什么是虛擬儀器技術(shù)及減振實(shí)驗系統技術(shù)分析

本文講解了什么是虛擬儀器技術(shù),將會(huì )從它的組成和優(yōu)勢進(jìn)行分析，在根據虛擬儀器技術(shù)展開(kāi)對它的減振實(shí)驗系統的設計進(jìn)行深層次的分析。

振動(dòng)現象是自然界中普遍存在的一種現象，振動(dòng)問(wèn)題在工程中是要經(jīng)常面對地問(wèn)題，故振動(dòng)分析已成為各項工程技術(shù)研究與設計必不可少的環(huán)節。伴隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應用，測量?jì)x器不斷進(jìn)步，從最初的模擬儀器依次發(fā)展到數字化儀器、智能化儀器和最新一代的虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)，由用戶(hù)定義儀器功能，可擴展性強，信號分析及處理能力強。因此，我們設計了以L(fǎng)abVIEW為基礎的動(dòng)力減振實(shí)驗系統。

1.虛擬儀器技術(shù)

1.1虛擬儀器的組成

虛擬儀器以透明的方式把計算機資源(如微處理器、顯示器等)和儀器硬件(如A/D、D/A、數字I/O、定時(shí)器等)的測量、控制能力結合在一起，通過(guò)軟件實(shí)現對數據的分析處理、表達以及圖形化用戶(hù)接口。這樣用戶(hù)便可以通過(guò)友好的圖形界面操作這臺計算機，就象在操作自己定義、自己設計的一臺單個(gè)傳統儀器一樣。

虛擬儀器從功能上劃分，可以分為數據采集、數據分析和結果顯示三大功能模塊;從構成要素講，它是由計算機、應用軟件和儀器硬件組成的;從構成方式講，則有以DAQ板和信號調理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測試系統，以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等標準總線(xiàn)儀器為硬件組成的GPIB系統、VXI系統、串口系統和現場(chǎng)總線(xiàn)系統等多種形式。無(wú)論哪種VI系統都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式PC或工作站等各種計算機平臺加上應用軟件而構成的。

1.2虛擬儀器的優(yōu)勢

虛擬儀器與傳統儀器最大的不同之處在于應用的靈活性和功能的可重構性上。論文參考網(wǎng)。在虛擬儀器中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便的改變、增減儀器系統的功能與規模。虛擬儀器克服了傳統儀器的功能在制造時(shí)就被限定而不能變動(dòng)的缺陷，擺脫了由傳統硬件構成一件儀器再連接成系統的模式，為用戶(hù)提供了一個(gè)充分發(fā)揮自己的才能和想象力的空間。

2.振動(dòng)的數學(xué)模型分析

工程實(shí)際中，大量問(wèn)題不能簡(jiǎn)化為單自由度系統的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，而往往需要簡(jiǎn)化成多自由度系統才能解決。兩自由度系統是最簡(jiǎn)單的多自由度系統。對系統模型的簡(jiǎn)化、振動(dòng)微分方程的建立和求解的一般方法以及系統響應表現出來(lái)的振動(dòng)特性等方面，兩自由度系統和多自由度系統沒(méi)有什么本質(zhì)區別。因此研究?jì)勺杂啥认到y是分析和掌握多自由度系統振動(dòng)特性的基礎。兩自由度系統的運動(dòng)形態(tài)要由兩個(gè)獨立的坐標來(lái)確定，需要用兩個(gè)振動(dòng)微分方程描述它的運動(dòng)。建立振動(dòng)微分方程最常用的方法就是用牛頓第一定律法則進(jìn)行分析。

在工程中有許多實(shí)際系統都可以簡(jiǎn)化為圖1所示的力學(xué)模型圖。質(zhì)體m1和m2用彈簧k2聯(lián)系，而它們與基礎分別用彈簧k1和k3聯(lián)系。假定兩質(zhì)體只沿鉛垂方向作往復直線(xiàn)運動(dòng)，質(zhì)體m1和m2的任一瞬時(shí)位置只要用x1及和x2兩個(gè)獨立坐標就可以確定，因此，系統具有兩個(gè)自由度。以ml和m2的靜平衡位置為坐標原點(diǎn)，在振動(dòng)的任一瞬時(shí)t，m1與m2的位移分別為xl和x2。在質(zhì)體m1作用諧激振力Qlsinωt。取加速度和力的正方向與坐標正方向一致，根據牛頓第二定律可分別得到質(zhì)體ml和m2的振動(dòng)微分方程：　

3.減振實(shí)驗系統的設計

3.1減振實(shí)驗系統總體設計

整個(gè)系統的結構框圖如圖2所示。它包括振動(dòng)激勵系統、兩自由度動(dòng)力減振振動(dòng)梁裝置、數據采集系統以及包含LabVIEW軟件的計算機系統。我們采用框架式結構梁和附梁作為被測件，通過(guò)激振器使其產(chǎn)生振動(dòng)，從而得到它的動(dòng)態(tài)特性。

3.2兩自由度振動(dòng)裝置

由框架式結構梁和激振器所構成的兩自由度動(dòng)力減振實(shí)驗臺裝置如圖3 所示。1所示即為框架式結構梁，2所示為附梁，3為激振器。在激振器的作用下，框架式結構梁(m1，k1)產(chǎn)生振動(dòng)，在激勵頻率等于其固有頻率時(shí)，會(huì )產(chǎn)生單自由度系統的共振現象。為消除框架式結構梁主梁系統的共振狀態(tài)，在該系統上再附加附梁系統(m1，k2)而形成兩自由度系統，當附梁系統的固有頻率和框架式結構梁主梁系統相同時(shí)，這時(shí)附梁系統(m1，k2)具有消除主梁系統(m1，k1)共振的作用，故稱(chēng)為動(dòng)力減振系統。論文參考網(wǎng)。振動(dòng)信號通過(guò)貼在主梁和附梁上的電阻應變片測量。

3.3振動(dòng)激勵系統

將電動(dòng)式激振器與被測件固定在一起，使其隨激振器的振動(dòng)形式而運動(dòng)。由信號采集卡輸出產(chǎn)生激勵信號。論文參考網(wǎng)。然后經(jīng)功率放大器傳給激振器，對框架式結構梁和附梁產(chǎn)生激振作用。在本系統中，為控制方便，可對被測件進(jìn)行恒力激振，即每改變一次頻率，只要調整信號的幅值大小使功率放大器的輸出保持恒定即可。

3.4數據采集系統

數據采集系統由電阻應變片、信號調理電路、數據采集卡、計算機等幾部分組成。對于可接觸測量的框架式結構梁和附梁，分別貼上電阻應變片，將兩路振動(dòng)信號變成應變信號，再通過(guò)信號調理電路轉變成電壓信號，再進(jìn)行放大濾波處理?？紤]到振動(dòng)信號的頻率不高，所以選用了的NI公司的USB—6008型多功能數據采集卡，其采樣速度可達10k/s，可完成雙通道的數據采集處理。

3.5數據分析系統

數據分析系統的軟件結構可分為主模塊、虛擬信號源模塊、振動(dòng)信號采集模塊、數據分析模塊，其中數據分析模塊又可分為頻譜分析模塊、波形顯示模塊、數據記錄模塊。虛擬儀器系統功能較為復雜，所以采用了四個(gè)分面板形式，把最重要的顯示元件和操作元件放在了第一分面板，并且分配到每個(gè)子面板上的功能均簡(jiǎn)潔明了，易于用戶(hù)理解。

振動(dòng)信號變成數字信號輸入計算機中，接下來(lái)調用LabVIEW軟件編寫(xiě)的數據分析程序進(jìn)行對數據進(jìn)行頻譜分析。根據振動(dòng)測試中對信號的分析和處理的基本要求，提供了濾波器、窗函數、時(shí)域、頻域、頻率響應、自相關(guān)函數、互相關(guān)函數等信號分析方法。加上對這些分析方法的數據控制，能夠很好的實(shí)現對信號的分析和處理。當信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)從0Hz開(kāi)始的掃頻信號，傳給激振器對框架式結構梁產(chǎn)生激振作用時(shí)，我們可以在計算機上觀(guān)測到兩自由度的共振現象和動(dòng)力減振現象。在這我們給出了信號傅立葉變換后的頻域觀(guān)察，當然也可以在時(shí)域觀(guān)察。

4結束語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)的減振實(shí)驗系統能有效的觀(guān)測和分析兩自由度振動(dòng)和動(dòng)力減振現象，由于所處理的信號頻率不高，采用廉價(jià)的采集卡就能滿(mǎn)足要求，整體造價(jià)低廉，而信號處理內容較為豐富，所以該實(shí)驗系統不僅適合機械專(zhuān)業(yè)使用，而且還可以用于檢測和應用物理等專(zhuān)業(yè)在學(xué)習傳感器和虛擬儀器時(shí)使用。同時(shí)利用LabVIEW的靈活性，可以讓學(xué)生自己添加或改動(dòng)信號處理模塊，開(kāi)展有關(guān)的綜合性實(shí)驗。