基于虛擬儀器技術(shù)的振動(dòng)測試系統的設計

0前言
　　
振動(dòng)是自然界最普遍的現象，傳統的振動(dòng)測試系統大多采用電子測量?jì)x器，其特點(diǎn)是功能單一、專(zhuān)用、靈活性較差、大大的制約了振動(dòng)測試的范圍。如今，正在流行著(zhù)一種將虛擬儀器技術(shù)引到振動(dòng)測試領(lǐng)域中的技術(shù)，將計算機技術(shù)和振動(dòng)測試技術(shù)相結合，組建虛擬振動(dòng)測試系統。實(shí)踐表明，虛擬振動(dòng)測試儀器不僅功能強大、用途多樣，而且具有友好的用戶(hù)界面和簡(jiǎn)化的圖形化編程方法，受到廣大用戶(hù)的普遍歡迎和高度重視，成為振動(dòng)測試新的發(fā)展方向。

1虛擬振動(dòng)測試系統的硬件設計
　　
虛擬振動(dòng)測試系統的硬件主要包括了加速度傳感器、力傳感器、信號放大器、數據采集卡以及通用PC機。
　　
1.1 加速度傳感器
　　
加速度傳感器主要測試振動(dòng)體的振動(dòng)加速度，機械振動(dòng)測量中常用的壓電式加速度傳感器，它是以某些材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器，壓電式加速度傳感器輸出的電荷量與物體振動(dòng)加速度成比例，用適當的測試系統檢測出電荷量，就實(shí)現了對振動(dòng)加速度的測量。它有體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，在振動(dòng)測試中應用最為普遍。本系統的設計采用的是并聯(lián)壓電材料的壓電傳感器，適于選用電荷放大器，其電路特點(diǎn)是放大器輸出電壓只與傳感器產(chǎn)生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關(guān)，與構成電路的電纜形成的分布電容和信號頻率無(wú)關(guān)，這一特性使電荷放大器的傳輸線(xiàn)路的分布電容不敏感，傳輸距離可達數百米。
　　
1.2 電荷放大器
　　
壓電式傳感器輸出的電荷信號比較微弱，不能直接被數據采集卡采集，需要用信號放大器把較弱的電荷信號轉化成較強的能被數據采集卡采集的電壓信號。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器，它的核心是一個(gè)具有電容負反饋、且輸入阻抗及高增益的運算放大器。本系統采用BC97型電荷放大器為例，電荷放大器上還具有低通濾波器和能按傳感器靈敏度調節放大倍數的適調放大器。
　　
1.3 數據采集卡
　　
本系統中采用的數據采集卡是PCI-6024，它是美國NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡，此卡設計基于PCI總線(xiàn)，數據傳輸速率高，吞吐量大，是數據采集卡設計的主流，它是一塊性?xún)r(jià)比較好的產(chǎn)品，支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實(shí)時(shí)的信號不間斷采集與儲存。它支持單極性和雙極性模擬信號輸入，信號輸入范圍分別為-5v～+5v和0～10v。提供16路單端/8路差動(dòng)模擬輸入通道，2路獨立的D/A輸出通道，24線(xiàn)的TTL型數字I/O，3個(gè)16位定時(shí)計數器等多種功能。實(shí)際測量是輸入信號通過(guò)BNC接頭從輸入端子進(jìn)入數據采集卡進(jìn)行數據采集，同時(shí)用美國NI公司提供的Measurement Automation軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的設置便可完成系統軟件與數據采集卡之間的通訊。

2虛擬振動(dòng)測試系統的軟件設計
　　
虛擬振動(dòng)測試系統的軟件設計，是運用圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺，在程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中運用模塊化的設計思想，根據不同功能的需要，分別組建各種功能模塊，本系統包含了數據采集模塊、數據存儲與讀取模塊、數據處理模塊、結果顯示模塊，為了將各模塊集成到一起，還設計了一個(gè)主界面來(lái)實(shí)現各模塊的調用。最后再對系統進(jìn)行集成和調試。
　　
2.1 系統主界面的設計
　　
在系統的主界面設計中，利用LabVIEW中提供的Edit Menu菜單，先將要實(shí)現的功能作為菜單選項的內容，以便在運行時(shí)調用，然后在框圖中對各項菜單的調用通過(guò)Case循環(huán)進(jìn)行選擇，使各項菜單對應各項子VI，在各子VI中的VI Setup的Eexecution Options中選擇Show Front Panel When Called選項，這樣在運行中，當選擇了菜單中的某項內容時(shí)，該子VI就被選中調用。
　　
2.2 數據采集模塊
　　
數據采集模塊使用了LabVIEW中Analog Iuput功能塊中的AI Waveform Scan模塊進(jìn)行采集控制，根據不同需要可以選擇連續信號采集或單次信號采集，并可進(jìn)行采集通道、采樣速率、采樣點(diǎn)數、加窗方式、平均次數、顯示譜的類(lèi)型控制，還可通過(guò)光標移動(dòng)觀(guān)察信號的時(shí)域值和頻域值，在觸發(fā)方式上，還可以選擇信號觸發(fā)或自由采集，在信號觸發(fā)時(shí)，可選擇觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、觸發(fā)前預保留點(diǎn)數等參數。
　　
2.3 數據存儲與讀取模塊
　　
數據存儲模塊的主要功能是將顯示器上顯示的圖像所對應的時(shí)域數據存入二進(jìn)制文件;將與采集數據有關(guān)的參數：平均次數、數據長(cháng)度、分析帶寬、觸發(fā)點(diǎn)采樣點(diǎn)、采集時(shí)間等存入與數據文件同名的文本文件中，便于數據讀取模塊和用戶(hù)使用。
　　
數據讀取模塊可以方便地進(jìn)行文件的讀寫(xiě)操作。LabVIEW讀寫(xiě)文件的過(guò)程為：打開(kāi)一個(gè)文件——按一定格式進(jìn)行讀寫(xiě)內容——最后關(guān)閉文件。在數據讀取模塊中用到的主要函數分別是：打開(kāi)文件函數、讀文件函數、關(guān)文件函數。
　　
2.4數據處理模塊
　　
數據處理模塊程序的設計是本系統軟件設計的關(guān)鍵部分，它需要完成數字濾波、加窗處理、頻譜分析、功率譜分析、相關(guān)分析、倒譜分析等諸多功能。時(shí)域分析有自相關(guān)與互相關(guān)分析，幅值域分析可以進(jìn)行均值、方差、概率密度和概率分布統計，對數據的預處理可進(jìn)行各通道標定系數輸入及用數字濾波器進(jìn)行濾波，可進(jìn)行低通、高通、帶通、帶阻濾波，基于FFT的頻率分析，包括自功率譜、互功率譜、幅度倒頻譜、頻響函數，其中頻響函數可以根據需要采用不同的估計公式，可選擇顯示實(shí)部和虛部、幅頻和相頻以及相干函數。另外在頻域分析時(shí)可對各信號進(jìn)行加窗以減少泄漏，主要有矩形窗、漢寧窗、哈明窗、指數窗等，充分利用計算機的資源，計算FFT的點(diǎn)數可以從512點(diǎn)到16384點(diǎn)，可進(jìn)行多次平均以減少誤差，可任意選擇兩通道計算頻響函數和互功率譜。在信號分析中調用了auto power spectrum、spectrum unit conversion、power frequency estimate等子VI模塊。
　　
2.5 數據顯示模塊
　　
數據顯示模塊是將采集到的數據以及分析后的數據數據顯示到顯示器上，同時(shí)它還包含許多附屬的顯示項，包括坐標單位顯示，最大值及其相應位置顯示，時(shí)限顯示，數據采集文件索引顯示，供使用者觀(guān)察系統測試結果。

3虛擬振動(dòng)測試系統的實(shí)際測試
　　
本文介紹了虛擬振動(dòng)測試系統的開(kāi)發(fā)全過(guò)程，為了驗證整個(gè)系統程序運行的正確與否，采用錘擊法對試件進(jìn)行錘擊測試，用裝有力傳感器的力錘對試驗結構進(jìn)行錘擊，用加速度傳感器進(jìn)行拾振，將兩個(gè)信號經(jīng)電荷放大器放大后送入數據采集卡，通過(guò)軟件設定采集條件控制采集，并將采集到的數據存儲和進(jìn)行各種分析。采集時(shí)設置采樣通道為2個(gè)，采樣頻率為1000Hz，平均次數為5次，每次采集點(diǎn)數設為1024點(diǎn)，觸發(fā)通道為0通道，觸發(fā)電平為100mv，觸發(fā)沿為默認的上升沿，預保留點(diǎn)數為20個(gè)。從測試結果上看，激勵信號和響應信號反映的正是錘擊法激勵時(shí)激勵及響應信號應有的典型形狀，可見(jiàn)系統程序運行良好，系統可靠性較高。

4結束語(yǔ)
　　
本文介紹了虛擬振動(dòng)測試系統的設計。實(shí)踐證明采用LabVIEW和基于PC 的數據采集卡構造虛擬振動(dòng)測試系統是切實(shí)可行的，測試系統功能強大，它的模塊化的編程使程序擴展變得很方便?？梢灶A見(jiàn)，虛擬儀器技術(shù)在整個(gè)測試領(lǐng)域將會(huì )有更加廣闊的應用空間。

5本文作者創(chuàng )新點(diǎn)
　　
振動(dòng)測試系統的設計采用了先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，提高了系統的測試精度，節省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)成本。

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