基于虚拟仪器技术的表面粗糙度测量仪院 系自动化学院专 业测控技术与仪器班 级5407102学 号3姓 名生指导教师卢艳军负责教师卢艳军航空工业学院20XX6月 / 摘 要表面粗糙度是反映零件表面光滑程度的物理量。它是在切削过程中,由刀具在工件表面上留下的刀痕而产生的。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的评定,但存在测量参数较少、测量精度较低、测量结果输出不直观等缺点,已不能满足现代工件测量要求。本文根据表面粗糙度的定义,利用反射式光纤传感器的特点,应用光纤位移传感器,设计了一个基于虚拟仪器技术表面粗糙度测量仪。本仪器除能解决传统仪器目前存在的问题外,还具有测量速度快、自动化程度高和良好的人机界面等优点。文章介绍了表面粗糙度的相关知识和反射式光纤位移传感器的工作原理,本设计系统分为上位机和下位机,下位机用于测量和采集数据,通过串口把数据传输到上位机,上位机用于对下位机采集到的数据进行处理,得出测量物体的表面粗糙度,对此数据进行显示和存储。关键词：单片机；光纤位移传感器；表面粗糙度；LabVIEWAbstractSurface roughness is a reflection of the extent of parts of the physical surface. It is in the process of cutting by the cutter in the workpiece surface, the marks left behind created. Currently widely used touch-stylus profilometer roughness of some parameters can be assessed, but there is less parameters, the lower the measurement accuracy, the measurement results are not intuitive, such as the shortcomings of the output can no longer meet the measurement requirements of modern work. In this paper, the definition of surface roughness based on the use of reflective characteristics of fiber-optic sensors, fiber-optic displacement sensor applications, design a virtual instrument based on surface roughness measuring instrument technology. In addition to the instruments of traditional instruments to solve the existing problems, but also with the measurement of speed and a high degree of automation and good man-machine interface and so on. In this paper, the surface roughness of the relevant knowledge and reflective fiber displacement sensor working principle, the design system is divided into upper and lower machine, the next-bit machine for measuring and gathering data through the serial port to transmit data to PC, PC machine for the next crew of the data collected to deal with, come to the surface roughness measurement of objects, for which the data display and storage.Keywords:single chip computer; fiber optic sensor; surface roughness;LabVIEW目 录第1章 绪论11.1 立题意义11.2 光纤传感技术的发展与现状11.3 虚拟仪器测试技术发展31.4 表面粗糙度测量技术的发展41.5 本文研究容5第2章 粗糙度的基本概念62.1 表面粗糙度的概念62.2 表面粗糙度的测量参数62.3 反射式光纤位移传感器的结构72.4 反射式光纤位移传感器输出特性72.5 粗糙度测量原理8第3章 粗糙度测量仪的总体方案设计103.1 下位机硬件方案设计103.1.1 传感器的选择103.1.2 光纤传感器特性实验113.1.3 单片机数据采集和传输电路的设计113.2 下位机软件系统设计113.3 上位机总体设计12第4章 粗糙度测试仪的下位机设计144.1 信号调理电路144.2 单片机及其外围扩展电路的设计144.2.1 单片机介绍144.2.2 时钟电路设计164.2.3 复位电路的设计174.2.4 A/D转换电路的设计174.2.5 串行通信的设计204.3 下位机软件设计224.3.1 主程序设计224.3.2 ADC0809转换程序设计234.3.3 串口通信程序设计24第5章 粗糙度测试仪的上位机设计255.1 VISA简介255.2 VISA库中的串口通讯函数265.3 串行通信程序设计275.3.1 串行通信初始化的设计275.3.2 串口写入程序设计285.3.3 串口读取节点程序设计295.4 数据处理程序设计295.5 数据存储305.6 前面板设计30第6章 调试与验证326.1 下位机调试326.1.1 调试分析的一般过程326.1.2 硬件调试336.1.3 软件调试336.1.4 软硬件联调336.2 上位机调试346.3 调试故障及原因分析346.4 测试验证35结论36社会经济效益分析37参考文献38致40附录电路图41附录元器件清单43附录程序清单44第1章 绪论1.1 立题意义表面粗糙度是机械零件的一个主要精度指标,对零件的性能会产生重要的影响。零件表面粗糙度会直接影响零件的配合性质、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性以及密封性等。因此,关于表面粗糙度测量的研究一直没有停止,传统的测量方法有比较法、针描法的、光切法、干涉法和印模法等多种,主要是使用样板、电动廓仪、光切显微镜、干涉显微镜等多种工具和计量仪器。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的测量评定,但存在测量参数较少,测量精度较低,测量结果的输出不直观等缺点,已不能满足现代工件的测量要求,迫切需要开发研制新型的表面粗糙度测量仪来满足现代精密工件的测量要求,基于虚拟仪器技术开发出的表面粗糙度测量仪,除能解决传统仪器目前存在的问题外,还具有测量速度快,自动化程度高和良好的人机界面等优点,而且价格便宜,通用性强,将具有较大的市场潜力和应用价值。基于虚拟仪器技术的表面粗糙度参数测量仪,就是通过设计编写表面粗糙度参数测量的软件控制程序, 使得仪器的测试更加多样化,灵活,只要加上必要的硬件设备就可以根据用户需要构成测试仪器。1.2 光纤传感技术的发展与现状现代科学技术的迅猛发展,使人类社会从高度工业化向信息化转变。在信息化时代,人类将主要依靠对信息资源的开发及其变换、传输和处理进行社会活动。传感器是感知、获取、检测和转化信息的窗口,是实现信息化时代的主要技术基础。光纤与激光、半导体光探测器一样,是一种新兴的光学技术,形成了光电子学新的领域。是20世纪后半期重大发明之一。光纤传感技术是七十年代末期发展起来的一项新技术,它是纤维光学在非通信领域的应用。光纤传感技术是一门多科性学科,涉及知识面很广,如纤维光学、光电器件、电磁学、流体力学、弹性力学以及电子线路和微机应用等等。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可绕曲、体积小、结构简单以及光纤传输线路的相容性等独特的优点,受到世界各国广泛的重视,并具有十分广阔的发展前景。光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区,在调制区,外界被测参数与进入调制区的光相互作用,使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光,再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感器按其传感原理分为两类：一类是传光型光纤传感器；另一类是传感型光纤传感器。光纤传感技术优于其他传感技术的原因在于它是在光纤通信的基础上发展的。光纤通信拥有一个广阔的市场,能提供一系列低价格的器件,更重要的是,它形成一门能为光纤传感器所使用的基础科学。光纤传感器的概念不是新的,早在60年代中期就出现了第一个专利。它包括采用传光束的机械位移传感器和采用相位调制的超声波传感器。但是,在更为广阔领域,即现在所说的光纤传感技术,取得系列研究却是在10年之后,从那时起光纤技术就突破了徘徊不前的初始状态,进入了一日千里的时代。在70年代中期,人们开始意识到光纤本身可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待侧的量和光纤的导光联系起来。1977年,美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划,这被认为是光纤传感器问世的日子。此后,光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70年代中期到80年代中期近十年的时间,光纤传感器已达近百种,它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。在美、英、德、日等国,尤其是美国,光纤传感器研究开始的都很早,投资也很大,并且已经有许多成果都申请了专利。我国光纤传感器的研究工作起步较晚,1983年,国家科委新技术局在召开了光纤传感器的第一次全国性会议。研究工作主要在高等院校和研究所。研究的光纤传感器用于测量电流、电压、电场、磁场、温度、水声、压力、位移、速度、转动、应力、液位、浓度、pH值等物理量,并己取得初步成果。用于光纤传感器的特殊光纤、有源和无源器件等,国也有单位研制。我国对光纤传感器的研究极为重视,在七五规划中就已提出了15项光纤传感器项目。1.3 虚拟仪器测试技术发展虚拟仪器Virtual Instrument简称VI。VI是计算机技术在仪器科学与技术领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类 , 它是适应卡式仪发展而提出的。传统仪器主要由控制面板和部处理电路组成 , 而卡式仪器由于自身不带仪器面板 , 所以必须借助计算机强大的图形环境 , 建立图形化的虚拟面板 , 完成对仪器的控制、数据分析和显示。VI集成了当今的各领域高新技术 , 包括计量测试理论、传感技术、一次仪表和二次仪表、计算机等相关技术 , 运用虚拟现实技术令硬件尽可能软化 , 软件尽可能集成化 , 其重心不仅是相应的软件系统 , 还应该包含硬件装置、测量方法和手段等的整个测试系统 , 甚至还包含了被测对象。VI 应是对用户开放的 ,允许用户介入并定义其若干功