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(应用化学专业论文)虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 摘要 从20 世纪80 年代开始,随着计算机技术的迅猛发展,虚拟仪器的概念逐 步为工业界和学术界所认识,经过了20 年的技术进步与发展,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,并且在研究、制造和开发等众多领 域得到广泛应用。在腐蚀电化学测试技术中引入虚拟仪器技术,可以增强传统仪 器的可操作性、可以根据需要快速定制特殊测试系统以及减少科研设备的投资。 本文基于l a b v i e w8 0 开发平台、n i 公司m 系列p c i - - 6 2 5 1 高精度数据采 集卡和普通恒电位仪研制了虚拟腐蚀电化学测试系统和虚拟频率响应分析仪,经 过实验验证达到了良好的效果。 虚拟腐蚀电化学测试系统包括电极电位的测量、稳态极化曲线的测量、电化 学暂态测量及电化学阻抗谱测量等。通过数据采集卡的输出通道产生激励信号控 制恒电位仪施加到电极系统,然后由数据采集卡采集测试数据,由计算机对采集 到的数据分析处理并显示和保存处理结果。 虚拟频率响应分析仪基于数字相关滤波技术研制,通过逐频扫描完成腐蚀电 化学阻抗的测量。数字相关滤波技术可以有效抑制由于系统非线性产生的高次谐 波、噪声和直流分量。通过对模拟电解池和多种电化学腐蚀体系的测量验证,取 得了满意的效果。 关键词;虚拟仪器;l a b v i e w ;腐蚀电化学测试;频率响应分析;数字相关滤波 r e s e a r c ha n da p p ii c a t i o l 3o fv ir t u a ii n s t r u m e n t t e c h n o i o g yi ne i e c t r o c h e m i c a ig o f f o s i o rt e s t a b s t r a c t f r o mt h eb e g i n n i n go f1 9 8 0 so f t h e2 0 t hc e n t u r y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t n n n e n t s8 1 og r a d u a l l yu n d e r s t a n d i n g t oi n d l l s t r ya n da c a d e m i a a f t e r2 0y e a r so ft e c h n o l o g i c a lp r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n t , i th a sb e c o m ea l li m p o r t a n td i r e c t i o no ft e s t i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti n2 1 “ c a n t u r y , a n dh a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di i ir e s e a r c h , m a n u f a c t u r e 。d e v e l o p m e n ta n d m a n yo t h e rf i e l d s w i 恤t h ei n t r o d u c t i o n o fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi n e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t i n gt e c h n o l o g y , w ec a ne n h a n c et r a d i t i o n a le q u i p m e n t o p e r a b l ea n dr a p i d l yc u s t o m i z es p e c i a lt e s t i n gs y s t e ma n dr e d u c er e s e a r c he q u i p m e n t i n v 龆t m e n t b a s e do nl a b v i e w8 0d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ,n ims e r i e so fp c i 一6 2 5 1d a t a a c q u i s i t i o nc a r dw i t hh i g h - p r e c i s i o na n dg e n e r a lp o t e n t i o s t a t , w ed e v e l o p e dv i r t u a l e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t i n gs y s t e ma n dv i r t u a l 自e q u c yr e s p o n s ea n a l y z e r a f t e re x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ,i ta c h i e v e dg o o dr e s u l t s v i r t u a le l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t i n gs y s t e m ,i n c l u d e st h em e a s u r e m e n t so f e l e c t r o d ep o t e n t i a l ,s t e a d yp o l a r i z a t i o nc u r v e s ,e l e c t r o c h e m i c a lt x a n s i e n ta n d e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y t h ec o n t r o ls i g n a lg e n e r a t e db yd a t a a c q u i s i t i o nw a ss u p e r p o s e do np o t e n t i o s t a t t e s td a t ac o l l e c t e db yt h ed a t aa c q u i s i t i o n c a r dw a sp r o c e s s e d ,d i s p l a y e da n ds a v e db yc o m p u t e r v u t u a l f f q u e n c yr e s p o n s ea n a l y z e rd e v e l o p e db a s e d 0 1 1 d i g i t a lc o r r e l a t i o n f i l t e r i n gt e c h n o l o g yc o m p l e t e st h et e s to fe l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c eb ys c a n n i n g f e q u e n 哆h i g h - o r d e rh 狮n o n i c , n o i s ea n dd cc o m p o n e n tg e n e r a t e db y n o n l i n e a ro f t e s t i n gs y s t e mc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db a s e do nd i g i t a lc o r r e l a t i o nf i l t e r i n g t e c h n o l o g y a f t e re x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n o ns i m u l a t i o ne l e c t r o l y t i cc e l la n da v a r i e t yo f e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o ns y s t e m ,w ea c h i e v e ds a t i s t a c t o r yr e s u l t s i i i k e yw o r d s :v i r t u a li n s t r u m e n t s ;l a b v i e w ;e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o $ i o l lt e s t i n g ; f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s ;d i g i t a lc o r r e l a t i o nf i l t e r i n g 独创声明 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及取得的研究成 果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果,也不包含未获得( 连! 堑遗直基焦 霞璺挂别直明鳆:奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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谢意。 , 学位论文作者签名潇日咚签字隰协7 年 荫0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本 、授权学校 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,可以采用影印、缩e p 或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作糊j 话阎咚 签字日期砷年月由 学位论文作者毕业后去向; 工作单位: 通讯地址: 导一彤 辩日期:砷臼6 日 电话; 邮编 虚拟仪嚣技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 u 刖置 电化学测试是多学科之间紧密结合的一项实验技术,它在电化学、电镀、金 属腐蚀与防护、电解、化学电源以及电分析化学等领域得到广泛应用。随着科学 技术的进步,电化学测试仪器的研制经历了分离元件电路到大规模、高品质集成 电路的发展过程,仪器的外形尺寸,重量越来越轻,而仪器仪表性能( 如响应时 间、输入阻抗、电位电流的控制和测量精度等) 相比以前有了大幅度的提高。 更重要的是,随着近十年计算机技术的快速发展和应用,赋予了电化学测试技术 新的内涵。用计算机数据采集和数据处理的测试仪器越来越得到重视。实现了以 往电化学测试技术很难完成甚至无法完成的任务,极大地提高了科学研究水平、 工作质量和生产效率,促进了电化学测试技术的发展。 虚拟仪器技术的出现,为高性能、智能化的腐蚀电化学测试仪器的研究提供 了良好的契机和开发平台。所谓虚拟仪器技术就是基于计算机的测试与测量自动 化技术,它由两部分组成一一软件和硬件。它不同于传统仪器把所有软件和测量 电路封装在一起利用仪器前面班为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提 供的则是测量和控制任务所需的所有软件和硬件设备,功能完全由用户自定义, 工程师和科学家可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共 享和显示功能。 l a b v i e w ( 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 仪器平台) 是美国n i 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y , 简称n i 公司) 推出的 一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ,图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工 具。 l a b v i e w 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境,设计者利 用它可以像搭积木一样,轻松组建一个测量系统以及构造自己的仪器面板,而无 需进行任何烦琐的程序代码编写。 本文基于虚拟仪器技术,在l a b v i e w 开发平台下,编写了普通恒电位仪控 制程序和基于数字相关滤波算法的频率响应分析仪的软件。通过与普通恒电位仪 的联用,实现了腐蚀电化学的测试测量自动化、智能化,拓宽了普通恒电位仪的 功能,减化了普通恒电位仪的操作。别外,本文在腐蚀电化学的测试领域做了一 些新的尝试,如多个电极自腐蚀电位长时间同步监测记录和对实验过程的远程网 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 络监控。 经过实验的对比验证,本套测试系统可以很好的应用于腐蚀电化学测试,完 成自腐蚀电位测量、动电位扫描、恒电位阶跃、方波电位法、电化学阻抗等实验。 经过本次尝试,同时也发现了本测试系统的不足之处,并在文章中提出了改进方 法和虚拟仪器在腐蚀电化学测试领域应用的展望。 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 l 绪论 1 1 研究背景简介 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展,仪器技术领 域发生了巨大的变化。从最初的模拟仪器发展到现在在数字化仪器、嵌入式系统 仪器和智能仪器;新的测试理论、测试方法不断应用于实际;新的测试领域随着 学科门类的交叉发展而不断涌现;仪器结构也随着设计思想的更新而不断发展。 仪器技术领域的各种创新积累起来使现代测量仪器的功能和作用发生了质的飞 跃。尤其是以计算机为核心的设计思想以及仪器系统与计算机软件技术的紧密结 合,导致了仪器的概念发生了突破性的变化,出现了一种全新的仪器概念一虚 拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ,v i ) 【i 】。 美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a lh l s t r u m e n t s ) 在2 0 世纪8 0 年代最早提出了虚 拟仪器( m l a li n s t r u m e n t ,v d 的概念,它是指通过应用程序将通用计算机与功能 化硬件结合起来,用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像在操作自 己定义、自己设计的一台单个仪器一样,从而完成对被测试量的采集、分析、判 断、显示、数据存储等。虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式,使 用者在操作具有测试软件的计算机进行测量时,犹如操作一台虚设的电子仪器, 虚拟仪器因此而得名吼 虚拟仪器技术已经在传统的测控领域有了比较广泛的应用,将这一技术应用 于化学实验室和电化学分析测试领域,通过实验表明,运用虚拟仪器技术构建的 虚拟电化学测试系统不但可以实现常规微机电化学分析仪的功能,而且还可以通 过编写不同的软件实现实验室常用仪器的功能。a e c o n o m o u 等利用虚拟仪器技 术构建了方波伏安仪;魏永生等利用虚拟仪器技术实现了电导率仪、分光光度计、 酸度计、离子计、差热分析仪的数字化,以及温度传感测温、离子选择性电极测 浓度等功甜3 1 。较好地发挥了虚拟仪器技术测试手段丰富、测试精度高、数据处 理方便、可灵活定制等优点。 传统的电化学测试仪器,往往需要手动调节,测试过程费时费力,测试的精 度不高,测试功能固定。引入虚拟仪器技术,可以大大的扩充传统仪器的测试功 能,提高测试的效率和精度,定制满足特殊需要的测试系统。虚拟仪器技术与传 统测试仪器的结合,提高了实验室仪器资源的利用率,节省了仪器的购置费用。 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 另外根据虚拟仪器灵活性、可定制性、开发维护费用低和强大的数据处理分析功 能等特点,可以快速构建满足特殊需要的测试系统。如开路电位、稳态极化曲线、 暂态极化曲线、循环伏安、充电曲线等实验的测量。利用l a b v i e w 强大的数据 处理功能可以进行腐蚀电化学动力学方程的回归拟合、线性极化电阻和界面电容 等参数的求取。 传统腐蚀电化学测量仪器与虚拟仪器技术的结合,将大大增强传统仪器的可 操作性、对实验数据的后续处理能力,以及对实验结果的输出、保存和显示功能, 提高测试的灵活性和可扩充性。利用虚拟仪器技术构建的腐蚀电化学测试分析系 统不但能实现传统电化学分析测试仪器的功能,而且系统的灵活性更大、精确度 更高,有利于用户自定义仪器的功能。 1 2 国内外研究现状及发展动态 虚拟仪器技术的优势在于用户可自定义仪器的功能和结构,且构建容易,转 换灵活,因此应用领域十分广阔。目前国内外许多部门和公司都在积极地开展这 方面的研究和应用工作。比如,国内外许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到试验 教学和计算机辅助教学中,如美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的 学生在实验室应用虚拟仪器进行数据采集和试验控制 4 ,5 】;美国的g e o m a t i c s 和 g o l d s m i t h 等公司利用虚拟仪器开发工具,研制开发了农业自动化灌溉系统和秧 苗分析系统;虚拟仪器的开发和研究在国内尚属于起步阶段,扶9 0 年代以来, 清华大学、重庆大学、西安交大以及中科泛华电子科技公司、东方振动和噪声技 术研究所等高校和公司,在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消 化吸收n i 等产品方面做了大量工作,清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动 机检测系统,优于汽车发动机出厂前的自动检测( 6 】:虚拟仪器已在超大规模集成 电路测试 7 , s j 、模拟电路数字电路测试、现代家用电器测试嘲、电子元件,电力电 子器件测试以及军事、航天【1 0 1 、生物医学、工厂测试、电工技术领域等的可移动 式现场测试工作中得到应用。 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的应用在国内尚属起步阶段,兰州大学代 富平、吕淑媛等采用l a b v i e w 方便的图形化程序设计环境开发出了三电极体系 中电化学测控系统,可对极反应过程进行适时控制,并实时采集极化电流与极化 电压,得出极化曲线。在兰州大学金属物理实验室n i o x h y 电致变色薄膜的电沉 4 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 积制备及其特性研究中得到应用1 1 】电子科技大学的范中晓等基于n ip c i 6 0 1 4 多功能卡及商品化的恒电位仪构建了虚拟循环伏安测试仪【1 2 1 。天津大学韩磊、宋 诗哲等实现了对英国s o l a r t r o n 公司1 2 8 6 e i 的通讯,可以在p c 机上通过r s 2 3 2 串口或g p i b 并口控制1 2 8 6 e i 进行各种腐蚀电化学实验,对虚拟仪器技术在腐 蚀电化学领域中应用进行了初步探索,在另一篇文章中介绍了一种基于n i d a q - 6 0 2 4 ep c m c i a 卡和恒电位仪的电化学测试系统 1 3 , 1 4 1 。中科院海洋研究所 王佳采用虚拟仪器技术开发了a c s k p 0 3k e l v i n 探针大气腐蚀电位分布测试系 统并取得满意效剁”】。虚拟仪器的技术优势使其在化学化工及教育等各领域得到 了极大的应用【1 6 - 2 3 。 1 3 虚拟仪器技术概述 1 3 1 虚拟仪器技术的起源 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在 电子测量技术与仪器上的应用,新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构 不断涌现,在许多方面已经突破了传统仪器的概念,测量仪器的功能和作用也发 生了质的变化。在这种背景下,美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 在2 0 世纪8 0 年代最早提出了虚拟仪器( v j 巾l a ii n s t r u m e n t , v i ) 的概念,它是指通过应用 程序将通用计算机与功能化硬件结合起来,用户可通过友好的图形界面来操作这 台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样,从而完成对被 测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。虚拟仪器突破了传统电子仪器 以硬件为主体的模式,使用者在操作具有测试软件的计算机进行测量时,犹如操 作一台虚设的电子仪器,虚拟仪器因此而得名。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器研究中 涉及的基础理论主要有:计算机数据采集和数字信号处理。目前,在这一领域内 使用较为广泛的计算机语言是美国n i 公司的l a b v i e w i l l 。 1 3 2 虚拟仪器的组成与分类 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件的主要功能 是获取真实世界中的被测信号,而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、 显示等功能,并将其集成为仪器操作与运行的命令环境f 矧。 虚拟仪器有多种分类办法,既可以按应用领域分,也可以按测量功能分,但 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 是最常用的还是按照构成虚拟仪器的接口总路线不同,分为数据采集插卡式 ( d a q ) 虚拟仪器、r s 2 3 2 r s 4 2 2 虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪 器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器和最新的i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪器。 1 3 3 虚拟仪器工作原理 与传统仪器一样,虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析处理、结 果表达三大功能模块( 图1 - 1 ) 。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件 的测试能力结合起来,实现了仪器的功能运作。 数据采集与控制数据分析处理结果表达 图1 - 1 虚拟仪器的功能模块 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。 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件的主要功能 是获取真实世界中的被测信号,而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、 显示等功能,并将其集成为仪器操作与运行的命令环境 1 】o 1 3 4 虚拟仪器的特点与应用 虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪 6 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 器种类。在虚拟仪器中计算机处于核心地位,计算机软件技术和测试系统更紧密 地结合,形成了一个有机整体,使得仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破 性的变化。从构成和功能上来说,虚拟仪器就是利用现有的计算机,配上相应的 硬件和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊 功能的高档低价新型仪器;从使用上来说,虚拟仪器利用强大的图形化开发环境, 建立直观、灵活、快捷的虚拟仪器面板( 既软面板) ,可以有效地提高仪器的使 用效率。虚拟仪器特点可以归纳概括为以下四个方面。 1 丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和 其他管理集中交由计算机来处理,充分利用了计算机强大的数据处理、传输 和发布能力,使得组建系统变得更加灵活、简单。 2 突出“软件就是仪器”的新概念。传统仪器的某些硬件在虚拟仪器的被软件 所代替,由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件, 加上标准化总路线的使用,使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大 提高。 3 仪器由用户自己定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代 码库,可以很方便地修改仪器功能和面板,设计仪器的通信、定时和触发功 能,实现与外设、网络及其他应用的连接,给了用户一个充分发挥自己能力 和想像力的空间。 4 开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准,因此用户 可以将仪器的设计、使用和管理统- n 虚拟仪器标准,使资源的可重复利用 率提高,功能易于扩展,管理规范,生产、维护和开发费用降低。 5 便于构成复杂的测试系统,经济性好。虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使 用,又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统,进行远程测试、 监控与故障诊断。此外,用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系 结构的传统仪器还可以大大节约仪器购买和维护费用。 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术,应用前景十分 广泛。从总体上而言,虚拟仪器是测量测试领域的一个创新概念,改变了人们 对仪器的传统观念,适应了现代测试系统网络化、智能化发展趋势。虚拟仪器技 术应用方式多种多样,主要应用于工业自动化、仪器制造和实验室方面,现就在 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 实验室方面的应用作一个简单的介绍。 电予仪器与测试实现室是高等工科院校必备的教学实验条件。为了提供一定 的实验规模,保证每个学生得到实际动手能力的训练,传统的教学实验室一般需 购置大量的基础测量仪器,如示波器、万用表、信号源等,投资大、技术更新快、 维护困难。利用虚拟仪器技术,我们可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作 等方面完全一样的全软件虚拟仪器。利用这些虚拟仪器,学生在计算机上就可以 学习和掌握仪器原理、功能与操作,并通过仪器与仪器,仪器与电路的相互配合, 完成实际测试过程,达到与用实际仪器教学的相同目的。这种思想对从根本上改 变传统实验教学方法,降低实验室建设与管理成本,实现远程实验教学具有重要 参考价值。我们目前完成的研究结果表明:采用虚拟仪器技术,完全可以实现设 计虚拟电子仪器实验室的设想。通过这样一种实验方式,也可以培养学生的求知 兴趣和创新能力。随着计算机的普及,虚拟仪器甚至可以进入中学物理和化学实 验课堂。 目前流行的虚拟仪器软件开发工具有两类。文本式编程语言有c 、c - h 、v b 、 l a b w i n d o w s c v i 等;图形化编程语言有l a b v i e w 、a g i l e n t v e e 等。其中l a b v i e w 最流行,是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件。虚拟仪器作为新 兴的仪器仪表,用户可以定义其结构和功能,构建灵活,转变容易,因此它在各 个领域尤其是在超大规模集成电路测试、工厂测试、现代家用电器测试以及军事、 航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学等领域得到了广泛应用阱l 。 1 , 4l a b v i e w 开发平台简介 l a b v i e w 是l a b o r a t o r y v t r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ( 实验室虚拟 仪器集成环境) 的简称,是美国国家仪器公司的创新软件产品,被誉为“科学家 与工程师”的语言。为不熟悉文本语言编程的设计者在测控领域建立计算机仪器 系统,提供了便捷、轻松的图形化设计开发集成环境i 。 l a b v l e w 是一个划时代的图形化编程系统,它提供了一种全新的程序编写 方法,用于测试与测量、数据采集与控制,以及过程监控等方面,可通过交互式 的图形化前面板来控制系统,并显示所得的结果。 l a b v i e w 是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件,利用它组 建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。l a b v l e w 与v i s u a l 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 c 抖,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,后者采用的是基于文本 语言的程序代码,而l a b v i e w 则是使用图形化程序设计语言g ,用方框图代替 了传统的程序代码。l a b v i e w 所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大 部分图标基本一致,这使得编程过程和思维过程非常相似。 1 4 1l a b v i e w 前面板: 前面板就是图形用户界面,用于设置输入数值和观察输出量。由于v i 前面 板是真实仪器的前面板,所以输入量称为控制( c o n t r 0 1 ) ,输出量称为指示 ( i n d i c a t o r ) 。在前面板中,用户可以使用各种图标,如旋钮,按钮,开关,波形 图,实时趋势图等,这可使前面板的界面像真实仅器面板一样。虚拟仪器前面板 的设计只需用工具模板中相应的工具去取用控制模板中的相关控件,并排列到前 面板设计窗口中的合适位置即可洲。前面板见图2 1 : 图2 1l a b v i e w 前面板 前面板对象按照功能可以分为控制、指示和修饰( d e c o r a t i o n ) 三种。控制 是用户设置和修改v i 程序中输入量的接口。从某种意义上讲,控制相当于c 语 言中的输入语句s c a n f o 指示则用于显示v i 程序产生或输出的数据,相当于c 语 言中的输出语句p r i n t f 修饰的作用仅是将前面板点缀得更加美观,修饰并不能 9 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 作为的输入或输出来使用。在控制模板中专门有一个修饰子模板,也可以直 接将外部图片( b m p 或j p e g 格式) 粘贴到前面板中作为修饰。 1 4 2l a b v i e w 流程图设计窗口l 每个前面板都有一个框图程序与之对应。框图程序用图形化编程语言编写, 可以把它理解成传统编程语言程序中的源代码。用图形来进行编程,而不是用传 统的代码来进行编程,这是l a b v i e w 最大的特色剀。 流程图提供的图形化源程序。在流程图中对v i 编程,以控制和操纵定义 在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上控件的连线端子,还有一 些前面板上没有但编程必须有的东西,例如函数、结构和连线等。虚拟仪器流程 图的设计需要工具模板中相应的工具去取用功能模板中相关控件,排列到流程图 设计窗口中的合适位置,并用相应功能的边线连接成信号流程图。流程图设计窗 口见图2 2 : 图2 - 2l a b v i e w 流程图设计窗口 l o 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 1 5 腐蚀电化学测试方法 腐蚀电化学测量技术包括稳态测量、暂态测量以及电化学阻抗谱的测量。稳 态和暂态测量主要是对电极电位和流过电极的电流的测量。 1 5 1 电极电位的测量 电极电位测量一般有二类f 2 5 】;测量腐蚀体系无外加电流作用时的自然腐 蚀电位及其随时间的变化;测量金属在外加电流作用下的极化电位及其随电流 或随时间的变化。 电极电位的大小与金属的腐蚀速度之间没有简单的对应关系【硐。但是电极电 位的测定在研究金属的腐蚀行为以及分析腐蚀过程时具有重大的意义。特别是电 极电位随时间的变化曲线也是一种判断腐蚀过程的重要方法,可以解释腐蚀现象 和研究腐蚀行为。 实际的腐蚀体系,由于影响因素较多,e _ _ t 曲线较为复杂,分析较困难,但 典型曲线的讨论是很有意义的。如电极电位的变化常常能反映金属表面膜的形成 过程和稳定性、腐蚀速度是否恒定以及是否出现局部腐蚀等。一般来说,假如电 位随时间的变化趋于“正”,常常表示保护膜增强了。相反的情况,e - t 曲线向 “负”变化,常常表明金属表面保护膜的破坏。全面腐蚀时,电极电位随时间的 变化是较为缓慢,而若出现局部腐蚀,电极电位通常会发生突变。此外,配合电 位p h 图测定腐蚀电位,对于研究腐蚀机理和控制过程也有很大的意义。 电极电位的测量是一种很有用的研究金属腐蚀的工具,已广泛地应用于研究 孔蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀开裂及腐蚀疲劳 等局部腐蚀过程的鉴别和机理的研究。 电极电位测量比较简单,但技巧性强。除了研究电极外,需要一个参比电极 和一个电位测量仪器,以及一个装有试验电解质溶液的电解池。测量电位时必须 保证由研究电极和参比电极组成的测量回路中无电流流过,或流过的电流小到可 以忽略的程度,否则将会由于电极本身的极化和溶液内阻上产生的欧姆电压降而 引起测量误差。因此,应选用高输入阻抗的电位测量仪器,以保证电位测量精度。 1 5 2 极化曲线的测量 极化曲线测量技术一般可分两类【捌: 控制电流法以电流为自变量,遵循规定的电流变化程序,测定相应的电 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 极电位随电流变化的函数关系。在恒定电流试验时,相应记录电位一时间的变化 关系,即充电曲线法。此外还包括断电流法,即在断电流的瞬间测量电极电位。 控制电流法的实质是,在每一个测量点及每一瞬间,电极的流过的电流都被恒定 在规定的数值,故也统称恒电流法。相应测定的极化曲线就是恒电流极化曲线。 控制电位法以电位为自变量,遵循规定的电位变化程序,测定相应的极 化电流随电位变化的函数关系。在恒定电位试验时,则相应记录极化电流一时间 曲线。控制电位法的实质是,在每一个测量点及每一瞬间,电极电位都被恒定的 规定的数值,故也统称恒电位法。相应测定的极化曲线就是恒电位极化曲线。 控制电流法和控制电位法按其自变量变化程序又可分为稳态法、准稳记法及 连续扫描法。稳态法是指,恒电位测量时与每一个给定电位对应的响应信号( 电 流) 完全达到了稳定不变的状态。恒电流稳态法同样如此。在测量技术上要求某 参数完全不变是不可能性,考虑到仪器精度及实验要求,例如可以规定,所测量 的电位在5 分钟变化不超过1 - 3 m y 就可以认为达到稳态。稳态极化曲线都是用 逐点测量技术获得的,此既经典的步阶法。稳态极化测试系统简单示意图见图 1 _ 2 。 图1 2 稳态极化测试系统简单示意图 准稳态法是指,在给定自变量( 恒电位时为电位,恒电流时为电流) 的作用 下,相应的响应信号( 恒电位时为电流,恒电流时为电位) 并未达到完全稳态。 因为稳态法耗费时间长,且随体系而异,实验测量很不方便,测量结果的重现性 和可比性较差,为此可人为规定在每一个给定自变量的水平上停留规定的同样时 间,在保持时间终了前测读或记录相应的响应信号,接着调节到程序规定的下一 个给定自变量。稳态极化测试分类见图1 3 。 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 图1 - 3 稳态极化测量分类 1 5 3 电化学暂态技术 电化学暂态技术包括电位扰动和电流扰动两大类。电位扰动方法即控制电位 暂态技术,它是按指定的规律控制研究体系电极电位e 的变化,并同时测量响应 电流i 随时间t 或电量q 随时间t 的变化,也称计时电流法或计时电量法。电流 振动方法是控制电极的极化电流i 按指定的规律变化,同时测量e l t 的变化【2 6 】。 电位阶跃法:在控制电位实验中,一般测量的是电流作为时间或电位的函数。 在某些实验中,记录电流对时间的积分是很有用的,因为积分表示通过的电 量。利用电位阶跃法也可研究腐蚀过程,而更常用的是测定界面电容。电容 测定公式为( t - 1 ) c = 面a q d= 尝m 。,。一j 函一五面一 ( 1 - 1 ) 电流阶跃方法与电位阶跃方法的一般概念是很相似的,但电流阶跃测试所用 的仪器比较简单,常可以使用由高压电池组和大电阻组成的简单经典恒电流 电路,而电位阶跃方法需要用恒电位仪,此外,电流阶跃方法的数学处理要 比电位阶跃简单,但是电流阶跃方法与一般的控制电流技术相同,它的主要 一 触 法 一 ;| | | | 黻 s s法 法 法 法 湛 獭 雠 雠 毒| | 毒| 萋 嗽 刚 就 电 媳 续 秘 珈 静 动 断 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 缺点是双层电容充电的影响较大,而且要通过实验直接校正又不太容易。 1 5 4 电化学阻抗谱技术 交流阻抗测试技术采用小幅度交流信号测量,属暂态电化学技术。其测试特 点主要有瞄】: 微弱信号检测。极化电位通常小于1 0 m v ,极化电流常为微安级甚至更低, 因此要求测试仪器的精度较高。 测试频率范围宽。电化学阻抗测量可在超过7 个数量级的频率范围内进行, 常用频率范围为l m l - i z l o o k h z 。低频阻抗的测量困难较大;高频的上限主要 受恒电位仪相移的限制。 腐蚀体系稳定性的影响。自腐蚀电位等参数的变化均会影响阻抗测量的精 度。 本文研制了基于虚拟仪器技术和数字相关滤波技术的频率响应分析仪,配合 恒电位仪,实现了腐蚀电化学阻抗谱的测量,取得了较好的效果。 1 6 本课题主要研究内容 本课题旨在利用虚拟仪器技术的优势,将虚拟仪器技术引入腐蚀电化学测试 领域,为腐蚀电化学测试仪器的发展做一些尝试。一般虚拟仪器的设计主要包括 以下几个关键部分:信号输入、信号输出、信号处理和人机交互界面。 本文在腐蚀电化学测试领域引入了虚拟仪器技术,信号的输入、输出由多功 能数据采集卡完成。在l a b v i e w 开发平台下,可以很容易实现对输入输出信号 的处理。l a b v i e w 图形化开发环境可以很轻松设计出友好的人机接口界面。本 文主要研究内容有以下两个方面: 1 基于虚拟仪器技术的普通恒电位仪控制程序,实现常规腐蚀电化学的测试测 量,如开路电位监测、恒电位极化、动电位扫描、循环伏安测试、恒电位阶 跃、恒电位方波等测试。 2 研制基于数字相关滤波法的频率响应分析仪, 1 4 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 2 腐蚀电化学测试系统软件设计 2 1 腐蚀电化学测试系统的软硬件构成: 2 1 1 腐蚀电化学测试系统的硬件构成: 本测试系统硬件由个人计算机、数据采集卡和普通恒电位仪构成。测试系统 组成如图2 3 所示。数据采集卡采用n i 公司m 系列p c i - - 6 2 5 1 多功能数据采集 卡,可以生成正弦波、方波、三角波及各种复杂波形,将各种波形信号通过恒电 位仪施加到电化学体系上,以完成各种电化学实验。数据采集卡的性能参数见表 2 - 1 1 2 r l 。 d a q p c i - 6 2 5 1 恒电位仪电解池 图2 - 3 腐蚀电化学测试系统硬件构成图 表2 - tp c i - 6 2 5 1 数据采集卡主要性能参数叫1 6 2 5 x 带8 f i c a t i o m l n u m b e ro f c h a n n e l s8 d i f f e r e n t i a lo r1 6s i n g l ee n d e d a d cr e s o l u t i o n1 6 b i t 苫 s a m p l i n gr a t em a x i m u m 1 2 5 m s ss i n g l ec h a n n e l ,1 m s s 量 警 m u f f e h a n n d 趸i n p u tr a n g e1 0 v 5 v , 2 v , 土i v , o 5 v , 0 2 v , 0 1 v i n p u ti m p e d a n c e 1 0 g f li np a r a l l e lw i t l ll o o p f 詈 n u m b e ro f c h a r m e l s2 a d cr e s o l u t i o nl6 _ b i t 警 m a x i m u mu p d a t er a t e2 8 6 m s s1 c h a n n e l 2 0 0 m s s 墨 2 c h a n n e l s 虚拟仪器技术在腐蚀电化学测试中的研究与应用 o u t p u ti m p e d a n c e 0 2 q o u t p u tc u r r e n td r i v e 5 m a p c i - 6 2 5 1 多功能数据采集卡装有电脑主机p c i 插槽内,通过p c i 总路线与计 算机进行数据交换。a o u t 为数据采集卡的个模拟输出通道,可以由程序选择采 集卡两个模拟输出通道中任意一个。a i n l 、a i n 2 为采集卡的两个模拟输入通道, 可由程序选择。 2 1 2 腐蚀电化学测试系统软件构成: 本测试系统采用模块化软件设计思想,分为数据采集模块、结果保存模块、 数据处理模块、显示模块等。 数据采集模块: p c i - 6 2 5 1 数据采集卡是一款基于n i - d a q m x 驱动的采集卡,n i - d a q m x 是最 新版n i d a q 驱动程序。它拥有新的和函数以及编写测量设备程序的开发工 具。d a q m x - d a t a a c q u i s i t i o n 予面板如图2 - 4 所示。 图2 - 4d a q m x d a t aa c q u i s i t i o n 子面板 从d a q m x - d a t a a c q u i s i t i o n 子面板选择数据采集控件组成的数据采集子程序 流程框图如图2 5 所示。 1 6 虚拟仪器技术在腐蚀电化学铡试中的研究与应用 图2 - 5 简单的数据采集子程序流程框图 通过控件d a q m xc r e a t ev i r t u a lc h a n n e l ( 见图2 - 6 ) 进行通道和任务等参数 配置。然后由d a q m xs t a r tt a s k 开启任务,由d a q m xr e a d 采集物理信号并转 换成数字信号,最后由d a q m xs t o p t a s k 结束任务。 图2 - 6d a q m xc r e a t ev i r t u a lc h a n n e l 控件 图2 - 7d a q m xs t a r tt a s k 控件 图2 - 8 d a q m xr c a d 控件 图2 - 9d a q m xs t o pt a s k 控件 数据处理模块: l a b v i e w 自身集成了丰富而功能强大的数学工具,这些工具涵盖了线性代 数、概率统计、曲线拟合、微积分等方面的应用,为用户的编程提供了极大的方 便。已经在仪器和自动测试领域得到广泛应用的l a b v i e w ,
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