車輛振動測試分析的虛擬儀器設(shè)計與應(yīng)用
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車輛的振動測量在大多數(shù)情況下需要在道路上進(jìn)行，首先需要磁帶機(jī)記錄測試的振動信號，然后將試驗數(shù)據(jù)帶回實驗室進(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(dǎo)致試驗分析結(jié)果中存在較大誤差甚至得出錯誤結(jié)論。遇到這種情況只能重新回到路面重復(fù)一次試驗，如此一來，整個試驗的周期加長、試驗設(shè)備增多，這樣對教學(xué)實驗來說很不實際，同時諸多儀器設(shè)備也給整個測量帶來了不便。便攜式車輛振動測試分析系統(tǒng)可以進(jìn)行實時分析，在道路試驗過程中得到分析結(jié)果。該測試分析系統(tǒng)是由計算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形化用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種由計算機(jī)操控的虛擬儀器系統(tǒng)[1]。
虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機(jī)硬件和測控功能平臺。其中計算機(jī)硬件可以是各種類型的計算機(jī)，如臺式、便攜式、嵌入式計算機(jī)及工作站等。計算機(jī)管理著虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。
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言作為其編程語言，集開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行于一體，是一種強(qiáng)有力的虛擬儀器開發(fā)工具。LabVIEW 具有以下的特點：流程圖式的編程環(huán)境，不需要預(yù)先編譯就存在語法檢測，調(diào)試過程中可使用的數(shù)據(jù)探針，豐富的庫函數(shù)、數(shù)值分析、信號處理及設(shè)備驅(qū)動等[2]。編程者分別在LabVIEW 語言編程環(huán)境的前面板和程序流程圖組建儀器人機(jī)界面和進(jìn)行程序設(shè)計開發(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(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示的一種很好的選擇。
2 車輛振動測試分析系統(tǒng)的組成
便攜式車輛振動測試分析[4]系統(tǒng)就是利用虛擬儀器完成對車輛行駛過程中振動量的信號測量、數(shù)據(jù)分析及處理。它完全借助于計算機(jī)軟件實現(xiàn)對振動信號的采集、顯示、存取、分析處理等諸多功能。
該測試分析系統(tǒng)有兩大部分組成：①傳感器測量系統(tǒng)，它包括加速度傳感器、電荷放大器及數(shù)據(jù)采集卡等，其作用是拾取表征車輛振動狀態(tài)的各種信號或參數(shù)，并使之變成標(biāo)準(zhǔn)的模擬電信號和計算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號。②數(shù)據(jù)采集、顯示、處理及分析系統(tǒng)，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值，同時進(jìn)一步的相關(guān)分析、譜分析等分析處理。便攜式車輛振動測試分析系統(tǒng)雖然主要部分為軟件完成的數(shù)據(jù)分析處理，但它仍然需要傳感器、信號調(diào)理器等硬件設(shè)備。這些硬件設(shè)備在任何振動測試分析系統(tǒng)中是必不可少的，它們構(gòu)成了系統(tǒng)的測試前端。
3 振動測試分析系統(tǒng)程序設(shè)計
便攜式車輛振動測試分析系統(tǒng)對信號的分析處理有兩種工作方式：在線式和離線式信號分析儀。通常在線式用于信號的監(jiān)測，實現(xiàn)實時測試分析；離線式則是先將信號記錄下來，再進(jìn)行分析，一般用于系統(tǒng)的動態(tài)特性測試，總體設(shè)計方案如圖1 所示。
圖1 測試分析系統(tǒng)的總體設(shè)計
數(shù)據(jù)采集提供了整個測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，是虛擬儀器的基本組成部分[5]。數(shù)據(jù)采集模塊主要是實現(xiàn)車輛振動信號的拾取及對各種參數(shù)的控制，比如對數(shù)據(jù)采集卡、采集通道的選擇，以及采樣頻率、點數(shù)、段數(shù)的控制等。
振動量轉(zhuǎn)化為計算機(jī)所能識別的數(shù)字量是一個復(fù)雜的過程，首先經(jīng)過壓電式傳感器將機(jī)械振動量轉(zhuǎn)換為模擬電量，然后通過模擬信號調(diào)理設(shè)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(shù)據(jù)采集卡完成采樣及量化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量送給計算機(jī)作進(jìn)一步的處理。本測試分析系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)采集卡為一款基于筆記本計算機(jī)PCMCIA 插槽技術(shù)的DAQCARD-AI-16E-4 采集卡[6]，信號調(diào)理卡為SC-2040，可實現(xiàn)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(shù)據(jù)自由采集模塊方框圖
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(diào)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(shù)。通過這些模塊可以實時采集實際的模擬信號，各子函數(shù)模塊均可以圖標(biāo)形式放置在程序流程圖中，這樣不但增加了程序的可維護(hù)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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