1、摘要作為五大運(yùn)輸行業(yè)之一的管道運(yùn)輸系統(tǒng),他在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位越來(lái)越為重要。實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略帶來(lái)大量的天然氣管道投入建設(shè)和運(yùn)行。管道一旦泄漏會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及人身傷害,及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏并準(zhǔn)確進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位成為發(fā)生泄漏后的需要解決的首要問(wèn)題,這對(duì)于減少經(jīng)濟(jì)損失、維護(hù)管道安全運(yùn)行顯得十分重要。 天然氣管道漏點(diǎn)在線實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)的研究與應(yīng)用,使得泄漏能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定泄漏點(diǎn)的位置,從而降低因天然氣泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)對(duì)提高天然氣輸送管線的自動(dòng)化管理水平有著深遠(yuǎn)的意義。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各種管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究和分析比較,本課題采用聲波檢測(cè)方法應(yīng)用于輸氣管道的泄漏檢測(cè)。介紹了輸氣管道泄漏聲

2、波信號(hào)的基本特征和聲波泄漏檢測(cè)方法的基本原理。根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求,搭建了小巧的管道模型。針對(duì)泄漏信號(hào)的特征和泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其性能指標(biāo)的要求,提出一個(gè)有效的泄漏檢測(cè)信號(hào)處理方法。設(shè)計(jì)了信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的濾波放大電路,輸氣管道泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),編寫(xiě)了數(shù)字信號(hào)相關(guān)等數(shù)字信號(hào)處理算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理和對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示功能,實(shí)現(xiàn)音波泄漏系統(tǒng)進(jìn)行泄漏檢測(cè)和泄漏點(diǎn)的定位。 輸氣管道泄漏點(diǎn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓力場(chǎng)環(huán)境下的聲納傳感器可以應(yīng)用于輸氣管道泄漏檢測(cè)。泄漏檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信、音波泄漏信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理方法和界面顯示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢測(cè)的波形,驗(yàn)證了音波檢測(cè)方法應(yīng)用于輸氣

3、管道泄漏檢測(cè)的可行性。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LABVIEW；天然氣泄漏檢測(cè)；泄漏定位AbstractAs one of the five transportation industry, the position of pipeline transport system in the national economy is becoming more and more prominent. With Chinas western development strategy, a large number of gas pipelines will be put into use and opera

4、tion. Once the pipeline leaks, it would cause huge economic losses and personal injury to find leaks and identify the location of the leak in time becomes the most important issue in reducing losses and maintains the safe operation of pipelines. Research and application of real-time natural gas pipe

5、line leak detection and location system in time can find leaks and identify the location of the leak, reducing economic losses caused by natural gas leak. At the same time, its of great significance to enhancing the natural gas pipeline automation management level .To do analysis research and compar

6、ison of various pipeline leak detection technology at home and abroad , this issue using acoustic detection method to realize gas pipeline leak detection. Describes the gas pipeline leaks and acoustic signals in the basic characteristics of the basic principles of leak detection methods. According t

7、o the actual requirements of graduation design, build the cabinet pipeline model. According to the characteristics and leakage signals to leak monitoring system requirements of the performance index, this paper puts forward an effective leakage detection signal processing method. Design the signal d

8、etection system filter and amplification circuitry, gas pipeline leak real-time monitoring system, write a digital signal digital signal processing algorithm is related to realize the collected data storage management and to signal waveform real-time display function, achieve sonic leakage system of

9、 leak detection and leak positioning. Gas transmission pipeline leak detection experimental results show that under pressure field environment can be applied to the sonar sensors pipeline leak detection. Leak detection system software parts of the data communication, realizing the ultrasound leakage

10、 signals of digital signal processing methods and interface display. Through the experimental data and testing verifies the waveform, ultrasound detection method is applied to the feasibility of gas transmission pipeline leak detection. Keywords:Virtual instrument;LABVIEW；Natural gas leak detection;

11、 Leak positioningII目 錄第一章 緒論11.1前言11.2課題來(lái)源和研究意義11.3國(guó)內(nèi)外天然氣管線泄漏與定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀2第 二 章 虛擬儀器簡(jiǎn)介52.1引言52.2虛擬儀器的分類(lèi)62.3虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程82.4虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成82.4.1虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成92.4.2虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成92.4.2.1儀器面板控制軟件92.4.2.2數(shù)據(jù)分析處理軟件92.4.2.3儀器驅(qū)動(dòng)軟件102.4.2.4通用I/O 接口軟件102.5虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)102.6虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案112.6.1制定所設(shè)計(jì)儀器的接口形式112.6.2開(kāi)發(fā)硬件采集卡112.6.

12、3確定設(shè)計(jì)采集卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序方案112.6.4確定虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用程序編程語(yǔ)言122.6.5軟件調(diào)試和運(yùn)行12小 結(jié)12第 三 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)133.1天然氣管線泄漏的聲波檢測(cè)與定位的原理與設(shè)計(jì)133.2聲波檢測(cè)天然氣泄漏與定位的原理依據(jù)133.3管道破壞實(shí)驗(yàn)153.4管線聲波監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)15小 結(jié)16第 四 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)174.1天然氣管線泄漏的聲波檢測(cè)與定位系統(tǒng)的硬件組成174.1.1傳感器概述174.1.2傳感器的選型原則184.1.3所選用傳感器介紹194.1.4直流穩(wěn)壓電源204.2信號(hào)調(diào)理電路234.3 PC 機(jī)244.4PCI-1710HG數(shù)據(jù)采集卡254.4.1

13、概述254.4.2 PCI1710的特點(diǎn)27小 結(jié)28第 五 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)295.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Lab VIEW295.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)30小 結(jié)36總結(jié)與展望371.總結(jié)372.展望37參考文獻(xiàn)39外文原文與譯文：41致 謝65 第一章 緒論1.1前言管道運(yùn)輸以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),成為現(xiàn)代五大運(yùn)輸方式(公路、水路、鐵路、航空、管道)之一。隨著西氣東輸、陜京二線、忠武線三條輸氣干線的形成以及川渝、京津冀魯、中部、中南、長(zhǎng)江三角洲五個(gè)區(qū)域管網(wǎng)并存的輸氣格局的形成，對(duì)氣體管道運(yùn)輸?shù)男枨蟾悠惹?。然而隨著管道投入使用的時(shí)間增加，管道不可避免的會(huì)出現(xiàn)磨損、腐蝕等現(xiàn)象，加之人為破壞等原因，是管道泄漏事故時(shí)有

14、發(fā)生。不僅造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、危害工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還將直接威脅管道設(shè)施的安全運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)，進(jìn)而造成更大的間接損失和惡性事故。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏并精確確定泄漏位置，對(duì)于減少損失、確保管道去年全運(yùn)行有著重要的意義。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等先進(jìn)國(guó)家，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，就在許多油氣管道中安裝了泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，效果顯著。我國(guó)從20世紀(jì)80年代以來(lái)，數(shù)家單位開(kāi)始展開(kāi)油氣管道泄漏檢測(cè)的研究工作。目前，輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)已日趨成熟，國(guó)內(nèi)外在此技術(shù)的研究上都取得了一定的成果，以應(yīng)用于輸油管線的泄漏與定位。但對(duì)氣體泄漏的監(jiān)測(cè)與定位研究不足。因此，如何利用傳感器技術(shù)，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，通訊技術(shù)，與計(jì)算機(jī)

15、技術(shù)的發(fā)展發(fā)展相結(jié)合來(lái)來(lái)研究氣體管線泄漏的檢測(cè)與定位具有很重要的價(jià)值。本設(shè)計(jì)通過(guò)虛擬儀器對(duì)泄漏聲波信號(hào)的分析來(lái)實(shí)現(xiàn)泄漏的監(jiān)測(cè)與定位。1.2課題來(lái)源和研究意義課題來(lái)源于李建海老師所帶的07級(jí)電子專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，為基于Lab VIEW的天然氣管線泄漏聲波監(jiān)測(cè)與定位設(shè)計(jì)研究。管道作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中擔(dān)任重要運(yùn)輸作用的工具，維護(hù)管道的安全運(yùn)行，防止管道生產(chǎn)事故的發(fā)生是管道工業(yè)生產(chǎn)和管理部門(mén)一項(xiàng)很重要的工作。作為管道事故中最經(jīng)常發(fā)生的泄漏事故一旦發(fā)生，不僅造成大量物質(zhì)損失，泄漏的有毒化學(xué)物質(zhì)還帶來(lái)環(huán)境污染，更為嚴(yán)重地是有可能帶來(lái)的人身傷亡事故。輸氣管線泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，并確定泄漏的位置，可以

16、及時(shí)采取措施，從而達(dá)到預(yù)防和降低損失的目的，減少人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，避免環(huán)境污染，這對(duì)提高氣田輸氣管線的管理，減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，提高企業(yè)自動(dòng)化管理水平有重大意義。在我國(guó)，盜氣造成的泄漏是管道泄漏的重要原因?，F(xiàn)有的管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)對(duì)于天然氣管線的小泄漏并不敏感，常常漏報(bào)，此外，定位精度受諸多因素影響也難以保證，很難有效地對(duì)犯罪行為進(jìn)行有力的打擊。因此，研究開(kāi)發(fā)針對(duì)輸氣管道的高精度的、對(duì)于聲波泄漏敏感的泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。1.3國(guó)內(nèi)外天然氣管線泄漏與定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)方法的研究自上世紀(jì)70年代以來(lái)已有三十幾年的歷史，嘗試了各種

17、新的方法和手段。從簡(jiǎn)單的人工分段沿管線巡視發(fā)展到較為復(fù)雜的軟硬件相結(jié)合的方法，不斷提高管線泄漏檢測(cè)的靈敏度和定位準(zhǔn)確度。但由于監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性，如管道輸送介質(zhì)的多樣性，管道所處環(huán)境(地上、管溝、埋地、海底)的多樣性，以及泄漏形式的多樣性(泄漏、穿孔、斷裂等)，使得目前還沒(méi)有一種簡(jiǎn)單可靠、通用的方法解決管道泄漏監(jiān)測(cè)問(wèn)題。1.3.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外輸氣管道管理先進(jìn)的國(guó)家，如美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等，自上世紀(jì)70年代以來(lái)，已經(jīng)在許多油氣管道系統(tǒng)中安裝了泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。常見(jiàn)的輸氣管道檢漏方法基本上可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于硬件的檢測(cè)方法，另一類(lèi)是基于軟件的檢測(cè)方法。1基于硬件的方法該方法是指對(duì)泄漏物進(jìn)行直接檢測(cè)的

18、方法，有時(shí)也稱(chēng)為直接檢漏法?；谟布姆椒ǖ娜秉c(diǎn)是成本太高。主要包括：(1)檢漏電纜法。該方法多用于液態(tài)烴類(lèi)燃料的泄漏檢測(cè)。電纜與管道平行鋪設(shè)，當(dāng)泄漏的烴類(lèi)物質(zhì)滲入電纜后，會(huì)引起電纜特性的變化。目前已研制的有以下幾種電纜，油溶性電纜、滲透性電纜和分布式傳感電纜。(2)導(dǎo)電高聚合物檢漏法。探測(cè)電纜由兩根常規(guī)絕緣導(dǎo)線和兩根探測(cè)導(dǎo)線組成，外包特種導(dǎo)電高聚物。這種方法利用探測(cè)導(dǎo)線檢測(cè)電纜中的水蒸氣并判斷管道絕緣層的浸水點(diǎn)和泄漏點(diǎn)，適用于絕緣管道的檢漏。(3)光纖檢漏法。光纖傳感器是近年來(lái)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，它在實(shí)現(xiàn)物理量測(cè)量的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，在解決信號(hào)衰減和抗干擾方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性。用光纖傳感器

19、檢測(cè)管道泄漏的方法是根據(jù)管道中輸送的熱物質(zhì)泄漏會(huì)引起周?chē)h(huán)境溫度的變化，利用分布式光纖溫度傳感器連續(xù)測(cè)量沿管道的溫度分布，當(dāng)沿管道的溫度變化超過(guò)一定的范圍，就可以判斷發(fā)生了泄漏。此外，隨著各種分布式光纖傳感器的發(fā)展，未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)利用一根或幾根光纖對(duì)油氣管線內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力、流量和管壁應(yīng)力進(jìn)行分布式在線測(cè)量，這在管道監(jiān)控系統(tǒng)中將極具應(yīng)用潛力。(4)紅外線檢漏法。利用機(jī)載或星載精密紅外攝像裝置，記錄管道周?chē)責(zé)彷椛湫?yīng)或管道上方空氣光譜，利用光譜分析檢測(cè)泄漏及其位型。(5)探地雷達(dá)法。輸氣管道泄漏，使得周?chē)乇淼碾娦再|(zhì)會(huì)發(fā)生變化，探地雷達(dá)中的反射信號(hào)也會(huì)隨之發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)反射信號(hào)特征的分析判斷

20、管道泄漏。2基于軟件的方法基于軟件的方法又稱(chēng)為間接檢漏法，是指借助于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)因泄漏造成的影響，如流量、壓力、溫度等物理參數(shù)的變化來(lái)判斷泄漏是否發(fā)生以及時(shí)差性。綜述泄漏點(diǎn)的位置。主要包括：(1)質(zhì)量平衡法。根據(jù)流出和流入管道的介質(zhì)質(zhì)量體積之間的差值判斷管道泄漏。優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，可以檢測(cè)小流量泄漏；缺點(diǎn)是不能對(duì)泄漏做出定位，而且及時(shí)性型。(2)負(fù)壓波檢漏法。管道泄漏會(huì)產(chǎn)生沿管道分別向上、下游傳播的瞬態(tài)負(fù)壓波。在管道兩端分別安裝壓力傳感器，根據(jù)傳感器捕捉的負(fù)壓波判斷泄漏，并根據(jù)負(fù)壓波到達(dá)管道兩端的時(shí)間差定位泄漏。負(fù)壓波法因其簡(jiǎn)單易行，是目前應(yīng)用較廣的一種泄漏檢測(cè)方法。(3)壓力梯度法。發(fā)

21、生泄漏時(shí)，管道內(nèi)的壓力分布發(fā)生變化，漏點(diǎn)前的流量增大，壓力梯度變陡；漏點(diǎn)后的流量減小，梯度變平；管道內(nèi)壓力梯度呈折線狀下降：按照管道入口和出口的壓力梯度作線，交匯點(diǎn)就是泄漏的位置。(4)管內(nèi)智能爬行機(jī)法。爬行機(jī)已經(jīng)廣泛使用在管道工業(yè)中，配置各種傳感器的智能爬行機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)可以用來(lái)周期性檢測(cè)管道因腐蝕或其它原因造成的損傷，評(píng)估管道的完整性，發(fā)現(xiàn)泄漏和預(yù)報(bào)泄漏隱患。(5)統(tǒng)計(jì)檢漏法。泄漏導(dǎo)致管道內(nèi)壓力和流速之間的關(guān)系發(fā)生變化，根據(jù)管道兩端的流速和壓力，連續(xù)計(jì)算發(fā)生泄漏的統(tǒng)計(jì)概率。根據(jù)管道兩端流速和壓力及統(tǒng)計(jì)平均值估計(jì)泄漏速度，使用最小二乘法對(duì)無(wú)分支管道泄漏進(jìn)行定位。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需復(fù)雜的管道模型就可以達(dá)到

22、較高的檢測(cè)性能，計(jì)算量小，安裝費(fèi)用低和便于維護(hù)。(6)應(yīng)力波法。在管道上打孔產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)以應(yīng)力波的形式沿管道在管壁內(nèi)傳播。在管道外壁上安裝高靈敏度的應(yīng)力波傳感器并通過(guò)分析應(yīng)力波信號(hào)的功率譜來(lái)檢測(cè)并定位泄漏和打孔事件，也可以根據(jù)應(yīng)力波到達(dá)管道兩端的時(shí)間差進(jìn)行定位。(7)聲學(xué)方法。沿管道按照一定間隔離散地安裝大量傳感器，借助對(duì)泄漏孔兩側(cè)傳感器采集聲音信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理來(lái)檢測(cè)與定位泄漏。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了連續(xù)型分布式光纖傳感器進(jìn)行泄漏聲音檢測(cè)和定位。(8)實(shí)時(shí)模型法。建立管道實(shí)時(shí)模型，在一定邊界條件下求解管道內(nèi)流場(chǎng)，然后將計(jì)算值與管道兩端的實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。根據(jù)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的偏差判斷泄漏，

23、并根據(jù)管道內(nèi)壓力梯度變化確定泄漏點(diǎn)位置。目前，先進(jìn)國(guó)家對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)的研究主要集中在負(fù)壓波法、智能爬行機(jī)、分布式光纖等幾個(gè)方面。1.3.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)管道工業(yè)起步較晚，泄漏檢測(cè)技術(shù)相對(duì)落后。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者開(kāi)展了管道泄漏檢測(cè)技術(shù)方面的研究。天津大學(xué)靳世久教授等對(duì)負(fù)壓波檢漏法進(jìn)行了實(shí)用化研究。浙江大學(xué)、西安石油大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波法檢測(cè)管道泄漏的方法進(jìn)行了研究。上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、南京理工大學(xué)等高校實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的國(guó)內(nèi)管道超聲波檢測(cè)系統(tǒng)研究。與國(guó)外管道泄漏監(jiān)測(cè)的發(fā)展相比，無(wú)論在技術(shù)上還是在應(yīng)用上都還存在一定的差距。1.4本論文研究的任務(wù)為了充分利用計(jì)算機(jī)資源對(duì)管道的

24、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 可從聲學(xué)角度研究典型管道破壞聲波的識(shí)別問(wèn)題。針對(duì)各種破壞方式信號(hào)的特點(diǎn), 采用相關(guān)法設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的天然氣管線泄漏聲波監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括傳感器、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集卡。設(shè)計(jì)中可采用NI 公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡來(lái)完成信號(hào)的采集和處理。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主控程序軟件；數(shù)據(jù)采集軟件；信號(hào)處理分析軟件；數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警軟件。第 二 章 虛擬儀器簡(jiǎn)介2.1引言虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問(wèn)世以來(lái)，世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI Lab VIE

25、W圖形化開(kāi)發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿(mǎn)足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。20年來(lái)，無(wú)論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的程序開(kāi)發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測(cè)量及控制的用戶(hù)中廣受歡迎，這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程語(yǔ)言。虛擬儀 器的圖形化數(shù)據(jù)流語(yǔ)言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流，同時(shí)地圖化的用戶(hù)界面直觀地顯示數(shù)據(jù)，使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入。 美國(guó)國(guó)家儀器公司NI（

26、NationalInstruments）提出的虛擬測(cè)量?jī)x器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而開(kāi)創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。 “軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和IO部件來(lái)構(gòu)建虛擬儀器。IO部件可以是獨(dú)立儀器、模塊化儀器、數(shù)據(jù)采集板（DAQ）或傳感器。NI所擁有的虛擬儀器產(chǎn)品包括軟件產(chǎn)品（如Lab VIEW）、GPIB產(chǎn)品、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、信號(hào)處理產(chǎn)品、圖像采集產(chǎn)品、DSP產(chǎn)品和VXI控制產(chǎn)品等。同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì)： 1.性能高虛擬儀器

27、技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全繼承 了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤(pán)的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。 2.擴(kuò)展性強(qiáng)NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。 3.開(kāi)發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)

28、件能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶(hù)的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案4.無(wú)縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。2.2虛擬儀器的分類(lèi)虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五

29、種類(lèi)型： （1）PC總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專(zhuān)用的軟件 圖2.1 ISA總線卡如Lab VIEW相結(jié)合（注：美國(guó)NI公司的Lab VIEW是圖形化編程工具，它可以通過(guò)各種控件自己組建各種儀器。Lab VIEW/CVI是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言Visual C+,Visual BASIC ,Lab VIEW/CVI構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，

30、PCI總線的虛擬儀器價(jià)格比較昂貴。 （2）并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國(guó)LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門(mén)和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。 （3）GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術(shù)是I

31、EEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子 圖2.2 CAN總線控制器測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)BPIB形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺(tái)儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。 （4）VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線V

32、ME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。 （5）PXI總線方式虛擬儀器 PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高

33、速通訊的局總線。PXI的高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有34個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)使用PCIPCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。2.3虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程1、GPIBVSIPXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）GPIB 于1978年問(wèn)世，VXI于1987年問(wèn)世，PXI于1997年問(wèn)世。 2、PC插卡并口式串口USB方式（適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）PC插卡式于80年代初問(wèn)世，并行口方式于1995年問(wèn)世，串口USB方式于1999年問(wèn)世。 綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)

34、重要因素。計(jì)算機(jī)是載體,軟件是核心高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。2.4虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件。用戶(hù)用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。 2.4.1虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)

35、一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬 件平臺(tái)可以是各種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。 按照測(cè)控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 2.4.2虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成 測(cè)試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實(shí)用成果時(shí)，就用軟件就是儀器來(lái)表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器

36、中的重要位置。NI公司從一開(kāi)始就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)，在虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。 2.4.2.1儀器面板控制軟件 儀器面板控制軟件即測(cè)試管理層，是用戶(hù)與儀器之間交流信息的紐帶。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的

37、對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。 2.4.2.2數(shù)據(jù)分析處理軟件 利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。 2.4.2.3儀器驅(qū)動(dòng)軟件 虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動(dòng)器與通信接口及使用開(kāi)發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級(jí)的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開(kāi)發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動(dòng)器是虛擬儀器的核心，是用戶(hù)完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的核心是驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)/VI集，函數(shù)/VI是指組成驅(qū)動(dòng)的模塊化子程序。驅(qū)動(dòng)程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、

38、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù)/VI層，它根據(jù)具體測(cè)量要求調(diào)用底層的函數(shù)/VI。 2.4.2.4通用I/O 接口軟件 在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來(lái)越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)， 即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫(xiě)的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設(shè)備上，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)周期，而且徹底改變了測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)的方式和手段。 2

39、.5虛擬儀器系統(tǒng)軟面板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器軟面板是用戶(hù)用來(lái)操作儀器，與儀器進(jìn)行通信，輸入?yún)?shù)設(shè)置，輸出結(jié)果顯示的用戶(hù)接口。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是： （1） 按照VPP規(guī)范設(shè)計(jì)軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性、可移植性。 （2） 根據(jù)測(cè)試要求確定儀器功能。根據(jù)測(cè)試任務(wù)確定儀器軟面板具體測(cè)試、測(cè)量功能，開(kāi)關(guān)、控制等設(shè)置要求。 （3） 用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)軟面板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，一個(gè)虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個(gè)虛擬儀器組成，每個(gè)虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。 2.6虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案在虛擬儀器系統(tǒng)的組建方案，主要包括底層硬件、軟硬件接口、應(yīng)用程序以及驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。 2.6

40、.1制定所設(shè)計(jì)儀器的接口形式 如果儀器設(shè)備具有RS232串行接口，則直接用連線將儀器設(shè)備和計(jì)算機(jī)的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口，需要額外配備一塊GPIB-488接口板，將接口板插入計(jì)算機(jī)的ISA插槽，建立起計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的通信橋梁。如果使用計(jì)算機(jī)來(lái)控制VXI總線設(shè)備，則需要配置一塊GPIB接口卡，通過(guò)GPIB 總線與VXI主機(jī)箱零槽模塊通信。零槽模塊的GPIB-VXI翻譯器將GPIB 的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數(shù)據(jù)以一定的格式傳回主控計(jì)算機(jī)。DAQ數(shù)據(jù)采集卡是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的，因此可以將數(shù)據(jù)采集卡直接插到計(jì)算機(jī)的插槽上。 2.6.2開(kāi)發(fā)硬件采集卡 一種典

41、型的數(shù)據(jù)采集卡組成包括，先用傳感器把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量，采樣/保持器可以保持信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行采集，以便ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，提高ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。實(shí)現(xiàn)在測(cè)量中同時(shí)對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。多路模擬開(kāi)關(guān)可以分時(shí)選通多個(gè)輸入通道的某一路信號(hào)，這樣在多路開(kāi)關(guān)后的單元電路，只需一套即可，也可以采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多路選擇控制。當(dāng)傳感器輸出的信號(hào)比較小，可以用放大器放大和緩沖輸入信號(hào)，如果采用的是可編程增益放大器就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行增益選擇控制確定增益倍數(shù)。精度及性能是儀器系統(tǒng)的生命，而這完全依賴(lài)于提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的信號(hào)采集控制電路，因此在硬件采集電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)所設(shè)計(jì)的虛擬儀器所要達(dá)到的性

42、能指標(biāo)和被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理與否，對(duì)系統(tǒng)的可靠性、性能價(jià)格比等有直接影響，在硬件和軟件功能的設(shè)計(jì)上要盡量使虛擬儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低廉，選用合適的單元器件，盡可能的提高采集卡采集的精度和速度。 2.6.3確定設(shè)計(jì)采集卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序方案 采集卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是控制各種硬件采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，是連接主控計(jì)算機(jī)與信號(hào)采集調(diào)理部件的紐帶。驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶(hù)提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集，它是虛擬儀器核心軟件之一。 2.6.4確定虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用程序編程語(yǔ)言 虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的性能和靈活性方面作用很大，因此在開(kāi)發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的軟

43、件部分時(shí)，首先要根據(jù)所開(kāi)發(fā)的虛擬儀器功能和性能，確定應(yīng)用程序和軟面板程序的模塊結(jié)構(gòu)和功能，畫(huà)出各部分的流程圖，采用合適的編程語(yǔ)言。在編制虛擬儀器軟件中可采用兩種編程方法。一種是采用面向?qū)ο蟮目梢暬母呒?jí)編程語(yǔ)言，如VC+、VB和Delphi等編寫(xiě)虛擬儀器的軟件，這種方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)靈活性高，易于擴(kuò)充和升級(jí)維護(hù)。另一種是采用圖形化編程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用圖形化編程的優(yōu)勢(shì)是軟件開(kāi)發(fā)周期短、編程較簡(jiǎn)單，特別適合工程技術(shù)人員使用?？傊诰帉?xiě)程序時(shí)，要盡可能的讓每一模塊都有一定的獨(dú)立性，模塊之間明確定義接口，模塊之間可以采用數(shù)據(jù)傳遞的形式進(jìn)行聯(lián)系。 2.6.5軟件調(diào)試和運(yùn)行 程序編寫(xiě)好

44、以后要對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，可以通過(guò)采集各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來(lái)驗(yàn)證虛擬儀器系統(tǒng)功能的正確性和性能的優(yōu)良性。小 結(jié)本章從硬件與軟件兩個(gè)方面對(duì)虛擬儀器進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，即虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì)： 性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少和無(wú)縫集成。虛擬儀器技術(shù)將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于測(cè)試儀器之中，利用良好的虛擬儀器軟件平臺(tái)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的圖形顯示功能，在屏幕上虛擬出與傳統(tǒng)儀器相似的顯示面板，用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)操縱面板上的虛擬開(kāi)關(guān)、旋鈕、按鍵等，去控制儀器的運(yùn)行、了解儀器的狀態(tài)、讀取并打印測(cè)

45、試結(jié)果等。另外，虛擬儀器開(kāi)發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便，易于應(yīng)用新理論與和新技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀器的換代升級(jí)。第 三 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1天然氣管線泄漏的聲波檢測(cè)與定位的原理與設(shè)計(jì)建立基于Lab VIEW的天然氣管線泄漏的聲波監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)，應(yīng)該體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：該設(shè)計(jì)能夠通過(guò)對(duì)泄漏聲波信號(hào)的綜合分析，首先判定管線是否泄漏，如果泄漏，再進(jìn)行進(jìn)一步的分析，通過(guò)數(shù)字濾波、頻譜分析和相關(guān)分析等信號(hào)處理函數(shù),對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，要實(shí)時(shí)的更新監(jiān)測(cè)信息。要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡量標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，有一定的通用性，不必改動(dòng)太多就能適應(yīng)新情況。1.運(yùn)用測(cè)控方面的先進(jìn)技術(shù)，選用價(jià)格合理的設(shè)備，結(jié)合課題應(yīng)用智能傳感器，嵌入式

46、系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等提高系統(tǒng)性?xún)r(jià)比，縮短開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)要求操作和維護(hù)方便，人際界面友好。2.要求系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠最大程度的精確泄漏與泄漏位置。圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3.2聲波檢測(cè)天然氣泄漏與定位的原理依據(jù)聲波不但能在空氣中傳播, 而且能在液體和固體中傳播。在空氣中傳播其傳播速度僅為340 m /s左右, 在鋼管表面?zhèn)鞑テ鋫鞑ニ俣仍? 000 m / s左右。 在天然氣管線的運(yùn)輸過(guò)程中，通過(guò)安裝在天然氣管線首末兩端的聲波傳感器會(huì)接受到管道內(nèi)的聲波信號(hào)。在泄漏處會(huì)產(chǎn)生泄漏的聲波信號(hào)。其低頻信號(hào)能夠遠(yuǎn)距離傳輸。這樣，只要在管道首末端安裝能夠檢測(cè)到泄漏聲波信號(hào)的傳感器并對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行分析，就可

47、以檢測(cè)到兩個(gè)傳感器之間任一發(fā)生泄漏。當(dāng)管道遭到破壞時(shí), 破壞信號(hào)會(huì)沿管線上、下游傳送, 根據(jù)信號(hào)到達(dá)管線上兩個(gè)傳感器的時(shí)間差,可計(jì)算出破壞位置 。天然氣管道泄漏點(diǎn)定位原理如圖所示:圖3-2管道泄漏定位示意圖設(shè)兩傳感器間距離L為已知條件，X為泄漏點(diǎn)距首端傳感器的距離，對(duì)于燃?xì)廨斔凸艿?，設(shè)泄漏聲波傳播速度為a，管道內(nèi)氣體流速為V，一般有a比V大兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這樣可以認(rèn)為泄漏聲波從首端傳到末端與末端傳到首端的時(shí)間相等。設(shè)泄漏點(diǎn)X處產(chǎn)生的泄漏聲波到達(dá)首端傳感器和末端傳感器的時(shí)間分別為t1，t2，計(jì)算公式為： t1=Xa-V （3-1） t2=L-xa+V （3-2）當(dāng)氣體管道出現(xiàn)泄漏時(shí)，根據(jù)首末兩個(gè)

48、端點(diǎn)聲波傳感器所檢測(cè)到的聲波信號(hào)的時(shí)間差，即可估算聲波泄漏點(diǎn)的位置，如式（3-3） S = t2- t1= L-xa+V - Xa-V （3-3）X = 12aL（a-V）+（V2-a2）S （3-4）式中：L為首末端傳感器距離，單位為m，X為泄漏點(diǎn)到首端傳感器的距離，單位為m，a為管內(nèi)聲波的傳播速度，單位為ms，V為管內(nèi)氣體的流速，單位ms，S為首末端泄漏聲波到達(dá)的時(shí)間差，單位為s，設(shè)首端泄漏產(chǎn)生泄漏聲波傳到末端有t1=0，t2=L-xa+V；再設(shè)末端泄漏產(chǎn)生泄漏聲波傳到首端，則有t2=0，t1=La2V。兩者時(shí)間差的絕對(duì)值為t2-t1=2Va2-V2L （3-5）因?yàn)?，aV100，由此引起

49、的定位誤差在首末端傳感器距離L的0.01以下，因此已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的精度,所以計(jì)算時(shí)忽略V對(duì)a的影響，令V=0，公式（3-4）簡(jiǎn)化為 X = L-aS2 （3-6） 首末端傳感器距離L 在安裝時(shí)已經(jīng)確定,管道中泄漏聲波傳播速度a近似為音速, 那么泄漏點(diǎn)到首端傳感器的距離X主要取決于首末端泄漏聲波到達(dá)的時(shí)間差S的確定。3.3管道破壞實(shí)驗(yàn)為了研究管道在遭到破壞時(shí)信號(hào)的多樣性，在尺寸已經(jīng)確定的官道上進(jìn)行各種破壞方式的聲模擬實(shí)驗(yàn)。采集到的典型管道遭到敲擊破壞的波形特點(diǎn)是信號(hào)時(shí)域信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短, 主要能量集中在4-5Khz左右。典型管道遭到切割破壞所采集到的波形的特點(diǎn)是信號(hào)的主要能量以3Khz為中心向兩

50、邊緩慢衰減，用工具破壞時(shí), 時(shí)域信號(hào)是周期性的, 頻譜集中在6Khz以下。 典型管道泄漏所采集到的波形的特點(diǎn)是信號(hào)的主要能量集中在低頻區(qū)域(20Khz以下)。3.4管線聲波監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)以上各種破壞方式的特征分析, 通過(guò)合理的軟件設(shè)計(jì), 采用虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)了天然氣管線聲波在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)首先讀入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波, 然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。當(dāng)信號(hào)中存在過(guò)閾值的數(shù)據(jù)時(shí), 根據(jù)信號(hào)的頻率特征進(jìn)行相關(guān)分析, 同時(shí)報(bào)告泄漏位置。作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái), 和其他同類(lèi)產(chǎn)品相比, LABVIEW在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫骘@示了強(qiáng)大的功能 。在這里綜合運(yùn)用數(shù)字濾波、頻

51、譜分析和相關(guān)分析等信號(hào)處理函數(shù), 使定位精度進(jìn)一步提高。該系統(tǒng)核心采用對(duì)泄漏聲波的互相關(guān)分析，求出極大值的算法確定時(shí)間, 從而進(jìn)行泄漏點(diǎn)的定位。小 結(jié) 本章綜合講述了天然氣管線泄漏聲波檢測(cè)與定位設(shè)計(jì)的基本理論依據(jù)，主要包括天然氣泄漏的原理，管道破壞試驗(yàn)，及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。在天然氣管線泄漏的原理中，重點(diǎn)闡述了如何判斷管線泄漏，通過(guò)聲波如何定位泄漏點(diǎn)的原理，列出了具體的運(yùn)算公式，對(duì)于定位至關(guān)重要的時(shí)間差給出了詳細(xì)的運(yùn)算公式。在管道破壞試驗(yàn)中，敘述了典型的管道破壞信號(hào)的波形及其特點(diǎn)。最后，簡(jiǎn)明的概括了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 第 四 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1天然氣管線泄漏的聲波檢測(cè)與定位系統(tǒng)的硬件組成4.1.1

52、傳感器概述隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近20年來(lái)，電子技術(shù)日新月異，計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用把人類(lèi)帶到了信息時(shí)代，各種電器設(shè)備充滿(mǎn)了人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，相當(dāng)大一部分的電器設(shè)備都應(yīng)用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)有極其重要的地位。 人是通過(guò)視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等感官來(lái)感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人做出相應(yīng)的動(dòng)作，這是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通過(guò)人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人總不能利用觸覺(jué)來(lái)感知超過(guò)幾十甚至上千度的溫度吧，而且也不可能辨別溫度的微小變化，這就需要電子

53、設(shè)備的幫助。同樣，利用電子儀器特別像計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來(lái)代替人的勞動(dòng)，那么計(jì)算機(jī)類(lèi)似于人的大腦，而僅有大腦而沒(méi)有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”即傳感器。 人的五管是功能非常復(fù)雜、靈敏的“傳感器”，例如人的觸覺(jué)是相當(dāng)靈敏的，它可以感知外界物體的溫度、硬度、輕重及外力的大小，還可以具有電子設(shè)備所不具備的“手感”，例如棉織物的手感，液體的粘稠感等。然而人的五官感覺(jué)大多只能對(duì)外界的信息作“定性”感知，而不能作定量感知。而且有許多物理量人的五官是感覺(jué)不到的，例如對(duì)磁性就不能感知。視覺(jué)可以感知可見(jiàn)光部分，對(duì)于頻域更加寬的非可見(jiàn)光譜則無(wú)法感覺(jué)得到，像紅外線和紫外

54、線光譜，人類(lèi)卻是“視而不見(jiàn)”。借助溫度傳感器很容易感知到幾百度到幾千度的溫度，而且要做到1的分辨率輕而易舉。同樣借助紅外和紫外線傳感器，便可感知到這些不可見(jiàn)光，所以人類(lèi)才制造出了具有廣泛用途的紅外夜視儀和X光診斷設(shè)備，這些技術(shù)在軍事、國(guó)防及醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有著極其重要的作用。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工廠的自動(dòng)流水生產(chǎn)線，全自動(dòng)加工設(shè)備，許多智能化的檢測(cè)儀器設(shè)備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們?cè)诤侠砘剡M(jìn)行生產(chǎn)，減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。在家用電器領(lǐng)域，全自動(dòng)洗衣機(jī)、電飯褒和微波爐都離不開(kāi)傳感器。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子脈搏儀、體溫計(jì)、醫(yī)用呼吸機(jī)、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）

55、及核磁共振診斷設(shè)備，都大量地使用了各種各樣的傳感技術(shù)。這些對(duì)改善人們的生活水平，提高生活質(zhì)量和健康水平起到了重要的作用。在軍事國(guó)防領(lǐng)域，各種偵測(cè)設(shè)備，紅外夜視探測(cè)，雷達(dá)跟蹤、武器的精確制導(dǎo)，沒(méi)有傳感器是難以實(shí)現(xiàn)的。在航空航天領(lǐng)域，空中管制、導(dǎo)航、飛機(jī)的飛行管理和自動(dòng)駕駛，儀表著陸盲降系統(tǒng)，都需要傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙測(cè)都與傳感器緊密相關(guān)。沒(méi)有傳感器，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能那是不可能的。 此外，在礦產(chǎn)資源、海洋開(kāi)發(fā)、生命科學(xué)、生物工程等領(lǐng)域傳感器都有著廣泛的用途，傳感器技術(shù)已受到各國(guó)的高度重視，并已發(fā)展成為一種專(zhuān)門(mén)的技術(shù)學(xué)科。 傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大

56、支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益、科學(xué)研究與生產(chǎn)技術(shù)的水平有著舉足輕重的作用。傳感器技術(shù)水平高低不但直接影響信息技術(shù)水平，而且還影響信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，傳感器技術(shù)已滲透到科學(xué)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及改善人民生活等方面，起著越來(lái)越大的作用。許多尖端科學(xué)和新興技術(shù)更是需要新型傳感器技術(shù)來(lái)裝備，計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，離不開(kāi)傳感器，新型傳感器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，不但使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了嶄新時(shí)代，也為傳感器技術(shù)展現(xiàn)了一個(gè)更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。4.1.2傳感器的選型原則傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的物理量的測(cè)量裝置。圖4-1傳感器工作流程圖傳感器的選型主要從測(cè)量對(duì)象和環(huán)境、靈敏度、頻率響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。（1）根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境。要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多