（机械工程专业论文）脉动喷气式发动机性能参数虚拟测试系统设计及试验研究.pdf

工程硕士学位论文 摘要 在能源问题和环境问题日益被重视的今天，脉冲发动机因为燃烧强度高，燃烧效率 高，污染小等优点而受到越来越多的关注，但脉冲喷气发动机性能参数测试手段是相当 落后的。因此研究基于虚拟仪器技术的脉冲喷气发动机性能参数测试系统迫在眉睫，既 提高燃料的使用效率，同时又能保护生态环境，保护操作者的人身安全。 本文设计和开发了基于虚拟仪器技术的脉冲喷气发动机性能参数测试系统，提出了 脉冲喷气发动机性能参数测试系统的设计方法。系统充分利用计算机的高速、准确的特 性，以图形化编程语言l a b v l e w 和个人计算机为软硬件平台，实现多通道信号的计算机 采集与分析功能，简化仪器设备，提高测试效率。 脉冲喷气发动机虚拟仪器测试系统在硬件部分上设计合适的数据采集板及信号调 理电路，实现数据信号多通道、高速、高精度采集与转换；软件部分选取一主要编程工 具软件l a b v l e w 为操作平台，通过动态链接技术实现与其他辅助软件的数据调用与协同 处理，最终实现可视化的数据分析与处理，为测试手段的改进探索了一条新的道路。脉 冲喷气发动机虚拟仪器网络测试系统不仅具有测试的功能，而且还具有以下主要特点： ( 1 ) 可实现多通道数据信号的同时采入；( 2 ) 在v c + + 环境下开发动态链接库，通过l a b v i e w 对动态链接库的调用实现对普通数据采集卡的驱动，拓宽系统设备的选取范围；( 3 ) 硬 件具有开放性，允许通过升级硬件来提高其性能；( 4 ) 在相同硬件条件下，可以通过修 改或增加软件模块，形成新的仪器功能；( 5 ) 系统提供数据处理、分析和存储功能，同 时，能实现试验曲线的自动绘制及试验过程的监视。 设计了脉冲喷气发动综合性能实验方案，构建了发动机噪声及综合性能实验台架。 进行了压力、温度和噪声实验，将虚拟测试系统得到的测试值和对应特征点的试验值进 行比较。结果表明脉冲喷气发动机虚拟仪器测试系统简单有效，为以后的进一步研究奠 定了基础。 关键词：虚拟仪器，脉冲喷气发动机，性能，测试；试验 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m sa r ea t t a c h e di m p o r t a n c ei n c r e a s i n g l y n o w a d a y s t h ep u l s ee n g i n ea t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf o ri t sh i g hc o m b u s t i o n i n t e n s i t y , h i g hc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n dl o wp o l l u t i o na d v a n t a g e s h o w e v e r , t h et e s tm e t h o d f o rp u l s ej e te n g i n ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si sr a t h e rb a c k w a r d ，s ot h er e s e a r c hf o rp u l s ej e t e n g i n ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss y s t e m ，b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , i si m p e r a t i v e i tc a nr e d u c et h ec o s tf o rp e s t i c i d eu s e df o rf o r e s tp e s tc o n t r o l ，i m p r o v ee f f i c i e n c yo fp e s t i c i d e u s i n g ，w h i l ep r o t e c t i n gf o r e s te c o - e n v i r o n m e n ta n dt h eo p e r a t o r sp e r s o n a ls a f e t y p u l s ej e te n g i n ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r st e s ts y s t e m ，b a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , w a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d i tp r o p o s e dp r a c t i c a lw a y sf o rp u l s ej e te n g i n e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r st e s ts y s t e m s y s t e m ，w i t ht h eh i g hs p e e da n da c c u r a t ef e a t u r e s o f c o m p u t e rf u l l y , u t i l i z e dt h eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e wa n dp e r s o n a l c o m p u t e ra sh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep l a t f o r m ，w h i c ha c h i e v e dm u l t i - c h a n n e ls i g n a la c q u i s i t i o n a n da n a l y s i sf u n c t i o n so ft h ec o m p u t e r , s i m p l i f i e de q u i p m e n ta n di m p r o v e dt e s t i n ge f f i c i e n c y f o rt h eh a r d w a r e ，p u l s ej e te n g i n ev i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nt e s ts y s t e md e s i g n e dp r o p e r d a t aa c q u i s i t i o nt r i g g e rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，w h i c ha c h i e v e dd a t as i g n a lm u l t i c h a n n e l ， h i g h - s p e e d ，h i g h - p r e c i s i o na c q u i s i t i o n a n d o p e r a t i o n f o r t h es o f t w a r e ，o n em a i n p r o g r a m m i n gt o o ll a b v i e w w a ss e l e c t e d ，a so p e r a t i o np l a t f o r m ，t oa c h i e v ed a t ac a l l sa n d c o p r o c e s sw i t ho t h e ra i d es o f t w a r eb ym e a n so fd y n a m i cl i n k i n gt e c h n o l o g y , t oi m p l e m e n t v i s u a ld a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gf i n a l l y i te x p l o r e dan e ww a yf o ri m p r o v i n gt e s tm e t h o d s p u l s ej e te n g i n ev i r t u a li n s t r u m e n tn e t w o r kt e s ts y s t e m ，n o to n l yh a st h et e s tf u n c t i o n ，b u ta l s o h a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：( o t oa c q u i r em u l t i c h a n n e ld a t as i g n a l sa tt h es a m et i m e ；( 2 ) t o d e v e l o pd y n a m i cl i n kl i b r a r y , t oa c h i e v eo r d i n a r yd a t aa c q u i s i t i o nc a r dd r i v et h r o u g ht h e l a b v i e wc a l l sd y n a m i cl i n kl i b r a r y , t ob r o a d e nt h es e l e c t i o ns c o p eo fs y s t e me q u i p m e n t ；( 3 ) t h eh a r d w a r ew a sa l l o w e dt ou p g r a d et oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c ew i l d l y ；( 4 ) i nt h es a l t l e c o n d i t i o no fh a r d w a r e ，w ec o u l dm o d i f yo ra d ds o f t w a r em o d u l e st of o r man e w i n s t r u m e n t f u n c t i o n ；( 5 ) s y s t e mp r o v i d e dd a t ap r o c e s s i n g ，a n a l y s i sa n ds t o r a g ef u n c t i o n s ，w h i l ei tc o u l d d r a wt e s tc u r v ea u t o m a t i c a l l ya n dm o n i t o rt e s t i n gp r o c e s s t h ep r o g r a mw a sd e s i g n e df o rp u l s ej e te n g i n ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c et e s t i n g ，a n d t h et e s tf o u n d a t i o nw a sb u i l tf o re n g i n en o i s ea n dc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e p r e s s u r et e s t ， t e m p e r a t u r ea n dn o i s ee x p e r i m e n t sw e r em a d e ，a n dt h et e s t e dv a l u e sw e r ec o m p a r e db e t w e e n v i r t u a lt e s ts y s t e ma n dr e l a t e dc h a r a c t e r i s t i cp o i n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp u l s ej e te n g i n e t t 工程硕士学位论文 v i r t u a li n s t r u m e n tt e s ts y s t e mw a ss i m p l ea n de f f e c t i v e i tp r o v i d e df o u n d a t i o nf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，p u l s ej e te n g i n e ，p e r f o r m a n c e ，t e s t ，e x p e r i m e n t i i i 目 录 目录 第一章绪论1 1 1 脉冲式脉动喷气式发动机性能参数测定及重要性1 1 1 1 脉冲燃烧技术概况1 1 1 2 脉冲喷气发动机性能参数测试重要性2 1 1 3 传统测试方法2 1 1 4 现代测试方法一3 1 2 虚拟仪器技术现状与发展一4 1 2 1 虚拟仪器技术产生与发展的背景4 1 2 2 虚拟仪器技术概述5 1 2 3 虚拟仪器的优越性6 1 2 4 虚拟仪器的应用和发展趋势7 1 3 本文主要研究内容及意义8 1 3 1 本文主要研究内容8 1 3 2 研究意义8 第二章脉冲喷气发动机性能参数虚拟仪器测试系统构成与软件设计一1 0 2 1 虚拟仪器构成简介1 0 2 1 1 虚拟仪器的硬件系统1 0 2 1 2 虚拟仪器的软件系统1 2 2 2 系统的主要特点1 3 2 3 系统总体设计1 4 2 4 系统硬件配置15 2 5 脉冲喷气发动机虚拟仪器测试系统软件设计1 4 2 5 1 软件设计思想1 6 2 5 2 系统开发工具软件l a b v i e w l8 2 6 模块化的软件结构2 0 第三章系统模块功能设定与实现2 3 3 1 菜单模块2 3 3 2 数据采集模块2 4 i v 工程硕士学位论文 3 3 通道选择模块2 6 3 4 标定模块2 7 3 5 主控制模块2 9 3 6 数据分析模块3 l 3 7 存档模块3 3 3 8 数据读取模块3 4 3 9 各模块间相互调用的实现3 5 第四章脉冲喷气发动机的试验研究“3 7 4 1 脉动喷气发动机的结构3 7 4 2 脉动喷气发动机的工作原理及特点3 7 4 2 1 脉动喷气发动机的工作原理3 7 4 2 2 脉动喷气发动机的特点3 8 4 3 脉动喷气发动机试验测量系统3 9 4 3 1 试验主要设备4 0 4 3 2 燃烧室压力测量系统4 1 4 3 3 燃烧室温度测量系统4 2 4 3 4 燃烧室噪声测量系统4 2 4 4 测试系统特征点的确定4 3 4 4 1 压力特征点的确定4 3 4 4 2 温度特征点的确定4 4 4 4 3 噪声特征点的确定4 4 4 5 虚拟测试系统测试结果与试验结果对比分析4 5 4 5 1 压力对比分析4 6 4 5 2 温度对比分析4 8 4 5 3 噪声对比分析4 9 第五章主要研究结论及进一步研究建议51 5 1 主要研究结论5 1 5 2 进一步研究建议5 2 参考文献- 5 3 致谢5 7 v 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 脉冲喷气发动机性能参数测定及重要性 1 1 1 脉冲燃烧技术概况 脉冲燃烧指的是与常规的稳态燃烧过程不同的一种特殊的周期性脉冲的燃烧 过程，是一种特殊的不稳定燃烧，研究发现这种不稳定的燃烧过程在一定条件下 具有独特的优点，能成为提高效率、节省燃料的一种有效途径。因此出现了一些 利用燃烧不稳定性，在一定声学条件的控制下，专门工作在声脉冲状态下的燃烧 器，形成一门特殊的燃烧技术，叫做脉冲燃烧技术n 3 。脉冲燃烧与基于稳态燃烧的 常规燃烧相比，有它独特的、不可比拟的优越性，尤其是在把脉冲燃烧器应用于 工业领域时，它又带来使用常规燃烧器不可能得到的更大的优点。 脉冲燃烧技术早期的应用是在喷气推进系统和燃气涡轮领域。第二次世界大 战期间，德国轰炸伦敦使用的v - 1 导弹就是以脉冲燃烧发动机为推动力。二次世 界大战结束后，美国n a s a 对脉冲喷气发动机进行了研究，由于效率不高，以及 随着火箭发动机和原子能的发展，研究终止。2 0 世纪五六十年代，人们开始将脉 冲燃烧技术应用在加热采暖等方面。l u c a x r o t a x 脉冲燃烧热水锅炉在加拿大面市， 由于噪声大，加上当时燃料价格很低，未能推广。2 0 世纪7 0 年代末以来发生的能 源危机，促使人们对脉冲燃烧技术重新产生极大兴趣，进行了系统的研究。2 0 世 纪8 0 年代进入了实用开发阶段，欧、美、日等致力于开发工业、商业及家用脉冲 燃烧装置，尤其以美国的脉冲燃烧专利为多。由美国的a g a 和l e n n o x 公司共同 研究开发l e n n o x 民用暖风机，在商业上大获成功，使人们对该技术的发展前景 更加乐观。国内较早开发这项研究的有北京航空航天大学和同济大学；北航于1 9 8 5 年开始研究，在开发燃煤脉冲燃烧器方面进行了探索；同济从1 9 8 7 年开始研究， 并进行了燃气脉冲燃烧热水器和暖风机的开发瞳3 。2 0 世纪9 0 年代，南京航空航天 大学承担国家课题，开始进行脉冲燃烧控制和机理的研究，主要为了消除飞行器 中产生的脉冲燃烧现象。西北工业大学进行了与脉冲燃烧相近的脉冲爆震发动机 的研究。北京航空航天大学设计了我国第一台脉冲燃烧热水器。军事部门研制了 以脉冲喷气发动机为动力的靶机婚1 。 第一章绪论 1 1 2 脉冲喷气发动机性能参数测试重要性 发动机是使用某种燃料产生动力的机械装置，即将燃料经化学能变成热能， 最后转变为机械能的机器，可广泛应用于汽车、工程机械、船舶、农用和摩托车 等。发动机的性能指标包括功率、扭矩和转速、冷启动性、工作压力、流速、温 度、噪声和排气品质等。发动机的各项性能指标是相互影响、相互制约的，不同 用途的发动机对性能的要求重点不同，它的参数对整个机器的正常可靠运转均产 生影响。因此，对发动机性能参数进行测试和研究，找到进一步提高发动机工作 可靠性的方法，为研制更完善、性能更稳定的发动机技术做好准备，对发动机的 设计生产具有现实的指导意义。 脉冲喷气发动机是喷气发动机的种，可用于靶机，导弹或航空模型上。脉 冲喷气发动机发明于法国但没有找到用途，纳粹德国在第二次世界大战的后期， 曾用它来推动v - 1 导弹，轰炸过伦敦。这种发动机前部装有单向活门，之后是含 有燃油喷嘴和火花塞的燃烧室，最后是特殊设计的长长的尾喷管。现在，也广泛 用于喷气式( 汽车) 赛车的发动机。脉冲喷气发动机结构简单、振动小、热效率 高，由燃烧室喷管、供油系统、点火系统、起动系统、冷却管、操纵系统等组成。 根据国内外研究的结果，脉冲喷气发动机的工作压力、流速、温度等参数对脉冲 喷气发动机的工作性能均产生影响。因此，对脉冲喷气发动机性能参数进行测试 和研究将找到进一步提高脉冲喷气发动机工作可靠性的方法，为研制更完善、性 能更稳定的新一代脉冲喷气发动机作技术准备，对推动脉冲喷气发动机的推广、 应用及脉冲喷气发动机的设计生产具有现实的指导意义。 1 1 3 传统测试方法 测试工作的目的是为了获得有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息 ( 如脉冲喷气发动机的压力分布、温度分布等等) ，毫无疑问测试手段的先进与否 决定了测试结果的精确性和可信度。随着科学技术的不断发展，先进的测试系统 所起的作用也越来越大。 传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分 困难，而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量常感到手足无措，常见的测 量工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器、交错的缆线和繁多待测器件。传统测试 工程硕士学位论文 方法利用传统仪器( 如笔式记录仪，光线示波器等) 进行信号分析与处理，缺点 在于多路测试信号尚未能同时输入计算机，给测试工作带来一定难度。在原脉冲 喷气发动机性能参数测试系统中，各参数数据通过不同方式采得，仅温度信号通 过微机采集，且功能简单，人机界面不友好，同时无法进行后期分析。而压力信 号变化需通过光线示波器取得，测试手段不够先进h 1 。脉冲喷气发动机测试系统示 意图如图卜1 所示。 1 压力传感器2 电桥盒3 动态应变仪4 光线示波器5 冷却水泵6 热电偶阵列7 端子 板及数据采集板8 计算机9 气体流量计1 0 微压计1 1 油耗计1 2 毕托管1 3 u 型管压 力计 图1 1 脉冲喷气发动机测试系统示意图 f i g l - 1 p u l s ej e te n g i n et e s ts y s t e md i a g r a m 1 1 4 现代测试方法 现代测试系统就其功能而言，应具备信息采集、信号传输、信号的处理和结 果的表征四大部分。它涉及传感技术、电磁兼容技术、信号传输技术、数据采集 技术、信号处理技术、计算机接口技术等诸多技术。其发展趋势要求精度高、测 点多、速度快，结果显示和通报的形式多样化1 。随着微电子技术和计算机技术不 断进步，利用计算机和独立操作系统为软硬件平台代替传统的信号记录分析仪器 进行信号分析与处理及结果表征是不可避免的必然趋势哺1 。它通过前向通道的信号 第一章绪论 数据采集，经适当转换与调理后送入微机，利用相应软件进行分析与处理，因此 其高自动化及精确性是传统手段所无法比拟的。 在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使 测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动 数据处理，简单方便的同时，大大降低了设备成本，一套完整的传统实验测量设 备少则几万元，多则几十万元，而在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要 低二分之一甚至更多n 3 。 1 2 虚拟仪器技术现状与发展 1 2 1 虚拟仪器技术产生与发展的背景 现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，冲击着国民经济的各个领域，也引 起了测量仪器和测试技术的巨大变革呻3 。人们曾为测量仪器从模拟化、数字化到智 能化的进步而欣喜，也为自动测试技术的日新月异的发展所鼓舞，当今虚拟仪器 的出现又使得测量仪器步入了高科技阶段。虚拟技术、计算机通信技术和网络技 术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为2 l 世纪科学技术的三大核心技术阳3 。 以下简要回顾电子测量仪器的发展历程。 电子测量仪器发展至今，大体分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器 和虚拟仪器。 第一代模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。其基本结构是电磁机 械式的，借助指针来显示最终结果。 第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，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测量，并以数字方式输出最终结果。 第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动化检测又能具有一 定的数据处理能力，其功能块以硬件或固化的软件的形式存在。 第四代虚拟仪器，是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、 过程通讯及图形用户界面的软件组成的监测系统，是一种由计算机操纵的模块化 仪器系统。 仪器仪表早期是通过模拟元件将传感器的信号进行放大、转换、驱动机械类 示表，因而形式单一、集成性差、无法扩展。随着单片单板计算机技术的发展， 4 工程硕士学位论文 8 0 年代初，出现了基于单片机的智能化、数字化的仪器仪表n0 l 。它将多次测量及 控制项目集成综合处理分析，通过l e d 等方式显示给用户，信号处理及控制的程 序固化在芯片内，因而在用户界面( 操作方便性、显示直观性) 、系统的可扩展性 等方面均受到限制。而随着计算机软件技术、测量技术和微电子技术的迅猛发展， 仪器仪表和测控领域经历了一次重大技术革命，即虚拟仪器技术的出现。基于p c 虚拟技术的仪器仪表的出现不仅仅给用户带来了耳目一新的感受，更对实验水平 和生产效率的提高产生了不可估量的影响，开辟了测控技术的新纪元n 。 与传统仪器一样，虚拟仪器也有三大功能构成：信号的采集与控制、信号的 分析 1 2 2 虚拟仪器技术概述 f i g l - 2v i r t u a li n s t r u m e n ts t r u c t u r e 虚拟仪器技术即将传统仪器三要素信号采集与控制、分析处理和结果表 达在p c 中部分或全部实现。与传统的仪器不同，虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，它指的是具有虚拟仪器面板的个人 计算机仪器，它由通用个人计算机、模块化功能硬件和控制软件所组成n 纠。用户 第一章绪论 可通过友好图形界面( 通常叫虚拟前面板) 以及图形化编程语言来控制仪器的运 行，如同在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。它打破了传统仪 器由厂家定义，用户无法改变的模式，用户可根据自己的需求自行设计仪器，利 用一种或多种功能的通用模块，调用不同功能的软件模块，通过增减仪器系统的 功能、界面与规模，完成传统仪器( 包括基于单片机的智能仪器) 难以胜任的工 作，实现对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储以及数据生成n3 1 。图1 - 3 为虚拟仪器面板示例。 图1 3 虚拟仪器用户面板 f i g u r e1 - 3v i r t u a li n s t r u m e n tu s e rp a n e l 1 2 3 虚拟仪器的优越性 表1 - 1 虚拟仪器与传统仪器比较 t a b l e1 1c o m p a r i s o no fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s 虚拟仪器传统仪器 开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性，仪器间相互配合较差 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载关键是硬件，升级成本教高，且升级必须上门 升级程序即可服务 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接 功能单一，只能连接有限的独立设备 开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年) 技术更新周期长( 5 1 0 年) 虚拟仪器与传统仪器比较拥有明显的优越性，可通过表卜l 反映出来，与传统仪 器相比，虚拟仪器有以下特点： 6 工程硕士学位论文 ( 1 ) 融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、现实、存储等方 面的限制，大大增强了传统仪器的功能n 刳。 ( 2 ) 利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，增加了系统 灵活性。通过软件技术和相应数值算法，可以实时、直接地对测试数据进行各种 分析与处理。同时，图形用户界面( g u i ) 技术使得虚拟仪器界面友好，人机交互 方便。 ( 3 ) 既与计算机总线和模块化仪器总线，硬件实现了模块化、系列化，提高了系 统的可靠性和易维护性d5 j 。 ( 4 ) 基于计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互联能力，广泛支持各 种工业总线标准。因此，利用n i 技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控 制过程的智能化、网络化。 ( 5 ) 基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、可 重复使用及互换性等特点。用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪 器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。 1 2 4 虚拟仪器的应用和发展趋势 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”，它功能强大，在科研、开发、测量、检测、计量、测控 等领域是不可多得的好工具，它可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生 器、电压电流表等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系 统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等 多种数据，可见，虚拟仪器的应用面极为广泛n 6 j 。 虚拟仪器走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过1 0 多年的发 展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬件软件的模块化、硬件模块的即插即 用化、编程平台的图形化等方向发展n 。1 。 随着计算机网络技术、多媒体技术、分布式技术的飞速发展，融合了计算机 技术的v i 技术，其内容会更加丰富。如简化仪器数据传输的i n t e m e t 访问技术 d a t a s o c k e t 、基于组件对象模型( c o m ) 的仪器软硬件互操作技术o p c 、软件开 发技术a c t i v e x 等。这些技术不仅能有效提高测试系统的性能水平，而且也为“软 件仪器时代”的到来做好了技术上的准备n 引。 此外，可互换虚拟仪器( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称i v i ) 也 第一章绪论 是虚拟仪器领域一个重要的发展方向，目前，i v i 是基于v x i 即插即用规范的测试、 测量仪器驱动程序建议标准，它允许用户无需更改软件即可互换测试系统中的多 种仪器。比如，从g p i b 转换到v x i 或p x i n9 | 。这一针对测试系统开发者的i v i 规范，通过提供标准的通用仪器类软件接口可以节省大量工程开发时间，其主要 作用为：关键的生产测试系统发生故障或需要重校时无需离线进行调整；可在由 不同仪器应将偶成的测试系统上开发单一检测软件系统，以充分利用现有资源； 在实验室开发的检测代码可疑移植到生产环境中的不同仪器上。 1 3 本文主要研究内容及意义 1 3 1 本文主要研究内容 目前脉冲喷气发动机参数测试仍采用传统手段，在测试过程中占用多台仪器 和人力，在处理测试数据时仍采用人工处理，费时且效率低。本文研究将致力于 开发脉冲喷气发动机参数测试虚拟仪器系统，用于脉冲喷气发动机性能参数数据 的采集和处理，分析和探索不同脉冲喷气发动机的形状、结构、参数对于机器性 能的影响，为改变目前复杂、昂贵的新产品开发模式提供理论和实践依据。本文 主要研究内容包括： ( 1 ) 设计和开发了基于虚拟仪器技术的脉冲喷气发动机性能参数测试系统。 系统以图形化编程语言l a b v i e w 和个人计算机为软硬件平台，实现了多通道信号 的计算机采集与分析功能； ( 2 ) 系统在整体设计上采用了模块设计方法，共设定了菜单模块、通道选择 模块、数据采集模块、标定模块、主控制模块、分析模块、存档模块、数据读取 模块和打印模块等九个模块。通过各模块之间的相互调用，实现数据的采集和分 析； ( 3 ) 在v c + + 环境下开发了动态链接库，通过l a b v i e w 对动态链接库的调用实 现了对普通数据采集卡的驱动，拓宽了系统设备的选取范围； ( 4 ) 将脉冲喷气发动机参数测试虚拟仪器系统所得结果跟试验测量数据进行 对比，分析，根据结果，改变发动机几何尺寸，同时制作新发动机进行试验，为 以后的进一步研究奠定基础。 1 3 2 研究意义 r 工程硕士学位论文 目前，脉冲喷气发动机还存在工作稳定性差的问题，若能得出脉冲喷气发动 机性能参数对发动机雾化性能和工作稳定性的影响，将对脉冲喷气发动机的设计 生产具有现实的指导意义。在目前仍普遍采用原有测试手段的背景下，本课题的 研究将使脉冲喷气发动机性能参数测试技术迈上全新的台阶。 本文研究设计和开发了基于虚拟仪器技术的脉冲喷气发动机性能参数测试系 统。系统以图形化编程语言l a b v i e w 和个人计算机为软硬件平台，实现了多通道 信号的计算机采集与分析功能：实现在人工最少参与下，自动采集、分析和处理 数据，并自动显示或记录结果，充分利用计算机的高速、准确的特性，汲取虚拟 仪器技术的方便、快捷的优点，简化仪器设备，提高测试效率，为测试手段的改 进探索道路。同时将脉冲喷气发动机参数测试虚拟仪器系统所得结果跟试验测量 数据进行对比，分析，根据结果，进行发动机几何尺寸和结构形式的重新设计开 发j 提高了发动机设计的可靠性。它简化了仪器设备，提高了测试效率，与测试 技术的传统模式相比，具有功能强，智能化的优势。 9 第二章脉冲喷气发动机性能参数虚拟仪器测试系统构成与软件设计 第二章脉冲喷气发动机性能参数虚拟仪器测试系统构成 与软件设计 2 1 虚拟仪器构成简介 虚拟测试仪器是指具有虚拟的测试仪器面板的计算机仪器，它由计算机、模 块化功能硬件和控制软件三大部分组成。操作人员在计算机的屏幕上利用鼠标指 点设备操作虚拟的仪器，就像操作真实的仪器一样，完成对被测量的采集、显示、 分析、处理、存储和输出等。虚拟测试仪器设计的指导思想是在满足使用要求的 前提下，用计算机软件代替传统测试仪器中的某些功能硬件，即硬件功能软件化 心0 j 。虚拟测试仪器代表了测试仪器今后的发展方向。 虚拟仪器通常由硬件设备与接口、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p c 为基础的内置功能插卡、通用接口总线( g p i b ) 接口卡、串行口、v x i 总线仪器接口等设备，或者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控件。在这些控件中集成了对应仪器 的程控信息，所以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 和方便。其内部功能划分如图2 - 1 所示： 采集与控制数据分析数据表达 插入式数据采集仪数据信号处理 网络 g p i b 仪器 、 数字示波 硬拷贝输出 y y v x i 仪器统计文件 r s 2 3 2 仪器数字分析图形用户接口 图2 - 1 虚拟仪器内部功能划分 f i g u r e2 - 1d i v i s i o no ft h ei n t e r n a lf u n c t i o n so f v i r t u a li n s t r u m e n t 2 1 1 虚拟仪器的硬件系统 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算机，如普通台式计算机、工作站、嵌 l o 工程硕士学位论文 入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬件、软件资源，是虚拟仪器系统的硬 件基础，计算机技术在存储管理、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导 致了虚拟仪器系统的快速发展。 虚拟测试仪器可以由用户自己设计、自己定义，满足自己的功能要求。如何组 成一套虚拟测试仪器系统，其设计方案有多种，除了利用常见的p c 插卡组成虚拟测 试仪器系统外，还可以利用用户现有的仪器设备所具有的特有的功能作为硬件功能 模块，与计算机和控制软件一起组成虚拟测试仪器系统。一个通用虚拟仪器的基本 组成方法可以用图2 2 表示。 图2 - 2 虚拟测试仪器系统构成 f i g u r e2 - 2v i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mc o m p o n e n t s 具体选用哪一种方案，需要结合具体情况而定。按照测控功能硬件的不同， v 工可分为g p i b 、v x i 、p x i 和p c 插卡式四种标准体系结构。一般情况下，采用p c 插卡作为虚拟测试引起的功能硬件，可以满足大多数情况下的测试要求。本课题 的完成采用了p c 插卡式虚拟仪器系统。 p c 插卡基于计算机标准总线的内置( 如i s a 、p c i 、p c 1 0 4 等) 或外置( u s b 、 i e e e _ 一1 3 9 4 等) 功能插卡，其核心主要是d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ，数据采集卡) 。 它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用 d a q 可方便快速地组建计算机的仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。在性能 上，随着a d 转换技术仪器放大、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展， d a q 的采样速率已达到1 g b s ，精度高在2 4 位，通道数高达数十个，并能任意结 第二章脉冲喷气发动机性能参数虚拟仪器测试系统构成与软件设计 合数字i o ，模拟i o 、计数器。定时器等通道。 仪器厂家生产了大量的d a q 功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、 串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在p c 计算机上挂接若干 d a q 模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器( “个人仪 器”) 。在p c 仪器既具有高档仪器的测量品质，有能满足测量需要的多样性。对大 多数用户来说，这种方案既实用又具有很高的性能价格比。 2 1 2 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬件、软件资源，使本来需 要硬件实现的技术软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增将系统的 功能与灵活性。基于软件在v i 系统的重要作用，n i 提出了“软件即仪器”的口号。 v p p 系统联盟推出了系统框架、驱动程序、v i s a 软面板部件知识库等一系列v p p 软件标准，推动了虚拟仪器软件标准化的进程。 虚拟仪器的软件框架从底层到项层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、 应用软件。v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 虚拟仪器软件体系结 构，实质就是标准的i o 函数库即其相关规范的总称。一般称这个i o 函数库为 v i s a 库。它驻留于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，使计算机与仪器 之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一 个可调用的操作函数集。 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程 序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源 代码的形式提供给用户。 应用软件建立在仪器控制与通信的软件程序集。它使应用程序实现仪器控制 的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给 用户。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好 的测控界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： ( 1 ) 用通用编程软件进行编写。主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 、b o r l a n d 1 2 工程硕士学位论文 公司的d e l p h i 、s y b a s e 公司的p o w e r b u i d e r ； ( 2 ) 用专业图形化编程软件进行开发。如h p 公司的v e e 和h p t i g 、n i 公司 的l a b v i e w 和l a b w i n d o