基于虛擬儀器技術(shù)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究

1、基于虛擬儀器技術(shù)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究*羅頌榮(湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南常德，415003)摘要：為解決機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)振動(dòng)測(cè)試所需儀器繁雜、成本高的難題，把虛擬儀器技術(shù)引入解決機(jī)械工程領(lǐng)域中的振動(dòng)測(cè)試問(wèn)題。通過(guò)把計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了以筆記本電腦和應(yīng)用軟件為核心的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。使用筆記本電腦和USB2008數(shù)據(jù)采集卡搭建了硬件平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行的分析功能。通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)試結(jié)構(gòu)分析，得到了與理論相一致的測(cè)試結(jié)果。關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù)；振動(dòng)測(cè)試；LabVIEW；頻率域中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 TB52+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)兩門(mén)學(xué)科中的

2、最新技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物就是虛擬儀器技術(shù)，其有機(jī)地融合了計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)、圖形軟件編程技術(shù)、儀器原理和技術(shù)和測(cè)試?yán)碚?。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)由硬件和應(yīng)用軟件兩大塊，具體來(lái)說(shuō)其主要包括計(jì)算機(jī)硬件和具有圖形界面特征的能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)程通訊、數(shù)字分析與處理的應(yīng)用軟件組成，允許用戶根據(jù)自己的喜好把儀器廠家出廠定義的儀器功能進(jìn)行自定義，用戶根據(jù)自己的需要和要求有針對(duì)性地進(jìn)行選擇和使用，具有通用性強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。1虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械測(cè)試中，非常常見(jiàn)的一種測(cè)試是機(jī)械振動(dòng)的測(cè)試，如車(chē)輛平順性測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試和齒輪故障診斷等。測(cè)試過(guò)程的核心問(wèn)題是對(duì)獲取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析，在測(cè)試中需要傳感器、濾波

3、器、記錄儀、信號(hào)調(diào)理裝置和譜分析儀等，所需儀器繁雜，精度要求高，且測(cè)試周期長(zhǎng)。開(kāi)發(fā)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)地融合，構(gòu)建了以筆記本電腦為核心的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)1。用筆記本電腦和帶USB接口的數(shù)據(jù)采集卡搭建了硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的獲取，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器功能，完成信號(hào)分析。該測(cè)試分析系統(tǒng)有兩大部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。1.1硬件部分被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)或參數(shù)被加速度傳感器收集，通過(guò)信號(hào)處理裝置進(jìn)行放大后進(jìn)行濾波等處理，接著通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，其被轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)，最近送達(dá)筆記本電腦進(jìn)行處理。振動(dòng)測(cè)量中最常用的傳感器按各自的工作原理可分為

4、壓電式、壓阻式、電容式、電感式以及光電式。壓電式加速度傳感器因?yàn)榫哂袦y(cè)量頻率范圍寬、量程大、體積小、重量輕、對(duì)被測(cè)件的影響小以及安裝使用方便，所以成為最常用的振動(dòng)測(cè)量傳感器。本文選擇USB2008數(shù)據(jù)采集卡作為A/D轉(zhuǎn)換裝置，USB2008數(shù)據(jù)采集卡是高集成度、16通道、12位USB輸出數(shù)據(jù)采集卡，能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。1.2應(yīng)用軟件部分應(yīng)用軟件是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分。主要是對(duì)硬件獲取的信號(hào)利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析和顯示，包括波形顯示，相關(guān)分析、譜分析。應(yīng)用軟件是應(yīng)用經(jīng)典的振動(dòng)信號(hào)分析理論，利用圖形化編成語(yǔ)言 LabVIEW軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于虛擬儀器

5、技術(shù)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)其主要功能是通過(guò)應(yīng)用軟件來(lái)達(dá)到對(duì)振動(dòng)測(cè)試信號(hào)的分析與處理的目的。該應(yīng)用軟件是在LabVIEW7.1平臺(tái)上采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的基本思路開(kāi)發(fā)的2。該應(yīng)用軟件由4大功能模塊組成：信號(hào)波形顯示模塊、信號(hào)采集和存儲(chǔ)模塊、硬件設(shè)置模塊、信號(hào)的處理功能模塊，圖2為系統(tǒng)前面板。其中信號(hào)分析、處理模塊是核心模塊，該模塊對(duì)振動(dòng)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行經(jīng)典的幅值域分析，時(shí)域分析及頻域分析，包括有方差、均值、概率密度函數(shù)、自相關(guān)、互相關(guān)、幅值譜、自功率譜，互功率譜及倒頻譜等信號(hào)分析功能。測(cè)試方式有在線和離線兩種方式。用于信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一般用在線方式，測(cè)試分析能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)分析；采用的離線方式而是先把信號(hào)記錄

6、下來(lái)，然后再進(jìn)行分析和回放。圖2 振動(dòng)測(cè)試虛擬儀器系統(tǒng)控制2.1幅值域和時(shí)域分析模塊自相關(guān)分析、波形顯示和互相關(guān)分析主要用在時(shí)域分析中?；ハ嚓P(guān)反映出了兩個(gè)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)之間的相互依賴(lài)關(guān)系。自相關(guān)則用于判斷信號(hào)的隨機(jī)程度大小，可以檢測(cè)出混在隨機(jī)信號(hào)中的周期信號(hào)成分；自相關(guān)分析如圖3 所示。輸出和輸入信號(hào)的概率密度曲線和概率2 圖1 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密度分布曲線通過(guò)振動(dòng)幅值域分析模塊可以觀測(cè)到，同時(shí)也可以直接求出均值、均方值和方差等幅值域參數(shù)。圖4 是某次振動(dòng)測(cè)試的時(shí)域波形顯示圖。圖3 自相關(guān)分析程序方框圖2.2 頻率域分析模塊 圖4 時(shí)域波形顯示圖振動(dòng)信號(hào)的頻率域分析主要有互功率譜分析、幅值

7、譜分析、頻率響應(yīng)函數(shù)分析、倒頻譜分析和自功率譜分析等3。圖5 是振動(dòng)實(shí)時(shí)波形及倒頻譜分析程序的方框圖，從圖中可知，通過(guò)虛擬儀器應(yīng)用軟件中相應(yīng)的顯示波形和自功率譜等子程序模塊就能夠?qū)崿F(xiàn)以上這些功能。頻率響應(yīng)函數(shù)表示激振力和測(cè)量點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系，在振動(dòng)分析中有著非常重要作用。頻率響應(yīng)函數(shù)曲線也是模態(tài)參數(shù)識(shí)別的依據(jù)。圖6 是某次振動(dòng)測(cè)試的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線。數(shù)據(jù)處理時(shí)為了提高頻率分辨率，減少能量泄露4，采用加汗寧窗函數(shù)。從圖中可以看到幅值-相干曲線上看，相干系數(shù)有多處峰值，且固有頻率發(fā)生在峰值的附近，其結(jié)果與在固有頻率處發(fā)生相干的理論相果相符。圖5倒頻譜分析程序方框圖3結(jié)論 圖6頻率響應(yīng)函數(shù)曲線設(shè)

8、計(jì)的基于虛擬儀器技術(shù)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有性能高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少和無(wú)縫集成等特點(diǎn)，采集到的數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行信號(hào)處理。另外，為使獲得的測(cè)試曲線要符合實(shí)際情況，對(duì)其可以進(jìn)行擬合處理。基于虛擬儀器技術(shù)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能夠盡可能地減少測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件成本，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)分析和處理，其結(jié)果是測(cè)試周期大大縮短，分析準(zhǔn)確性大大提高。參考文獻(xiàn)1趙永立.基于LabVIEW 的車(chē)輛振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)研究D.河北工業(yè)大學(xué),2003.06：32-35.2吳國(guó)新,許寶杰,朱春梅.基于LabVIEW 的虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)J.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2000.12：3845.3黃長(zhǎng)藝,嚴(yán)普強(qiáng).

9、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)(第二版)M .北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.4李方澤.工程振動(dòng)測(cè)試與分析M.北京：高等教育出版社,1992.作者簡(jiǎn)介：羅頌榮，女，1973年生 湖南瀏陽(yáng)人。1996年畢業(yè)于湖南大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院汽車(chē)專(zhuān)業(yè) ，現(xiàn)任湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制與測(cè)量。聯(lián)系地址：湖南省常德市洞庭大道西段170號(hào)湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，郵編：415003。課題來(lái)源：湖南省教育廳2007年科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：07C447。Study of Vibration Measurement System Based On the Virt

10、ualInstrument Technology*Luo Songrong(Department of Mechanical Engineering, Hunan University of Science and Arts ,Hunan Changde, 415003) Abstract：In order to solve difficult problems or vibration testing instrument in the field of 4mechanical engineering such as complex test equipments and high cost

11、, the virtual instrument technology was introduced to solve problems of vibration test in the field of mechanical engineering. Through organic combination of both the computer technique and digital signal processing technology, vibration test system adopted laptop computers and application software as the core was constructed. Hardware platform was built by using USB2008 laptop computers and data acquisition card, on the basis of that, analysis function to various kinds of signals was realized. Through the anal