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虚拟仪器技术1、 虚拟仪器的概念、典型结构，虚拟仪器系统组成及特点。虚拟仪器：在以通用计算机为核心的硬件平台上，有用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能有测试软件来实现的一种计算机仪器系统。典型结构：基于数据采集卡的虚拟仪器（补充）2、 传感器的定义和组成 传感器（Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。包含的概念它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置； 能按一定规律将被测量转换成电信号输出； 传感器的输出与输入之间存在确定的关系。传感器由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成敏感元件：感受被测量; 转换元件：将响应的被测量转换成电参量; 测量电路：（信号调节与转换电路）将传感元件输出的微小的电信号变换成便于显示、记录、处理和控制的能直接利用的电信号。 。3、 应变效应，应变式传感器的测量电路及应用(补充：按被测参数分类 按传感器的工作原理分类 如：应变式传感器 如：温度传感器 电容式传感器 压力传感器 压电式传感器 位移传感器 ）应变效应：当导体或半导体在外界力的作用下发生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为应变效应。应变效应的工作原理： 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量。 式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示 S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即 又由材料力学可知，在弹性范围内 电阻丝材料的泊松比电阻丝的灵敏系数：把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量其表达式为：测量电路：由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化R/R转化为电压或电流的变化。需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路。 直流电桥交流电桥直流电桥：直流电桥的平衡条件 负载RL（开路） 当电桥平衡时, Uo=0, 则有 R1R4 = R2R3 或 这说明欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。电压灵敏度:设R1为应变片，应变时R1变化量为R1，这时电桥失衡、 设桥臂比n = R2/R1 差动电桥：可补偿非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU比单臂工作时提高, 同时还具有温度补偿作用 电压灵敏度是单片的 2 倍 电压灵敏度是单片的 4 倍 电阻应变式传感器按用途不同可分为： 应变式测力（称重）传感器 应变式压力传感器 应变式位移传感器 应变式加速度传感器 等几类4、 电容式传感器的工作原理、类型和应用电容式传感器：把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。电容式传感器工作原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量：dAA 极板相对覆盖面积d 极板间距离r相对介电常数0真空介电常数 电容极板间介质的介电常数 电容传感器的结构类型: 变极距型传感器：若电容器极板间距离由初始值d0缩小d，电容量增大C， 则： 电容的相对容量为: 电容传感器的灵敏度： 差动结构的电容特征方程式为： 电容总的变化量为： 略去高次项： 电容传感器的灵敏度： 变面积式电容传感器：平面线位移型 角位移型 柱面线位移型 当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为 变介质型传感器： 当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之 间的关系为： 变介电常数式电容传感器分几种情况： 测介电常数 测厚度d d为运动介质的厚度，d保持不变，改变介电常数， 可作为介电常数的测试仪器。 电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛 应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。 5、压电效应，压电式传感器的应用压电效应：某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生 电荷，若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应(正)。 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也叫逆压电效应。压电材料:具有压电效应的材料称为压电材料 压电材料能实现机电能量的相互转换 压电材料分为两大类: 石英晶体 压电陶瓷压电式传感器：压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个 高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； 二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器电荷放大器压电式传感器的应用压电晶体振荡器； 压电加速度计传感器； 压电式玻璃破碎报警器； 压电式周界报警系统； 压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器； 6、光电效应及分类、光敏电阻的工作原理及应用、光敏二极管和光敏晶体管的应用、光 电耦合器件的特点及应用光电传感器：先把被测量的变化转换为光量的变化，再通过光电器件把光量的变化转换成电信号的一种测量装置。光电传感器主要由光辐射源，光学通路，光电器件以及测量电路等组成光电器件工作的物理基础是光电效应光电效应：通常是指物体敏感到由紫外线到红外线的光能量，并将光能转化成电信号的现象。内光电效应: 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件；外光电效应: 在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件；光生伏特效应: 在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光敏晶体管等就属于这类光电器件光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件光敏电阻：又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于内光电效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻的工作原理：无光照时,光敏电阻值很大,电路中电流很小。当光敏电阻受到一 定波长范围的光照时,它的阻值急剧减少,电路中电流迅速增大。暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流；亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流；光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,也就是说暗电流越小越好，亮电流越大越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。光敏电阻的应用：带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中光敏晶体管应用：光电式数字转速表，光敏二极管的应用：光电耦合器件：光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件；光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等；根据其结构和用途不同，可分为:用于实现电隔离的光电耦合器；用于检测有无物体的光电开关光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。光电耦合器特点：光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器， 它具有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。光电耦合器应用：燃气热水器脉冲点火控制器 7、 超声波传感器工作方式，激光的形成与特点，激光器种类，智能式传感器的概念新型传感器：超声波传感器 激光传感器 智能传感器超声波:高于20KHz的机械波超声波的物理性质:与声波相比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。 超声波传感器：压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头) 磁致式超声波传感器超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 不同超声波传感器工作方式：直射式、反射式超声波传感器的工作原理：在超声波发送器双振子施加40KHz电压，通过逆压电效应，送出超声波信号。接收探头经正压电效应将接收到的信号放大处理。激光传感器：激光传感器虽然具有各种不同的类型，但它们都是将外来的能量(电能、热能、光能等)转化为一定波长的光，并以光的形式发射出来激光传感器由 激光发生器 激光接收器 测量电路 所组成激光的形成：激光是媒质的粒子(原子或分子)受激辐射产生的，但它必须具备下述的条件才能得到：粒子数反转 激光器的光振荡放大 实际的激光器都是由一个粒子数反转的粒子系统(叫做工作物质)和一个光学共振腔组成。激光的特点：高方向性 高亮度 单色性好 高相干性激光器种类：激光器按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光器激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点智能式传感器：所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。智能传感器的最大特点就是，将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用8、 信号调理的作用，常用放大器类型 信号调理:在一般测量系统中信号调理的任务比较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路信号调理的目的：是便于信号的传输与处理虚拟仪器中的常用放大器：仪用放大器 程控增益放大器 隔离放大器9、 GPIB总线的基本性能，GPIB接口功能及总线分类 GPIB的基本性能： 设备容量 设备容量是指GPIB接口系统中仪器和计算机的总容量，通常可连接的仪器 数目最多为15台； 传输距离 互连电缆的传输路经总长不超过20m，或者装置数目与装置之间距离的乘积不超过20m； 数传速度 最高可达1Mbyte/s； 地址容量 GPIB标准规定采用5个比特位的编码来表示地址，地址容量为31个； 信息逻辑 总线上信息逻辑采用负逻辑，规定：低电平（+0.8V）为逻辑“1” ，高电平（+2.0V）为逻辑“0” ； 数传方式数据传输方式可以为：字节串行、位并行，双向异步传输。器件职能：在GPIB系统中，不同的器件承担着不同的任务，行使不同的职能，这些职能可归纳为控者、讲者和听者职能。控者职能 控者是对系统进行控制的设备，具有控制整个系统协调工作的能力；讲者职能 讲者是通过接口发送各种数据和信息的设备；听者职能 听者是能够通过接口接收数据的仪器设备。GPIB接口功能：听功能(L)：接收信号、数据；讲功能(T)：发送信号、数据；控功能(C)：通过微处理器发布各种命令；源握手功能(SH)： 为讲功能和控功能服务；受握手功能(AH)： 为听功能服务；服务请求功能(SR)：量程溢出、震荡器停止等意外故障发生时主动向控者提出请求，以进行相应处理；并行点名功能(PP)： 快速查询请求服务装置，速度快；远地/本地功能(RL)：选择远地或本地工作方式；器件触发功能(DT)：产生一个内部触发信号，以启动有关仪器功能进行工作；器件清除功能(DC)：产生一个内部清除信号，使某仪器功能回到初始状态。总线结构：DPIB的16条信号线，按其功能可编排为3组独立的总线：双向8位数据总线（8根）、数据挂钩联络总线（3根）和接口管理控制总线（5根） 双向8位数据总线：用来传递各种数据，命令及地址等消息。 接口管理控制总线:控制系统的有关状态。 数据挂钩联络总线;DAV数据有效线；NRFD未准备好接收数据；NDAC未收数据。10、 VXI总线的技术优势、特点，VXI总线的分类，VXI模块特性，VXI器件分类，VXI总线系统的典型结构 VXI总线的技术优势： 1)模块式结构； 2)高速数据吞吐量； VXI总线底板数据传输速率理论上可达40Mbyte/s，而一般GPIB是1Mbyte/s； 3 )小型化； 4)可靠性高，可维护性好； 5)适应性、灵活性强。 VXI总线的分类： VME计算机总线 时钟和同步总线 模块识别总线 触发总线 模拟相加总线 局部总线 电源线 VXI模块特性：VXI总线系统的最小物理单元是组建模块，它由带电子元器件和连接器的组件板、前面板和任选的屏蔽壳组成。VXI系统的每个模块都要符合一定的尺寸，且插入主机箱并接牢连接器才能工作。规定的模块尺寸共有有A，B，C，D四种规格。VXI器件： 器件是组成VXI总线系统最基本的逻辑组件（或逻辑单元）。通常，一个器件占据一块VXI模块，但也允许在一个模块上实现多个器件和一个器件占据多个模块。 在一个VXI系统中，最多可有256个器件，每个器件都有一个唯一的逻辑地址，逻辑地址的编号为0255。 器件分类 ：（器件之间的基本操作是信息传输。根据通信能力） 寄存器基器件 消息基器件 存储器器件 扩展器件 VXI总线系统的典型结构： 单CPU系统 多CPU系统 独立系统 分层结构仪器系统11、 LABVIEW的含义 （实验室虚拟仪器工程平台 ) 是美国 NI 公司推出的一种基于G 语言(Graphics Language，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。目的：简化程序的开发工作，使用户能快速、简便地完成自己的工作。 12、 LABVIEW8.2开发平台构成使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器，简称VI。VI由以下3部分构成：前面板：即用户界面； 程序框图：包含用于定义VI功能的图形化源代码；程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称G代码或程序框图代码。 图标和连线板：用以识别VI的接口，以便在创建VI时调用另一个VI。当一个VI应用在其他VI中，则称为子VI。子VI相当于文本编程语言中的子程序。13、 创建虚拟仪器步骤，调试虚拟仪器的方法，虚拟仪器程序（VI）构成创建一个虚拟仪器的一般步骤：（1）前面板设计 （2）程序框图 （3）数据流编程 （4）功能检验 （5）保存文件虚拟仪器的一般调试步骤 ：（1）运行VI （2）清除语法错误 （3）高亮显示执行过程 （4）单步执行 （5）探针工具 （6）断点 虚拟仪器程序（VI）构成: 前面板 框图程序14、 循环结构与条件结构的应用、特性 循环结构：For循环 While循环 这两种循环结构功能基本相同，但使用上有一些差别。For循环必须指定循环的次数，循环一定的次数后自动退出循环；而While循环则不用指定循环的次数，只需要指定循环退出的条件。For 循环：包含两个端口： 计数端口N 重复端口i 移位寄存器For 循环应用举例（ ； 求一组随机数的最大值和最小值）While循环：条件端口和重复端口i 条件端口：输入的是布尔变量，它用于判断循环在什么条件下停止执行。它有两种使用状态：Stop if True和Continue if True；重复端口i：为当前循环的次数。While 循环应用举例 (求N! ）条件结构:条件结构类似于文本编程语言中的switch语句或if.then.else语句。对所有条件分支来说对于输入通道的数据可以使用，也可以不使用；只要有一个分支提供输出数据，所有分支条件都必须与输出通道连接。条件结构应用举例(求一个数的平方根，若该数 0，计算该值平方根并将计算结果输出；若该数 0 时，输出错误代码“-999.00”。 利用条件结构编写温度采集报警程序，当采集温度高于设定值时产生报警。 15、 顺序结构的类型，公式节点的使用方法。 LabVIEW提供了两种顺序结构：平铺式顺序结构 层叠式顺序结构（计算生成等于某个给定值的随机数据所用时间）事件结构 ：通知事件 过滤事件公式节点:一种专用于处理数学公式编程的特殊结构形式。在公式节点框架内，LabVIEW允许用户像书写数学公式或方程一样，直接编写数学处理节点，形式与标准C语言类似。第一步创建公式节点第二步添加输入、输出端口第三步输入程序代码 （公式节点的应用；输入三角形的三边长，求三角形面积）基本公式节点框架中出现的所有变量，必须有一个相对应的输入端口或输出端口，否则，LabVIEW会报错。16、 字符串的显示类型和应用 字符串、数组和簇是LabVIEW中的三种数据类型。 字符串是可显示的或不可显示的ASCII字符序列；在前面板上，字符串以表格、文本输入框和标签的形式出现。LabVIEW提供了用于对字符串进行操作的内置VI和函数，可对字符串进行格式化、解析字符串等编辑操作 字符串显示类型 ： 字符串应用举例：将一些字符串和数值转换成一个新的输出字符串。17、 数组的含义，数组的创建方法与应用 数组：是相同类型数据元素的有序集合。 一个数组可以是一维或者多维，如果必要，每维最多可有231-1个元素。可以通过数组索引访问其中的每个元素；索引的范围是0到n1，其中n是数组中元素的个数。数组的创建： 有2种方法： 前面板上创建数组 程序框图上创建数组 前面板上创建数组：在前面板上放置一个数组框架，然后将一个数据对象或元素拖曳到该数组框架中。数据对象或元素可以是数值、布尔、字符串、路径、引用句柄、簇输入控件或显示控件。程序框图上创建数组：首先在数组函数子选板上选择“数组常量”，在程序框图上创建一个数组外壳，然后可以在数组外壳里选择放入数值型常量、字符串型常量、布尔型常量以及枚举等。 数组应用举例（求一个一维数组和一个二维数组的长度，利用创建数组函数组建数组，从一个二维数组中取出一部分元素）18、簇的含义，簇的创建方法与应用簇：由不同类型的数据元素组成的一种数据类型。 簇的创建 ：前面板上创建簇 在前面板上放置一个簇框架，再将一个数据对象或元素拖曳到簇框架中。 程序框图上创建簇 从函数选板中选择一个簇常量，将该簇框架放置于程序框图上，再将字符串常量、数值常量、布尔常量放置到该簇框架中。簇函数用户在使用一个簇时，主要是访问簇中的各个元素，或将不同类型但相关的数组组成一个簇，这些功能由各个函数来实现。簇应用举例（将几个不同的数据类型组成一个簇，将一个簇中的各个元素值分别取出。19、 局部变量的含义，局部变量的创建，局部变量的特点 局部变量的含义：只能在同一个VI中使用的变量 创建局部变量的方法有两种:（1）直接为前面板对象创建局部变量；（2）通过函数选板创建局部变量局部变量具有读、写两种属性局部变量的特点：（1）局部变量只能在同一个VI中使用，其生存期与它所在的VI模块密切相关，VI停止运行，在此VI内定义的局部变量自动消失；（2）局部变量必须依附在一个前面板对象上。一个前面板对象可以建立多个局部变量，但一个局部变量只能有一个端点与其对应；（3）局部变量就是其相应前面板对象的一个数据拷贝，要占用一定的内存。 20、全局变量的含义，全局变量的创建，全局变量的特点 全局变量：可在不同 VI 之间进行数据传递。 创建全局变量时，LabVIEW将自动创建一个前面板但无程序框图的特殊全局VI。 创建全局变量： （1）新建一个VI，从函数选板的结构子选板中选择一个全局变量，将其放置在程序框图中； （2）使用操作工具双击全局变量节点，会自动打开全局变量VI的前面板，然后在前面板上放置所需的控制或显示对象； （3）保存全局变量文件。方法是在主菜单中选择【文件】【保存】。然后关闭全局变量的前面板窗口；（全局变量的应用举例：利用全局变量在不同VI中传递数据）全局变量的特点：（1）LabVIEW中的全局变量相对于传统编程语言中的全局变量更加灵活。传统编程语言中的全局变量只能是一个变量，一种数据类型。而 LabVIEW中的全局变量以独立文件的形式存在，并且在一个全局变量中可以包含多个对象，拥有多种数据类型；（2）全局变量与子VI的不同之处在于它不是一个真正的VIs，不能进行编程，只能用于简单的数据存储与数据传递；（3）全局变量不能用于两个VI之间的实时数据传递。因为，通常情况下两个VI对全局变量的读写速度不能保证严格一致。 21、LABVIEW8.2支持的文件类型及文件操作过程文件操作三个基本步骤 ： 打开现存文件或创建一个新文件； 写入或读取文件； 关闭文件。 LabVIEW支持的文件类型： LabVIEW可读写的文件格式有： 文本文件 二进制文件 数据记录文件 文件操作举例：电子表格文件的输入、输出 在LabVIEW8.2中，提供了两个专门用于电子表格文件的输入和输出操作VI，它们是： Write To Spreadsheet File .vi Read From Spreadsheet File .vi （电子表格文件的输入：使用Write To Spreadsheet File.vi，将用正弦函数产生的100点正弦波幅值和循环序号组成的数组，存储到一个电子表格文件“D:Wave_Sine.xls”中。 电子表格文件的输出：使用Read From Spreadsheet File.vi读取例5.17所创建的电子表格文件“D: Wave_Sine.xls”。） 文本文件的输入、输出文本文件是一种以ASCII形式存储数据的文件格式，它存储数据的数据类型为字符串。在LabVIEW8.2中，对文本文件的存储是通过写入文本文件函数和读取文本文件函数来完成的。 （文本文件的输入： 使用写入文本文件函数写文本文件。文本文件的输出： 使用读取文本文件函数读文本文件。）二进制文件的输入、输出（二进制文件的输入：使用写入二进制文件函数写二进制文件 二进制文件的输出：使用读取二进制文件函数读二进制文件)22、 波形图与波形图表的特性与应用、XY图的应用 设计一个VI，显示一个正弦波电压测量结果。电压采样从0开始，每隔2ms采样一个点，共采样50个点，要求程序的显示能够反映出实际的采样时间及电压值。 设计一个程序，进行2组数据采集，采样间隔相同，但一个采集30点的数据，另一个采集50点的数据，用波形图显示测量结果。 波形图表：用波形图表来实时显示现场温度值，当温度超过设定的临界值时，点亮报警灯。 用波形图表显示两组测量结果的数据XY图 ：应用XY