工程测试论文虚拟仪器及其在机械工程测试技术中的应用

虚拟仪器及其在机械工程测试技术中的应用

摘要：借鉴虚拟仪器概念，阐述了将虚拟仪器思想应

用于机械工程而构成的虚拟式通用性测试系统技术及其关键问题，提出了相应的硬件和软件设计结构，为机械工程领域的信号测试与分析提供了新的实用手段。

中 关键词：虚拟仪器；集成测试；测试软件；测试系统

中图分类号：U415.5 文献标志码：B 0引言

在测试分析的领域中，利用模拟信号进行信息处理的传统方式已逐渐被数字信号处理方式所替代，数字信号处理成为目前使用最为广泛的信息处理方式。但市场上数字化、智能化的测试仪器复杂多样，它们之间的连接非常复杂，使得测试工作的效率大大降低，并且存在很多硬件及软件的冗余现象。在这种背景下，虚拟仪器的发明使测试技术又向前迈进了一步。 1机械工程测试技术的发展

现代工程测试技术是指人们利用专门的仪器设备，通过对研究对象进行试验、测量之后再进行相关运算及分析等，获得人们所需要的研究对象的相关信

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息，使得人们能够通过对信息流的控制来实现对能量流及物质流的控制。现代科学技术的不断发展带动了机械工程测试技术向前进步，但同时也要求有更高的机械工程测试技术与之匹配。现代工程测试技术已逐渐从原来的单一学科慢慢转变为多学科之间的相互借鉴及渗透，使得现代工程测试技术形成一个各学科内容相互渗透的综合性测试系统。

工程测试系统是工业系统研发、应用及教学过程当中重要的组成部分，所以对工程测试系统的要求越来越复杂[1]。传统的工程测试系统功能比较简单，对于很多需要的软件或硬件资源都不能兼容或进行共享，这不但加大了测试所需要的成本，而且也限制了测试范围，测试参数的精准度也大大下降。在这种情况下，人们急需要一套能够综合各学科、功能多样、系统完善且测量精准的测试系统来满足应用新技术的需要，而虚拟仪器在这种需求下应运而生。传统仪器与虚拟仪器的构成比较如图1所示。 2虚拟仪器的基本概念

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。自1986年问世以来，世界各国的工程师们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期

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的各个环节，改善了产品质量，缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产的效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。

虚拟仪器中有硬件及软件，硬件用来实现信号的输入及输出，而软件则用来体现整个系统在运行时的关键技术及功能。虚拟仪器可在利用同一个硬件系统的前提下，通过利用不同的软件来提供不同的测量仪器所需要的功能。虚拟仪器不但实现了测试功能的软件化，而且其面板控制也都是通过软件来完成的，简单来说，虚拟仪器的最重要核心就是软件系统，通过软件可对各种仪器进行定义。

虚拟仪器所带的测量仪器主要用来采集数据，同时还肩负着测试及分析数据、输出显示结果等功能。其中数据的分析及其结果输出都是通过软件系统来实现的，所以如果能在外部提供一套完整的用于采集数据的硬件，就可利用计算机来组成一套测量仪器。这种利用计算机来构成的数字化测量仪器被称为“虚拟仪器”。虚拟仪器系统如图2所示。

在实际的操作当中，可以根据具体的测试需要将所用到的模块化硬件插入计算机的总线槽内，这样可

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同时将仪器的测试功能以及用来模拟画面的面板控制都转变成软件模块，然后将计算机硬件上的资源进行充分共享，就能在计算机的帮助及协调下将机械工程的测试、计算、数据处理及分析、数据存储及取用、数据显示及回放一步到位地完成。而且还能在实现数据打印的同时对数据进行管理，这样就将传统仪器中存在的问题都解决了。 3虚拟仪器的构成及特点 3.1虚拟仪器系统的构成

虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，也可以是其他各种可程控的外置测试设备。设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种部件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实、方便[2]。 3.1.1虚拟仪器系统的硬件构成

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计

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算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站及嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络和总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。

按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线5种标准体系结构，它们主要完成对被测输入信号的采集、放大和模/数转换。

3.1.2虚拟仪器系统的软件构成

测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就以“软件就是仪器”来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出了丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下4个

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部分。

（1） 仪器面板控制软件。仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择所需的对象，放在虚拟仪器的前面板上。 （2） 数据分析处理软件。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可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。

（3） 仪器驱动软件。虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级、抽象的仪器映像，以及特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据及查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。

（4） 通用I/O接口软件。在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下

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的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点， 即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以用于VXI系统或具有RS232接口的设备，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。

3.2虚拟仪器系统软面板的设计标准

虚拟仪器软面板是用户用来操作仪器、与仪器进行通信、输入参数设置以及输出结果显示的用户接口。其设计准则如下。

（1） 按照VPP规范设计软面板，使面板具有标准化、开放性和可移植性。

（2） 根据测试要求确定仪器功能。根据测试任务确定仪器软面板具体测试、测量功能以及开关、控制等设置要求。

（3） 用面向对象的设计方法设计软面板。按照面向对象的设计思想，一个虚拟仪器集成系统由多个虚拟仪器组成，每个虚拟仪器均由软面板控制。软面板由大量的虚拟控件组成。

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3.3虚拟仪器的特点

在机械工程测试系统中应用虚拟仪器，从根本上打破了传统测试仪器的功能设定及实现。传统测试仪器的功能都由厂家来设定，其测试的对象也是固定的，另外，仪器所能完成的任务也比较单一。然而应用虚拟仪器的机械工程测试系统实现了功能的自定义，用户可利用不同的编程语言在不违反使用规则的前提下对各功能模块进行变换、自由组合，以实现不同用户的测试目标，满足不同用户的个性化需求。另外，运用虚拟仪器的机械工程测试系统相比于传统的测试系统来说，实现了各功能的软件化，在很大程度上减少了研发及运用硬件的成本，同时还减少了资源及能源的消耗，在保护了环境的同时还促进了企业的发展。在未来的机械工程测试系统当中，虚拟仪器的使用将成为主流，并有着广阔的发展及应用前景。 4虚拟仪器在机械工程测试技术中的应用 虚拟仪器的发展非常迅速，已广泛应用于各个领域。而在机械工程测试系统中应用虚拟仪器，通常来说是根据用户的具体测试需求来对系统的软件及硬件进行设计，以实现不同的检测需求，同时针对检测结果进行分析。在这方面，美国的弗吉尼亚州技术公司有了一定成就，其利用虚拟技术研发出了一种用来测

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量MEMS中硅片厚度的光学测微计，可分辨到微米级别。该系统主要是通过数据采集卡将模拟信号及数字信号输出，从而实现对激光器的控制，另外它是利用图像采集卡来获取晶体图像的，而对于x、y坐标的控制则是通过PCStep4CX来实现的。除此之外最重要的是，对于数据的分析及其结果的显示及控制是通过利用LabVIEW图形化的编程语言得以实现。 4.1机械工程测试系统的硬件

利用虚拟仪器测试机械产品是否达标主要需要对以下参数进行测量：振动幅度、油压力的最大值、平均值及变化规律、振动频率、发动机的转速与振动力之间的关系[34]。根据所要测试的参数，可进行如下设计。

结合虚拟仪器技术的有关设计思路及检测的需求，需要用到的硬件有：传感器、动态应变仪、A/D转换及计算机。其中的拉压力传感器主要用来对振动力的变化进行检测，压力传感器则是用来对系统的压力进行检测，位移传感器用来对振动的幅度进行检测，而数字式光电转速计用来对发动机的转速进行测量，计算机用来对整个测试内容和所需量程进行控制。 4.2机械工程测试系统的软件

软件部分是虚拟仪器最关键的组成部分，主要由

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系统程序以及应用程序构成。软件功能的编程主要是利用LabVIEW来实现，用户接口则利用图形的方式来实现，这给用户带来了便利，用户可将系统当作按键仪器，根据自己的测试需求来选择不同的测试功能，同时还可对数据的处理及分析方法进行选择，以上这些都体现了测试系统的方便、快捷。 5结语

机械工程测试系统可以利用虚拟仪器的技术思想及集成测试的优势，使得资源能够极大程度上地进行共享。借助计算机平台后，就可利用软件模块将计算机所拥有的资源以及系统硬件存在的测试功能，通过对软硬件模块的变换进行不同设置，从而让机械工程所需要的不同测试任务得以完成。这不但使测试功能多样化，而且很大程度上降低了测试成本，同时还为产品研发提供了技术保障，使研发效率得以提高。因此在未来机械工程测试技术的发展中，虚拟仪器的应用将逐渐成为主流，发挥巨大的作用。 参考文献：

[1]周文委，王涌，金燕.虚拟仪器技术及其教学应用[J]. 浙江工业大学学报， 2007，35（1）：6972. [2]施寿生.基于虚拟仪器技术的测试系统构建[J]. 乐山师范学院学报，2007，22（5）：9899，109.

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[3]林颖，常永贵，李文举，等.基于虚拟仪器的振动测试系统设计[J].机床与液压，2008，36（3）：131134.

[4]张文苑，秦志英.虚拟式振动测试系统的研发和应用[J]. 现代制造工程，2003（8）：6870. [责任编辑：杜卫华]

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