基于虛擬儀器技術(shù)的振動測試系統(tǒng)的設(shè)計

0前言
　　
振動是自然界最普遍的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的振動測試系統(tǒng)大多采用電子測量儀器，其特點是功能單一、專用、靈活性較差、大大的制約了振動測試的范圍。如今，正在流行著一種將虛擬儀器技術(shù)引到振動測試領(lǐng)域中的技術(shù)，將計算機技術(shù)和振動測試技術(shù)相結(jié)合，組建虛擬振動測試系統(tǒng)。實踐表明，虛擬振動測試儀器不僅功能強大、用途多樣，而且具有友好的用戶界面和簡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，成為振動測試新的發(fā)展方向。

1虛擬振動測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計
　　
虛擬振動測試系統(tǒng)的硬件主要包括了加速度傳感器、力傳感器、信號放大器、數(shù)據(jù)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體的振動加速度，機械振動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(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加速度成比例，用適當(dāng)?shù)臏y試系統(tǒng)檢測出電荷量，就實現(xiàn)了對振動加速度的測量。它有體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬的優(yōu)點，在振動測試中應(yīng)用最為普遍。本系統(tǒng)的設(shè)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頻率無關(guān)，這一特性使電荷放大器的傳輸線路的分布電容不敏感，傳輸距離可達數(shù)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(shù)據(jù)采集卡采集，需要用信號放大器把較弱的電荷信號轉(zhuǎn)化成較強的能被數(shù)據(jù)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(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NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡，此卡設(shè)計基于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)計的主流，它是一塊性價比較好的產(chǎn)品，支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實時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路差動模擬輸入通道，2路獨立的D/A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I/O，3個16位定時計數(shù)器等多種功能。實際測量是輸入信號通過BNC接頭從輸入端子進入數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，同時用美國NI公司提供的Measurement Automation軟件進行簡單的設(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虛擬振動測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計
　　
虛擬振動測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計，是運用圖形化編程語言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，在程序的開發(fā)過程中運用模塊化的設(shè)計思想，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)計了一個主界面來實現(xiàn)各模塊的調(diào)用。最后再對系統(tǒng)進行集成和調(diào)試。
　　
2.1 系統(tǒng)主界面的設(shè)計
　　
在系統(tǒng)的主界面設(shè)計中，利用LabVIEW中提供的Edit Menu菜單，先將要實現(xiàn)的功能作為菜單選項的內(nèi)容，以便在運行時調(diào)用，然后在框圖中對各項菜單的調(diào)用通過Case循環(huán)進行選擇，使各項菜單對應(yīng)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(dāng)選擇了菜單中的某項內(nèi)容時，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模塊進行采集控制，根據(jù)不同需要可以選擇連續(xù)信號采集或單次信號采集，并可進行采集通道、采樣速率、采樣點數(shù)、加窗方式、平均次數(shù)、顯示譜的類型控制，還可通過光標移動觀察信號的時域值和頻域值，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，可選擇觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、觸發(fā)前預(yù)保留點數(shù)等參數(shù)。
　　
2.3 數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊
　　
數(shù)據(jù)存儲模塊的主要功能是將顯示器上顯示的圖像所對應(yīng)的時域數(shù)據(jù)存入二進制文件;將與采集數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)：平均次數(shù)、數(shù)據(jù)長度、分析帶寬、觸發(fā)點采樣點、采集時間等存入與數(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行文件的讀寫操作。LabVIEW讀寫文件的過程為：打開一個文件——按一定格式進行讀寫內(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)計是本系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(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。時域分析有自相關(guān)與互相關(guān)分析，幅值域分析可以進行均值、方差、概率密度和概率分布統(tǒng)計，對數(shù)據(jù)的預(yù)處理可進行各通道標定系數(shù)輸入及用數(shù)字濾波器進行濾波，可進行低通、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公式，可選擇顯示實部和虛部、幅頻和相頻以及相干函數(shù)。另外在頻域分析時可對各信號進行加窗以減少泄漏，主要有矩形窗、漢寧窗、哈明窗、指數(shù)窗等，充分利用計算機的資源，計算FFT的點數(shù)可以從512點到16384點，可進行多次平均以減少誤差，可任意選擇兩通道計算頻響函數(shù)和互功率譜。在信號分析中調(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(yīng)位置顯示，時限顯示，數(shù)據(jù)采集文件索引顯示，供使用者觀察系統(tǒng)測試結(jié)果。

3虛擬振動測試系統(tǒng)的實際測試
　　
本文介紹了虛擬振動測試系統(tǒng)的開發(fā)全過程，為了驗證整個系統(tǒng)程序運行的正確與否，采用錘擊法對試件進行錘擊測試，用裝有力傳感器的力錘對試驗結(jié)構(gòu)進行錘擊，用加速度傳感器進行拾振，將兩個信號經(jīng)電荷放大器放大后送入數(shù)據(jù)采集卡，通過軟件設(shè)定采集條件控制采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲和進行各種分析。采集時設(shè)置采樣通道為2個，采樣頻率為1000Hz，平均次數(shù)為5次，每次采集點數(shù)設(shè)為1024點，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(yù)保留點數(shù)為20個。從測試結(jié)果上看，激勵信號和響應(yīng)信號反映的正是錘擊法激勵時激勵及響應(yīng)信號應(yīng)有的典型形狀，可見系統(tǒng)程序運行良好，系統(tǒng)可靠性較高。

4結(jié)束語
　　
本文介紹了虛擬振動測試系統(tǒng)的設(shè)計。實踐證明采用LabVIEW和基于PC 的數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)造虛擬振動測試系統(tǒng)是切實可行的，測試系統(tǒng)功能強大，它的模塊化的編程使程序擴展變得很方便。可以預(yù)見，虛擬儀器技術(shù)在整個測試領(lǐng)域?qū)懈訌V闊的應(yīng)用空間。

5本文作者創(chuàng)新點
　　
振動測試系統(tǒng)的設(shè)計采用了先進的虛擬儀器技術(shù)，提高了系統(tǒng)的測試精度，節(jié)省了開發(fā)時間，降低了開發(fā)成本。

參考文獻
　　
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