以LabVIEW為核心的振動測試分析系統設計方案
2016-11-01
以LabVIEW為核心的振動測試分析系統設計方案
在現代工程技術領域，存在著大量的振動問題。例如，車輛在凹凸不平的路面上行駛所引起的振動；旋轉機械由于質量不平衡在運行中的振動等。在絕大多數場合，振動都是有害的，它將影響設備的正常工作，引起機器構件的加速磨損，甚至導致急劇斷裂而破壞。為了解決工程振動問題，機械振動測試系統隨著振動測試技術理論的發展和生產中對測試的需求與日俱增，并有著廣泛的應用領域。但性能優越、成本低廉的測試系統市場很難見到。
尤其在工程現場的振動測試，迫切需要低成本、高精度、高效率，同時方便靈活的測量儀器。因此，艾克賽普基于振動測試的這種需要，設計了一套以數據采集卡、信號調理電路和各類高精度的傳感器為硬件，基于LabVIEW虛擬儀器軟件開發平臺的振動測試分析系統。此系統不但節省了硬件成本，而且容易操作，同時大大縮短了整個測試周期。
系統的硬件：
虛擬振動測試分析系統（如圖1所示）分硬件和軟件兩個部分。硬件主要由傳感器、信號調理器、數據采集卡和計算機構成，并有如下的關系。
振動信號量經過傳感器轉變為模擬量（電壓、電流等），再經過信號調理器的放大、隔離、濾波等處理進入數據采集卡完成采樣和量化，轉變成計算機所能識別的數字量。然后經計算機進行進一步的處理，以便得到所需的信息。下圖是振動測試系統的硬件結構示意圖，在實際的應用中，系統的硬件可根據振動測試要求的不同選擇不同的裝置。
系統的軟件：
本系統的程序是在LabVIEW 8.20平臺上開發的。在系統的編制過程中采用了結構化和模塊化編程的基本思路。程序主要包括兩大模塊：數據采集和數據保存模塊；數據讀取和數據處理分析模塊。在程序的設計過程中，將每個模塊做成一個子VI,然后在主程序中調用，這樣就可以加強程序的可讀性和可維護性。系統的結構如圖所示。
1 數據采集模塊的設計
數據采集提供了整個測試系統的數據來源，是虛擬儀器的基本組成部分。數據采集模塊主要是實現振動信號的拾取及對各種參數的控制，例如對數據采集卡、采集通道的選擇，以及采樣頻率、點數、段數的控制等。振動信號主要為隨機信號和瞬態信號，因此對信號的采集設置了兩種采樣方式：（1）自由連續采集方式，即設置好采集參數后直接進行連續采集，適用于隨機信號的采集；
（2）信號觸發采集，首先設置好觸發條件，包括觸發電平、觸發沿、觸發前預留點數等，信號觸發采集模塊流程圖，其中調用了LabVIEW中Data Acquisition 功能模板下的DAQmx create virtual channel.vi, DAQmx Timing.vi, DAQmx Trigger .vi.DAQmx Read.vi,DAQmx Start Task.vi等子函數。通過 這些模塊可以實現采集振動瞬態信號，各子函數模塊均可以圖標形式放置在程序流程圖中，這樣不但增加了程序的可維護性，也增加了程序的可讀性，使程序流程更加清晰明了。（自由采集方式與之類似，且相對簡單，這里就不贅述。）
2 信號分析模塊的設計
根據振動測試對信號分析處理的要求，主要從時域分析、幅值域分析、頻域分析和時頻聯合分析方面進行程序設計。
時域和幅值域分析模塊：時域分析中主要是自相關分析和互相關分析。自相關用于判斷信號的隨機程度，也可以檢測混在隨機信號中的周期信號，互相關則反映了兩隨機變量的統計依賴關系。幅值域特性分析是每次實驗必不可少的一步，該模塊程序可以同時觀測輸入、輸出信號的概率密度曲線、概率密度分布曲線，還可以直接求值，尤其是隨機信號數字特征的偏態和峰值，可用于故障檢測和分析。
頻域分析模塊：頻域分析功能最多，主要有功率譜分析、頻響函數分析、倒頻譜分析等。時域信號經傅里葉變換、頻域轉換為復數形式，故在顯示分析時有很多的格式，如幅頻譜、相頻圖、實頻圖、虛頻圖、奈奎斯特圖、波特圖、三維瀑布圖等。
時頻聯合分析模塊：時頻聯合分析亦稱時頻局域化方法，是使用時間和頻率的聯合函數來表示信號。典型的線性時頻表示有：短時傅里葉變換、小波變換和Gabor變換。時頻聯合分析在實際信號處理中，尤其是振動信號處理中，可以將信號在任意時刻的頻域很好的表示出來。短時傅里葉變換是把信號劃分為許多小的時間間隔，用傅里葉變換分析每個時間間隔，以便確定該段時間間隔存在的頻率。
為了使系統的分析功能更加完善，還設計了可輔助分析功能，如信號標尺輸入、數字濾波以及窗函數等。
整個數據分析處理模塊程序的前面板由Tab控件來組織，用戶可以通過單擊Tab的不同頁來查看相關的分析結果；后面板主要由一個While循環和2個Case結構組成，程序的后面板主要程序部分所示。
實例驗證：
為了驗證本系統的可行性與實用性，筆者在基于發動機轉子動力學實驗臺上進行了實例驗證。
Engine Runup （mic）的Baseband FFT圖、Water fall圖、Badeplot圖和Nyquist圖。
以LabVIEW為核心的振動測試分析系統設計方案3
短時傅里葉變換前面板
所示為短時傅里葉變換分析程序面板，其橫坐標表示時間，左邊縱坐標表示頻率，而右邊縱坐標表示在各個時間、頻率分量上的幅值（并用顏色表示強弱）。從該分布可以很清楚的看出信號頻率強弱程度以及信號隨時間變化的情況。
該分析結果與重慶大學研制的測振儀等設備分析出的結果相符。
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