基于虚拟仪器的压力监测系统的设计.docx
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基于虚拟仪器的压力监测系统的设计
摘要
生产过程参数的智能监测是实现自动化的重要标志，监测到的数据需要进行实时采集、传送、处理。
随着计算机技术、通信技术的迅速发展，虚拟仪器率先由美国于20世纪80年代末研制成功，它是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。
其运用配套的虚拟仪器开发软件，借助PC机超强的计算处理能力而被广泛的运用于工厂的各种数据监测与处理。
本设计为多通道压力监测系统，用来监测来自各处不同的压力变化情况。
实现4路压力的实时监测、波形显示。
具体为应用LabVIEW图形化编程软件和LabJackU12数据采集卡设计4通道压力监测系统，采用压力传感器，对4路压力数据进行采集、分析处理、存储显示，实现压力数据的曲线和数字实时显示，并具有超限报警功能，并对数据进行统计分析，利用EXCEL工具箱实现报表输出。
本系统包括三个基本硬件部分：
压力传感器，数据采集卡，PC机。
其中，压力测量利用AK-4型数字压力传感器，传感器输出的4-20mA信号送入调理电路转换为1-5V电压信号，再送入LabJackU12数据采集卡将模拟量到数字量的转换，并输入到PC机中，然后利用PC机中的LABVIEW图形化编程软件将输入的电压信号处理输出并且显示，并对信号进行分析对超限信号起到报警功能。
关键词：
压力监测LABVIEW数据采集
ABSTRACT
Intelligentmonitoringoftheproductionparametersisanimportantsymboltoautomate.Themonitoringofthedatarequiresreal-timeacquisition,transmission,processing.Withcomputertechnology,communicationtechnology,therapiddevelopmentofthefirstvirtualinstrumentwasdevelopedinthelate80bytheUnitedStatesinthelate20thcentury,thesuccessfuldevelopmentofcomputersystemsandequipment,itistheproductofthecombinationsystemtechnology.Itsapplicationsupportingthedevelopmentofvirtualinstrumentsoftware,withPC-super-computingprocessingpowerhasbeenwidelyusedinavarietyofplantdatamonitoringandprocessing.
Thedesignforthemulti-channelpressuremonitoringsystem,usedmonitorthepressurefromchangesinvariousparts.Pressuretoachieve4-wayreal-timemonitoring,waveformdisplay.SpecificallyfortheapplicationofLabVIEWgraphicalprogrammingsoftwareandLabJackU12DataAcquisitionCardDesign4-channelpressuremonitoringsystem,usingpressuresensors,pressureonthe4-waydatacollection,analysisandprocessing,storage,display,realizationofthecurveofpressuredataanddigitalreal-timedisplay,andhasThemorelimitedalarmfunctions,andstatisticalanalysisofdatausingEXCELtoolboxtoachievereportoutput.
Thesystemconsistsofthreebasichardwarecomponents:
pressuresensors,dataacquisitioncard,PCmachine.Amongthem,pressuremeasurementusingAK-4typedigitalpressuresensor,thesensoroutput4-20mAsignalintotheconditioningcircuitisconvertedto1-5Vvoltagesignal,andthenintotheLabJackU12dataacquisitioncardwillbeanalogtodigitalconversion,andenterthetoaPCmachineandthenusethePC,theLABVIEWgraphicalprogrammingsoftwaretoinputtheoutputvoltagesignalprocessinganddisplays,andsignalanalysisoftheoverrunalarmsignaltoplay.
Keywords:
PressuremonitorLabviewDataacquisition
第一章绪论
1.1引言
压力是人们所熟知的名词，在认知中的压力定义有很多,施加在物体上的力则是普遍认为。
在医学应用中压力则定义为不是一种想象出来的疾病而是身体“战备状态”的反应，这是当我们意识到某种情形，或者某个人，或者某件事情具有潜在的威胁性的时候做出的反应[1]。
而本论文所研究的压力不涉及到医学，而主要关注与普遍的认知物体所施加的力。
生活中监测系统这一词应用广泛，很多人只是听说过却无法准确的定义什么是监测系统，在本设计中我也通过用心去体会并在网上找到准确的监测系统的定义。
监测系统对于工业生产和各行各业都是不可缺少的。
随着各种现代化设备的增加，各种数据的实时测量和分析成了通讯企业工作量较大的内容。
监测系统帮助管理人员对设备进行实时监控，预防故障的发生或者在故障发生后提供最及时的资料。
自动监测系统可以减少配备人员的数量并提高监测业务的效率[3]。
压力监测系统是本论文的中心内容，同时也是科技社会的主流研究内容。
顾名思义，压力监测系统是上述两项定义的结合，压力监测是通过利用先进的仪器仪表系统对工业机械上所产生或应用的压力进行实时的监控并进行控制。
而监控的手段就要涉及到我所学的专业，测控技术。
测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。
20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽[1]。
电子测量技术作为测控技术的一部分，其发展总是与自然科学，特别是电子技术的最新发展紧密相连。
从传统的电测量指示仪表、数字化仪表到智能仪器，再到虚拟仪器，电子测量技术发生了革命性变化。
虚拟仪器改变了传统测量仪器的概念、模式和结构，用户完全可以自己定义一起的功能和参数，即“软件即是仪器”，虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力[2]。
虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程技术，代表了测量仪器与自动测试系统的未来发展方向。
采用虚拟仪器构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分的保证，具有很高的性能价格比，节省投资，便于设备的更新和功能的转换与补充。
因此，虚拟仪器在产品性能测试、设备故障诊断、生产过程控制中得到普遍应用。
1.2课题的提出与意义
压力是工业生产过程中的一个重要参数,准确地测量压力进而控制压力,对保证设备安全和经济运行有重要意义。
影响到整个设备的安全和经济效益。
因此，准确测量压力意义十分重要。
高速发展的工业控制领域离不开压力的测量，测量技术和仪器变得越来越重要。
但由于弊端的传统手段，如价格昂贵、功能单一、可扩展性不好等，很难满足业界的要求。
随着计算机技术和虚拟仪器的发展，用户的设计范围变得比较广泛。
采用虚拟仪器构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分的保证，具有很高的性能价格比，节省投资，便于设备的更新和功能的转换与补充。
本课题也由此而提出。
1.3课题的实现
对于本课题，有很多的实现方法，然而对于我来讲因为资金与实验条件的多种限制，使我只能用很简单的方式来模拟这种压力监测。
而如今的科技发展离不开计算机，而作为PC机应用程序的Labview作为一种图形化编程的语言不但使用方便而且满足功能因此被我选择使用设计并实现此课题。
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[3]。
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。
图形化的程序语言，又称为“G”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。
第二章压力监测系统总体设计
2.1设计思路
本设计为压力监测系统，并通过Labview进行图形化编程。
整体设计思路如下：
利用压力传感器监测压力信号此信号为模拟信号，并由数据采集系统进行A/D信号转换将模拟信号转换成数字信号送入PC机。
进入PC机的数字信号由Labview软件采集，通过设计图形化的界面实现多通道（4通道）的动态数据（波形）显示。
在采集信号的同时可设定信号上限，超出的信号不能显示出来并使路灯闪亮。
最终收集到的数据通过报表的形式输出。
对于虚拟仪器LABVIEW，软件才是它的核心。
在规划、设计整个系统软件时应坚持以下几个原则：
操作界面友好，使用方便。
以方便习惯使用现有测量仪的人员的使用；另一方面也是让工作人员更容易接受这套系统。
labview软件设计动态特性测试系统，实现数据采集、波形显示、静态特性分析、数据保存及回放等功能。
这些功能主要通过Labview软件实现的。
本实验的软件部分主要设计四个部分：
信号的采集、数据的写入、数据的读出、数据的拟合。
最后在软件的前面板显示出动态特性测试结果。
图2-1为系统总体设计框图。
图2-1系统总体设计框图
利用压力传感器，传感器输出的信号送入电路转换为电压信号，再送入数据采集卡将模拟量到数字量的转换，并输入到PC机中，然后利用PC机中的LABVIEW图形化编程软件将输入的电压信号处理输出并且显示，并对信号进行分析对超限信号起到报警功能，数据可由EXCEL生成报表。
图2-2为系统的总细节框图。
图2-2系统总体细节框图
第三章压力传感器
3.1压力传感器定义
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。
3.2压力传感器分类
1.应变片压力传感器电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。
2.陶瓷压力传感器抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变。
3.扩散硅压力传感器工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
4.蓝宝石压力传感器 利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。
5．压电压力传感器压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。
其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失。
3.3传感器的使用原则
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。
当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。
测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理[6]。
1．根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：
量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
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。
3.频率响应特性
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。
4.线性范围
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。
5.稳定性
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。
6.精度
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。
3.4传感器的选用
3.4.1传感器的选用
总结以上本设计选用AK-4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。
AK-4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3-1为AK-型压力传感器的实物图，图3-2为示意图。
图3-1实物图
图3-2示意图
3.4.2AK-4型压力传感器特点
1.具有零点、灵敏度调整功能，标准电压、电流信号输出
2.精度高，性能稳定可靠，结构紧凑，安装使用方便
3.根据用户要求可提供各种螺纹接口
4.分类:
AK-4a：
普通型铝外壳
AK-4b：
不锈钢外壳
AK-4c：
密封型：
全O圈密封，隔潮；全不锈钢结构，防腐蚀
AK-4f：
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。
3.4.3AK-4型压力传感器性能技术指标
AK-4型压力传感器的主要技术指标如表3-1所示
表3-1AK-4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---0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,15,20,25,30,40,50,60,100
MPa
输出信号
0-5，1-5
V
4-20，0-10
mA
精度
0.2
0.3
0.5
%FS
非线性
0.20.2
0.3
0.5
%FS
迟滞
0.2
0.3
0.5
%FS
重复性
0.2
0.3
0.5
%FS
供桥电压
±6，12，24
VDC
绝缘电阻
≥100
MΩ
工作温度
-10至+50
℃
零点偏移
0.2
0.3
0.5
%FS/4h
热零点偏移
0.2
0.3
0.5
%FS/10℃
热灵敏度偏移
0.2
0.3
0.5
%FS/10℃
允许过负荷
120
%FS
接线方式
插座：
1、电源（+）；2、输出（+）3输出（-）；4电源（-）。
导线连接方式见合格证书
第四章数据采集
4.1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485、232、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。
4.2Labjack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]。
4.2.1LabjackU12简介
图4-1 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4-1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：
1.12位、八个单端或四个差动的模拟量输入
2.±10伏的模拟量输入范围
3.具有可编程放大器，增益为1，2，4，5，8，10，16或20倍
4.采样速率可高达8000赫兹（在短时读模式下）或1200赫兹（在连续读模式下）
5.支持软硬件定时采样
6.支持触发采样
7.四个模拟量输出
8.20个数字输入输出口（每个口的速率可达到50赫兹）
9.1个32位计数器
10.具有看门狗定时器功能
11.是个使用方便的PnPUSB设备
12.一个USB口可以连接80个LabJack从而组成庞大系统
13.百分之百的软件控制，没有任何跳线或开关
14.不需要外部电源
15.提供完整的驱动软件和一些应用软件
16.包含LabView和VB程序
17.可在视窗操作系同98SE，ME，2000或XP上使用
18.详尽的中英文技术文档
19.CE认证产品
20.可在工业温度范围内使用
21.包括所有连接缆线和接线端口
22.大约尺寸为10cm×15cm×3cm
LabJackU12要求计算机操作系统是Windows（视窗）98SE，ME，2000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4.10.2222或更高。
对软硬件安装的先后次序没有要求。
4.2.2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
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