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車(chē)輛振動(dòng)測試分析的虛擬儀器設計與應用
作者：
時(shí)間：2013-08-02
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1 引言
車(chē)輛的振動(dòng)測量在大多數情況下需要在道路上進(jìn)行，首先需要磁帶機記錄測試的振動(dòng)信號，然后將試驗數據帶回實(shí)驗室進(jìn)行進(jìn)一步的處理、分析。由于道路上有許多偶然因素的影響，可能導致試驗分析結果中存在較大誤差甚至得出錯誤結論。遇到這種情況只能重新回到路面重復一次試驗，如此一來(lái)，整個(gè)試驗的周期加長(cháng)、試驗設備增多，這樣對教學(xué)實(shí)驗來(lái)說(shuō)很不實(shí)際，同時(shí)諸多儀器設備也給整個(gè)測量帶來(lái)了不便。便攜式車(chē)輛振動(dòng)測試分析系統可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，在道路試驗過(guò)程中得到分析結果。該測試分析系統是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過(guò)程通訊及圖形化用戶(hù)界面的軟件組成的測控系統，是一種由計算機操控的虛擬儀器系統[1]。
虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件和測控功能平臺。其中計算機硬件可以是各種類(lèi)型的計算機，如臺式、便攜式、嵌入式計算機及工作站等。計算機管理著(zhù)虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。
虛擬儀器的軟件平臺中最具有代表性的是美國國家儀器公司推出的LabVIEW，它是采用32 位的編譯型的圖形化語(yǔ)言作為其編程語(yǔ)言，集開(kāi)發(fā)、調試和運行于一體，是一種強有力的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具。LabVIEW 具有以下的特點(diǎn)：流程圖式的編程環(huán)境，不需要預先編譯就存在語(yǔ)法檢測，調試過(guò)程中可使用的數據探針，豐富的庫函數、數值分析、信號處理及設備驅動(dòng)等[2]。編程者分別在LabVIEW 語(yǔ)言編程環(huán)境的前面板和程序流程圖組建儀器人機界面和進(jìn)行程序設計開(kāi)發(fā)，以完成虛擬儀器特定的邏輯分析處理能力[3]。LabVIEW 軟件是儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示的一種很好的選擇。
2 車(chē)輛振動(dòng)測試分析系統的組成
便攜式車(chē)輛振動(dòng)測試分析[4]系統就是利用虛擬儀器完成對車(chē)輛行駛過(guò)程中振動(dòng)量的信號測量、數據分析及處理。它完全借助于計算機軟件實(shí)現對振動(dòng)信號的采集、顯示、存取、分析處理等諸多功能。
該測試分析系統有兩大部分組成：①傳感器測量系統，它包括加速度傳感器、電荷放大器及數據采集卡等，其作用是拾取表征車(chē)輛振動(dòng)狀態(tài)的各種信號或參數，并使之變成標準的模擬電信號和計算機能夠識別的數字信號。②數據采集、顯示、處理及分析系統，也就是虛擬儀器的核心部分，其作用是獲得信號并顯示具體振動(dòng)值，同時(shí)進(jìn)一步的相關(guān)分析、譜分析等分析處理。便攜式車(chē)輛振動(dòng)測試分析系統雖然主要部分為軟件完成的數據分析處理，但它仍然需要傳感器、信號調理器等硬件設備。這些硬件設備在任何振動(dòng)測試分析系統中是必不可少的，它們構成了系統的測試前端。
3 振動(dòng)測試分析系統程序設計
便攜式車(chē)輛振動(dòng)測試分析系統對信號的分析處理有兩種工作方式：在線(xiàn)式和離線(xiàn)式信號分析儀。通常在線(xiàn)式用于信號的監測，實(shí)現實(shí)時(shí)測試分析；離線(xiàn)式則是先將信號記錄下來(lái)，再進(jìn)行分析，一般用于系統的動(dòng)態(tài)特性測試，總體設計方案如圖1 所示。 
圖1 測試分析系統的總體設計
3.1 數據采集模塊的設計
數據采集提供了整個(gè)測試系統的數據來(lái)源，是虛擬儀器的基本組成部分[5]。數據采集模塊主要是實(shí)現車(chē)輛振動(dòng)信號的拾取及對各種參數的控制，比如對數據采集卡、采集通道的選擇，以及采樣頻率、點(diǎn)數、段數的控制等。
振動(dòng)量轉化為計算機所能識別的數字量是一個(gè)復雜的過(guò)程，首先經(jīng)過(guò)壓電式傳感器將機械振動(dòng)量轉換為模擬電量，然后通過(guò)模擬信號調理設備進(jìn)行信號放大、隔離、濾波、同步采樣及保持等處理，送入數據采集卡完成采樣及量化轉變?yōu)閿底至克徒o計算機作進(jìn)一步的處理。本測試分析系統使用的數據采集卡為一款基于筆記本計算機PCMCIA 插槽技術(shù)的DAQCARD-AI-16E-4 采集卡[6]，信號調理卡為SC-2040，可實(shí)現8 通道同步采樣和保持，并且各通道可選擇不同的增益。 
圖2 數據自由采集模塊方框圖
該模塊中設置了兩種采樣方式：一種是自由連續采集，即設置好采集參數后直接進(jìn)行連續采集，適用于隨機平穩信號的采集；另一種是觸發(fā)采集，設置好觸發(fā)條件（包括觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、觸發(fā)前預保留點(diǎn)數等）后采集，適用于激勵信號和脈沖信號的采集。
從圖2 所示的信號自由采集模塊流程圖中，可以看出主要調用了LabVIEW 中Data Acquisition 功能塊下Analog Input 中的AI Config.vi、AI Start.vi 及AI Read.vi 等子函數。通過(guò)這些模塊可以實(shí)時(shí)采集實(shí)際的模擬信號，各子函數模塊均可以圖標形式放置在程序流程圖中，這樣不但增加了程序的可維護性，也增加了程序的可讀性，使程序流程圖更加清晰明了。
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