應用領域：研究與開發 使用產品：LabVIEW6.0，PCI-6024E 多功能數據采集卡等。 挑戰：研制一套基于虛擬儀器技術的紗線動態張力檢測系統，在性能得到充分保障的前提下，經濟性顯著提高，系統靈活性明顯增強。 解決方案：使用National Instruments 公司的LabVIEW 圖形化編程平臺，PCI-6024E 多功能數據采集卡，結合性能優良的張力傳感器，實現動態張力的時實檢測，并能按實際生產要求對數據進行分析與處理，顯示或輸出所需圖形與數據。 摘 要：紗線動態張力的檢測在紡織生產中有著很重要的意義。本文給出了一種基于LabVIEW的紗線動態張力檢測系統。它充分利用虛擬儀器技術的優勢，方便的實現了信號的采集和數據的分析與處理。將系統應用于實際的生產過程，已證實能夠取得良好的效果，生產的經濟效益得到提高。 0 引言 虛擬儀器是一個新型的概念,是計算機技術在儀器儀表領域的應用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。它是計算機硬件資源、儀器測/控硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件之間的有效結合。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、觸發等功能, 強調在通用計算機平臺的基礎上, 通過軟件和軟面板, 把由廠家定義的傳統儀器轉變為由用戶定義的、由計算機軟件和幾種模塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現,徹底打破了傳統儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式。本系統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，其功能強大、應用便捷，是最成功的虛擬儀器軟件。由于虛擬儀器應用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數據分析、結果輸出和用戶界面等功能,使傳統儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機軟件所代替.因此, 從某種意義上可以說: 軟件就是儀器。如今，隨著電測技術以及網絡技術的發展，虛擬儀器技術必將成為儀器技術發展的主要方向。本文提出的這種新型的張力檢測系統——基于虛擬儀器的紗線動態張力檢測系統，是虛擬儀器技術在紡織行業的最新的應用，是虛擬儀器技術應用的擴展。能夠促進張力檢測水平的發展。 1 系統構成 基于虛擬儀器技術的張力檢測系統與傳統的張力檢測系統的最大差別在于虛擬儀器的應用。一方面虛擬儀器檢測系統利用LabVIEW 的開放性，使得傳感器和數據采集設備能夠得到充分的應用于合理的配置。對于不同的張力檢測對象以及不同的張力檢測環境，可以通過編制不同的檢測軟件和相應的設備組實現。這種柔性組建，高效可靠的虛擬儀器檢測系統適用于工業生產的許多環節。另一方面，檢測系統通過LabVIEW 強大的數據采集與總線連接庫，與測控儀表的智能接口GPIB、USB、VXI、PCI、RS-232 和IEEE-488.2 等實現數據通信。避免用檢測儀表直接進行張力檢測，可以提高測量數據的準確性與可靠性。虛擬儀器張力檢測系統的構成如圖1.1 所示。 [align=center] 圖1.1[/align] 2 軟件設計 虛擬儀器技術的核心是軟件。在繼承傳統編程語言結構化模塊的基礎上， LabVIEW 采用數據流程的圖形化G 語言編程技術，把復雜費時的軟件編程簡化為菜單替適合圖表連接調用。編制好的各種子程序SubVI 可用圖標表示。設定圖標中的有關參數，完成圖形化程序的初步編輯；連接圖標之間表示數據類型的輸入輸出線段，實現子程序之間的連接與調用。應用規則檢查、運行燈亮、斷點、探針和單步執行等對程序進調試與調用。基于虛擬儀器的紗線動態張力檢測系統軟件設計主要包括以下內容。 2.1 張力信號的采集 在張力檢測系統中，數據信號的采集是一個重要部分，信號的采集通過數據采集板完成。本系統采用的數據采集板PCI-6024E 多功能數據采集卡（DAQ），這種低價位卡采用E 系列技術，能夠在較大應用范圍內帶來高的運行效能和穩定的數據采集能力。系統采用了單端16 路模擬輸入，1 倍的增益，其性能滿足系統的需求。充分利用LabVIEW 中提供的工具和各種子函數模塊，并結合DAQ 的硬件優勢，不僅實現了信號的準確、快速的采集，而且能做出操作方便，形象逼真的儀器面板。下圖為數據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 數字的分析與處理 利用LabVIEW 進行虛擬儀器系統的另一個好處在于其強大的數據分析與處理功能。LabVIEW 是一個帶有擴展功能庫和子程序庫的通用程序設計系統。其開發環境下提供的應用程序有180 多種，除了具備其它語言所提供的常規函數功能和上述的生成圖形界面的大量模板外，內部還包括許多特殊的功能庫函數和開發工具庫以及多種硬件設備驅動功能。主要有：高級分析函數庫、工具箱庫、綜合時頻分析控制箱。 根據系統需要實現的功能，這里主要利用高級分析函數庫中的若干函數模塊。 傳統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果，必須借助于示波器、頻譜分析儀等以及相關的控制和接口電路來實現。一方面，這些價格昂貴的儀表之間的通訊組合，調試、操作與維護麻煩，而且造成測量結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問題，它可以通過軟件來實現這些由硬件完成的功能。以下介紹有關功能的實現。 在數字處理階段，要清除噪聲等干擾信號，可以運用高級分析函數庫中的濾波SubVI 組成濾波器對采集來的數字信號進行濾波處理。運用時域和頻域分析SubVI 組成示波器與頻譜分析儀，進行時域、頻域信號處理。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。 如對信號進行N 次采樣，將N 次采樣的結果DFT 變換的結果也是N 個采樣點，但它們位于頻域。時域及頻域中N 個采樣點之間的關系如下：如果采樣頻率為fsHz，采樣時間間隔為△t，滿足， 采樣點表示為x[ i ]，其中0≤i≤N-1，對N 個采樣點進行傅立葉變換的表達值是： 輸出結果[XK]就是x[ i ]的頻域顯示。于時域顯示類似，頻域顯示也有N 個采樣點，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，可以增大采樣點數（保持采樣頻率不變）或者減小采樣頻率（保持采樣點數不變）。利用這個函數，再輔以相應的參數，就可實現張力信號的頻域顯示，得到頻譜圖或功率頻譜。 同樣，可以利用高級分析函數庫中的相關數字處理函數生成張力曲線圖。另外，運用函數庫中的數值分析計算SubVI 得到張力的最大、最小值、平均值、標準方差以及變異系數和張力的頻度直方圖。當采樣的是非整數周期的信號時，為了防止頻譜信息丟失，進而導致失真，可以選用恰當的平滑窗口函數，將采集波形的過渡段最小化，從而較少頻譜的丟失。 2.3 測試結果的顯示、輸出與保存 根據實際生產的要求，系統不僅需要提供實時顯示功能，還要提供了數據、圖形及表格打印輸出與保存功能。該系統能夠方便的實現這些功能，在于LabVIEW 提供的文件I/O 功能函數是一組功能強大、伸縮性強的文件處理工具，可以很好的實現數據的顯示、輸出與保存這一功能。使用計算機控制，測量結果實時屏幕顯示與結果保存很方便。另外，計算機通過與外圍設備的連接，使儀器在測試狀態和分析狀態下均可以打印測試報告，測試報告的表頭部分可以自行定義。 2.4 系統錯誤提示與超標預警功能 在測試過程中，由于系統內部或者系統外部的原因導致測試系統無法正常運行時，系統出錯提示功能啟動，可以提供出錯信息，指明產生錯誤的原因，以便對系統進行調試處理。在長片段測量的過程中，以正常工作時的張力范圍為指標。一旦張力值持續超出這個指標，以至于影響到后續加工和產品質量時，系統預警功能啟動，提示工人進行有關參數的調整，使之恢復 到正常的工作狀況。 3 儀器校核 對于檢測系統而言，測試結果準確與否，與檢測儀器本身的精度以及靈敏度有著直接的聯系。因此，在儀器投入使用之前，都必須進行校核與調整。該儀器具備校核與調整的功能，而且校核與調整的過程相對簡單。正常狀況下，儀器的校核調整周期二個月左右。 儀器的校核包括以下兩個過程：零載荷調整，刻度標定。零載荷調整，指在載荷較小（取載荷為最大載荷的10%）的情況下，保證測量值在精度允許的范圍內，這個值可以根據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，同樣調整儀器使得測量值在誤差范圍內。而刻度標定則包含一個單位轉換的過程，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，傳感器的線性度可以保證測量的精度，當載荷超出這一范圍，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，必須采用相應的補償措施，以保證測量的精度。由于它直接關系到儀器的工作的準確性，因而也是整個儀器設計過程中重要的一個環節。 標定需要通過反復試驗確定，采用標準砝碼作為載荷對張力傳感器進行逐步校核驗證，結合產品的測量范圍與測量精度完成標定程序。當儀器第一次運行時，一般要求進行儀器校核。測試系統根據正規的操作規范以及調整次序，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 結論 基于LabVIEW 的紗線動態張力檢測系統，經過實際應用測試，能夠滿足高速化纖及紗線的張力檢測。由于該系統充分利用虛擬儀器的開放性和圖形化模塊式編程方式，面向計量測試工程師。根據被測對象的自身特性以及實際工作環境，編制相應的測試、分析處理和控制SubVI系列，并按不同的要求構建虛擬張力檢測系統和虛擬張力控制系統，是本系統開發的主要目的。進一步利用LabVIEW 的網絡通信功能，結合以數據庫為基礎的張力檢測與控制系統，還可以開發出遠程自動化張力檢測與控制裝置。 參考文獻 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：北京大學出版社，2002