1、第 1 页 共 33 页加速度传感器灵敏度校准虚拟仪器设计摘要：虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，它实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化特点。在虚拟仪器的硬件平台确定后，选用LabVIEW8.2软件作为虚拟仪器软件平台，并利用其图形化编程特点，在虚拟信号发生器程序设计基础上设计了传感器灵敏度校准程序，并应用该程序实现了压电式加速度传感器灵敏度校准。与使用传统仪器进行压电式加速度传感器校准相比，具有校准过程速度快、操作简单、且校准结果准确的特点。虚拟仪器是虚拟现实技术在仪器业中的一种应用，具有传统仪器无法实现的许多功能。本文主要利用美国NI公司推出的LABVIEW虚
2、拟仪器设计平台，实现应变式加速度传感器灵敏度校准的虚拟仪器设计的方法。在数据采集和处理过程中，将传感器特性归一化，有效减少非线性误差，提高测量的准确度。关键词：虚拟仪器，传感器，灵敏度，校准第 2 页 共 33 页Sensor is sensitive calibrated virtual instrument designedAbstract: Virtual instrument is an instrument that the computer technology band together with the instrument technology and be intellig
3、ent，determined diversification and modularizationWhen the hardware platform of the virtual instrument determined，This paper introduces the software design for the calibration of piezoelectric accelerometers based on the virtual instrument hardware platform using advanced graphic language LABVIEW8.2A
4、ccording to the program design of virtual signal generator，the module for piezoelectric accelerometer calibration was accomplishedCompared with the traditional instrument，the procedure discussed in this paper is much faster，easy to handle and the results are more accurateVirtual instrument is a kind
5、 of application using virtual technology in the instrument which actualizes more functions than tradition instrumentsThe paper introduces the software design for the calibration of the strain gauge accelerometers based on LABVIEW software platform designed by NI company of AmericaThe nonlinearity er
6、ror can be decreased effectively SO that the sensor accuracy is enhanced and characteristic of sensor is normalizedKEYWORDS: virtual instrument，sensor，sensitivity ，calibration第 3 页 共 33 页第 1 章 绪论本章主要介绍虚拟仪器的一些相关知识，包括它的主要特点，发展趋势，以及其应用软件开发平台。同时介绍本课题的设计背景，目的，方法和意义。1.1 虚拟仪器概述测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分直
7、元件式仪器、数字化仪器和智能仪器。第一代模拟仪器。是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式力f用表、指针式电压表、指针式电流表等。这类指针式仪器借助指针束显示最终结果。第二代分立元件式仪器。当20世纪50年代出现了电子管，随后60年代出现了晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代仪器。第三代数字化仪器。20世纪70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器。这类仪器目前相当普遍，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的测量，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。第四代智能仪器。随着微电了技术的发展和
8、微处理仪表的普及，以微处理器为核心的箱四代仪器迅速普及。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能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称其为智能仪器。其缺点是它的功能块全部都以硬件(或固化的软件)的形式存在，无论是针对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现。电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其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成一个有机整体，导致仪器的结构、概念和设计观念等也发生了突破性的变化。正是在上述背景下，
9、出现了新的仪器概念虚拟仪器。1.1.1 虚拟仪器技术第 4 页 共 33 页所谓虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)，即是将现有的计算机主流技术与革新的灵活易它的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术，是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者有效的结合。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机融合为一体，从而把计算机强大的数据处理功能和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成
10、本和体积，并通过软件实现对数据显示、存储以及分析处理。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，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、测控等领域得到更好的发展。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，因而常被称为“软件仪器”。可实现示波器、频谱仪、信号校准仪等多种普通仪器的几乎全部功能。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。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合，测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。在自动控
11、制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。LabView 是 一 种 程 序 开 发 环 境 ， 由 美 国 国 家 仪 器 （ NI） 公 司 研 制 开 发 的， 类 似 于 C 和 BASIC 开 发 环 境 ， 但 是 LabView 与 其 他 计 算 机 语 言 的 显 著 区别 是 ： 其 他 计 算 机 语 言 都 是 采 用 基 于 文 本 的 语 言 产 生 代 码 ， 而 LabView 使用 的 是 图 形 化 编 辑 语 言 G 编 写 程 序 ， 产 生 的 程 序 是 框 图 的 形 式 。与 C 和 BASIC 一 样 ， LabView 也 是 通 用 的 编
12、程 系 统 ， 有 一 个 完 成 任 何 编程 任 务 的 庞 大 函 数 库 。 LabView 的 函 数 库 包 括 数 据 采 集 、 GPIB、 串 口 控 制、 数 据 分 析 、 数 据 显 示 及 数 据 存 储 ， 等 等 。 LabView 也 有 传 统 的 程 序 调 试工 具 ， 如 设 置 断 点 、 以 动 画 方 式 显 示 数 据 及 其 子 程 序 （ 子 VI） 的 结 果 、 单步 执 行 等 等 ， 便 于 程 序 的 调 试 。 虚 拟 仪 器 （ Virtual Instrument） 是 基 于 计 算 机 的 仪 器 。 计 算 机 和 仪
13、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 ，第 5 页 共 33 页一 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
14、 托 ， 实 现 各 种 仪 器 功 能 。 虚 拟 仪 器 主 要 是 指 这种 方 式 。 下 面 的 框 图 反 映 了 常 见 的 虚 拟 仪 器 方 案 。1.1.2 虚 拟 仪 器 的 主 要 特 点（ 1） 尽 可 能 采 用 了 通 用 的 硬 件 ， 各 种 仪 器 的 差 异 主 要 是 软 件 。 （ 2） 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 。 （ 3） 用 户 可 以 根 据 自 己 的 需 要 定 义 和 制 造 各 种 仪 器 。 虚 拟 仪 器 实 际 上 是
15、一 个 按 照 仪 器 需 求 组 织 的 数 据 采 集 系 统 。 虚 拟 仪 器 的研 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 NI 公 司 的 LabView。 虚 拟 仪 器 的 起 源 可 以 追 溯 到 20 世 纪 70 年 代 ， 那 时 计 算 机 测 控 系 统 在国 防 、 航 天 等 领 域 已 经 有 了 相 当 的 发 展 。 PC 机 出 现 以 后 ， 仪 器 式 的 计 算 机化 成 为 可 能 ，
16、 甚 至 在 Microsoft 公 司 的 Windows 诞 生 之 前 ， NI 公 司 已 经 在Macintosh 计 算 机 上 推 出 了 LabVIEW2.0 以 前 的 版 本 。 对 虚 拟 仪 器 和 LabView 长 期 、 系 统 、 有 效 的 研 究 开 发 使 得 该 公 司 成 为 业 界 公 认 的 权 威 。 目 前 LabView 的 最 新 版 本 为 LabVIEW2009， LabView 2009 为 多 线 程 功 能 添 加 了 更多 特 性 ， 这 种 特 性 在 1998 年 的 版 本 5 中 被 初 次 引 入 。 使 用 LabV
17、iew 软 件， 用 户 可 以 借 助 于 它 提 供 的 软 件 环 境 ， 该 环 境 由 于 其 数 据 流 编 程 特 性 、 LabView Real-Time 工 具 对 嵌 入 式 平 台 开 发 的 多 核 支 持 ， 以 及 自 上 而 下 的 为 多核 而 设 计 的 软 件 层 次 ， 是 进 行 并 行 编 程 的 首 选 。普 通 的 PC 有 一 些 不 可 避 免 的 弱 点 。 用 它 构 建 的 虚 拟 仪 器 或 计 算 机 测 试系 统 性 能 不 可 能 太 高 。 目 前 作 为 计 算 机 化 仪 器 的 一 个 重 要 发 展 方 向 是 制 定
18、 了VXI 标 准 ， 这 是 一 种 插 卡 式 的 仪 器 。 每 一 种 仪 器 是 一 个 插 卡 ， 为 了 保 证 仪 器的 性 能 ， 又 采 用 了 较 多 的 硬 件 ， 但 这 些 卡 式 仪 器 本 身 都 没 有 面 板 ， 其 面 板 仍然 用 虚 拟 的 方 式 在 计 算 机 屏 幕 上 出 现 。 这 些 卡 插 入 标 准 的 VXI 机 箱 ， 再 与计 算 机 相 连 ， 就 组 成 了 一 个 测 试 系 统 。 VXI 仪 器 价 格 昂 贵 ， 目 前 又 推 出 了第 6 页 共 33 页一 种 较 为 便 宜 的 PXI 标 准 仪 器 。1.1
19、.3 发 展 状 况 和 趋 势虚拟仪器的发展过程有两条线：(1)适合大型高精度集成系统的GPIBVXIPXI总线方式。GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。(2)适合于普及型的廉价系统，有广阔应用发展前景的Pc插卡一并口式一串口USB方式。PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。而虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，主要可分为以下五种类型： 第一类：PC总线插卡型虚拟仪器，这种方式是借助于插入计算机接口扩展槽中的功能板卡与专用的软件相结合而实现的具有特定功能的测量仪器。但是受PC机机箱和总线限制
20、，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目不多，插槽尺寸较小，机箱内无屏蔽等缺点。第二类：并行口式虚拟仪器，并行口式虚拟仪器是一种可连接到计算机并行口的测试装置，它把一些硬件功能电路板集成在一个盒子内，将仪器软件装在计算机J!二。通常可以完成各种测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器等等。第三类：GPIB总线方式的虚拟仪器，GPIB技术的出现使电子测量出独立的单台仪器手动操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统是由。台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB接13形式的仪
21、器，通过GPIB电缆连接而成。在标准情况F，一块GPIB接F：I可怖多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操f1坪口控制，替代传统的人工操作方式，更加方便地把多台仪器组合起来，形成白动测量系统。GPIB测试系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。第四类：VXI总线方式虚拟仪器，(VME Bus Extensions for 第 7 页 共 33 页Instrumentation)是一种成熟的仪器系统平台。自1987年五家国际著名的仪器公司成立VXI总线联合体以后，VXI迅速得到世界范围的承认，并取得极大
22、的增长。1993年由美国国家仪器公司等发起组成VXI plug & play系统联盟，致力于VXI协议的标准化和规范化，以使不同厂商的VXI模块能够协调地工作，为二次开发商和最终用户集成VXI系统提供最大的便利。VXI总线的标准开放，结构紧凑，具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用等优点。VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFIEMI屏蔽。由于它具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定叫和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过是多年的发展，VXI系统的组件和使用越来越力便。第五类
23、：PXI总线方式虚拟仪器，基于工业标准的PCI总线的PXI(PCI Extensions for instrumentation)是一种新型的模块化仪器系统，PXI模块化仪器系统的核心是作为当今主流台式计算机工业标准的高速11CI计算机体系结构及Microsoft公司的Windows操作系统，为了达到封装坚固、连接性能可靠，PXI采用Compact PCI作为其扩展基础。由此，PXI产品保持了与Compact PCI交互操作的完整兼容性，提供了出色的机械完备性，并且更易于系统集成。同时，PXI还抖3有比台式机更多的PCI插槽。PXI系统易于使用，可以运行在Windows 95982000操作系
24、统。PXI将主流PCI计算技术和Windows软件与坚固的工业封装和系统级的规格要求(如功率、冷却、电磁兼容等)结合在一起，在不牺牲测量质量和不增加预算的6U提下，提供高性能的测试、测量、数据采集以及工业计算等解决方案。综上所述，对于虚拟仪器的发展而言，计算机是载体，软件是核心。虚 拟 仪 器 研 究 的 另 一 个 问 题 是 各 种 标 准 仪 器 的 互 连 及 与 计 算 机 的 连 接 。目 前 使 用 较 多 的 是 IEEE 488 或 GPIB 协 议 。 未 来 的 仪 器 也 应 当 是 网 络 化 的。LabView（ Laboratory Virtual instrum
25、ent Engineering Workbench） 是 一 种 图 形 化 的 编 程 语 言 的 开 发 环 境 ， 它 广 泛 地 被 工 业 界 、 学 术 界 和 研 究第 8 页 共 33 页实 验 室 所 接 受 ， 视 为 一 个 标 准 的 数 据 采 集 和 仪 器 控 制 软 件 。 LabView 集 成了 与 满 足 GPIB、 VXI、 RS-232 和 RS-485 协 议 的 硬 件 及 数 据 采 集 卡 通 讯 的 全部 功 能 。 它 还 内 置 了 便 于 应 用 TCP/IP、 ActiveX 等 软 件 标 准 的 库 函 数 。 这是 一 个 功
26、能 强 大 且 灵 活 的 软 件 。 利 用 它 可 以 方 便 地 建 立 自 己 的 虚 拟 仪 器 ， 其图 形 化 的 界 面 使 得 编 程 及 使 用 过 程 都 生 动 有 趣 。 图 形 化 的 程 序 语 言 ， 又 称 为 “ ”语 言 。 使 用 这 种 语 言 编 程 时 ， 基 本上 不 写 程 序 代 码 ， 取 而 代 之 的 是 流 程 图 或 框 图 。 它 尽 可 能 利 用 了 技 术 人 员 、科 学 家 、 工 程 师 所 熟 悉 的 术 语 、 图 标 和 概 念 ， 因 此 ， LabView 是 一 个 面 向最 终 用 户 的 工 具 。 它
27、 可 以 增 强 你 构 建 自 己 的 科 学 和 工 程 系 统 的 能 力 ， 提 供 了实 现 仪 器 编 程 和 数 据 采 集 系 统 的 便 捷 途 径 。 使 用 它 进 行 原 理 研 究 、 设 计 、 测试 并 实 现 仪 器 系 统 时 ， 可 以 大 大 提 高 工 作 效 率 。 利 用 LabView， 可 产 生 独 立 运 行 的 可 执 行 文 件 ， 它 是 一 个 真 正 的 位编 译 器 。 像 许 多 重 要 的 软 件 一 样 ， LabView 提 供 了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh 的 多 种 版 本 。 它
28、 主 要 的 方 便 就 是 ， 一 个 硬 件 的 情 况 下 ， 可 以 通 过 改 变 软 件 ， 就 可 以 实现 不 同 的 仪 器 仪 表 的 功 能 ， 非 常 方 便 ， 是 相 当 于 软 件 即 硬 件 ！ 现 在 的 图 形 化主 要 是 上 层 的 系 统 ， 国 内 现 在 已 经 开 发 出 图 形 化 的 单 片 机 编 程 系 统 （ 支 持 32位 的 嵌 入 式 系 统 ， 并 且 可 以 扩 展 的 ） ， 不 断 完 善 中 (大 家 可 以 搜 索CPUVIEW 会 有 更 详 细 信 息 。1.1.4 虚 拟 仪 器 的 软 件 平 台目 前 ， 研
29、 制 虚 拟 仪 器 软 件 开 发 平 台 工 作 做 得 较 好 的 是 美 国 国 家 仪 器 公 司（ NI-National Instruments） 和 美 国 惠 普 公 司 (HP)。 他 们 推 出 的 开 发 平 台已 被 广 泛 采 用 。NI 推 出 的 LabView 软 件 开 发 平 台 ， 适 合 于 能 操 作 PC 机 但 不 熟 悉 计 算 机语 言 的 用 户 。 下 面 对 其 作 简 要 介 绍 。LabView 将 仪 器 的 控 制 操 作 及 显 示 模 拟 在 微 机 的 CRT 上 ， 作 为 前 面 板 ，也 是 虚 拟 仪 器 的 人
30、机 界 面 。图 1.1a 就 是 一 个 频 谱 分 析 仪 的 前 面 板 。 进 入 LabView 后 ， 点 取 Open VI,即 可 调 出 已 存 有 的 某 一 虚 拟 仪 器 的 前 面 板 ； 或 点 取 New VI,即 可 打 开 一第 9 页 共 33 页个 “空 白 ”的 前 面 板 。 当 然 ， 也 可 在 已 打 开 面 板 的 File 菜 单 上 作 类 似 的 操作 。与 前 面 板 对 应 的 是 另 一 个 窗 口 的 方 块 图 。 方 块 图 就 是 编 程 者 做 出 来 的程 序 。 图 1.1a 频 谱 分 析 仪 的 程 序 方 块 图
31、 如 图 1.1b 所 示 。前 面 板 和 方 块 图 面 板 上 设 有 主 菜 单 和 工 具 栏 ， 使 它 们 的 功 能 有 相 应 的提 示 ， 用 户 极 易 选 取 。 前 面 板 Windows 菜 单 中 的 Tile UP and Down 或Tile Left and Right 将 上 、 下 或 左 、 右 显 示 前 面 板 和 方 块 图 窗 口 。（ a）（ b）图 1.1 频谱分析仪第 10 页 共 33 页a)频谱分析仪的前面板 b）频谱分析仪的程序方块图1.2 关 于 本 课 题 研 究 的 背 景 ， 目 的 及 意 义在 工 科 院 校 中 ， 实
32、 验 是 一 种 重 要 的 教 学 手 段 。 学 生 通 过 做 实 验 ， 可 以 加深 对 所 学 知 识 的 理 解 ， 增 强 学 习 的 兴 趣 ， 提 高 动 手 能 力 ， 锻 炼 在 实 践 中 发现 问 题 、 分 析 问 题 和 解 决 问 题 的 能 力 。 大 部 分 工 科 院 校 中 的 机 械 设 计 基 础 实验 ， 所 用 的 实 验 仪 器 、 设 备 数 量 少 ， 不 能 满 足 学 生 的 需 要 ， 且 设 备 比 较 陈 旧 ，更 新 慢 。 传 统 实 验 仪 器 下 的 实 验 教 学 ， 已 严 重 滞 后 于 信 息 时 代 和 工 程
33、 实 际 的需 要 。 目 前 国 内 高 等 院 校 机 械 类 各 专 业 普 遍 开 设 了 机 械 工 程 控 制 基 础 ， 机 械工 程 测 试 技 术 课 程 ， 由 于 课 程 丰 富 的 实 践 性 ， 它 的 一 个 重 要 教 学 环 节 就 是 实验 。 而 使 用 传 统 仪 器 进 行 实 验 教 学 主 要 存 在 以 下 问 题 ：（ 1） 仪 器 功 能 是 固 定 的 ， 每 台 仪 器 只 能 进 行 某 些 特 定 项 目 的 实 验 ， 新 开 发实 验 项 目 需 要 重 新 购 置 仪 器 。（ 2） 仪 器 的 功 能 是 单 一 的 ， 比 较
34、 复 杂 的 实 验 需 要 多 台 仪 器 组 成 才 能 完 成 ，降 低 了 实 验 教 学 效 率 。（ 3） 仪 器 的 功 能 是 封 闭 的 ， 学 生 难 以 透 彻 的 了 解 仪 器 的 功 能 实 现 的 方 法 以及 所 涉 及 的 抽 象 的 理 论 知 识 ， 影 响 了 学 生 的 实 验 兴 趣 。（ 4） 学 生 只 能 按 教 师 事 先 设 计 好 的 实 验 方 案 被 动 地 进 行 操 作 ， 没 有 体 现 出学 生 在 实 验 教 学 中 的 主 体 地 位 。而 在 LabView 这 个 高 效 的 虚 拟 仪 器 开 发 平 台 上 ， 学
35、 生 用 自 己 的 图 形 语 言开 发 出 各 种 仪 器 ， 综 合 应 用 所 学 过 的 各 学 科 知 识 ， 在 普 通 的 计 算 机 上 构 建 一个 个 人 实 验 室 ， 完 成 实 验 。 这 样 学 生 和 教 师 摆 脱 了 功 能 单 一 ， 固 定 的 现 成 仪器 的 束 缚 ， 可 以 充 分 发 挥 自 己 的 积 极 性 和 创 造 性 ， 有 利 于 培 养 学 生 的 创 造 性思 维 和 工 程 实 践 能 力 。 这 样 做 还 可 以 充 分 利 用 现 有 技 术 资 源 ， 降 低 实 验 成 本 ，有 利 于 实 验 设 备 的 更 新 。 而 且 现 在 为 了 更 好 的 满 足 来 自 各 类 院 校 中 不 同 院系 或 是 整 个 院 校 范 围 师 生 学 者 的 需 求 ， NI 近 日 宣 布 扩 展 其 在 院 校 领 域 广 泛应 用 的 院 校 单 位 使 用 权 。 新 增 加 的 部 分 包 括 电 路 设 计 和 仿 真 选 项 ， 以 及 学 生
