（流体力学专业论文）基于压力互相关和虚拟仪器的流速测量研究.pdf

武汉理j 。：大学硕士学化论文 摘要 流速测量是流体力学的一项基本测量。热线流速仪、激光流速仪、粒子 图像流速仪是具有代表性的三代流速测量技术，体现了科学技术人员在流速 测试技术上孜孜不倦的追求。然而，流体力学、空气动力学、水力学、热力 学以及航空航天工程、水利水电工程、热能工程、流体机械工程、环境工 程提出的各式各样的流速测量问题，仍然时时困扰着我们。工业上在窑、 锅炉和烟道内的流速测量，l 贤气发动机尾部、汽车废气排放等高温流体的流 速测量、污水流速的测量、含有固体颗粒的两相流动流速的测量、含有微气 泡的两相流动流速的测量、体育运动中的诸多流速测量问题，都需要我 们提供新的流速测量方法和测量仪器，要求我们不断关注新技术，采用新上 艺，发明新结构，发展新原理。可以说，无论我们的流速测试手段多高，都 难以满足实际流速测试的多样性；无论我们在流速测试技术上倾注多大的精 力，都是值得的。 相关流速( 流量) 测量技术是目前流速测量技术领域中一种较为新颖的 技术，也是一个具有潜力和发展前途的测量方法，特别在“困难”流体的测 量中，更表现出强大的生命力。 基于相关信号原理对流速的测量，所使用的信号有电容、光强、声波和 压力等，电容信号和光强信号使用于含有颗粒的流体，始于六十年代，研究 较为充分；声波信号相关测速技术发展稍晚，始于九十年代，主要用于海流 河道剖面流速的测量，目前处于发展与完善阶段：压力信号相关测速， 国内仅有一例用于工业高温含颗粒流体测试，国外尚未见到相关文章和报 道。本文正是在这种情况下，基于压力信号互相关原理，来对流速测量进行 研究。 在基于压力信号互相关原理的流速测量研究中，融入了虚拟仪器技术， 使用国外流行的l a b v i e w “7 0 虚拟仪器平台，搭建了相关流速仪以及研究中 所需要的其他仪器，如信号发生器、频谱仪等，利用虚拟仪器这一新技术与 相关测试技术的结合，构建了一个完整的流速测量系统，进行流速在线测量 的实验研究a 本文介绍了虚拟仪器的概念、发展和现状，使用这一平台进行 武汉理：【火学硕十学位论文 本研究开发的过程。 本文阐述了能够应用压力作为互相关测量信弓的流体力学原理，自行设 计制作了压力互相关流速测量探头。鉴于有关压力相关测速的研究资料几乎 空白，本研究是探索性的，未定位一个具体的运用或产品。气流脉动所导致 的流体静压力的变化在各种不同的场合究竟有多大? 它们的相关性究竟会 如何? 测量精度究竟能做到多高? 这些都是研究之前所不清楚的，研究 过程逐一回答了这些疑问。论文给出了试验装嚣的软硬件组成，捕述了研究 中信号处理的经验和应注意的地方，给出了试验测试结果的各种图表，并作 了误差分析。研究结果表明，虽然流体速度的脉动性总是存在的，但对于像 j x l 洞这样的紊流度很小的设备，使用压力相关会出现困难，此时使月j 适当的 人为扰动，可以达到较好的效果。但对于大多数工业运用场合，压力脉动的 信号强度已足够。研究结果表明，压力信号相关良好，测试误差在一个可以 解释的合理范围内。由于流体速度和压力随机脉动的普遍性，使得这- n 试 技术除可用于两相流体外，还可适用更广泛的流体。论文最后展望了这方面 的研究前景。 将压力相关测速技术与虚拟仪器相结合，完全独创的含有两个微压传感 器的测量探头。这是本研究的创新点，其测试结果和国内已公开发表文献相 比，测试精度有所提高。研究说明基于压力相关的流速测试技术是完全可行 的，证明了虚拟仪器是用于科学研究和工业测试的强有力的工具，为使基于 压力相关的流速测试技术走向成熟打下了基础。 关键词：流速，压力互相关，虚拟仪器，l a b v i e w 1 1 垫堡堡：! ! 盔堂堕主堂篁笙茎一一一 a bs t r a c t t h em e a s u r e m e n to ff l o wv e l o c i t yi sa f u n d a m e n t a lw o r ki nf l u i dm e c h a n i c s h o t w i r ea n e m o m e t e r ( h w a ) ，l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ( l d v ) a n dp a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t e r ( p i v ) a r e t h r e er e p r e s e n t a t i v et e c h n o l o g i e su pt on o w , w h i c h a r et h er e s u l t so ft e c h n i c i a n sh a r dw o r ka n de f f o r t s ，h o w e v e r ，t h e r ea r cal o to f c a s e st h a tt r o u b l eu sa n dr e q u i r eu st od e v e l o pn e wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i t i sd i 艏c u l tt om e a s u r ef l o wv e l o c i t y i n m a n y f i e l d ss u c ha s a e r o d y n a m i c s ， h y d r a u l i c s ，t h e r m o d y n a m i c s ，a n di nb o i l e r ，f l u eo rh i g ht e m p e r a t u r ef l o w , a n d s o o n a l lt h e s ed i f f i c u l t i e si m p e lu st op a yi t i o r ea t t e n t i o nt on e wt e c h n o l o g ya n d d e v e l o pan e wt h e o r y b e c a u s et h eq u e s t i o n sa r ev a r i o u s ，a n dt h em e t h o d sf o r m e a s u r e m e n ta r el i m i t e d ，t h ec o r r e l a t i v e t e c h n o l o g y m u s tb e i m p r o v e d a n d d e v e l o p e d ， c u r r e n t l y ，c r o s s c o r r e l a t i o n t h e o r y i san o v e l t e c h n o l o g y i nc u r r e n t v e l o c i t y m e a s u r e m e n ta n di sm o r e p o t e n t i a l ，p r o s p e c t i v e ，e s p e c i a l l y i a “d i f f i c u l t ”f l u i d b a s e do nr e l e v a n ts i g n a lt h e o r yi nf l o wv e l o c i t ym e a s u r e m e n t ，s o m eu s u a l s i g n a l ss u c ha sc a p a c i t a n c e ，l i g h t ，s o u n dw a v ea n dp r e s s u r e ，a n do t h e ru n u s u a l s i g n a l sa r ea d o p t e d a m o n g t h e s eu s u a ls i g n a l s ，t h ec a p a c i t a n c ea n d l i g h ts i g n a l ， w h i c hd e v e l o p e di n19 6 0 sa n ds t u d i e df u l l y , c o u l db eu s e di nf l u i dc o n t a i n i n g g r a n u l e s o t h e rs i g n a l s ( s o u n dw a v e ) ，w h i c hw e r eu s e dt om e a s u r ev e l o c i t yi n r i v e ra n ds e ac u r r e n t ，b e g a nt ob ea d o p t e d l a t e l yi n i9 9 0 sa n dd e v e l o p e d a sf o r t h ep r e s s u r es i g n a l ，i nc h i n a ，t h e r ei s o n l yo n ea p p l i c a t i o n ，w h i c ht h ep r e s s u r e s i g n a l i su t i l i z e dt om e a s u r e v e l o c i t y i n h i g ht e m p e r a t u r e f l u i d c o n t a i n i n g g r a n u l e si ni n d u s t r i a lf i e l d t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gan e wm e a s u r e m e n ta p p r o a c h b a s e do nt h er e l e v a n tt h e o r yi st h em a i n p u r p o s e o ft h i sp a p e r c o m b i n i n g t h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt h e p r e s s u r e c r o s s ，c o r r e l a t i o n p r i n c i p l e ，l a b v i e w t m 7 0i su s e dt ob u i l daf l o wv e l o c i t yi n s t r u m e n t ，a n dm a d e u p af l o w v e l o c i t y i n s t r u m e n tt om e a s u r e v e l o c i t y o n l i n e t h e c o n c e p t s ， i i l 武汉理工大学硕士学位论文 ，_ 一_ ，一 d e v e l o p m e n t ，a c t u a l i t ya n dp r o c e s so f v i r t u a li n s t r u m e n t sa r ei n t r o d u c e di nt h e p a p e ra tf i r s t i nt h i s p a p e r ，t h ep r i n c i p l e o fp r e s s u r e ，w h i c hc a nb em e a s u r e d b y c r o s s c o r r e l a t i o ni nf l u i df l o w , i sd i s c u s s e d a n dt h ei n s t r u m e n te q u i p m e n ti s d e s i g n e db yt h e a u t h o r t h ew o r ki s e x p l o r a t i v eb e c a u s et h ep a p e ra b o u tt h e v e l o c i t y m e a s u r e m e n tw i t hp r e s s u r ec r o s s c o r r e l a t i o nh a sn o tb e e nf o u n db y a u t h o r t h ev e l o c i t yi n s t r u m e n td e s i g n e di nt h i s p a p e r i sn o tf i x e do nt h e i n s t r u m e n tw h i c hc a nb eu s e do np r a c t i c e t h ef o l l o w i n gq u e s t i o n sh a v eb e e n f o c u s e do n ：h o wm u c hi si m m o b i l ep r e s s u r ec a u s e db ya i r f l o wj na l lk i n d so f s i t u a t i o n ? h o wm u c ha r et h ec o e f f i c i e n to fc r o s s c o r r e l a t i o na n dt h ep r e c i s i o n ? a n ds oo n t h e s ec a u s e sa r en o tc l e a r t h e s eq u e s t i o n sa r ea n s w e r e do n e b yo n e i nt h i sp a p e r t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ee q u i p m e n ta r em e n t i o n e d ，a n d t h ee x p e r i e n c e so ns i g n a ld i s p o s a la r ed e p i c t e d t h ep a p e ri n c l u d e sc a l c u l a t i o n o ft e s tr e s u l t s ，c o r r e s p o n d e dg r a p h so fd r a w i n ga n da n a l y s e so ft h ee r r o r s t h e f l u c t u a t i o no ff l o wa l w a y se x i s t s ，b u ti ti sd i f f i c u l tt ob em e a s u r e d f o re x a m p l e t h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yi ss m a l li nw i n dt u n n e l ，i t se f f e c tc o u l db eb e t t e rw h e n a d d e da p r o p e ra r t i f i c i a lt u r b u l e n c e i nm a n yi n d u s t r yf i e l d s ，t h ep r e s s u r ef l o wi s e n o u g ht o b em e a s u r e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e a s u r e n l e n te r r o r i s r a t i o n a li ft h ec o r r e l a t i o no f p r e s s u r es i g n a li sw e l l t h ei n s t r u m e n tc a nb eu s e d o nm a n yf l o w sb e c a u s et h ef l o w v e l o c i t y a n d p r e s s u r e a r eu n i v e r s a l t h e e x p e c t a t i o no f t h ei n s t r u m e n ti sp r e d i c t e di nt h ep a p e r f i n a l l y t h e r ea r et w oi n n o v a t i v ep o i n t si nt h ep a p e r ：o n ei s c o m b i n a t i o no ft h e p r e s s u r e c r o s s c o r r e l a t i o n t e c h n i q u ea n dv i r t u a li n s t r u m e n t s ，a n o t h e ri sa n o r i g i n a l c r e a t i o no fm e a s u r e m e n te q u i p m e n tw i t ht w ot i n y p r e s s u r es e n s o r s c o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t so fo t h e r s ，o u rt e s t i n gp r e c i s i o ni si m p r o v e d i tp r o v e d t h a tt h em e a s u r e m e n t t e c h n i q u e b a s e do n p r e s s u r e c r o s s c o r r e l a t i o ni s p r a c t i c a b l e ，a n d t h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sa s t r o n g t o o li n t h e v e l o c i t y m e a s u r e m e n t t h ep a p e rp r o v i d e sab a s et ot h e v e l o c i t ym e a s u r e m e n tw i t h p r e s s u r ec r o s s c o r r e l a t i o ni nt h ef u t a r e k e y w o r d s ：f l o w v e l o c i t y , c r o s s c o r r e l a t i o no f p r e s s u r e ， v i r t u a li n s t r u m e n t l a b v i e w 武汉理工大学硕十学位论文 一一 第1 章概述 测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助 一些专门的设备即测量仪表，把被测对象直接或间接地与同类己知单位进行 比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。现代科学技术、生产和国防 的重要特点之一，就是要进行大量的观测和统计。提高测量水平，降低测量 成本，减少测量误差，提高测量效率，对国民经济各个领域都是至关重要的。 因此，测量手段的现代化，已被公认是科学技术和生产现代化的重要条件和 明显标志。 8 0 年代末，随着计算机和通信技术的b 速发展以及虚拟实现( v i r t u a l r e a l i t y ) 技术的引入，产生了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 这一新概念。 作为计算机技术和现代仪器技术相结合的产物，虚拟仪器的出现是传统仪器 在测量理论和测量方法等概念上的革命性突破，它使人们对测量仪器有了更 新的认识。 本章首先介绍了测量仪器的发展，然后介绍了互相关流速测景的历史和 发展现状，最后提出了本课题的主要任务，课题的目的和意义。 1 1 测量仪器的发展 从狭义上讲，电子测量是在电子学中测量有关电的量值，通常包括以下 几方面：电量的测量，如电流、电压、功率、电能等；信号特性及所受干扰 的测量，如信号波形、失真度、频率、相位、信，嗓比等；元件和电路参数 的测量，如电阻、电感、电容、电缆频率响应、通带宽度、相位移等。 随着科学技术的发展，对许多物理量，如距离、重量、速度、温度等， 使用传统测量方法已经不能满足现代化科学研究和生产的需要。因此都将它 们设法通过一定的传感器变换成电信号，然后利用整套比较成熟的电子学 方法来进行测量。这也就使得电子测量技术在很多领域得到了应用，在现代 科学技术中具有不可替代的重要作用。 根据电子测量仪表所采用技术的先进程度，可以将其分为四代产品，即 武汉理工犬学硕 学位论文 模拟式仪器、数字式仪器、智能式仪器和虚拟仪器。 第一代：模拟式仪器，这种仪器仪表至今仍在各个场合被广泛使用着。 大量的指针式电压表、电流表、功率计以及模拟示波器，扫描仪等一些通用 测试仪器，它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果的。 第二代：数字化仪器，这类仪器目前相当普及，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，适用于快速响应和较高准确度的测量。 第三代：智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有 一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块 全部都是以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，但是无论是丌发还是应用，都 缺乏灵活性。 第四代：虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合 的产物，它对传统仪器观念进行了一次巨大变革，足将来仪器产业发展的重 要发展方向之一。使得计算机和网络技术与仪器技术结合起来，从而开创了 “软件即是仪器”的先河。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是一种概念仪 器，它是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物，也逐渐成为当今计算 机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。v i r t u a li n s t r u m e n t s ( 即v f ) 实 际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。 1 2 相关理论的流速测量历史和发展现状 1 2 1 流速测量概况 流速和流量测量是一项与其它多种先进的工程技术紧密结合的综合性 技术领域。流体速度是描述流动现象的主要参数，研究流场，首先就要研究 速度场。流速测量是研究流动现象的必不可少的，也是极为重要的。流速测 量的代表性仪器，主要有毕托管，热线热膜风速计，激光多普勒测速计。这 三种仪器是建立在不同的涮速原理基础上的。毕托管是建立在一维管道流理 论基础上的，通过测量压力来测量速度。热线热膜流速计是建立在热交换原 理基础上的。激光流速计则是建立在激光多普勒频移原理基础上的。毕托管 和热线热膜风速计属于接触式测量工具，在测量时会干扰和破坏流场，而激 武汉理工大学硕士学位论文 光流速计为非接触式测量工具，本身不会干扰破坏流场，特别适用于窄小流 场、易变流场和有害流场的测量。 从描述流动现象的本质来说，流量是与流速紧密联系的概念。人们为了 测量需要，根据不同的测量原理，研制出了多种流量测量仪器，大致分为容 积式、速度式、差压式三类。各种类型的流量计量测原理、结构不同，既有 独到之处又存在局限性。为达到较好的测量效果，需要针对不同的测量领域， 不同的测量介质、不同的工作范围，选择不同种类、不同型号的流量计。常 用的几种流量计有： ( 1 ) 差压式流量计 差压式流量计是以伯努利方程和流体连续性方程为依据，以压差信号来 反应流量的大小。根据节流原理，当流体流经节流件时，在其前后产生压差， 此压差值与该流量的平方成正比。在差压式流量计中，因标准孔板节流装置 压差流量计结构简单、制造成本低、研究最充分、已标准化而得到最广泛的 应用。如节流式流量计、均速管流量计、锲形流量计、弯管流量计等。 ( 2 ) 速度式流量计 速度式流量计是以直接测量管道内或明渠中流体的平均速度为原理的一 类流量计。如涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计等。 ( 3 ) 容积式流量计 利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单元体积并进行累加而计算 出流体总量的仪表。如椭圆齿轮流量计、刮板流量计、活塞流量计等。 1 2 2 相关流速测量概况 相关流量( 流速) 测量技术”是目前流量测量技术领域中一种较为新颖 的技术，是上世纪六十年代中期发展起来的一种在线流动参数检测技术。其 理论基础是随机过程相关理论和信息理论。 6 0 年代发展起来的两相流测量系统，是以相关技术为基础的。它采用 不同原理的传感器来获得两相流体的流动噪声信号，经相关处理后，求得离 散相的平均流速，再配以其它检测手段，即可构成各相流体流量测量系统。 它可实现非接触测量，因而具有很强的适应性，既可应用于气液两相流系 统，也可应用于气n 和液n 两相流系统以及油、气、水- - ：n 分混合物流动 系统。 武汉理工大学硕二l 学位论文 1 9 6 1 年，英国b u t t e r f i e l d 等人利用热轧带钢表面存在的微小凹凸不一 致性在运动过程中所引起的随机噪声信号，首次推出并实现了热轧钢速度的 相关测量系统。在推动相关流量测量技术的发展上，英国b r a d f o r d 大学以 m s b e c k 为首的研究小组和两德k a c l a i u h e 大学以f m e s c h 为首的研究 小组做出了主要贡献。 从6 0 年代初期到8 0 年代中期，研制快速而又价廉的在线流量测量仪器， 成为决定相关流量技术能否在工业推广应用的关键。 从8 0 年代以后，针对不同行业的流速测量的不同要求，结合计算机、智 能仪器等先进测量技术，国内外研究者做了许多有意义的探索。 1 2 3 相关测量技术的发展 相关测量技术的发展简史”为： ( 1 ) 5 0 年代常用模拟式相关器，即采用模拟电路计算相关函数，但模拟技 术( 乘法器、积分器) 精度低，零漂火，工作频率不够高，模拟信号的时延设 备复杂，所以被后来的数字式相关器替代了。在数字式相关器中，用数字技 术计算相关函数，数字乘法器精度高，但结构复杂。对高频信号，因舍弃样 点，减少量化的比特数而导致误差。 ( 2 ) 1 9 6 2 年由p j e s p e r s 等提出采用1 比特量化的极性重合相关器，简 化了乘法器与积分器，使电路大为简化，提高了运算速度。具有数字式相关 器时延简单、无零漂等优点，特别适用于高频信号，但测量结果的随机误差 较大。 ( 3 ) 1 9 7 3 年a m h a y e s 提出了两种简化方法来简化相关器的设讨1 ，降 低其价格，实现速度显示。第一种方法是粗量化方法：对输入信号之一或两 者作8 比特或1 2 比特的粗糙量化处理，第：二种方法是两点差分法：使两个相 关函数在两个时延值处的差等于零。存在问题是积分时间的取值及流速变化 时响应慢等。 ( 4 ) 1 9 7 9 年，h e n r y 提出越零点极性相关的算法，从而使相关计算的软件 实现成为可能，并在z 8 0 上成功实现了这种算法，效率高、运算速度快，而 且不需外加电路。但此法需记录零点信号数据，只适用于信号带宽小于2 5 k h z 的场合。 ( 5 ) 1 9 8 9 年，h a r b a 提出了种“块采样”的极性算法，可同时采集一批 4 武汉理一l 大学硕士学位论文 输入信号，采样率高，速度快，所需存贮量少于零点渡越法，计算时问短( 比 零点渡越法快) ，不需专门硬件，应用范围广。 1 2 4 相关流速测量的现状 目前，就国内情况而言，相关法流量测试大部分还停留在实验阶段，在 国内尚未见到商品化的相关测量系统。由于现有相关流速测量系统的不完 善，而流速测量在实际生产应用中的又具有非常重要的地位，因此需进一步 加以研究。现在，只有基于超声波的相关流两相流系统在生产中开始有了初 步的使用。然而，超声波传感器对温度的敏感性大大限制了其应用范围。阁 此寻找一种价廉可靠的传感器，是目前研究的迫切需要。基于电容传感器的 流量测量系统在很多方面满足了这个要求。但也存在电容传感器的信号小， 初始值大以及在工业环境中共模干扰强，可靠性要求不高等的问题。 经过二十年的发展，在国外，相关流量测量技术，在机理的研究方面和 传感器的设计及在线相关器的研制方面，都取得了重大的进展。在解决“困 难”流体的流动参数测量问题，特别在解决两相流及多相流体的流动参数测 量问题上，相关流量测量技术具有巨大的潜力。并且，与其他的两相流体流 动参数技术相比，相关流量测量技术具有许多突出的优点。 进入9 0 年代以来，计算机技术、微电子技术等的飞速发展促进相关流 量测量技术进一步发展。随着大规模集成电路的发展、高速计算机和数字信 号处理器( ( d s p ) 的出现，制约着相关流量测量实时化的问题已经日益减小。 采用f f t 甚至直接数字相关的算法，在d s p 和高性能p c 上的实时实现，以 及越来越高的性价比，使人们不必顾虑软件的运算速度和硬件资源的占用。 因此目前相关流量测量技术的发展已经转移到了传感器的研制和如何提高 系统整体稳定性、灵敏度的问题上。目前相关流量测量技术理论上已经较为 成熟，其应用范围不断扩展，相关流量计在许多应用场合已有工业实用化定 型仪表，为实现常规流量仪表难以检测的流量的在线测量提供了一一条有效的 途径。 基于相关信号原理对流速的测量，所使用的信号有电容、光强、声波和 压力等，电容信号和光强信号使用于含有颗粒的流体，始于6 0 年代，研究 较为充分；声波信号相关测速技术发展稍晚，始于9 0 年代，主要用于海流 河道剖面流速的测量，目前处于发展与完善阶段；压力信号相关测速， 武汉理工大学硕士学位论文 国内仅有一例用于工业高温含颗粒流体测试”7 “”1 ，即是浙江大学热能工程 研究所应用相关技术测量锅炉内高温烟气流速测量，并取得很好的效果，适 应于工业现场的应用。国家电力研究所”3 运用电容相关技术测量火电厂中粉 煤灰输送的测速问题等等。 相关流量测量技术虽然已取得了不少成果，但由于两相流和多相流的复 杂性，流量的在线测量仍然存在一些需要迫切解决的难题。只有研制成功一 些结实可靠、性能稳定、能在恶劣复杂环境下运行的传感器，并采用一些新 的测量手段，才能使相关测量系统显示强大生命力。 1 3 课题的提出、目的和意义 在流体力学科学实验和工程实践中，有许多问题都与流体的流速有密切 关系。现代空气动力学、流体力学、热力学、水力学以及航空航天工程、水 利水电工程、热能工程、流体机械工程都提出了一系列复杂流动问题，这些 流动现象都需要人们采用新的测量方法和新的测量仪器进行量测。这就促使 人们不断利用新技术，发展新原理，采用新结构和新工艺，阻改善仪器性能， 增强讯号处理能力，提高仪器的测量精度，同时简化操作技术，使之便于推 广应用。近1 0 年来，伴随着光纤技术、芯片技术、激光技术、数字信号处 理技术，图形、图像处理技术以及计算机技术的日益成熟和完善，流速测量 技术也随之得到了新的发展。 工程实际中，常用的流速测量方法很多，但都存在测量精度、稳定性和 成本问题。怎样提高测量水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效 率，对流体力学测量领域来说是至关重要的。 本文采用近期才兴起的虚拟仪器测量技术与相关技术，提出了基于瓦相 关原理和虚拟仪器技术进行流体流速测量的一种新方法，实现了现代计算机 技术和仪器技术的完美结合。目前，在相关流速测量领域，国内外尚未见到 利用虚拟仪器技术进行流速测量的文章。本文在该领域进行了一个新的尝 试。 虚拟仪器技术是仪器领域的一种新技术。它可由用户定义自己的专用仪 器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用极为广泛。本文基于虚拟仪器 和互相关技术构建的流速测量系统，主要应用目前最为流行的虚拟仪器软件 武汉理j 。人学硕士学位论文 开发环境一一l a b v i e w 进行数据采集系统中的信号转换、处理q - 图形显示， 实现在线流速测量与显示。 随着科学技术的发展，电子设备和技术向集成化、数字化和高速化方向 发展，而在学校特别是大学罩，要想紧跟技术的发展，就要不断的更新教学 和实验室设备。只有在自己动手的实验过程中，才能将学到的理论知识真i _ f 掌握和应用。 本课题正是将最新的技术和实验室现有设备相结合，研制符合自己特色 的测量设备。另外，将电子硬件和软件实验相结合，组成一套硬软件一体化 的实验系统。彻底改变了传统的硬件归硬件，软件归软件的实验模式，符合 国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势。这种软件和硬件相缔合的实验方 法和传统方法相比更直观，更符合测量技术发展的方向。而且，该系统功能 可以用户根据自己的需要来定义，功能非常灵活，应用非常广泛。 1 4 本课题的研究内容 根据上述课题研究方法和研究思路，本文从以下几个方面进行了研究： ( 1 ) 进行文献资料查阅，有针对性的学习与本研究相关的理论知识，为研 究的顺利开展做好销垫。 ( 2 ) 学习虚拟仪器软件开发环境一一l a b v i e w 的应用，系统掌握虚拟仪 器技术的相关技能。 ( 3 ) 规划研究大纲，根据大纲实现基于l a b v i e w 的虚拟测速系统程序的 编制。 ( 4 ) 研制流速测量系统实验装置，并在不同的实验环境下对装置进行改 进、优化，以求最优实验效果。 ( 5 ) 在不同工况下进行实验，并将实验测量结果与其他仪器的结果进行对 比，进一步完善系统，提高测量结果的精度。 ( 6 ) 对实验结果进行误差分析。 ( 7 ) 总结课题研究过程的经验，找出仪器系统在后续研究中有待进 一步完善的地方，以助后续研究和其他相关研究者借鉴。 武汉理r 大学硕十学位论文 第2 章虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器概述 2 1 1 虚拟仪器的概念 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a l i o n a li n s t r u m e n sc o r p ，简称n i ) 推出 虚拟仪器( v i f t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，引发了传统仪器领域的 一场重大变革，使得计算机和网络技术与仪器技术结合起来，从而丌创了“软 件即是仪器”的先河。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可 以代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪 等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有的仪器系统。 虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。 虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即时仪器”。该技术把仪器分为计 算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字 接口的测量仪器( 包括g p i b 、r s 一2 3 2 等传统仪器以及新型的v x i 模块化 仪器) 为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富 的软硬件资源，将计算机的硬件( 处理器、存储器、显示器) 和测量仪器( 频 率计、示波器、信号源) 等硬件资源与计算机软件资源( 包括数据的处理、 控制、分析、表达、过程通讯以及图形用户界面) 有机的结合起来。 2 1 2 虚拟仪器的特点及优势 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测 量仪器，而软件是虚拟仪器的核心。其中软件的基础部分是设备驱动软件， 而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚 拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。 虚拟仪器中应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s - - 2 3 2 、d a q 板) 和 可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。 原代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器( v i ) 系统提供了基本的软件模块。 垫些堡：兰盔堂堡主堂垡堡茎一一 由于v i 的模块化、开发性和灵活性，以及软件即是仪器的特点，当用户的 测量要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置 现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时， 就能简单地构造出新的v i 系统而不丢失已有的硬件和软件资源。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵 活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、 计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国 际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常常被称作“软件仪器”。它 的功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通 仪器的全部功能，配以专用探头和软件还可以测量特定系统的参数；它操作 灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培 训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成 自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。 2 1 3 虚拟仪器与传统仪器的差别 虚拟仪器与传统仪器的最大不同之处，就在于应用的灵活性、功能的重 构性上。虚拟仪器的功能可由用户根据自己的需要来定义，将各种计算机平 台、硬件、应用软件和附件结合起来，组成用户需要的特定应用设备。一台 虚拟仪器可具备信号发生器、数字万用表、数字存储示波器、数据记录仪和 信号分析仪等多台传统仪器的用途。表2 一l 是虚拟仪器与传统仪器的差异 性的比较。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的差异性 传统仪器虚拟仪器 测控功能由厂家定义测控功能由用户定义 提供有限的连接性与网络周边连接方便 以硬件为主以软件为主 性能价格比低性能价格比高，重用性高 开发和维修费高开发和维修费低 性能提升演进缓慢快速性能演进 开发周期妊开发周期短 数据记录容量有限具有几乎无限的数据记录容量 l 系统封闭以计算机同步发展，实现网络化 9 武汉理1 人学硕士学位论义 2 2 虚拟仪器的构成 2 2 1 通用仪器硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分，如图2 一l 所示。 ( 1 ) 计算机：一般为一台p c 机或者： 作站，它是硬件平台的核心。 ( 2 ) i o 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。虚 拟仪器的硬件部分根据所采用i o 接口硬件设备总线的不同而异，主要有数 据采集卡板o a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器、串口仪器、p x i 总线仪 器等。 h p c d a q r 被g p r b 仪器k 计 测 _ 叫串口仪器i 算 信机 号 叫v x i 模块卜 一p x i 模块h 图2 1 虚拟仪器构成方式 2 2 2 虚拟仪器软件构成 1 软件结构 “软件即是仪器”这个观点已经成为一个事实并为大多数人所接收，随 着计算机和软件技术的发展，在现代仪器中和自动测试系统中软件的投资占 有的比例越来越大，远远大于硬件投资。虚拟仪器的层次结构图，如图2 2 所示： 武汉理上人学硕士学位论文 图2 2 虚拟仪器层次结构图 图2 2 中的每个模块都具有标准化的接口，可以纵向和相邻的模块互 相通信，也可以使同层次的虚拟仪器模块之间互连。 虚拟仪器的软件结构由两部分组成： ( 1 ) 应用程序它包含两个方面的程序： 实现虚拟面板功能的前面板软件程序。 即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。虚拟仪器在工作时 利用前面板去控制系统。与传统仪器前面板相比，虚拟仪器软面板的最大特 点就是软面板由用户自己定义。因此，不同用户可以根据自己的需要组成灵 活多样的虚拟仪器控制面板。 定义测试功能的流程图软件程序 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库极大 提高了虚拟仪器的数据分析处理能力。l a b v i e w 的内置分析能力能对采集到 的信号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。 ( 2 ) i 0 接口仪器驱动程序 这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 2 软件开发平台 虚拟仪器的重要组成部分是软件开发平台，它是代表虚拟仪器的整个驱 动软件，因此，软件开发平台的水平在很大程度上代表的虚拟仪器的水平。 随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越 来越强大和完善。有n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i ，h p 公司的v e e ， 武汉理_ l ：大学硕士学位论文 l o t e c h 公司的d a s i a b ，k e i t h l e y 公司的v i e w d a c ，h e md a t e 公司的s n a p m a s t e r 等，其中最具特色且在世界上销量最大的要数n i 公司的i 。a b v t f w 了。 2 3 虚拟仪器的国内外发展现状 2 3 1 虚拟仪器的发展 随着1 9 7 8 年i e e e 一4 8 8 标准作为测量仪器的程控总线，测量仪器、【p 从 此有了共同的开放总线，促进了测量仪器的起步。i e e e 一4 8 8 标准是仪器业 权威一一h p 公司( 现为a g i l e n t ) 花去十年时间开发成功的h p i b 的修改 版，它对控制命令作了规定，数据格式也有定义，但编程软件和语言是宽松 的，不作限制。实际上，h p 公司对h p i b 编程使用的是d o s 系统的b a s i c 语言，即专用于仪器编程的h p b a s i c ，它比b a s i c 要精简，比较容易掌握， 但仍然要具有专业水平的工程技术人员去编写。 8 0 年代，计算机蓝色巨人i b m 进入微型计算机市场，它的x t a t 微机 成为业界事实上的标准，i b m 公司还开放x t a t 微机的兼容机市场，插矗 式仪器应运而生，x t a t 总线后来变成i s