基于虚拟仪器的网络化多路温度Word文件下载.docx

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1.4网络化虚拟仪器研究现状9

1.5本文的研究内容11

第2章网络化虚拟仪器及技术分析13

2.1虚拟仪器简介13

2.1.1虚拟仪器概念13

2.1.2虚拟仪器系统构成13

2.1.3虚拟仪器开发软件LabVIEW15

2.2网络化虚拟仪器测试平台15

2.2.1网络化虚拟仪器概念15

2.2.2网络化虚拟仪器的优势及应用16

2.2.3网络化测试系统设计方法16

2.3主要技术分析18

2.3.1网络通信技术18

2.3.2数据库技术23

2.3.3多线程技术25

2.3.4数据采集技术26

2.4本章小结27

第3章系统总体方案与硬件设计28

3.1系统功能需求设计28

3.2系统总体方案设计28

3.2.1多路温度测试设计方案29

3.2.2网络化虚拟仪器设计31

3.2.3网络化程序设计方案32

3.3系统硬件设计33

3.3.1采集系统结构34

3.3.2数据采集卡35

3.3.3温度传感器35

3.3.4调理电路设计38

3.3.5信号调理卡标定45

3.3.6非线性校正47

3.3.7硬件系统可扩展性47

3.4本章小结47

第4章网络化多路温度测试系统软件设计49

4.1网络通信的设计与实现49

4.1.1多任务处理方式49

4.1.2管理模块通信50

4.1.3测试模块通信52

4.2服务器端程序设计53

4.2.1数据库设计54

4.2.2管理服务器程序设计56

4.2.3测试服务器的程序设计57

4.3客户端程序设计65

4.3.1管理功能程序设计65

4.3.2客户端测试模块设计68

4.4本章小结69

第5章系统测试与工程应用70

5.1精度分析70

5.2系统测试实验73

5.3系统软件在工程中的应用79

5.4本章小结84

第6章结论与展望85

6.1总结85

6.2展望86

参考文献87

致谢92

附录A（攻读学位期间发表论文目录）93

摘要

虚拟仪器是计算机技术与仪器技术相结合的产物，代表了现代测试技术和仪器仪表技术的发展方向。

计算机网络技术与虚拟仪器技术构成了网络化虚拟仪器，是测控技术领域研究的热点。

温度是工业检测的重要参数，进行分布式多路温度测量是大型设备进行检测的重要趋势，现代工业测温条件越来越复杂，利用虚拟仪器技术进行多路温度检测具有重要的实际应用价值。

本文基于LabVIEW软件开发平台设计开发了网络化多路温度测试系统，对开发的系统进行了实验研究并结合实际需求进行了应用。

论文所做的工作主要包括以下四个方面：

（1）根据功能要求设计了系统总体方案，包括对多路温度测试方案设计、网络化虚拟仪器功能模块设计和实现网络化程序方案设计等。

（2）设计并开发了多路温度测试系统的硬件。

对构建测试系统所需的硬件进行了选型，并设计了多路温度信号调理电路，开发了信号调理卡。

分析了温度采集系统的非线性特性，通过添加外部硬件实现对采集通道路数的扩展。

（3）利用LabVIEW软件开发平台完成了系统软件的设计和编程工作。

基于模块化思想对系统软件功能进行了设计，进行了网络化功能设计以及客户端和服务器端程序的编写。

利用DataSocket技术编写了网络化程序，实现了局域网数据的无差错的网络通信。

利用数据采集技术（DAQ）、数据库技术（LabSQL）等虚拟仪器技术完成了多路温度测试系统软件的编写，包括多路温度数据采集程序和数字滤波程序、温度标定转换程序和温度补偿程序等。

（4）系统测试与工程应用。

对开发的网络化多路温度测试系统进行了实验研究，针对影响系统精度的因素进行了分析，通过采取有效的措施减少了测量误差，提高了测试精度。

与其它方法进行了比较，结果表明系统测试效果良好。

开发的系统软件在某大型电机运行状态监控中应用，运行稳定可靠。

本文完成了基于虚拟仪器的多路温度测试系统的设计和开发工作，系统开发成本低，易维护升级，具有一定的工程应用价值。

关键词：

虚拟仪器；

多路温度；

LabVIEW；

网络化；

测试系统

Abstract

Virtualinstrumentsarethecombinationofcomputertechnologyandequipment,representingthemoderndevelopmentdirectionoftestingtechniquesandinstrumentationtechnology.Thenetworkvirtualinstrumentisahotfieldofmeasurementandcontroltechnologyresearch，whichisconstitutedofcomputernetworktechnologyandvirtualinstrumenttechnology.Temperatureisanimportantindustrialinspectionparameteranditisanimportanttrendstousethedistributedmulti-channeltemperaturemeasurementtodetectlarge-scaleequipment.Thevirtualinstrumenttechnologyhasanimportantapplicationvalueonmulti-channeltemperaturemeasuremenunderthecomplexindustrialtemperaturetestconditions.

BasedontheLabVIEWsoftwaredevelopmentplatform,thispaperhasdesignedamulti-channeltemperaturetestsystemfornetworkbasedonvirtualinstrument,andhadtheexperimentalresearchandapplicationaccordingtotheactualneedsofindustrial.Thisworkmainlyincludesthefollowingfouraspects:

（1）theoverallprogramisdesignedaccordingtoFunctionalrequirementsofthesystem.Ithasdesignedthestructureoftheoverallsystem,includingmulti-temperaturetestsystemdesign,networkvirtualinstrumentmoduledesignandimplementationofnetworkdesignprocess.

（2）Thehadwaredesignofthesystemiscompleted.Thepaperhasselectedthetemperaturesensorandthedataacquisitioncardofthesystem,carriedoutaselectionanddesignedtheforty-channeltemperatureconditioningcircuitaccordingtotheactualneeds,anddevelopedthesignalconditioningcard.thenonlinearcharacteristicsofthetemperatureacquisitionsystemareanalyzed,acquisitionchannelnumberofthetestsystemcanbeextendedbyaddingexternalhardware.

（3）ThesoftwareofthesystemisdesignedandprogrammedbyusingtheLabVIEWsoftwaredevelopmentplatform.thedesignofthesystemsoftwarefunctioniscarriedoutbasedonthemodularthought.thenetworkfunctionaldesignisaccomplishedandtheclientandtheserverprogramsaredeveloped.ThenetworkingprogramsarecompiledwiththeDataSockettechnology,Ithasrealizedthenon-mistakenetworkserviceintheLAN.Withthevirtualinstrumenttechnologysuchasdataacquisitiontechnology（DAQ）、databasetechnology（LabSQL）,thesoftwareofthemulti-channeltemperaturetestingsystemiscompleted,includingmulti-channeltemperaturedataacquisitionprocedure、digitalfilteringprocedure、temperatureIIIdemarcationconversionprocedureandtemperaturecompensationprocedureandothersoftwaremodules.

（4）Thepaperhasbuiltthevirtualinstrumentofmulti-channeltemperaturetestingsystemnetworkexperimentalplatform.Thefactorswhichaffectthetestsystemaccuracyareanalyzed,theerrorhasbeencorrectedbyeffectivemethodstoimprovetheaccuracyofthetest.Comparedwithothertemperaturemeasurement,thesystemhasthegoodaccuracy.Thesystemsoftwareisappliedonalargemotorconditionmonitoringandtheoperationisstableandreliable.

Thepaperhascompletedthedesignanddevelopmentworkofmulti-channeltemperaturetestingsystembasedonvirtualinstrument.Thesystemhasmanyadvantages,suchaslowcost,easymaintainedandupgraded,ithaspracticalvalueinengineering.

Keywords：

VirtualInstrument;

Multi-ChannelTemperature;

LabVIEW;

Network;

Testsystem.

第1章绪论

1.1课题研究意义

各种环境参数中，温度是最常见的检测物理量。

温度是衡量物体冷热程度的标准，是表征对象和过程状态的重要参数，渗透到工业生产和实验研究的许多领域，对温度测试技术的研究是科研领域的一个重要课题。

随着经济的快速发展和科技水平的提升，各个行业对温度检测的要求也越来越高。

面对测试对象越来越庞大，测试环境越来越复杂的情况下，传统的温度测量方法已经不能满足现代测温的要求[1-2]。

比如过去粮仓温度的监测是靠人工手测进行，不但测试速度慢、测试精度低，而且劳动强度非常大。

对它的温度检测除了要求解决需参数技术问题外（如精度、稳定性等），还要从系统结构上解决多点和分布的问题，因此网络化多路温度测试系统的要求随之产生；

温度测量在工业窑炉中应用非常频繁，测点多、分布广，网络化多路温度测试系统能够将所有分布的点集中在一个界面上显示，还可以将历史数据存储，在必要时进行查询，温度数据能够发送到所需的生产部门，对整个窑炉温度实时联合监控，保证生产的正常运转。

现代工业生产中，离不开各种各样的电机。

电机运行过程中进行着能量转换，其中一部分能量没有被有效的利用，产生能量损耗。

电机产生的各种损耗转变成热能使电机各个部分发热，使它们的温度高于周围介质的温度。

电机的额定容量通常是由绝缘所能承受的最高允许温度所决定的，超过允许温度将会使电机内各种绝缘结构中的绝缘材料迅速老化而损坏[3]。

为了保证电机的运行状态，必须检测电机运行时的温度状态，一旦发生故障应立即做出相应的措施，否则后果不堪设想。

电机温度检测种类繁多，对许多组件都要同时进行检测，并且测点较多，特别对于大型电机有时需要进行的检测点有上百个，一些传统的测温方法就不能满足要求，需要运用现代测温技术进行在线监测。

现代测温技术要求能够适应恶劣的测试环境，能够对测试对象进行全方位协同式测温，多路温度的网络化测试具有实际的工业应用价值和现实意义。

网络化多路温度测试系统比传统的测温系统有着明显的优势，比如：

网络化多路温度测试系统能够将多个温度值集中起来进行分析，从而得出各测点之间联系，为下一步的工作提供依据；

网络化温度测试能够保证温度数据的实时性，一旦有异常温度出现，可以及时采取处理措施，防止事故发生；

网络化温度测试能够将分布式温度数据传送到各个相关部门，促使各个部门协调作业，提高了生产效率等。

本文基于LabVIEW软件开发平台设计开发了基于虚拟仪器的网络化多路温度测试系统，并结合实际需求对某大型电机温度检测进行了工业应用。

本课题得到了湖南省教育厅教学改革项目（项目编号：

200771）和企业委托项目的资助。

1.2温度测量方法概述

温度测量方法有很多，也有多种分类方法。

由于测量原理的多样性，很难找到一种完全理想的分类标准。

根据温度传感器的使用方式，通常分为接触法测温与非接触法测温两类[4-6]。

1.2.1接触法测温

由热平衡原理可知，两个物体经过较长时间的接触后会达到热平衡，它们的温度一定相等。

假如其中一个为温度计，那么可以用它对另一个物体进行温度测量，这种测温方式称为接触法测温。

温度计要求与被测物体有良好的接触，保证两者达到热平衡，这种测温方法准确度较高。

（1）膨胀式测温方法：

膨胀式测温是一种比较常见的测温方法，它主要利用热胀冷缩的原理，根据物体体积或其它几何量与温度的关系进行温度测量。

常见的膨胀式温度计有体温计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。

（2）电量式测温方法：

电量式测温方法主要利用材料特性与温度的单值关系进行温度测量，包括常用的热电偶温度测量、热电阻温度测量、热敏电阻温度测量以及集成芯片温度测量等。

热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起，一端为参考端，另一端为测量端，当两端有温差时，就会产生热电势，根据该热电势与温度的特定关系就可以测量温度。

热电偶具有结构简单，响应速度快，适用于远距离测量的特点，应用比较广泛。

热电阻是根据材料的电阻和温度的特定关系来进行测量的。

热电阻的输出信号大，准确度比较高，稳定性较好，但是元件结构一般比较大，动态响应比较差，不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域，常用的热电阻是金属铂电阻，利用和温度的近似的线性关系可以求得温度，在工业中应该比较多。

热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数关系变化的半导体热敏感元件，具有灵敏度高、价格便宜的优点，但其电阻值和温度的关系线性度差，且稳定性和互换性也不是很好。

随着电子技术水平的提高，可以将感温元件和相关电路集成在一个芯片上,构成一个小型化、多用途的专用集成芯片，输出信号可以是电压、频率或者是数字信号。

其特点是使用非常方便，适用于便携式设备。

（3）接触式光电、热色测温方法：

这种方法主要是通过接触被测对象，将由温度变化引起的热辐射或其它光电信号引出，经过光电转换器件检测该信号，获得温度值的方法。

光纤式温度测量技术属于这一类。

热色测温方法主要通过敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来表示温度的，示温漆和示温液晶测温法都属于热色测温。

1.2.2非接触法测温

利用物体的热辐射能量随温度变化的原理测定物体的温度的方式称为非接触测温方法。

它的特点是：

不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布情况。

用这种方法测量温度的范围上限很高，通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应较快的物体表面温度。

常用的有辐射式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温方法等。

（1）辐射式测温方法：

辐射式测温原理是热辐射定律，由于实际物体通常是非黑体，因此引入了辐射温度、亮度温度和颜色温度等表观温度的物理概念。

基于这三个物理概念的温度计分别被称为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。

（2）光谱测温方法：

这种方法主要用于高温火焰和气流温度的测量。

当单色光线照射透明物体时，会发生散射现象，包括弹性散射和非弹性散射两类。

弹性散射中的瑞利散射的光强和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质温度有关系。

相比而言，拉曼散射光谱测温技术具有更好的实用性，因此常用拉曼散射光谱来测量温度。

受激荧光光谱法是指在入射光的作用下，分子发出的荧光光谱在若干个波长上有较强的尖峰出现，这些特征波长的强度与温度大小成函数关系。

通过测量其特征波长下的强度或者荧光的驰豫时间，就可以确定被测物体的温度。

（3）激光干涉测温方法：

各种基于干涉原理的光学方法测量介质的温度场，均可以等效为测量介质的折射率分布。

它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化，即被测介质密度的变化，转变为各种光参量的变化，通过这种变化关系可以得到介质温度值和分布情况。

（4）声波、微波测温方法：

声学测温是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关的原理实现的，因此只要测得声速，便可以推算出温度。

利用这种方法测量时可以通过直接测量声波在被测介质中的传播速度，也可以测量放在被测介质中细线的声波传播速度得到温度，常用于测量高温气体或液体的温度，并且在高温时有更高的灵敏度。

微波衰减法测温原理是当入射微波通过火焰时，与火焰中的等离子体相互作用从而减弱了出射微波的强度，通过测量入射微波的衰减程度确定火焰气体的温度。

这种方法常用来测量火焰的温度。

总之，温度测量方法多种多样，在实际应用中，应当根据实际需要，综合多方面因素进行选择。

传统的热电偶、热电阻测温方法技术成熟、结构简单、使用方便，在未来温度测量领域中，依然能够大范围的使用，随着新材料、新工艺以及一些新测试技术的发展，其应用范围更加广泛。

1.3虚拟仪器技术在现代测试中的应用

虚拟仪器技术是现在测控领域内最为先进的技术，代表了未来的发展方向。

利用虚拟仪器技术可以建立起来一种功能强大、灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、功能强大、性价比高、可操作性好等优点，具体表现为[7-12]：

（1）用户自定义功能。

用户可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于测试仪器的设计中，也可以根据不同功能要求对同类仪器的功能、性能、指标进行修改，而且不需要复杂的硬件设计，彻底打破了传统仪器不可改变的封闭性和单一性。

（2）可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在一个“功能软件库”中，通过它们的不同组合以及与各种不同类型的硬件接口搭配，就可实现各种仪器的不同功能，提高了仪器的灵活性，并且组建测试系统可以进行非常复杂的测试工作。

（3）虚拟仪器的操作简单直观，显示面板可以由用户完全自主定义，设计出符合传统设备的习惯的交互界面。

数据分析、数据处理、数据存储、数据显示等功能非常强大，测试完成后还可生成打印测试报表，这些为用户带来极大方便，使得仪器的可操作性大为增强。

（4）应用性强、集成方便，可以和高速数据采集设备和控制设备构成自动测控系统。

在集成的虚拟测量系统中，可以实现自动测量、自动记录、自动数据处理，提高了工作效率。

（5）虚拟仪器具有强大的网络通信模块，可以轻松地通过局域网或广域网进行数据交换，实现资源共享，进行远程数据采集和测试控制。

（6）基于虚拟仪器技术的测试系统开发周期短，所需成本低，维护起来方便，将新理论、新技术应用到系统中，很容易实现仪器系统的升级。

虚拟仪器系统灵活开放，与计算机技术能够保持同步发展，将之应用在测控方面可以提高精确度，降低成本，并大大节省用户的开发时间，提高了系统的使用效率。

基于虚拟仪器技术建立起来的测试系统在各个行业中得到了广泛的应用，本文正是基于虚拟仪器技术构建了多路温度测试系统从而实现对温度的检测。

1.4网络化虚拟仪器研究现状

计算机技术的迅猛发展为测试技术和仪器技术的革新提供了强大的动力。

虚拟仪器技术和网络化技术相结合构成了网络化虚拟仪器，它突破了传统仪器的时空限制和地域障碍，大大地拓展了虚拟仪器技术的应用领域，比如网络虚拟实验室、网络教学、远程数据采集与监控、远程设备故障诊断、远程专家系统等[13-17]。

虚拟仪器网络化技术是虚拟仪器技术研究的热点，国内外都对其展开了积极而具有成效的研究。

美国国家宇航局NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）研究中心采用网络化虚拟仪器技术开发了一套站点风洞试验数据分析系统。

利用该系统，用户可以通过嵌入Web浏览器的Java程序（是客户端的虚拟仪器软件），观察并分析NASA采集到的现场风洞试验数据[18]。

2002年意大利锡耶纳大学MarcoCasini等设计并建立了一个远程自动控制实验室。

通过网络，针对测试对象，学生能够随时选择试验内容组建测试系统，运行系统程序，还可以更改试验参数，分析试验结果；

同时能在MATLAB仿真平台上根据需求设计自己的控制器，利用图形用户接口针对实际的设备仪器校验该控制