基于虛擬儀器技術的振動測試系統(tǒng)的設計

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引到振動測試領域中的技術，將計算機技術和振動測試技術相結合，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生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器，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?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，在振動測試中應用最為普遍。本系統(tǒng)的設計采用的是并聯(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生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關，與構成電路的電纜形成的分布電容和信號頻率無關，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)據采集卡采集，需要用信號放大器把較弱的電荷信號轉化成較強的能被數(shù)據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節(jié)放大倍數(shù)的適調放大器。
　　
1.3 數(shù)據采集卡
　　
本系統(tǒng)中采用的數(shù)據采集卡是PCI-6024，它是美國NI公司生產的多功能接口卡，此卡設計基于PCI總線，數(shù)據傳輸速率高，吞吐量大，是數(shù)據采集卡設計的主流，它是一塊性價比較好的產品，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)據采集卡進行數(shù)據采集，同時用美國NI公司提供的Measurement Automation軟件進行簡單的設置便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據采集卡之間的通訊。

2虛擬振動測試系統(tǒng)的軟件設計
　　
虛擬振動測試系統(tǒng)的軟件設計，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計思想，根據不同功能的需要，分別組建各種功能模塊，本系統(tǒng)包含了數(shù)據采集模塊、數(shù)據存儲與讀取模塊、數(shù)據處理模塊、結果顯示模塊，為了將各模塊集成到一起，還設計了一個主界面來實現(xiàn)各模塊的調用。最后再對系統(tǒng)進行集成和調試。
　　
2.1 系統(tǒng)主界面的設計
　　
在系統(tǒng)的主界面設計中，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容，以便在運行時調用，然后在框圖中對各項菜單的調用通過Case循環(huán)進行選擇，使各項菜單對應各項子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，當選擇了菜單中的某項內容時，該子VI就被選中調用。
　　
2.2 數(shù)據采集模塊
　　
數(shù)據采集模塊使用了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)前預保留點數(shù)等參數(shù)。
　　
2.3 數(shù)據存儲與讀取模塊
　　
數(shù)據存儲模塊的主要功能是將顯示器上顯示的圖像所對應的時域數(shù)據存入二進制文件;將與采集數(shù)據有關的參數(shù)：平均次數(shù)、數(shù)據長度、分析帶寬、觸發(fā)點采樣點、采集時間等存入與數(shù)據文件同名的文本文件中，便于數(shù)據讀取模塊和用戶使用。
　　
數(shù)據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容——最后關閉文件。在數(shù)據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)、關文件函數(shù)。
　　
2.4數(shù)據處理模塊
　　
數(shù)據處理模塊程序的設計是本系統(tǒng)軟件設計的關鍵部分，它需要完成數(shù)字濾波、加窗處理、頻譜分析、功率譜分析、相關分析、倒譜分析等諸多功能。時域分析有自相關與互相關分析，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)據的預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。在信號分析中調用了auto power spectrum、spectrum unit conversion、power frequency estimate等子VI模塊。
　　
2.5 數(shù)據顯示模塊
　　
數(shù)據顯示模塊是將采集到的數(shù)據以及分析后的數(shù)據數(shù)據顯示到顯示器上，同時它還包含許多附屬的顯示項，包括坐標單位顯示，最大值及其相應位置顯示，時限顯示，數(shù)據采集文件索引顯示，供使用者觀察系統(tǒng)測試結果。

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構進行錘擊，用加速度傳感器進行拾振，將兩個信號經電荷放大器放大后送入數(shù)據采集卡，通過軟件設定采集條件控制采集，并將采集到的數(shù)據存儲和進行各種分析。采集時設置采樣通道為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，預保留點數(shù)為20個。從測試結果上看，激勵信號和響應信號反映的正是錘擊法激勵時激勵及響應信號應有的典型形狀，可見系統(tǒng)程序運行良好，系統(tǒng)可靠性較高。

4結束語
　　
本文介紹了虛擬振動測試系統(tǒng)的設計。實踐證明采用LabVIEW和基于PC 的數(shù)據采集卡構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?？梢灶A見，虛擬儀器技術在整個測試領域將會有更加廣闊的應用空間。

5本文作者創(chuàng)新點
　　
振動測試系統(tǒng)的設計采用了先進的虛擬儀器技術，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
　　
[1] 雷振山編著，LabVIEW 7 Express實用技術教程，中國鐵道出版社，2004年
[2] 劉君華編著,虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程， 西安電子科技大學出版社，2001年
[3] 王蹤，基于虛擬儀器技術的導引頭位標器振動性能測試系統(tǒng)設計 微計算機信息， 2005.5
[4] 張恩編著，振動測試與分析技術，清華大學出版社，2000年
[5] National Instruments Corporation, LabVIEW Use Manuals, July 2002
[6] National Instruments Corporation, DAQ PCI-6024 User Manual, July 1998