什么是虛擬儀器技術(shù)及減振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)分析

本文講解了什么是虛擬儀器技術(shù),將會(huì)從它的組成和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，在根據(jù)虛擬儀器技術(shù)展開(kāi)對(duì)它的減振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行深層次的分析。

振動(dòng)現(xiàn)象是自然界中普遍存在的一種現(xiàn)象，振動(dòng)問(wèn)題在工程中是要經(jīng)常面對(duì)地問(wèn)題，故振動(dòng)分析已成為各項(xiàng)工程技術(shù)研究與設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)。伴隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測(cè)量?jī)x器不斷進(jìn)步，從最初的模擬儀器依次發(fā)展到數(shù)字化儀器、智能化儀器和最新一代的虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)，由用戶定義儀器功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)，信號(hào)分析及處理能力強(qiáng)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以LabVIEW為基礎(chǔ)的動(dòng)力減振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1.虛擬儀器技術(shù)

1.1虛擬儀器的組成

虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源(如微處理器、顯示器等)和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器等)的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。這樣用戶便可以通過(guò)友好的圖形界面操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就象在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)傳統(tǒng)儀器一樣。

虛擬儀器從功能上劃分，可以分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示三大功能模塊;從構(gòu)成要素講，它是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的;從構(gòu)成方式講，則有以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。無(wú)論哪種VI系統(tǒng)都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺(tái)式PC或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。

1.2虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)

虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處在于應(yīng)用的靈活性和功能的可重構(gòu)性上。論文參考網(wǎng)。在虛擬儀器中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入、輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便的改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器克服了傳統(tǒng)儀器的功能在制造時(shí)就被限定而不能變動(dòng)的缺陷，擺脫了由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件儀器再連接成系統(tǒng)的模式，為用戶提供了一個(gè)充分發(fā)揮自己的才能和想象力的空間。

2.振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型分析

工程實(shí)際中，大量問(wèn)題不能簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，而往往需要簡(jiǎn)化成多自由度系統(tǒng)才能解決。兩自由度系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的多自由度系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)化、振動(dòng)微分方程的建立和求解的一般方法以及系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)特性等方面，兩自由度系統(tǒng)和多自由度系統(tǒng)沒(méi)有什么本質(zhì)區(qū)別。因此研究?jī)勺杂啥认到y(tǒng)是分析和掌握多自由度系統(tǒng)振動(dòng)特性的基礎(chǔ)。兩自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)要由兩個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)來(lái)確定，需要用兩個(gè)振動(dòng)微分方程描述它的運(yùn)動(dòng)。建立振動(dòng)微分方程最常用的方法就是用牛頓第一定律法則進(jìn)行分析。

在工程中有許多實(shí)際系統(tǒng)都可以簡(jiǎn)化為圖1所示的力學(xué)模型圖。質(zhì)體m1和m2用彈簧k2聯(lián)系，而它們與基礎(chǔ)分別用彈簧k1和k3聯(lián)系。假定兩質(zhì)體只沿鉛垂方向作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)體m1和m2的任一瞬時(shí)位置只要用x1及和x2兩個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)就可以確定，因此，系統(tǒng)具有兩個(gè)自由度。以ml和m2的靜平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，在振動(dòng)的任一瞬時(shí)t，m1與m2的位移分別為xl和x2。在質(zhì)體m1作用諧激振力Qlsinωt。取加速度和力的正方向與坐標(biāo)正方向一致，根據(jù)牛頓第二定律可分別得到質(zhì)體ml和m2的振動(dòng)微分方程：　

3.減振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1減振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它包括振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)、兩自由度動(dòng)力減振振動(dòng)梁裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及包含LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。我們采用框架式結(jié)構(gòu)梁和附梁作為被測(cè)件，通過(guò)激振器使其產(chǎn)生振動(dòng)，從而得到它的動(dòng)態(tài)特性。

3.2兩自由度振動(dòng)裝置

由框架式結(jié)構(gòu)梁和激振器所構(gòu)成的兩自由度動(dòng)力減振實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置如圖3 所示。1所示即為框架式結(jié)構(gòu)梁，2所示為附梁，3為激振器。在激振器的作用下，框架式結(jié)構(gòu)梁(m1，k1)產(chǎn)生振動(dòng)，在激勵(lì)頻率等于其固有頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生單自由度系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。為消除框架式結(jié)構(gòu)梁主梁系統(tǒng)的共振狀態(tài)，在該系統(tǒng)上再附加附梁系統(tǒng)(m1，k2)而形成兩自由度系統(tǒng)，當(dāng)附梁系統(tǒng)的固有頻率和框架式結(jié)構(gòu)梁主梁系統(tǒng)相同時(shí)，這時(shí)附梁系統(tǒng)(m1，k2)具有消除主梁系統(tǒng)(m1，k1)共振的作用，故稱為動(dòng)力減振系統(tǒng)。論文參考網(wǎng)。振動(dòng)信號(hào)通過(guò)貼在主梁和附梁上的電阻應(yīng)變片測(cè)量。

3.3振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)

將電動(dòng)式激振器與被測(cè)件固定在一起，使其隨激振器的振動(dòng)形式而運(yùn)動(dòng)。由信號(hào)采集卡輸出產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。論文參考網(wǎng)。然后經(jīng)功率放大器傳給激振器，對(duì)框架式結(jié)構(gòu)梁和附梁產(chǎn)生激振作用。在本系統(tǒng)中，為控制方便，可對(duì)被測(cè)件進(jìn)行恒力激振，即每改變一次頻率，只要調(diào)整信號(hào)的幅值大小使功率放大器的輸出保持恒定即可。

3.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電阻應(yīng)變片、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等幾部分組成。對(duì)于可接觸測(cè)量的框架式結(jié)構(gòu)梁和附梁，分別貼上電阻應(yīng)變片，將兩路振動(dòng)信號(hào)變成應(yīng)變信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，再進(jìn)行放大濾波處理?？紤]到振動(dòng)信號(hào)的頻率不高，所以選用了的NI公司的USB—6008型多功能數(shù)據(jù)采集卡，其采樣速度可達(dá)10k/s，可完成雙通道的數(shù)據(jù)采集處理。

3.5數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可分為主模塊、虛擬信號(hào)源模塊、振動(dòng)信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，其中數(shù)據(jù)分析模塊又可分為頻譜分析模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊。虛擬儀器系統(tǒng)功能較為復(fù)雜，所以采用了四個(gè)分面板形式，把最重要的顯示元件和操作元件放在了第一分面板，并且分配到每個(gè)子面板上的功能均簡(jiǎn)潔明了，易于用戶理解。

振動(dòng)信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中，接下來(lái)調(diào)用LabVIEW軟件編寫(xiě)的數(shù)據(jù)分析程序進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。根據(jù)振動(dòng)測(cè)試中對(duì)信號(hào)的分析和處理的基本要求，提供了濾波器、窗函數(shù)、時(shí)域、頻域、頻率響應(yīng)、自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)等信號(hào)分析方法。加上對(duì)這些分析方法的數(shù)據(jù)控制，能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析和處理。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)從0Hz開(kāi)始的掃頻信號(hào)，傳給激振器對(duì)框架式結(jié)構(gòu)梁產(chǎn)生激振作用時(shí)，我們可以在計(jì)算機(jī)上觀測(cè)到兩自由度的共振現(xiàn)象和動(dòng)力減振現(xiàn)象。在這我們給出了信號(hào)傅立葉變換后的頻域觀察，當(dāng)然也可以在時(shí)域觀察。

4結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)的減振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能有效的觀測(cè)和分析兩自由度振動(dòng)和動(dòng)力減振現(xiàn)象，由于所處理的信號(hào)頻率不高，采用廉價(jià)的采集卡就能滿足要求，整體造價(jià)低廉，而信號(hào)處理內(nèi)容較為豐富，所以該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅適合機(jī)械專業(yè)使用，而且還可以用于檢測(cè)和應(yīng)用物理等專業(yè)在學(xué)習(xí)傳感器和虛擬儀器時(shí)使用。同時(shí)利用LabVIEW的靈活性，可以讓學(xué)生自己添加或改動(dòng)信號(hào)處理模塊，開(kāi)展有關(guān)的綜合性實(shí)驗(yàn)。