應(yīng)用領(lǐng)域：研究與開發(fā) 使用產(chǎn)品：LabVIEW6.0，PCI-6024E 多功能數(shù)據(jù)采集卡等。 挑戰(zhàn)：研制一套基于虛擬儀器技術(shù)的紗線動(dòng)態(tài)張力檢測系統(tǒng)，在性能得到充分保障的前提下，經(jīng)濟(jì)性顯著提高，系統(tǒng)靈活性明顯增強(qiáng)。 解決方案：使用National Instruments 公司的LabVIEW 圖形化編程平臺(tái)，PCI-6024E 多功能數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合性能優(yōu)良的張力傳感器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)張力的時(shí)實(shí)檢測，并能按實(shí)際生產(chǎn)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，顯示或輸出所需圖形與數(shù)據(jù)。 摘 要：紗線動(dòng)態(tài)張力的檢測在紡織生產(chǎn)中有著很重要的意義。本文給出了一種基于LabVIEW的紗線動(dòng)態(tài)張力檢測系統(tǒng)。它充分利用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，方便的實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的分析與處理。將系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)過程，已證實(shí)能夠取得良好的效果，生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益得到提高。 0 引言 虛擬儀器是一個(gè)新型的概念,是計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。它是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器測/控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件之間的有效結(jié)合。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫,處理模塊間通訊、定時(shí)、觸發(fā)等功能, 強(qiáng)調(diào)在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上, 通過軟件和軟面板, 把由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩舳x的、由計(jì)算機(jī)軟件和幾種模塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現(xiàn),徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式。本系統(tǒng)的研制采用的軟件是美國NI （National Instrument） 公司推出的LabVIEW 圖形化編程語言，其功能強(qiáng)大、應(yīng)用便捷，是最成功的虛擬儀器軟件。由于虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能,使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替.因此, 從某種意義上可以說: 軟件就是儀器。如今，隨著電測技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)必將成為儀器技術(shù)發(fā)展的主要方向。本文提出的這種新型的張力檢測系統(tǒng)——基于虛擬儀器的紗線動(dòng)態(tài)張力檢測系統(tǒng)，是虛擬儀器技術(shù)在紡織行業(yè)的最新的應(yīng)用，是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展。能夠促進(jìn)張力檢測水平的發(fā)展。 1 系統(tǒng)構(gòu)成 基于虛擬儀器技術(shù)的張力檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的張力檢測系統(tǒng)的最大差別在于虛擬儀器的應(yīng)用。一方面虛擬儀器檢測系統(tǒng)利用LabVIEW 的開放性，使得傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠得到充分的應(yīng)用于合理的配置。對(duì)于不同的張力檢測對(duì)象以及不同的張力檢測環(huán)境，可以通過編制不同的檢測軟件和相應(yīng)的設(shè)備組實(shí)現(xiàn)。這種柔性組建，高效可靠的虛擬儀器檢測系統(tǒng)適用于工業(yè)生產(chǎn)的許多環(huán)節(jié)。另一方面，檢測系統(tǒng)通過LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與總線連接庫，與測控儀表的智能接口GPIB、USB、VXI、PCI、RS-232 和IEEE-488.2 等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。避免用檢測儀表直接進(jìn)行張力檢測，可以提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。虛擬儀器張力檢測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1.1 所示。 [align=center] 圖1.1[/align] 2 軟件設(shè)計(jì) 虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件。在繼承傳統(tǒng)編程語言結(jié)構(gòu)化模塊的基礎(chǔ)上， LabVIEW 采用數(shù)據(jù)流程的圖形化G 語言編程技術(shù)，把復(fù)雜費(fèi)時(shí)的軟件編程簡化為菜單替適合圖表連接調(diào)用。編制好的各種子程序SubVI 可用圖標(biāo)表示。設(shè)定圖標(biāo)中的有關(guān)參數(shù)，完成圖形化程序的初步編輯；連接圖標(biāo)之間表示數(shù)據(jù)類型的輸入輸出線段，實(shí)現(xiàn)子程序之間的連接與調(diào)用。應(yīng)用規(guī)則檢查、運(yùn)行燈亮、斷點(diǎn)、探針和單步執(zhí)行等對(duì)程序進(jìn)調(diào)試與調(diào)用?；谔摂M儀器的紗線動(dòng)態(tài)張力檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容。 2.1 張力信號(hào)的采集 在張力檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號(hào)的采集是一個(gè)重要部分，信號(hào)的采集通過數(shù)據(jù)采集板完成。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集板PCI-6024E 多功能數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），這種低價(jià)位卡采用E 系列技術(shù)，能夠在較大應(yīng)用范圍內(nèi)帶來高的運(yùn)行效能和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集能力。系統(tǒng)采用了單端16 路模擬輸入，1 倍的增益，其性能滿足系統(tǒng)的需求。充分利用LabVIEW 中提供的工具和各種子函數(shù)模塊，并結(jié)合DAQ 的硬件優(yōu)勢，不僅實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的準(zhǔn)確、快速的采集，而且能做出操作方便，形象逼真的儀器面板。下圖為數(shù)據(jù)采集與測試的子程序短片段測試的前面板。 [align=center] 圖 2.1（短片斷測試前面板）[/align] 2.2 數(shù)字的分析與處理 利用LabVIEW 進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的另一個(gè)好處在于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與處理功能。LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫和子程序庫的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其開發(fā)環(huán)境下提供的應(yīng)用程序有180 多種，除了具備其它語言所提供的常規(guī)函數(shù)功能和上述的生成圖形界面的大量模板外，內(nèi)部還包括許多特殊的功能庫函數(shù)和開發(fā)工具庫以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能。主要有：高級(jí)分析函數(shù)庫、工具箱庫、綜合時(shí)頻分析控制箱。 根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，這里主要利用高級(jí)分析函數(shù)庫中的若干函數(shù)模塊。 傳統(tǒng)的張力測量儀大多只能提供紗線張力的平均值變化情況，只能對(duì)紗線的張力給出大致的估量。要得到張力的頻域變化情況及其分析結(jié)果，必須借助于示波器、頻譜分析儀等以及相關(guān)的控制和接口電路來實(shí)現(xiàn)。一方面，這些價(jià)格昂貴的儀表之間的通訊組合，調(diào)試、操作與維護(hù)麻煩，而且造成測量結(jié)果受到更多因素的影響；另一方面，由此造成的成本的上升使許多廠家很難接受。采用虛擬儀器能較好解決這個(gè)問題，它可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)這些由硬件完成的功能。以下介紹有關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。 在數(shù)字處理階段，要清除噪聲等干擾信號(hào)，可以運(yùn)用高級(jí)分析函數(shù)庫中的濾波SubVI 組成濾波器對(duì)采集來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理。運(yùn)用時(shí)域和頻域分析SubVI 組成示波器與頻譜分析儀，進(jìn)行時(shí)域、頻域信號(hào)處理。比如使用快速傅立葉變換（FFT）使生成張力變化的頻譜圖。其變換原理如下。 如對(duì)信號(hào)進(jìn)行N 次采樣，將N 次采樣的結(jié)果DFT 變換的結(jié)果也是N 個(gè)采樣點(diǎn)，但它們位于頻域。時(shí)域及頻域中N 個(gè)采樣點(diǎn)之間的關(guān)系如下：如果采樣頻率為fsHz，采樣時(shí)間間隔為△t，滿足， 采樣點(diǎn)表示為x[ i ]，其中0≤i≤N-1，對(duì)N 個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行傅立葉變換的表達(dá)值是： 輸出結(jié)果[XK]就是x[ i ]的頻域顯示。于時(shí)域顯示類似，頻域顯示也有N 個(gè)采樣點(diǎn)，其頻率間隔△f滿足， 它是頻域顯示的相鄰譜線之間的頻率間隔，也被稱為分辨率（frequency resolution）。為提高分辨率，可以增大采樣點(diǎn)數(shù)（保持采樣頻率不變）或者減小采樣頻率（保持采樣點(diǎn)數(shù)不變）。利用這個(gè)函數(shù)，再輔以相應(yīng)的參數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)張力信號(hào)的頻域顯示，得到頻譜圖或功率頻譜。 同樣，可以利用高級(jí)分析函數(shù)庫中的相關(guān)數(shù)字處理函數(shù)生成張力曲線圖。另外，運(yùn)用函數(shù)庫中的數(shù)值分析計(jì)算SubVI 得到張力的最大、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差以及變異系數(shù)和張力的頻度直方圖。當(dāng)采樣的是非整數(shù)周期的信號(hào)時(shí)，為了防止頻譜信息丟失，進(jìn)而導(dǎo)致失真，可以選用恰當(dāng)?shù)钠交翱诤瘮?shù)，將采集波形的過渡段最小化，從而較少頻譜的丟失。 2.3 測試結(jié)果的顯示、輸出與保存 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)不僅需要提供實(shí)時(shí)顯示功能，還要提供了數(shù)據(jù)、圖形及表格打印輸出與保存功能。該系統(tǒng)能夠方便的實(shí)現(xiàn)這些功能，在于LabVIEW 提供的文件I/O 功能函數(shù)是一組功能強(qiáng)大、伸縮性強(qiáng)的文件處理工具，可以很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、輸出與保存這一功能。使用計(jì)算機(jī)控制，測量結(jié)果實(shí)時(shí)屏幕顯示與結(jié)果保存很方便。另外，計(jì)算機(jī)通過與外圍設(shè)備的連接，使儀器在測試狀態(tài)和分析狀態(tài)下均可以打印測試報(bào)告，測試報(bào)告的表頭部分可以自行定義。 2.4 系統(tǒng)錯(cuò)誤提示與超標(biāo)預(yù)警功能 在測試過程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)外部的原因?qū)е聹y試系統(tǒng)無法正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)出錯(cuò)提示功能啟動(dòng)，可以提供出錯(cuò)信息，指明產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試處理。在長片段測量的過程中，以正常工作時(shí)的張力范圍為指標(biāo)。一旦張力值持續(xù)超出這個(gè)指標(biāo)，以至于影響到后續(xù)加工和產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，系統(tǒng)預(yù)警功能啟動(dòng)，提示工人進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的調(diào)整，使之恢復(fù) 到正常的工作狀況。 3 儀器校核 對(duì)于檢測系統(tǒng)而言，測試結(jié)果準(zhǔn)確與否，與檢測儀器本身的精度以及靈敏度有著直接的聯(lián)系。因此，在儀器投入使用之前，都必須進(jìn)行校核與調(diào)整。該儀器具備校核與調(diào)整的功能，而且校核與調(diào)整的過程相對(duì)簡單。正常狀況下，儀器的校核調(diào)整周期二個(gè)月左右。 儀器的校核包括以下兩個(gè)過程：零載荷調(diào)整，刻度標(biāo)定。零載荷調(diào)整，指在載荷較?。ㄈ≥d荷為最大載荷的10%）的情況下，保證測量值在精度允許的范圍內(nèi)，這個(gè)值可以根據(jù)選用的傳感器的不同稍有差異。另外取載荷為90%的最大載荷值，同樣調(diào)整儀器使得測量值在誤差范圍內(nèi)。而刻度標(biāo)定則包含一個(gè)單位轉(zhuǎn)換的過程，可以將測量值以電壓或直接以張力表示。一般，檢測工人希望從儀表能夠直接得到測量值的大小。在一定的載荷范圍內(nèi)，傳感器的線性度可以保證測量的精度，當(dāng)載荷超出這一范圍，傳感器的線性度變化較大，以至于不能滿足測量精度要求時(shí)，必須采用相應(yīng)的補(bǔ)償措施，以保證測量的精度。由于它直接關(guān)系到儀器的工作的準(zhǔn)確性，因而也是整個(gè)儀器設(shè)計(jì)過程中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 標(biāo)定需要通過反復(fù)試驗(yàn)確定，采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為載荷對(duì)張力傳感器進(jìn)行逐步校核驗(yàn)證，結(jié)合產(chǎn)品的測量范圍與測量精度完成標(biāo)定程序。當(dāng)儀器第一次運(yùn)行時(shí)，一般要求進(jìn)行儀器校核。測試系統(tǒng)根據(jù)正規(guī)的操作規(guī)范以及調(diào)整次序，圖文并茂的逐一給出提示，操作人員按照提示可以順利的完成儀器校核。 4 結(jié)論 基于LabVIEW 的紗線動(dòng)態(tài)張力檢測系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用測試，能夠滿足高速化纖及紗線的張力檢測。由于該系統(tǒng)充分利用虛擬儀器的開放性和圖形化模塊式編程方式，面向計(jì)量測試工程師。根據(jù)被測對(duì)象的自身特性以及實(shí)際工作環(huán)境，編制相應(yīng)的測試、分析處理和控制SubVI系列，并按不同的要求構(gòu)建虛擬張力檢測系統(tǒng)和虛擬張力控制系統(tǒng)，是本系統(tǒng)開發(fā)的主要目的。進(jìn)一步利用LabVIEW 的網(wǎng)絡(luò)通信功能，結(jié)合以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的張力檢測與控制系統(tǒng)，還可以開發(fā)出遠(yuǎn)程自動(dòng)化張力檢測與控制裝置。 參考文獻(xiàn) 1 National Instruments Corporation, LabVIEW User Manual, 1998 2（美）Gary W.Johnson,Richard Jennings,著.LabVIEW 圖形編程，陸勁昆等譯.北京：北京大學(xué)出版社，2002