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摘要：虚拟仪器是最新的PC技术、先进的测试技术和强大的软件包等多种技术的集成。本文以水利测量自动化、集成化和水利信息数字化为背景，探讨了虚拟仪器在实际水利测量中的应用和综合测量仪器的开发方法。
关键词：虚拟仪器技术；水利测量
前言
随着计算机技术、3S（RS，GIS，GPS）以及一些先进测量手段在水利工程中的广泛应用，水利测量事业进入了一个新的发展阶段。作为水利学科主要研究对象的江河湖海等大尺度客体，其影响因素纷繁复杂，内部运行规律难以准确描述，最有效的研究手段就是借助大量的水文水质仪器进行自动的测量和观察。对流速、流量和压力这些参数的精确测量有助于对流体特征的掌握，对实验研究和掌握规律都是十分有利的。然而，传统的水利测量仪器普遍存在着开发周期较长、功能单一、测量点分散、价格高、维护困难、种类少、可靠性低、不能统一存储和显示数据、实时性和扩展性差等缺点。在注重测量结果准确可靠的前提下实时性、系统性、集成化、网络化已成为对水力测试系统新的要求，而现有的传统测试系统及所采用的测量方法已不能满足水力试验新的要求。另外，目前兴起开发“数字河流，、数字水务、数字水库”等热点项目，原有的测量、控制方法也远远不能满足需求，所以有必要对有水利测量工具和系统的技术进行改进。正在仪器开发设计领域新起的虚拟仪器技术正好能满足水利测量仪器进一步发展的需求。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。利用这项新的技术设计开发的测量仪器，还能够十分方便的组成强大的测量网络，并可以通过网络远程传输数据，控制仪器，适应水利工程数字化发展的趋势。
1.虚拟仪器的基本理论
虚拟仪器系统是对传统仪器概念的重大突破，它是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。虚拟仪器是最新的PC技术、先进的测试技术（如VXI/PXI功能模块仪器）和强大的软件包等多种技术的大集成。美国国家仪器公司（Nationalln-struments，NI）首先提出了基于计算机技术的虚拟仪器的概念，研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器（virtualin strumention）是基于计算机的仪器。与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据实际需求构建起不同的系统。虚拟仪器打破了传统仪器功能为厂家定义，用户无法修改的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动测试系统。虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。通用的硬件就是计算机平台和数据采集设备。软件则是根据不同需求编写。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
2虚拟仪器与传统仪器比较
传统仪器的属性是：从普遍定义上说一台单独存在的机械装备。观其表面，其结构部件的配置，基本由操作的界面、信号的输入处、运出测验结果等。操作版面的配件有：开关、按钮、旋钮等部件。数字、指针式表头、图像窗口、打印输出等属于运出测验结果的形式。分析其功能定义：搜罗与控制信号、拆分与管理信号、运出与传达结果等方面。传统仪器在性能上，普遍经过固定性的软件得以表现出来。它的构成框架决定了传统仪器的生产模式：仪器厂家是唯一的生产方式，并且它的性能与范畴属于固定的模式。
现代社会化大生产改变了电子仪器需求条件，其要求电子仪器在种类上，品种更丰富化，在功能上要求电子仪器更强大化、精确度更高，对电子仪器在测验速率上更加快速，时效性能强，人机界面性能较好。虚拟仪器的配置都可以由用户按照自己的喜好进行组建，把计算机系统、硬件、软件以及附件连接到一块，组成符合自身要求的仪器装备。
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传统或者虚拟它们的类型也许存在差异性，但是在功能上，本质性能实际上是差不多的，其所实现的操作，同样是数据搜集、数据解析、显示测验结果。它们之间唯一存在的本质性区别则是运行时灵活度的差别。通常来讲，性能通过生产工厂设定、性能不变的单独设备，如：测距仪、万用表、电子尺等，就不具备能够让用户进行自定义操作的灵活性功能。故虚拟仪器将传统仪器取代，其结果存在着至关重要的受益作用。
3虚拟仪器不同领域的应用
虚拟仪器在电子测量技术中的发展，其运用的总线方式不一样，功能以及性能在持续的提升，虚拟仪器与相比传统仪器所具备的性能更先进、更实用。虚拟仪器被推广应用于许多领域中，正如：在VXI总线的基础上的军工虚拟仪器与在虚拟仪器的边界基础上扫描测试系统等等。虚拟仪器的应用主要在以下几方面：
①虚拟仪器应用与测量技术上。虚拟仪器的系统上的灵活性、开发性和依旧能够保持与计算机技术进行同步，致使它能够不断地提高测量方面的基准度，将测量成本最大限度地降低，并且能够将用户的开发时间大大的节省。
②将虚拟仪器结合与监控层面上。使用虚拟仪器在采集上能够及时进行采集与将传感器上传输过来的数据进行记录，并对数据进行统计、频域分析、数字滤波等技术处理，进而使得监控功能得以实现。例如：在水质监测与远程监测系统的应用上充分发挥其能动作用。
③工程处理过程中虚拟仪器使用状况。其应用于工程处理的不同阶段，都能够为其提供非常出的服务：无论是研发、设计还是到生产测试，都可以做出出色的服务。经典的例子是：在的基础上的虚拟仪器，其集中了报警管理、历史数据追踪、安全、网络、工业I/U、企业内部连网等众多功能于一身。这些功能在生产时，能够轻易地使工业配置相结合，并实行运用，将老式仪器设备的使用率大大降低。
4虚拟仪器技术在水利测控系统中的应用
利用虚拟仪器技术可方便地对常规的水利测量仪器进行改造，通过计算机连接数据采集卡，从而设计出功能强大的用于水利测量的系统。常规的水利测量仪器如水位仪，旋桨，热丝流速仪，压力计以及电磁流量计等，都可以方便地通过接日转换卡转换成符合虚拟仪器总线标准的设备，从而集成到虚拟测控系统中，通过数据采集卡完全依靠一台计算机就可控制多台测量仪器。实现对流速、流量和水压等参数的实时监控，并直观的在显示屏上子以表示，具有显示回放、打印和分析的功能，最后还可以运用现代网络技术实现远程测量。当然还可以通过在计算机上插上合适的板卡对一些对象进行动态监控，如控制闸门的步进电机就是常常需要监控的对象，从而组成一个独立的测控系统。根据实践，利用LabVIEW开发出的虚拟仪器测控系统，做出的控制界面内容丰富、漂亮，控制方便可靠，编程容易。另外，现在发展的一些比较先进的流场流速测量技术，如激光多普勒测速仪（PDA）、三维热丝风速仪、粒子图像测速仪（PIV）等在开发过程中需要对多台测量装置进行实时同步控制，如PIV还需要对所得的图像进行匹配和数据处理，如果使用传统的思路和语言如VB，VC ++等开发，工作量很大，利用LabVIEW来进行开发，则会大大降低开发的周期和难度。得到的大量数据还可很方便地进行各种处理，进行图形化显示和互相交换，甚至与其他软件平台进行数据交换。总之，利用虚拟仪器的设计方法，可以设计出许多性能优异的服务于水利测量的仪器，系统功能可灵活定义，便于满足用户要求，且具有良好的人机界面，操作方便。
5结束语
综上所述，在科学信息技术日益发展与社会要求越来越高的当下，虚拟仪器越来越具备综合性与功能性，对水利测量精准度、可靠性的提升起到了主导性作用，从某层面上看来，虚拟仪器技术是一场意义重大的技术革命，对社会许多领域存在着深刻的影响力。在水利测量层面上，该领域的技术人员应当强化其技术上的研究，并有效的结合测量任务与目标，调整与优化软件的技术，强化技术的针对性，在水利测量应用过程中最大化地将虚拟仪器的领先技术发挥出来。
参考文献
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论文作者:黄士锋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/29
标签：虚拟仪器论文; 测量论文; 仪器论文; 水利论文; 技术论文; 功能论文; 系统论文; 《建筑学研究前沿》2017年第20期论文;