭弧装置的发明，逐渐形成了目前的机构。2 0 世纪5 0 年代末，电子元件的兴起，又产生了电子脱扣器，到了今天，由于小型化电脑的普及，又有智能型断路器的问世。断路器通常的作用是：1 在正常情况下，动作不频繁合、分电路或起动、停止电动机；2 当线路或电动机发生过载、短路或欠电压( 电压不足) 等故障时，能自动切断电路，予与保护。根据保护对象的不同，断路器又分为四个类：1 ) 配电保护型，保护电源和电气线路( 电线、电缆) 和设备；2 ) 电动机保护型，专作电动机的不频繁起动，运行中中断，以及在电动机发生过载、短路和欠电压时的保护；3 ) 家用和类似家用场所保护型，对照明线路、家用电器等的保护；4 ) 剩余电流( 漏电) 保护型，用来保护人身免受电击危险，及防止电气火灾的保护器。根据国际电工委员会推荐的试验检测标准，断路器参数试验检测的主要内容包括：耐压试验、局部放电试验、无线电干扰试验、短路试验、机械试验等。断天津大学硕士学位论文第一章绪论路器全都是依靠其机械部件的正确动作来完成它的职能，因而，每个组件的机械牢固性极为重要，从初始设计阶段起，经过工厂型式试验和例行试验，直到现场安装和投运前的检查都应予充分考虑。机械试验可分为机械整体部件和组件的检验，包括机械疲劳度、机械触头开关接通断开准确性等等。其他的断路器试验还有介质损耗、合成实验等，通过这些通用的试验手段和方法，可准确评估断路器的电特性和机械特性。断路器作为一种电力保障产品，其发展的同时，也伴随着产品检测手段的发展更新。断路器特性试验( 也称动作特性试验) 是考核其用于主电路保护的脱扣器性能的试验项目，是判断此产品的短路保护与过载保护脱扣器是否合格的重要依据，意义重大。为此，对断路器特性试验控制台的要求也比较高。从2 0 世纪7 0 年代起，i e e e 有关技术委员会对高压断路器与低压断路器均在全球范围内开展了其可靠性的调查工作，这说明i e e e 非常重视断路器的可靠性。例如，i e e e 电力系统可靠性委员会低压断路器可靠性工作组在2 0 世纪9 0年代对低压断路器的可靠性进行了调