基于虚拟仪器的压力监测系统的设计

基于虚拟仪器的压力监测系统的设计内容摘要：

体 性 能 指 标。 2． 灵 敏 度 的 选 择　 　 通 常 ， 在 传 感 器 的 线 性 范 围 内 ， 希 望 传 感 器 的 灵 敏 度 越 高 越 好。 因 为 只 有 灵 敏度 高 时 ， 与 被 测 量 变 化 对 应 的 输 出 信 号 的 值 才 比 较 大 ， 有 利 于 信 号 处 理。 但 要 注 意的 是 ， 传 感 器 的 灵 敏 度 高 ， 与 被 测 量 无 关 的 外 界 噪 声 也 容 易 混 入 ， 也 会 被 放 大 系 统放 大 ， 影 响 测 量 精 度。 因 此 ， 要 求 传 感 器 本 身 应 具 有 较 高 的 信 噪 比 ， 尽 量 减 少 从外 界 引 入 的 干 扰 信 号。 传 感 器 的 灵 敏 度 是 有 方 向 性 的。 当 被 测 量 是 单 向 量 ， 而 且 对 其 方 向 性 要 求 较 高 ，则 应 选 择 其 它 方 向 灵 敏 度 小 的 传 感 器 ； 如 果 被 测 量 是 多 维 向 量 ， 则 要 求 传 感 器 的 交叉 灵 敏 度 越 小 越 好。 率 响 应 特 性　 　 传 感 器 的 频 率 响 应 特 性 决 定 了 被 测 量 的 频 率 范 围 ， 必 须 在 允 许 频 率 范 围 内 保 持不 失 真 的 测 量 条 件 ， 实 际 上 传 感 器 的 响 应 总 有 —定 延 迟 ， 希 望 延 迟 时 间 越 短 越 好。 传 感 器 的 频 率 响 应 高 ， 可 测 的 信 号 频 率 范 围 就 宽 ， 而 由 于 受 到 结 构 特 性 的 影 响 ， 机械 系 统 的 惯 性 较 大 ， 因 有 频 率 低 的 传 感 器 可 测 信 号 的 频 率 较 低。 在 动 态 测 量 中 ， 应根 据 信 号 的 特 点 (稳 态 、 瞬 态 、 随 机 等 )响 应 特 性 ， 以 免 产 生 过 火 的 误 差。 性 范 围　 　 传 感 器 的 线 形 范 围 是 指 输 出 与 输 入 成 正 比 的 范 围。 以 理 论 上 讲 ， 在 此 范 围 内 ，灵 敏 度 保 持 定 值。 传 感 器 的 线 性 范 围 越 宽 ， 则 其 量 程 越 大 ， 并 且 能 保 证 一 定 的 测 量精 度。 在 选 择 传 感 器 时 ， 当 传 感 器 的 种 类 确 定 以 后 首 先 要 看 其 量 程 是 否 满 足 要 求。 但 实 际 上 ， 任 何 传 感 器 都 不 能 保 证 绝 对 的 线 性 ， 其 线 性 度 也 是 相 对 的。 当 所 要求 测 量 精 度 比 较 低 时 ， 在 一 定 的 范 围 内 ， 可 将 非 线 性 误 差 较 小 的 传 感 器 近 似 看 作 线性 的 ， 这 会 给 测 量 带 来 极 大 的 方 便。 定 性　 　 传 感 器 使 用 一 段 时 间 后 ， 其 性 能 保 持 不 变 化 的 能 力 称 为 稳 定 性。 影 响 传 感 器 长期 稳 定 性 的 因 素 除 传 感 器 本 身 结 构 外 ， 主 要 是 传 感 器 的 使 用 环 境。 因 此 ， 要 使 传 感器 具 有 良 好 的 稳 定 性 ， 传 感 器 必 须 要 有 较 强 的 环 境 适 应 能 力。 在 选 择 传 感 器 之 前 ， 应 对 其 使 用 环 境 进 行 调 查 ， 并 根 据 具 体 的 使 用 环 境 选 择 合适 的 传 感 器 ， 或 采 取 适 当 的 措 施 ， 减 小 环 境 的 影 响。 传 感 器 的 稳 定 性 有 定 量 指 标 ，在 超 过 使 用 期 后 ， 在 使 用 前 应 重 新 进 行 标 定 ， 以 确 定 传 感 器 的 性 能 是 否 发 生 变 化。 在 某 些 要 求 传 感 器 能 长 期 使 用 而 又 不 能 轻 易 更 换 或 标 定 的 场 合 ， 所 选 用 的 传 感 器 稳定 性 要 求 更 严 格 ， 要 能 够 经 受 住 长 时 间 的 考 验。 度大连交通大学 2020 届本科生毕业设计（论文）11　 　 精 度 是 传 感 器 的 一 个 重 要 的 性 能 指 标 ， 它 是 关 系 到 整 个 测 量 系 统 测 量 精 度 的一 个 重 要 环 节。 传 感 器 的 精 度 越 高 ， 其 价 格 越 昂 贵 ， 因 此 ， 传 感 器 的 精 度 只 要 满足 整 个 测 量 系 统 的 精 度 要 求 就 可 以 ， 不 必 选 得 过 高。 这 样 就 可 以 在 满 足 同 一 测 量 目的 的 诸 多 传 感 器 中 选 择 比 较 便 宜 和 简 单 的 传 感 器。 如 果 测 量 目 的 是 定 性 分 析 的 ， 选 用 重 复 精 度 高 的 传 感 器 即 可 ， 不 宜 选 用 绝 对 量值 精 度 高 的 ； 如 果 是 为 了 定 量 分 析 ， 必 须 获 得 精 确 的 测 量 值 ， 就 需 选 用 精 度 等 级 能满 足 要 求 的 传 感 器。 对 某 些 特 殊 使 用 场 合 ， 无 法 选 到 合 适 的 传 感 器 ， 则 需 自 行 设 计 制 造 传 感 器。 自制 传 感 器 的 性 能 应 满 足 使 用 要 求。 传感器的选用 传感器的选用总结以 上 本设计选用 AK4 型为压力传感器。 本传感器具有零点、灵敏度调整功能，标准电压、电流信号输出，精度高，性能稳定可靠，结构紧凑、安装使用方便，广泛用于各种动、静态；气、液态介质的压力测量、控制，根据用户要求可提供各种螺纹接。 AK4 型压力传感器主要用途：该传感器适用于各种动、静态、气、液体介质的压力测量。 图 31 为 AK型压力传感器的实物图，图 32 为示意图。 图 31 实物图图 32 示意图大连交通大学 2020 届本科生毕业设计（论文）12 AK4 型压力传感器特点、灵敏度调整功能，标准电压、电流信号输出，性能稳定可靠，结构紧凑，安装使用方便:AK4a：普通型铝外壳AK4b：不锈钢外壳 AK4c：密封型：全 O 圈密封，隔潮；全不锈钢结构，防腐蚀AK4f：数显压力变送器，1/2 数码显示，直接显示压力数值，并且具有变送功能。 AK4 型压力传感器性能技术指标AK4 型压力传感器的主要技术指标如表 31 所示表 31 AK4 型压力传感器的主要技术指标技术指标 技术参数 单位量程0,1,2,5,10,15,20,25,30,40,50,60,100MPa05，15 V输出信号420，010 mA精度 %FS %FS迟滞 %FS重复性 %FS供桥电压 177。 6，12，24 VDC绝缘电阻 ≥100 MΩ工作温度 10 至+50 ℃零点偏移 %FS/4h热零点偏移 %FS/10℃热灵敏度偏移 %FS/10℃允许过负荷 120 %FS接线方式插座：电源（+） ；输出（+）3 输出（） ；4 电源（）。 导线连接方式见合格证书大连交通大学 2020 届本科生毕业设计（论文）13第四章 数据采集 数据采集数据采集( DAQ)， 是 指 从 传 感 器 和 其 它 待 测 设 备 等 模 拟 和 数 字 被 测 单 元 中 自 动采 集 非 电 量 或 者 电 量 信 号 ,送 到 上 位 机 中 进 行 分 析 ,处 理。 数 据 采 集 系 统 是 结 合 基 于计 算 机 或 者 其 他 专 用 测 试 平 台 的 测 量 软 硬 件 产 品 来 实 现 灵 活 的 、 用 户 自 定 义 的 测 量系 统。 通 常 ， 必 须 在 数 据 采 集 设 备 采 集 之 前 调 制 传 感 器 信 号 ,包 括 对 其 进 行 增 益 或衰 减 和 隔 离 ,放 大 ,滤 波 等 .对 待 某 些 传 感 器 ， 还 需 要 提 供 激 励 信 号 ．在 工 业 现 场 ， 我 们 会 安 装 很 多 的 各 种 类 型 的 传 感 器 ， 输 入 压 力 的 温 度 的 流 量 的声 音 的 电 参 数 的 等 等 ， 受 现 场 环 境 的 限 制 传 感 器 信 号 如 压 力 传 感 器 输 出 的 电 压 或 者电 流 信 号 不 能 远 传 或 者 因 为 传 感 器 太 多 布 线 复 杂 ， 我 们 就 会 选 用 分 布 式 或 者 远 程 的采 集 卡 [3]（ 模 块 ） 在 现 场 把 信 号 较 高 精 度 地 转 换 成 数 字 量 ， 然 后 通 过 各 种 远 传 通 信技 术 （ 如 48 23 以 太 网 、 各 种 无 线 网 络 ） 把 数 据 传 到 计 算 机 或 者 其 他 控 制 器 中进 行 处 理。 这 种 也 算 作 数 据 采 集 卡 的 一 种 ， 只 是 它 对 环 境 的 适 应 能 力 更 强 ， 可 以 应对 各 种 恶 劣 的 工 业 环 境。 如 果 是 在 比 较 好 的 现 场 或 者 实 验 室 ， 如 学 校 的 实 验 室 ， 就 可 以 使 用 USB/PCI这 种 采 集 卡。 和 常 见 的 内 置 采 集 卡 不 同 ， 外 置 数 据 采 集 卡 一 般 采 用 USB 接 口 和1394 接 口 ， 因 此 ， 外 置 数 据 采 集 卡 主 要 指 USB 采 集 卡 和 1394 采 集 卡。 数据采集卡通过以上说明我的设计为实验室设计因此最适合使用 USB 采集，而基于我所设计内容特点我选用数据采集卡 labjackU12 来完成。 将采集到的信号放大滤波后，由数据采集卡 labjack 进行 A/D 转换并将其送入 PC 机中。 虚拟仪器是计算机和仪器技术深层次结合的产物,它将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有效结合起来。 基于 LabJackU12 数据采集器和 LabVIEW 图形化编程语言组成虚拟仪器测试系统的硬件和软件以及仪器的功能特点,实现了数据采集测试的控制与实时显示数据存储与分析等功能,提高了测试的精度。 且灵活性好,能够根据需要移植应用到其它的测试场合 [8]。 大连交通大学 2020 届本科生毕业设计（论文）14 简介图41　　LabJackU12的正面图数据采集硬件有多种形式，数据采集硬件的选择要根据具体的场合并考虑到自己现有的技术资源，本次课题采用 U12 产品，如图 41 所示。 LabJackU12 是一个 USB 接口的、多功能数据采集控制器，是目前性价比最高的多功能数据采集控制器。 它使计算机轻而易举地和外部物理世界联系起来，被广泛地应用于测试仪器，工业过程控制，数据监视等各种数据采集和控制场合。 LabJackU12 是美国 LabJack 公司研发、生产的产品 [10]。 LabJackU12 主要性能和特点如下： 位、八个单端或四个差动的模拟量输入2.177。 10 伏的模拟量输入范围，增益为 1，2，4，5，8，10，16 或 20 倍 8000 赫兹（在短时读模式下）或 1200 赫兹（在连续读模式下） 个数字输入输出口（每个口的速率可达到 50 赫兹） 个 32 位计数器 PnPUSB 设备 USB 口可以连接 80 个 LabJack 从而组成庞大系统，没有任何跳线或开关 LabView 和 VB 程序大连交通大学 2020 届本科生毕业设计（论文）15 98SE，ME，2020 或 XP 上使用 认证产品 10cm15cm3cmLabJackU12 要求计算机操作系统是 Windows（视窗）98SE，ME，2020 或 XP。 要确定操作系统版本，点击开始设置 控制面板 系统常规，确认版本号是 或更高。 对软硬件安装的先后次序没有要求。 数据采集硬件配置在计算机正常运行状态下，用提供的连接线把 LabJackU12 接到计算机的 USB 口上。 这根 USB 连接线为 LabJackU12 提供了电源以及它与计算机间的通讯。 状态发光二极管会快速闪烁 4 次（频率大约 4 赫兹），然后保持暗状态，这说明计算机正在访问查寻。 访问查寻是计算机操作系统对一个 USB 器件进行信息读取的过程，这些信息是用来描述被查询器件的名称及其功能。 Windows 本身自带 LabJackU12 所需的底层驱动程序，接上 LabJack 后，系统自动开始访问查寻。 Windows 对一个新器件进行首次访问查寻时可能需要一两分钟，Windows 可能会告诉你它正在安装驱动程序，如果Windows 出现提示，请接受所有的缺省值。 如果必要，重新启动计算机，此时可能需要视窗的安装光盘，请确定所提供光盘的视窗版本是否正确。 访问查寻在每次连接时都会发生，但只需几秒钟。 访问查寻完成后，发光二极管会闪两次并保持亮状态，这说明视窗己正常地访问查寻了 LabJack。 如果 LabJack 不能被访问查询：检查计算机的操作系统的版本号是 或更高，尝试将 LabJack 连到另一台计算机上；尝试将其他 USB。