谈虚拟仪器及其在机械工程测试技术中的应用
机械工程测试系统主要是利用了虚拟仪器的技术思想及集成测试的优势，使得资源能够极大程度上地进行共享，本文是对虚拟仪器及其在机械工程测试技术中的应用分析。
引言
现代技术的发展主要是看计算机技术的进步，计算机技术的不断革新在很大程度上能牵动各行业的技术得以更新。随着科学技术的的发展，尤其是科学技术当中的信息科学技术、微电子技术及计算机技术的发展，现我国工业的发展日新月异。工业领域中的机械工程测试的能力、技术也不断得到更新。在测试分析的领域当中，传统的利用模拟信号来进行信息处理的方式已逐渐被数字信号处理方式所替代，现使用最为广泛的信息处理方式就是数字信号处理方法[1]。但是市场上数字化、智能化的测试仪器或是系统复杂多样，虽然其方便了测试工作，但其仪器之间的连接非常复杂使得测试工作的效率大大降低，并且存在很多硬件及软件的冗余现象。在这种背景下，虚拟仪器就被发明了出来，使得测试技术又向前迈进了一步。
1.机械工程测试技术的发展
现代工程测试技术是指人们利用专门的仪器设备，通过对研究对象进行试验、测量之后再进行相关运算及分析等，从而获得人们所需要的研究对象的相关信息，使得人们能够能过对信息流的控制来实现对能量流及物质流的控制的目的[2]。现代科学技术的不断发展带动了机械工程测试技术的向前进步，但同时也要求有更高的机械工程测试技术与之匹配，给机械工程测试技术也带来了挑战。现代工程测试技术已逐渐从原来的单一学科慢慢转变为多学科之间的相互借鉴及渗透，使得现代工程测试技术能够形成一个各学科内容相互渗透的综合性测试系统，传统的测试技术的方法、方式等都能得到更新及提升，让工程测试技术得到进一步地发展。
随着经济的发展，现我国工业已实现机电一体化及工业自动化，并且随着科学技术水平的提高，其一体化及自动化水平也越来越高，而工程测试系统是工业系统研发、应用及教学过程当中重要的组成部分，所以工程测试系统也要求越来越复杂。传统的工程测试系统其功能比较简单，对于很多需要用上的软件或是硬件资源都不能兼容或进行共享，这不但加大了进行测试所需要的成本，而且也限制了测试范围，同时测试参数的精准度也大大下降。在这种情况下，人们急需要一套能够综合各学科、功能多样、系统完善及测量精准的测试系统来满足应用新技术的需要，而虚拟仪器就是在这种需求下应运而生的。
2.虚拟仪器的基本概念
虚拟仪器的引入，主要是随着经本文由论文联盟http://收集整理济及科技的发展，现代工程测试系统需要一种技术能实现系统更新方便，保证机动运转的灵活性，能实现资源共享，系统功能强大，研发及应用成本低廉且拥有自主版权等一系列功能的前提下而提出来的。应用虚拟仪器的测试系统可以根据机械工程的具体测试需求，通过对系统模块的自由调换组合、对系统资源的重新配置，并将现有的标准化系统资源利用上，采取透明的方式来将机械工程测试技术的应用效率提高。
虚拟仪器当中有硬件及软件，硬件是用来实现信号的输入及输出，而软件则是用来体现整个系统在运行时的关键技术及功能[3]。虚拟仪器可在利用同一个硬件系统的前提下，通过利用不同的软件来提供不同的测量仪器所需要的功能。虚拟仪器不但实现了测试功能的软件化，而且其面板控制也都是通过软件来完成的，简单来说虚拟仪器的最重要核心就是软件系统，通过软件可对各种仪器进行定义，可以说软件系统就是虚拟仪器本身。
虚拟仪器中所带的测量仪器主要是用来采集数据，同时还肩负着测试及分析数据、输出显示结果等功能。其中数据的分析及其结果输出都是通过软件系统来实现的，所以如果能在外部提供一套完整的用于采集数据的硬件，就可利用计算机来组成一套测量仪器。我们把这种利用计算机来构成的数字化测量仪器叫做“虚拟仪器”[4]。
在实际的操作当中，我们可以根据具体的测试需要将所用到的模块化的硬件接口卡插入计算机的总线槽内，这样可同时将仪器的测试功能以及用来模拟画面的面板控制都转变成软件模块，然后将计算机硬件上的资源进行充分地共享，这样就能在计算机的帮助及协调下来将机械工程的测试、计算、数据处理及分析、数据存储及取用、数据显示及回放一步到位地完成，而且还能实现数据的打印同时对数据进行管理，这样就将传统仪器中所存在的问题都解决了，从而慢慢替代了传统的以硬件为主的测试系统。虚拟仪器的应用排在了传统测试技术的原有结构、测试模式及有关测试概念，使得机械工程测试技术有了质的飞跃，同时也体现了现代测试技术正朝智能化及软件化发展。虚拟仪器的应用将对产品的研发、提高生产效率以及教学过程当中的实验都产生世大的影响。
3.虚拟仪器的组成及特点
虚拟仪器主要是由硬件及软件共同组成，其具体组成结构可见图1。下面就从这两方面作具体分析。
图1 虚拟仪器具体组成结构
3.1硬件部分
由图1中我们可知，虚拟仪器主要是通过利用计算机来将传统测试仪器的测试功能进行软件化，也就是我们所说的将测试功能进行软件化的设计;同时要根据具体的测试需要将所用到的模块化的硬件接口卡插入计算机的总线槽内，还要通过利用传感器和测量电路来将测试对象与模块接口卡进行连接，这样一套完整的利用虚拟仪器来组成的测试系统就完成了。
另外我们还可通过利用不同的集成测试方法来把传统仪器所拥有的不同测试功能及面板控件等都集中在同一个软件平台上，这样我们就可以利用一台计算机而实现各种不同的工程测试功能，这不仅发挥了虚拟仪器的优势而且体现了利用虚拟仪器的测试效率。具体的实现结构可见图2。
图2 多功能虚拟仪器的构成
通过图2我们可知要实现不同一的`测试功能只需要启动相对应的模块就可实现，相对于传统的机械工程测试仪器来说，其比较方便且性价比明显更高。其次，利用虚拟仪器可将计算机的硬件资源进行充分共享，从而使得新的测试仪器具有功能强大、智能化、高可靠性、操作界面简洁及方便推广等诸多优点。再次，运用虚拟仪器的测试仪器都测试功能都软件化了，因此用于制造及调试硬件的费用就大大减少了，从而使得研发及运用成本有了大幅度地下降，传统测试仪器当中的硬加工也逐渐转化成软件加工，所需要耗费的资源及能源在很大程度上就减少了，实现了环保及绿化的社会发展需求。再一个软件的升级非常快使得高科技信息含量大大增加从而使技术能够快速更新并具信息化。除此之外，因应用虚拟仪器实现了测试仪器自定义需求，用户可根据自己具体需求来任意组装系统从而实现不同的测试功能，使仪器具有强开放性、高参与性、个性化、系统模块化及标准化的特征。
3.2软件部分
软件部分是组成虚拟式测试系统的最关键部分，不同领域的编程人员可通过对不同编程语言 (比如说vb语言、vc语言、c++等)的利用，通过计算机来实现对信息进行处理、运算及分析等不同功能，同时还可通过面板控制来制造形象的动态旋钮、按钮、指示灯或是显示窗口等种操作界面[5]。软件的虚拟面板相当于传统测试系统当中的按键式仪器，但利用虚拟式测试系统可通过定义不同的系统功能而对数据处理及分析的方法进行选择，从而能获得各种不同的测试及分析所用的数据或是图形来帮助完成测试工作。虚拟仪器具体的软件结构可见图3。
图3 虚拟仪器的软件结构
从图3中我们可看到虚拟仪器具体的软件结构，其中频响测试的功能主要是通过利用传递函数的分析功能来实现的，其中包括测定频响函数及计算相干函数，另外还可以通过对构件的振动物性参数进行测定来使频响测试功能得以实现。示波器的功能主要是通过显示通道内所输入的信号，并对其进行波形存储及波形回放而实现的。而信号分析仪的功能主要体现于以下几个方面：对时域进行分析、对频域进行分析以及对ar谱进行分析等功能，在使用这些功能时，其都可通过信号分析仪在菜单或是工具条上进行方便的选择。另外软件体现的是多文档结构的风格，多分析窗体可将刷新情况同时显示出来，一种信号的改变可在不同的分析窗体中同时显示。
3.3虚拟仪器的特点
在机械工程测试系统中应用虚拟仪器从根本上打破了传统测试仪器的功能设定及实现。传统的测试仪器其功能都是由厂家来设定的，其所能测试的对象也是固定的，另外仪器所能完成的任务也比较单一。然而应用虚拟仪器的机械工程测试系统实现了功能的自定义，用户可利用不同的编程语言在不违反使用规则的前提下来对各功能模块进行变换、自由组合以实现不同用户的测试所需，满足了不同用户的个性化需求。另外比较重要的一点是，运用虚拟仪器的机械工程测试系统相比于传统的测试系统来说，其因实现了各功能的软件化，在很大程度上减少了研发及运用硬件的成本，同时还减少了资源及能源的消耗，保护了环境的同时还促进了企业的发展。这表明在未来的机械工程测试系统当中，虚拟仪器的使用将成为主流，其有着广阔的发展及应用前景。
4.虚拟仪器在机械工程测试技术中的应用
虚拟仪器的发展非常迅速，现其也广泛应用于各领域。而在机械工程测试系统当中应用虚拟仪器，通常来说是根据用户的具体测试需求来对系统的软件及硬件进行设计，以实现不同检测需求，同时针对检测结果进行分析。在这方面，美国的弗吉尼亚洲技术公司有了一定成就，其利用虚拟技术研发出了一种用来测量mems中硅片厚度的光学测微计，其可分辨到微米级别。该系统主要是通过数据采集卡来将模拟信号及数字信号输出，从而实现对激光器的控制，另外其是利用图像采集卡来获取晶体图像的，而对于x、y坐标的控制则是通过pc-step-4cx来实现的。除此之外最重要的，对于数据的分析及其结果的显示及控制是通过利用labview图形化的编程语言来实现的。
4.1机械工程测试系统的硬件
下面我们以某一机械系统来了解虚拟仪器的具体应用。利用该系统来测试机械产品是否达标主要需要对以下参数进行测量：振动幅度、油压力的最大值、平均值及变化规律、振动频率、发动机的转速与振动力之间的关系。根据所要测试的参数，我们可进行如下设计。
结合虚拟仪器技术的有关设计思路及检测的需求，我们需要用到的硬件有：传感器、动态应变仪、a/d转换及计算机，其具体结构可见图4。其中的拉压力传感器主要是用来对振动力的变化进行检测;压力传感器则是用来对系统的压力进行检测;位移传感器是用来对振动的幅度进行检测;而数字式光电转速计是用来对发动机的转速进行测量;计算机是用来对整个测试内容和所需量程进行控制的。
图4 机械工程测试系统硬件结构 图5 机械工程测试系统软件结构
4.2机械工程测试系统的软件
软件部分是虚拟仪器的最关键组成部分，其主要是由系统程序以及应用程序构成，其具体结构可见图5。软件功能的编程主要是利用labview来实现。用户接口则是利用图形的方式来实现，这在很在程度上给用户带来的便利，用户可将系统当作按键仪器，根据自己的测试需求来选择不同的测试功能，同时还可对数据的处理及分析方法进行选择，体现了测试系统的方便、快捷。
结语
机械工程测试系统将虚拟仪器应用主要是利用了虚拟仪器的技术思想及集成测试的优势，使得资源能够极大程度上地进行共享，借助计算机平台后就可利用软件模块将计算机所拥有的资源以及系统硬件存在的测试功能，通过对软硬件模块的变换或进行不同设置，从而让机械工程所需要的不同测试任务得以完成。这不但使测试功能多样化，而且很大程度上降低了测试成本，同时还为机械产品的研发提供了技术保障，使研发效率得以提高。因此在未来的机械工程测试技术的发展当中，虚拟仪器的应用将成为主流，发挥着其巨大的测试作用。
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