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在現代工程技術(shù)領(lǐng)域,存在著(zhù)大量的振動(dòng)問(wèn)題。例如，車(chē)輛在凹凸不平的路面上行駛所引起的振動(dòng);旋轉機械由于質(zhì)量不平衡在運行中的振動(dòng)等。在絕大多數場(chǎng)合,振動(dòng)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(dòng)問(wèn)題,機械振動(dòng)測試系統隨著(zhù)振動(dòng)測試技術(shù)理論的發(fā)展和生產(chǎn)中對測試的需求與日俱增,并有著(zhù)廣泛的應用領(lǐng)域。但性能優(yōu)越、成本低廉的測試系統市場(chǎng)很難見(jiàn)到。尤其在工程現場(chǎng)的振動(dòng)測試,迫切需要低成本、高精度、高效率,同時(shí)方便靈活的測量?jì)x器。 因此,筆者基于振動(dòng)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(lèi)高精度的傳感器為硬件，基于LabVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺的振動(dòng)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(shí)大大縮短了整個(gè)測試周期。 系統的硬件 虛擬振動(dòng)測試分析系統（如圖1所示）分硬件和軟件兩個(gè)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(guān)系。 圖1 系統的硬件構成 振動(dòng)信號量經(jīng)過(guò)傳感器轉變?yōu)槟M量（電壓、電流等），再經(jīng)過(guò)信號調理器的放大、隔離、濾波等處理進(jìn)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(jīng)計算機進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以便得到所需的信息。圖1是振動(dòng)測試系統的硬件結構示意圖，在實(shí)際的應用中，系統的硬件可根據振動(dòng)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LabVIEW8.20平臺上開(kāi)發(fā)的。在系統的編制過(guò)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(guò)程中，將每個(gè)模塊做成一個(gè)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2所示。 圖2 系統總體結構圖 1 數據采集模塊的設計 數據采集提供了整個(gè)測試系統的數據來(lái)源，是虛擬儀器的基本組成部分。數據采集模塊主要是實(shí)現振動(dòng)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(diǎn)數、段數的控制等。振動(dòng)信號主要為隨機信號和瞬態(tài)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(jìn)行連續采集，適用于隨機信號的采集；（2）信號觸發(fā)采集，首先設置好觸發(fā)條件，包括觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、觸發(fā)前預留點(diǎn)數等，圖3為信號觸發(fā)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(guò)這些模塊可以實(shí)現采集振動(dòng)瞬態(tài)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(lèi)似，且相對簡(jiǎn)單，這里就不贅述。） 2 信號分析模塊的設計 根據振動(dòng)測試對信號分析處理的要求，主要從時(shí)域分析、幅值域分析、頻域分析和時(shí)頻聯(lián)合分析方面進(jìn)行程序設計。 時(shí)域和幅值域分析模塊：時(shí)域分析中主要是自相關(guān)分析和互相關(guān)分析。自相關(guān)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(guān)則反映了兩隨機變量的統計依賴(lài)關(guān)系。幅值域特性分析是每次實(shí)驗必不可少的一步，該模塊程序可以同時(shí)觀(guān)測輸入、輸出信號的概率密度曲線(xiàn)、概率密度分布曲線(xiàn)，還可以直接求值，尤其是隨機信號數字特征的偏態(tài)和峰值，可用于故障檢測和分析。 圖3 信號觸發(fā)采集模塊流程圖 圖4 數據分析處理模塊后面板 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(shí)域信號經(jīng)傅里葉變換、頻域轉換為復數形式，故在顯示分析時(shí)有很多的格式，如幅頻譜、相頻圖、實(shí)頻圖、虛頻圖、奈奎斯特圖、波特圖、三維瀑布圖等。 時(shí)頻聯(lián)合分析模塊：時(shí)頻聯(lián)合分析亦稱(chēng)時(shí)頻局域化方法，是使用時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數來(lái)表示信號。典型的線(xiàn)性時(shí)頻表示有：短時(shí)傅里葉變換、小波變換和Gabor變換。時(shí)頻聯(lián)合分析在實(shí)際信號處理中，尤其是振動(dòng)信號處理中，可以將信號在任意時(shí)刻的頻域很好的表示出來(lái)。短時(shí)傅里葉變換是把信號劃分為許多小的時(shí)間間隔，用傅里葉變換分析每個(gè)時(shí)間間隔，以便確定該段時(shí)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(gè)數據分析處理模塊程序的前面板由Tab控件來(lái)組織，用戶(hù)可以通過(guò)單擊Tab的不同頁(yè)來(lái)查看相關(guān)的分析結果；后面板主要由一個(gè)While循環(huán)和2個(gè)Case結構組成，程序的后面板主要程序部分如圖4所示。 實(shí)例驗證 為了驗證本系統的可行性與實(shí)用性，筆者在基于發(fā)動(dòng)機轉子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗臺上進(jìn)行了實(shí)例驗證。 圖5為Engine Runup (mic)的Baseband FFT圖、Water fall圖、Badeplot圖和Nyquist圖。 圖5 Baseband FFT圖、Water fall圖、Badeplot圖和 Nyquist圖 圖6 短時(shí)傅里葉變換前面板 圖6所示為短時(shí)傅里葉變換分析程序面板，其橫坐標表示時(shí)間，左邊縱坐標表示頻率，而右邊縱坐標表示在各個(gè)時(shí)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(shí)間變化的情況。 該分析結果與重慶大學(xué)研制的測振儀等設備分析出的結果相符。 |
