摘 要：本文介紹了虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)以加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用到振動(dòng)測(cè)試中來(lái)，使得系統(tǒng)的測(cè)試功能更加強(qiáng)大，測(cè)試過(guò)程更加方便，代表著振動(dòng)測(cè)試的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞： 虛擬儀器; LabVIEW;振動(dòng)測(cè)試
0 前言
振動(dòng)是自然界最普遍的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)大多采用電子測(cè)量?jī)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(cè)試的范圍。如今，正在流行著一種將虛擬儀器技術(shù)引到振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中的技術(shù)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和振動(dòng)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，組建虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)踐表明，虛擬振動(dòng)測(cè)試儀器不僅功能強(qiáng)大、用途多樣，而且具有友好的用戶界面和簡(jiǎn)化的圖形化編程方法，受到廣大用戶的普遍歡迎和高度重視，成為振動(dòng)測(cè)試新的發(fā)展方向。
1 虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括了加速度傳感器、力傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及通用PC機(jī)。
1.1 加速度傳感器
加速度傳感器主要測(cè)試振動(dòng)體的振動(dòng)加速度，機(jī)械振動(dòng)測(cè)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(yīng)為轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)臏y(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)出電荷量，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)加速度的測(cè)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(cè)試中應(yīng)用最為普遍。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gòu)成電路的電纜形成的分布電容和信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，這一特性使電荷放大器的傳輸線路的分布電容不敏感，傳輸距離可達(dá)數(shù)百米。
1.2 電荷放大器
壓電式傳感器輸出的電荷信號(hào)比較微弱，不能直接被數(shù)據(jù)采集卡采集，需要用信號(hào)放大器把較弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化成較強(qiáng)的能被數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào)。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(fù)反饋、且輸入阻抗及高增益的運(yùn)算放大器。本系統(tǒng)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(diào)節(jié)放大倍數(shù)的適調(diào)放大器。
1.3 數(shù)據(jù)采集卡
本系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)采集卡是PCI-6024，它是美國(guó)NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡，此卡設(shè)計(jì)基于PCI總線，數(shù)據(jù)傳輸速率高，吞吐量大，是數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的主流，它是一塊性價(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(hào)不間斷采集與儲(chǔ)存。它支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，信號(hào)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(dú)立的D/A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I/O，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。實(shí)際測(cè)量是輸入信號(hào)通過(guò)BNC接頭從輸入端子進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)用美國(guó)NI公司提供的 Measurement Automation軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通訊。
2 虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，是運(yùn)用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)不同功能的需要，分別組建各種功能模塊，本系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、結(jié)果顯示模塊，為了將各模塊集成到一起，還設(shè)計(jì)了一個(gè)主界面來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊的調(diào)用。最后再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成和調(diào)試。
2.1 系統(tǒng)主界面的設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)中，利用LabVIEW中提供的Edit Menu菜單，先將要實(shí)現(xiàn)的功能作為菜單選項(xiàng)的內(nèi)容，以便在運(yùn)行時(shí)調(diào)用，然后在框圖中對(duì)各項(xiàng)菜單的調(diào)用通過(guò)Case循環(huán)進(jìn)行選擇，使各項(xiàng)菜單對(duì)應(yīng)各項(xiàng)子VI，在各子VI中的VI Setup的Eexecution Options中選擇 Show Front Panel When Called選項(xiàng)，這樣在運(yùn)行中，當(dāng)選擇了菜單中的某項(xiàng)內(nèi)容時(shí)，該子VI就被選中調(diào)用。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)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(jù)不同需要可以選擇連續(xù)信號(hào)采集或單次信號(hào)采集，并可進(jìn)行采集通道、采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)、加窗方式、平均次數(shù)、顯示譜的類(lèi)型控制，還可通過(guò)光標(biāo)移動(dòng)觀察信號(hào)的時(shí)域值和頻域值，在觸發(fā)方式上，還可以選擇信號(hào)觸發(fā)或自由采集，在信號(hào)觸發(fā)時(shí)，可選擇觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、觸發(fā)前預(yù)保留點(diǎn)數(shù)等參數(shù)。
2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取模塊
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的主要功能是將顯示器上顯示的圖像所對(duì)應(yīng)的時(shí)域數(shù)據(jù)存入二進(jìn)制文件;將與采集數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)：平均次數(shù)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、分析帶寬、觸發(fā)點(diǎn)采樣點(diǎn)、采集時(shí)間等存入與數(shù)據(jù)文件同名的文本文件中，便于數(shù)據(jù)讀取模塊和用戶使用。
數(shù)據(jù)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(nèi)容——最后關(guān)閉文件。在數(shù)據(jù)讀取模塊中用到的主要函數(shù)分別是：打開(kāi)文件函數(shù)、讀文件函數(shù)、關(guān)文件函數(shù)。
2.4數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊程序的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，它需要完成數(shù)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(tǒng)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理可進(jìn)行各通道標(biāo)定系數(shù)輸入及用數(shù)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(shù)，其中頻響函數(shù)可以根據(jù)需要采用不同的估計(jì)公式，可選擇顯示實(shí)部和虛部、幅頻和相頻以及相干函數(shù)。另外在頻域分析時(shí)可對(duì)各信號(hào)進(jìn)行加窗以減少泄漏，主要有矩形窗、漢寧窗、哈明窗、指數(shù)窗等，充分利用計(jì)算機(jī)的資源，計(jì)算FFT的點(diǎn)數(shù)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(jì)算頻響函數(shù)和互功率譜。在信號(hào)分析中調(diào)用了 auto power spectrum、spectrum unit conversion、power frequency estimate等子 VI模塊。
2.5 數(shù)據(jù)顯示模塊
數(shù)據(jù)顯示模塊是將采集到的數(shù)據(jù)以及分析后的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示到顯示器上，同時(shí)它還包含許多附屬的顯示項(xiàng)，包括坐標(biāo)單位顯示，最大值及其相應(yīng)位置顯示，時(shí)限顯示，數(shù)據(jù)采集文件索引顯示，供使用者觀察系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。
3 虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試
本文介紹了虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)全過(guò)程，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)程序運(yùn)行的正確與否，采用錘擊法對(duì)試件進(jìn)行錘擊測(cè)試，用裝有力傳感器的力錘對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行錘擊，用加速度傳感器進(jìn)行拾振，將兩個(gè)信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后送入數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)軟件設(shè)定采集條件控制采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和進(jìn)行各種分析。采集時(shí)設(shè)置采樣通道為2個(gè)，采樣頻率為1000Hz，平均次數(shù)為5次，每次采集點(diǎn)數(shù)設(shè)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(rèn)的上升沿，預(yù)保留點(diǎn)數(shù)為20個(gè)。從測(cè)試結(jié)果上看，激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)反映的正是錘擊法激勵(lì)時(shí)激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)應(yīng)有的典型形狀，可見(jiàn)系統(tǒng)程序運(yùn)行良好，系統(tǒng)可靠性較高。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明采用LabVIEW和基于PC 的數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)造虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是切實(shí)可行的，測(cè)試系統(tǒng)功能強(qiáng)大，它的模塊化的編程使程序擴(kuò)展變得很方便。可以預(yù)見(jiàn)，虛擬儀器技術(shù)在整個(gè)測(cè)試領(lǐng)域?qū)?huì)有更加廣闊的應(yīng)用空間。
5 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)
振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)成本。
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