基于LabVIEW的材料拉伸测试系统
基于LabVIEW的材料拉伸测试系统
本课题根据机械学院力学实验室现有的万能试验机拉伸实验设计了一种基于LabVIEW的材料拉伸测试系统。该测试系统数据采集、数据分析与处理和声卡采集声音信号三部分组成。材料在拉伸过程中，加载的力和材料的伸长量首先通过传感器和采集卡传递到计算机，然后利用数据采集和数据分析与处理程序读取数据，并对数据进行计算、分析和保存，最后通过声卡采集声音信号来验证程序的可行性。与传统测试系统相比较，该测试系统操作简单易懂、性能稳定，能提高测量的精度。
关键词 LabVIEW，拉伸测试系统，数据采集，数据分析与处理
1 引言 1
1.1 虚拟仪器概述 2
1.2 LabVIEW概述 4
2 虚拟仪器测试系统硬件组成 5
2.1 传感器 5
2.2 信号调理器 5
2.3 数据采集卡 6
2.3.1 该卡的主要功能及特点 7
2.3.2 该卡的技术指标 7
2.3.3 A/D卡的连接 8
2.3.4 A/D卡的调整 10
2.4 计算机 10
3 虚拟仪器测试系统软件设计 10
3.1 数据采集 10
3.1.1 DAQmx开始任务 11
3.1.2 DAQmx读取 12
3.1.3 DAQmx清除任务 12
3.2 数据分析和处理程序 13
3.2.1 创建XY图 Express VI 14
3.3 基于声卡的声音采集验证程序 15
3.3.1 配置声音输入VI 16
3.3.2读取声音输入VI 17
3.3.3输入声音清零VI 18
3.3.4索引数组 18
3.3.5 FFT频谱（幅度-相位）VI 18
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 引言
目前的材料拉伸测试控制系统一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的，且每台仪器的功能及使用范围都是不可改变的，测试信息都是彼此孤立不开放的，不适合实验室的建设使用。而虚拟仪器是通过一定的应用程序将计算机与硬件模块结合在一起的一种全新的测控仪器系统，既具备传统仪器的基本功能，又能让用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用需求。
1.1 虚拟仪器概述
虚拟仪器是在计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算，分析，处理，形成既有传统仪器的基本功能，又有特殊功能的新型仪器。图形化软件开发环境LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是目前实现虚拟仪器软件设计最流行的工具之一，其广泛地被工业界、学术界和研究实验室认可并接受，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，现已成为测试测量和控制行业的标准软件平台。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者利用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器和计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义：
（1）虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”，被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的；虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等动作都可以通过操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。
（2）虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的测量功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。
传统的测量仪器通常由三大功能模块组成，即信号采集与控制；信号分析与处理、测量结果的存储、显示与输出等。这些功能模块基本上是以硬件形式或固 化的软件形式存在，测量仪器只能由制造商来定义和设计，因此其灵活性和适应性较差。
在实验室、生产车间和户外现场，为完成某项测试和维修任务，通常需要许多仪器，如信号源、示波器、磁带机、频谱分析仪等。由众多的仪器构成的测试系统，价格昂贵，体积庞大，连接和操作复杂，测试效率低。
虚拟测试仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：采集数据，对采集来的数据进行分析处理，然后显示处理结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义，这意味着用户可以自由组合计算机平台的硬件、软件以及各种完成应用系统所需要的附件，而这种灵活性是由供应商定义的，功能固定独立的传统仪器是不具备的。
与传统测量仪器相比，虚拟仪器的设计理念、系统结构和功能定位方面都发生了根本性的变化。概括地说，虚拟仪器主要有以下特点：
（1）软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件来实现的，软件在虚拟仪器中具有重要的地位。美国国家仪器公司（NI）就曾提出一个著名的口号——“软件就是仪器”。
（2）虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，同时，由于信号的传送和数据处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，所以还大大降低了环境干扰和系统误差的影响。另一方面，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，这缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。此外，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器更为经济。
（3）虚拟仪器的出现缩小了仪器厂商和用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制，出现厂商提供的仪器功能与用户要求不相符合的情况。利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。由于PC能提供远胜于仪器内部的处理能力，因此，借助于一台通用数据采集系统（或板卡），用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。
（4）扩展性强。NI的软、硬件工具使得工程师和科学家不再局限于当前的技术。由于NI软件的灵活性，只需更新用户的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无须软件上的升级即可改进用户的整个系统。在利用最新科技的时候，用户可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的上市时间。
（5）虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机显示器上生成的，与传统仪器面板相似的图形界面由软面板来实现。因此，用户可以根据自己的爱好，通过编制软件来定义所喜爱的面板形式。
（6）通过软、硬件的升级，可以方便地提升测试系统的能力和水平。更为可贵的是，用户可以运用通用的计算机语言和软件，诸如C++、Visual Basic、LabVIEW、LabWindows/CVI等，扩充、编写软件，从而使虚拟仪器技术更适应、更符合用户自己测试工作的特殊要求。
（7）虚拟仪器具有和其他设备互连的能力。如和VXI总线或现场总线等的接口能力。此外，还可以将虚拟仪器接入网络，如Internet等，以实现对现场生产的监控和管理。
（8）虚拟仪器的软、硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。
1.2 LabVIEW概述
LabVIEW是一种图形化编程语言，它广泛地被工业界，学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-458协议的硬件及数据采集卡式通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为G语言，使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师熟悉的术语、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、测试系统时，可以大大提高工作效率。
虚拟仪器的设计软件有很多，比如C语言，Visual Basic等。本课题采用LabVIEW设计软件，与其他软件相比较，LabVIEW具有以下几方面优势：
（1）提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复杂枯涩的文本编程工作中解放出来。
（2）内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。因此用户在编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。
（3）由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其是多处理器的处理能力。
（4）通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点技术，可以轻松实现LabVIEW与其他编程语言混和编程。
（5）通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE、动态链接库或安装包。
（6）LabVIEW提供大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。
（7）LabVIEW内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。
（8）NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用，例如实时模块、PDA模块、FPGA模块、数据记录与监控（DSC）模块、机器视觉模块与触摸屏模块等。
本课题根据机械学院力学实验室现有的万能试验机拉伸实验设计了一种基于LabVIEW的材料拉伸测试系统。该测试系统数据采集、数据分析与处理和声卡采集声音信号三部分组成。材料在拉伸过程中，加载的力和材料的伸长量首先通过传感器和采集卡传递到计算机，然后利用数据采集和数据分析与处理程序读取数据，并对数据进行计算、分析和保存，最后通过声卡采集声音信号来验证程序的可行性。与传统测试系统相比较，该测试系统操作简单易懂、性能稳定，能提高测量的精度。
关键词 LabVIEW，拉伸测试系统，数据采集，数据分析与处理
1 引言 1
1.1 虚拟仪器概述 2
1.2 LabVIEW概述 4
2 虚拟仪器测试系统硬件组成 5
2.1 传感器 5
2.2 信号调理器 5
2.3 数据采集卡 6
2.3.1 该卡的主要功能及特点 7
2.3.2 该卡的技术指标 7
2.3.3 A/D卡的连接 8
2.3.4 A/D卡的调整 10
2.4 计算机 10
3 虚拟仪器测试系统软件设计 10
3.1 数据采集 10
3.1.1 DAQmx开始任务 11
3.1.2 DAQmx读取 12
3.1.3 DAQmx清除任务 12
3.2 数据分析和处理程序 13
3.2.1 创建XY图 Express VI 14
3.3 基于声卡的声音采集验证程序 15
3.3.1 配置声音输入VI 16
3.3.2读取声音输入VI 17
3.3.3输入声音清零VI 18
3.3.4索引数组 18
3.3.5 FFT频谱（幅度-相位）VI 18
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 引言
目前的材料拉伸测试控制系统一般使用的都是传统仪器，传统仪器的功能都是通过硬件或者固化的软件来实现的，且每台仪器的功能及使用范围都是不可改变的，测试信息都是彼此孤立不开放的，不适合实验室的建设使用。而虚拟仪器是通过一定的应用程序将计算机与硬件模块结合在一起的一种全新的测控仪器系统，既具备传统仪器的基本功能，又能让用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用需求。
1.1 虚拟仪器概述
虚拟仪器是在计算机为核心的硬件平台上，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有地融为一体，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算，分析，处理，形成既有传统仪器的基本功能，又有特殊功能的新型仪器。图形化软件开发环境LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是目前实现虚拟仪器软件设计最流行的工具之一，其广泛地被工业界、学术界和研究实验室认可并接受，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，现已成为测试测量和控制行业的标准软件平台。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者利用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器和计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义：
（1）虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”，被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”进行操作的；虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“图标”，每个图标的“通”、“断”、“放大”等动作都可以通过操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的属性进行设置。
（2）虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。虚拟仪器是在以PC为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的测量功能的。因为可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能，所以在硬件平台确定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。
传统的测量仪器通常由三大功能模块组成，即信号采集与控制；信号分析与处理、测量结果的存储、显示与输出等。这些功能模块基本上是以硬件形式或固 化的软件形式存在，测量仪器只能由制造商来定义和设计，因此其灵活性和适应性较差。
在实验室、生产车间和户外现场，为完成某项测试和维修任务，通常需要许多仪器，如信号源、示波器、磁带机、频谱分析仪等。由众多的仪器构成的测试系统，价格昂贵，体积庞大，连接和操作复杂，测试效率低。
虚拟测试仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：采集数据，对采集来的数据进行分析处理，然后显示处理结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义，这意味着用户可以自由组合计算机平台的硬件、软件以及各种完成应用系统所需要的附件，而这种灵活性是由供应商定义的，功能固定独立的传统仪器是不具备的。
与传统测量仪器相比，虚拟仪器的设计理念、系统结构和功能定位方面都发生了根本性的变化。概括地说，虚拟仪器主要有以下特点：
（1）软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件来实现的，软件在虚拟仪器中具有重要的地位。美国国家仪器公司（NI）就曾提出一个著名的口号——“软件就是仪器”。
（2）虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，同时，由于信号的传送和数据处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，所以还大大降低了环境干扰和系统误差的影响。另一方面，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，这缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。此外，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器更为经济。
（3）虚拟仪器的出现缩小了仪器厂商和用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制，出现厂商提供的仪器功能与用户要求不相符合的情况。利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。由于PC能提供远胜于仪器内部的处理能力，因此，借助于一台通用数据采集系统（或板卡），用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。
（4）扩展性强。NI的软、硬件工具使得工程师和科学家不再局限于当前的技术。由于NI软件的灵活性，只需更新用户的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无须软件上的升级即可改进用户的整个系统。在利用最新科技的时候，用户可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的上市时间。
（5）虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机显示器上生成的，与传统仪器面板相似的图形界面由软面板来实现。因此，用户可以根据自己的爱好，通过编制软件来定义所喜爱的面板形式。
（6）通过软、硬件的升级，可以方便地提升测试系统的能力和水平。更为可贵的是，用户可以运用通用的计算机语言和软件，诸如C++、Visual Basic、LabVIEW、LabWindows/CVI等，扩充、编写软件，从而使虚拟仪器技术更适应、更符合用户自己测试工作的特殊要求。
（7）虚拟仪器具有和其他设备互连的能力。如和VXI总线或现场总线等的接口能力。此外，还可以将虚拟仪器接入网络，如Internet等，以实现对现场生产的监控和管理。
（8）虚拟仪器的软、硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资。
1.2 LabVIEW概述
LabVIEW是一种图形化编程语言，它广泛地被工业界，学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-458协议的硬件及数据采集卡式通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为G语言，使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师熟悉的术语、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、测试系统时，可以大大提高工作效率。
虚拟仪器的设计软件有很多，比如C语言，Visual Basic等。本课题采用LabVIEW设计软件，与其他软件相比较，LabVIEW具有以下几方面优势：
（1）提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复杂枯涩的文本编程工作中解放出来。
（2）内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。因此用户在编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。
（3）由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其是多处理器的处理能力。
（4）通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点技术，可以轻松实现LabVIEW与其他编程语言混和编程。
（5）通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE、动态链接库或安装包。
（6）LabVIEW提供大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。
（7）LabVIEW内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。
（8）NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用，例如实时模块、PDA模块、FPGA模块、数据记录与监控（DSC）模块、机器视觉模块与触摸屏模块等。
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