基于LabVIEW的車(chē)體振動(dòng)加速度信號(hào)處理

1 引 言

隨著全國(guó)鐵路的六次大提速，車(chē)輛高速運(yùn)行下的安全性可靠性已成為人們高度關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。而安全運(yùn)行、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等都是需要以振動(dòng)試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)做強(qiáng)力支持和保証的。基于此，本文選擇了測(cè)取車(chē)體的振動(dòng)加速度信號(hào)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW平臺(tái)的人機(jī)界面。經(jīng)檢驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/加速度信號(hào)">加速度信號(hào)進(jìn)行很好的處理，并能方便地選擇巴特沃思濾波器的階數(shù)，再根據(jù)運(yùn)行結(jié)果確定所選的濾波器階數(shù)是否合適，綜合所有，得出最好的處理結(jié)果。

2 LabVIEW編程語(yǔ)言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美國(guó)NI公司(NationalInstruments，國(guó)家儀器公司)推出的一個(gè)功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件，是一種嶄新的圖形化編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，其源程序完全是圖形化的框圖，避免了基于文本模式的編程語(yǔ)言的困擾，為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示等各種應(yīng)用提供必要的開(kāi)發(fā)工具。因而，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受。

3 測(cè)試對(duì)象

由于道路不平順，載重車(chē)車(chē)體在x方向(前后)、y方向(左右)和z方向(垂向)均產(chǎn)生了劇烈振動(dòng)，影響行車(chē)安全，特別是y方向的振動(dòng)，為進(jìn)一步改進(jìn)車(chē)體結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)越野能力，保障行車(chē)安全，采用加速度傳感器對(duì)車(chē)體振動(dòng)進(jìn)行了在線檢測(cè)，圖1是y方向輸出的典型信號(hào)。由于車(chē)體的劇烈運(yùn)動(dòng)，使三個(gè)方向的振動(dòng)產(chǎn)生了耦合，形成車(chē)體耦合振動(dòng)，因而y方向的加速度信號(hào)中出現(xiàn)了x方向和z方向的振動(dòng)信號(hào)，采用頻譜分析技術(shù)和帶通濾波技術(shù)將y方向的振動(dòng)加速度信號(hào)分離出來(lái)。

車(chē)體的振動(dòng)頻率fi與車(chē)的載重量有關(guān)，為此，對(duì)14種不同的載重量分別進(jìn)行了測(cè)量，得到了14組振動(dòng)加速度信號(hào)，我們選取了其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 測(cè)試條件

采用壓電晶體加速度傳感器測(cè)量，傳感器電壓靈敏度：Sv=95 mV∕g，不考慮橫向效應(yīng)；信號(hào)調(diào)理器的放大倍數(shù)：K=5；采樣頻率：fs=200 Hz；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：N=1 024；A∕D卡為雙極性輸出，數(shù)字信號(hào)為電壓值(V)；由于車(chē)體振動(dòng)嚴(yán)重，各傳輸線產(chǎn)生晃動(dòng)，在信號(hào)中產(chǎn)生了寬帶噪聲，并存在直流分量；由于載重車(chē)后掛有拖箱，在信號(hào)中存在一定的低頻成分。

5 信號(hào)處理

耦合振動(dòng)是一種比較深層次的振動(dòng)問(wèn)題，車(chē)輛的耦合振動(dòng)更為復(fù)雜，目前多采用模態(tài)分析，數(shù)值行算，有限元分析等方法求解。采用濾波方法進(jìn)行粗略的提取，簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行速度快，有較好的實(shí)時(shí)性，用于粗略判別和分析，具有一定應(yīng)用價(jià)值。 對(duì)一組長(zhǎng)度為1024的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，要獲取y方向的加速度信號(hào)，就必須把耦合的x方向和z方向的振動(dòng)信號(hào)濾除。(1)對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到一組中心頻率不同的成分。分析頻率成分，可知y方向加速度信號(hào)的中心頻率在40 Hz左右。(2)設(shè)計(jì)巴特沃思帶通濾波器，提取特定的頻段。主要任務(wù)是根據(jù)通帶和阻帶的衰減要求確定濾波器的階數(shù)。

5.1 頻譜分析

FFT是一種高效實(shí)現(xiàn)離散傅氏變換的算法。離散傅氏變換的目的是把信號(hào)由時(shí)域變換到頻域，從而可以在頻域分析處理信息。

FFT變換圖象(見(jiàn)圖2前面板顯示1)顯示信號(hào)中有三個(gè)顯著成份，頻率低者為z向振動(dòng)，中間為y向振動(dòng)，即分析對(duì)象，頻率高者為x向振動(dòng)。注：信號(hào)中存在直流分量和低頻成分。

調(diào)整頻率分析圖象中y軸的標(biāo)尺，濾波前的信號(hào)成分?jǐn)?shù)值如表1。

濾波器的基本作用是選頻，即允許信號(hào)中的某些領(lǐng)域成分通過(guò)，其他的頻率成分受到抑制。前面已提到頻譜分析圖象中有三個(gè)顯著成分，需要提取的分析對(duì)象是y方向即40Hz左右的頻率，因此，采用只能允許信號(hào)中某段頻率成分通過(guò)而抑制其余頻率成分的帶通濾波器。

對(duì)于數(shù)字濾波器，從設(shè)計(jì)方法上分類(lèi)，有IIR濾波器(無(wú)限衝激響應(yīng)數(shù)字濾波器)和FIR濾波器(有限衝激響應(yīng)數(shù)字濾波器)之分。對(duì)數(shù)字濾波器的要求可歸納為具有帶通頻響特性?；贔IR和IIR濾波器的性能比較，選擇IIR濾波器(如圖3)就能滿足系統(tǒng)要求，而且階數(shù)低，容易實(shí)現(xiàn)。

除中心頻率ω0之外仍需確定的帶通濾波器參數(shù)有(如圖4)：

查看頻譜分析圖象：

ω=2πf f0=40Hz
fCH=42Hz fCL=38Hz

因此，巴特沃思帶通濾波器的參數(shù)如下：高截止頻率為42 Hz，低截止頻率為38Hz，濾波器階數(shù)為4階。前面板上的參數(shù)選定完畢后，運(yùn)行結(jié)果顯示如圖5。

LabVIEW軟件設(shè)計(jì)分為四步：

(1)創(chuàng)建前面板：前面板是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸文件路徑和觀察輸出量，它模仿了實(shí)際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制按鈕，可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。在車(chē)體振動(dòng)加速度信號(hào)處理程序的前面板上，設(shè)置了4個(gè)Waveform Graph用于顯示原始信號(hào)、頻譜、濾波后的信號(hào)和濾波后的頻譜。另外，還有文件輸入路徑和巴特沃思濾波器的參數(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)。

(2)創(chuàng)建程序框圖：在前面板窗口的主菜單Windows中選擇Show Diagram，將前面板窗口切換到框圖程序窗口，此時(shí)會(huì)看到與前面板對(duì)象對(duì)應(yīng)的端口。根據(jù)需要在功能模板中找到所需的節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到框圖程序窗口。用數(shù)據(jù)連線將這些端口和節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)連接起來(lái)形成一個(gè)完整的框圖程序。

(3)創(chuàng)建圖標(biāo)：圖標(biāo)是一個(gè)虛擬儀器圖形化符號(hào)，每一個(gè)VI都有一個(gè)默認(rèn)的圖標(biāo)，顯示在面板或框圖窗口的右上角。

(4)運(yùn)行和調(diào)試程序：運(yùn)行和調(diào)試程序是任何一門(mén)編程語(yǔ)言編程的最重要的一步。在LabVIEW中，如果一個(gè)VI程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的RUN(運(yùn)行)按鈕會(huì)顯示成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序有錯(cuò)不能被執(zhí)行。為了查找程序中的邏輯錯(cuò)誤，可選擇單步執(zhí)行。調(diào)試程序時(shí)，還可以使用探針工具來(lái)查看數(shù)據(jù)流經(jīng)某一根連接線時(shí)數(shù)據(jù)值的變化。

完整的車(chē)體振動(dòng)加速度信號(hào)處理程序框圖如圖6所示。

研究車(chē)體的振動(dòng)加速度信號(hào)可以有效地測(cè)試火車(chē)的安全運(yùn)行情況。為了改善車(chē)體的抗振性能，需要測(cè)量其振動(dòng)的強(qiáng)弱，進(jìn)行頻譜分析以了解其振動(dòng)狀態(tài)，尋找其振源，以便采取合理地的減振措施?；贚ab VIEW的車(chē)體振動(dòng)加速度信號(hào)處理系統(tǒng)具有較好的實(shí)際應(yīng)用能力。