基于LabVIEW的車(chē)體振動(dòng)加速度信號處理

1 引 言

隨著(zhù)全國鐵路的六次大提速，車(chē)輛高速運行下的安全性可靠性已成為人們高度關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。而安全運行、安全監測系統等都是需要以振動(dòng)試驗與測試技術(shù)做強力支持和保証的?；诖?，本文選擇了測取車(chē)體的振動(dòng)加速度信號，設計了基于LabVIEW平臺的人機界面。經(jīng)檢驗，該系統能夠對采集的加速度信號進(jìn)行很好的處理，并能方便地選擇巴特沃思濾波器的階數，再根據運行結果確定所選的濾波器階數是否合適，綜合所有，得出最好的處理結果。

2 LabVIEW編程語(yǔ)言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美國NI公司(NationalInstruments，國家儀器公司)推出的一個(gè)功能強大而又靈活的儀器和分析軟件，是一種嶄新的圖形化編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，其源程序完全是圖形化的框圖，避免了基于文本模式的編程語(yǔ)言的困擾，為數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等各種應用提供必要的開(kāi)發(fā)工具。因而，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗室所接受。

3 測試對象

由于道路不平順，載重車(chē)車(chē)體在x方向(前后)、y方向(左右)和z方向(垂向)均產(chǎn)生了劇烈振動(dòng)，影響行車(chē)安全，特別是y方向的振動(dòng)，為進(jìn)一步改進(jìn)車(chē)體結構，加強越野能力，保障行車(chē)安全，采用加速度傳感器對車(chē)體振動(dòng)進(jìn)行了在線(xiàn)檢測，圖1是y方向輸出的典型信號。由于車(chē)體的劇烈運動(dòng)，使三個(gè)方向的振動(dòng)產(chǎn)生了耦合，形成車(chē)體耦合振動(dòng)，因而y方向的加速度信號中出現了x方向和z方向的振動(dòng)信號，采用頻譜分析技術(shù)和帶通濾波技術(shù)將y方向的振動(dòng)加速度信號分離出來(lái)。

車(chē)體的振動(dòng)頻率fi與車(chē)的載重量有關(guān)，為此，對14種不同的載重量分別進(jìn)行了測量，得到了14組振動(dòng)加速度信號，我們選取了其中一組數據進(jìn)行分析。

4 測試條件

采用壓電晶體加速度傳感器測量，傳感器電壓靈敏度：Sv=95 mV∕g，不考慮橫向效應；信號調理器的放大倍數：K=5；采樣頻率：fs=200 Hz；數據長(cháng)度：N=1 024；A∕D卡為雙極性輸出，數字信號為電壓值(V)；由于車(chē)體振動(dòng)嚴重，各傳輸線(xiàn)產(chǎn)生晃動(dòng)，在信號中產(chǎn)生了寬帶噪聲，并存在直流分量；由于載重車(chē)后掛有拖箱，在信號中存在一定的低頻成分。

5 信號處理

耦合振動(dòng)是一種比較深層次的振動(dòng)問(wèn)題，車(chē)輛的耦合振動(dòng)更為復雜，目前多采用模態(tài)分析，數值行算，有限元分析等方法求解。采用濾波方法進(jìn)行粗略的提取，簡(jiǎn)單方便，運行速度快，有較好的實(shí)時(shí)性，用于粗略判別和分析，具有一定應用價(jià)值。 對一組長(cháng)度為1024的實(shí)驗數據進(jìn)行處理，要獲取y方向的加速度信號，就必須把耦合的x方向和z方向的振動(dòng)信號濾除。(1)對信號進(jìn)行FFT變換，得到一組中心頻率不同的成分。分析頻率成分，可知y方向加速度信號的中心頻率在40 Hz左右。(2)設計巴特沃思帶通濾波器，提取特定的頻段。主要任務(wù)是根據通帶和阻帶的衰減要求確定濾波器的階數。

5.1 頻譜分析

FFT是一種高效實(shí)現離散傅氏變換的算法。離散傅氏變換的目的是把信號由時(shí)域變換到頻域，從而可以在頻域分析處理信息。

FFT變換圖象(見(jiàn)圖2前面板顯示1)顯示信號中有三個(gè)顯著(zhù)成份，頻率低者為z向振動(dòng)，中間為y向振動(dòng)，即分析對象，頻率高者為x向振動(dòng)。注：信號中存在直流分量和低頻成分。

調整頻率分析圖象中y軸的標尺，濾波前的信號成分數值如表1。

濾波器的基本作用是選頻，即允許信號中的某些領(lǐng)域成分通過(guò)，其他的頻率成分受到抑制。前面已提到頻譜分析圖象中有三個(gè)顯著(zhù)成分，需要提取的分析對象是y方向即40Hz左右的頻率，因此，采用只能允許信號中某段頻率成分通過(guò)而抑制其余頻率成分的帶通濾波器。

對于數字濾波器，從設計方法上分類(lèi)，有IIR濾波器(無(wú)限衝激響應數字濾波器)和FIR濾波器(有限衝激響應數字濾波器)之分。對數字濾波器的要求可歸納為具有帶通頻響特性?；贔IR和IIR濾波器的性能比較，選擇IIR濾波器(如圖3)就能滿(mǎn)足系統要求，而且階數低，容易實(shí)現。

除中心頻率ω0之外仍需確定的帶通濾波器參數有(如圖4)：

查看頻譜分析圖象：

ω=2πf f0=40Hz
fCH=42Hz fCL=38Hz

因此，巴特沃思帶通濾波器的參數如下：高截止頻率為42 Hz，低截止頻率為38Hz，濾波器階數為4階。前面板上的參數選定完畢后，運行結果顯示如圖5。

LabVIEW軟件設計分為四步：

(1)創(chuàng )建前面板：前面板是圖形化用戶(hù)界面，用于設置輸文件路徑和觀(guān)察輸出量，它模仿了實(shí)際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制按鈕，可在計算機顯示器上直接觀(guān)看結果。在車(chē)體振動(dòng)加速度信號處理程序的前面板上，設置了4個(gè)Waveform Graph用于顯示原始信號、頻譜、濾波后的信號和濾波后的頻譜。另外，還有文件輸入路徑和巴特沃思濾波器的參數設置設計。

(2)創(chuàng )建程序框圖：在前面板窗口的主菜單Windows中選擇Show Diagram，將前面板窗口切換到框圖程序窗口，此時(shí)會(huì )看到與前面板對象對應的端口。根據需要在功能模板中找到所需的節點(diǎn)，并將節點(diǎn)圖標放置到框圖程序窗口。用數據連線(xiàn)將這些端口和節點(diǎn)的圖標連接起來(lái)形成一個(gè)完整的框圖程序。

(3)創(chuàng )建圖標：圖標是一個(gè)虛擬儀器圖形化符號，每一個(gè)VI都有一個(gè)默認的圖標，顯示在面板或框圖窗口的右上角。

(4)運行和調試程序：運行和調試程序是任何一門(mén)編程語(yǔ)言編程的最重要的一步。在LabVIEW中，如果一個(gè)VI程序存在語(yǔ)法錯誤，則在面板工具條上的RUN(運行)按鈕會(huì )顯示成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序有錯不能被執行。為了查找程序中的邏輯錯誤，可選擇單步執行。調試程序時(shí)，還可以使用探針工具來(lái)查看數據流經(jīng)某一根連接線(xiàn)時(shí)數據值的變化。

完整的車(chē)體振動(dòng)加速度信號處理程序框圖如圖6所示。

研究車(chē)體的振動(dòng)加速度信號可以有效地測試火車(chē)的安全運行情況。為了改善車(chē)體的抗振性能，需要測量其振動(dòng)的強弱，進(jìn)行頻譜分析以了解其振動(dòng)狀態(tài)，尋找其振源，以便采取合理地的減振措施?；贚ab VIEW的車(chē)體振動(dòng)加速度信號處理系統具有較好的實(shí)際應用能力。