虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計(jì)潤(rùn)儀儀表振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基于
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測(cè)試系統(tǒng)大多采用電子丈量儀器其特點(diǎn)是功能單一、、靈活性較差、大大的制約了振動(dòng)測(cè)試的范圍。振動(dòng)是自然界普遍的現(xiàn)象。>
正在流行著一種將虛擬儀器技術(shù)引到振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中的技術(shù)，如今。將計(jì)算機(jī)技術(shù)和振動(dòng)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，
虛擬振動(dòng)測(cè)試儀器不只功能強(qiáng)大、用途多樣，組建虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)踐標(biāo)明。而且具有友好的用戶界面和簡(jiǎn)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(dòng)測(cè)試新的發(fā)展方向。
1虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括了加速度傳感器力傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及通用PC機(jī)。
1.1加速度傳感器
機(jī)械振動(dòng)丈量中常用的壓電式加速度傳感器，加速度傳感器主要測(cè)試振動(dòng)體的振動(dòng)加速度。以某些資料受力后在其外表發(fā)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，
用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)出電荷量，壓電式加速度傳感器輸出的電荷量與物體振動(dòng)加速度成比例。就實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)加速度的丈量。有體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，
適于選用電荷放大器，振動(dòng)測(cè)試中應(yīng)用為普遍。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的并聯(lián)壓電材料的壓電傳感器。其電路特點(diǎn)是放大器輸出電壓只與傳感器發(fā)生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關(guān)，
這一特性使電荷放大器的傳輸線路的分布電容不敏感，與構(gòu)成電路的電纜形成的分布電容和信號(hào)頻率無(wú)關(guān)。傳輸距離可達(dá)數(shù)百米。
1.2電荷放大器
不能直接被數(shù)據(jù)采集卡采集，壓電式傳感器輸出的電荷信號(hào)比較微弱。需要用信號(hào)放大器把較弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化成較強(qiáng)的能被數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào)。
核心是一個(gè)具有電容負(fù)反饋、且輸入阻抗及高增益的運(yùn)算放大器。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。>
電荷放大器上還具有低通濾波器和能按傳感器靈敏度調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的適調(diào)放大器。本系統(tǒng)采用BC97型電荷放大器為例。>
1.3數(shù)據(jù)采集卡
此卡設(shè)計(jì)基于PCI總線，本系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)采集卡是PCI-6024美國(guó)NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡。數(shù)據(jù)傳輸速率高，吞吐量大，數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的主流，
支持DMA 方式和雙緩沖模式，一塊性價(jià)比較好的產(chǎn)品。保證了實(shí)時(shí)的信號(hào)不間斷采集與儲(chǔ)存。
信號(hào)輸入范圍分別為-5v+5v和010v提供16路單端/8路差動(dòng)模擬輸入通道，支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入。
24線的TTL型數(shù)字I/O3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。實(shí)際丈量是輸入信號(hào)通過(guò)BNC接頭從輸入端子進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，2路獨(dú)立的D/A 輸出通道。
2虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
運(yùn)用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。順序的開發(fā)過(guò)程中運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)不同功能的需要，分別組建各種功能模塊，
為了將各模塊集成到一起，本系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取模塊、數(shù)據(jù)處置模塊、結(jié)果顯示模塊。還設(shè)計(jì)了一個(gè)主界面來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊的調(diào)用。后再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成和調(diào)試。
2.1系統(tǒng)主界面的設(shè)計(jì)
利用LabVIEW中提供的EditMenu菜單，系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)中。先將要實(shí)現(xiàn)的功能作為菜單選項(xiàng)的內(nèi)容，以便在運(yùn)行時(shí)調(diào)用，然后在框圖中對(duì)各項(xiàng)菜單的調(diào)用通過(guò)Case循環(huán)進(jìn)行選擇，
這樣在運(yùn)行中，使各項(xiàng)菜單對(duì)應(yīng)各項(xiàng)子VI各子VI中的VISetupEexecutOptions中選擇ShowFrontPanelWhenCalled選項(xiàng)。當(dāng)選擇了菜單中的某項(xiàng)內(nèi)容時(shí)，該子VI就被選中調(diào)用。
2.2數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊使用了LabVIEW中A nalogIuput功能塊中的A IWaveformScan模塊進(jìn)行采集控制。>
并可進(jìn)行采集通道、采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)、加窗方式、平均次數(shù)、顯示譜的類型控制，根據(jù)不同需要可以選擇連續(xù)信號(hào)采集或單次信號(hào)采集。還可通過(guò)光標(biāo)移動(dòng)觀察信號(hào)的時(shí)域值和頻域值，觸發(fā)方式上，
信號(hào)觸發(fā)時(shí)，還可以選擇信號(hào)觸發(fā)或自由采集。可選擇觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、觸發(fā)前預(yù)保管點(diǎn)數(shù)等參數(shù)。
2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取模塊
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的主要功能是將顯示器上顯示的圖像所對(duì)應(yīng)的時(shí)域數(shù)據(jù)存入二進(jìn)制文件;將與采集數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)：
便于數(shù)據(jù)讀取模塊和用戶使用。平均次數(shù)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、分析帶寬、觸發(fā)點(diǎn)采樣點(diǎn)、采集時(shí)間等存入與數(shù)據(jù)文件同名的文本文件中。>
數(shù)據(jù)讀取模塊可以方便地進(jìn)行文件的讀寫操作。LabVIEW讀寫文件的過(guò)程為：打開一個(gè)文件按一定格式進(jìn)行讀寫內(nèi)容后關(guān)閉文件。數(shù)據(jù)讀取模塊中用到主要函數(shù)分別是打開文件函數(shù)、讀文件函數(shù)、關(guān)文件函數(shù)。
2.4數(shù)據(jù)處置模塊
需要完成數(shù)字濾波、加窗處理、頻譜分析、功率譜分析、相關(guān)分析、倒譜分析等諸多功能。時(shí)域分析有自相關(guān)與互相關(guān)分析，數(shù)據(jù)處置模塊順序的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵局部。
對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處置可進(jìn)行各通道標(biāo)定系數(shù)輸入及用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，幅值域分析可以進(jìn)行均值、方差、概率密度和概率分布統(tǒng)計(jì)。可進(jìn)行低通、高通、帶通、帶阻濾波，
包括自功率譜、互功率譜、幅度倒頻譜、頻響函數(shù)，基于FFT頻率分析。其中頻響函數(shù)可以根據(jù)需要采用不同的估計(jì)公式，可選擇顯示實(shí)部和虛部、
主要有矩形窗、漢寧窗、哈明窗、指數(shù)窗等，幅頻和相頻以及相干函數(shù)。另外在頻域分析時(shí)可對(duì)各信號(hào)進(jìn)行加窗以減少泄漏。充分利用計(jì)算機(jī)的資源，計(jì)算FFT點(diǎn)數(shù)可以從512點(diǎn)到16384點(diǎn)，
可任意選擇兩通道計(jì)算頻響函數(shù)和互功率譜。信號(hào)分析中調(diào)用了autopowerspectrumspectrumunitconversionpowfrequencestimate等子VI模塊。可進(jìn)行多次平均以減少誤差。>
2.5數(shù)據(jù)顯示模塊
同時(shí)它還包括許多附屬的顯示項(xiàng)，數(shù)據(jù)顯示模塊是將采集到數(shù)據(jù)以及分析后的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示到顯示器上。
大值及其相應(yīng)位置顯示，包括坐標(biāo)單位顯示。時(shí)限顯示，數(shù)據(jù)采集文件索引顯示，供使用者觀察系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。
3虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試
本文介紹了虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)全過(guò)程，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)順序運(yùn)行的正確與否，采用錘擊法對(duì)試件進(jìn)行錘擊測(cè)試，用裝有力傳感器力錘對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行錘擊，用加速度傳感器進(jìn)行拾振， 將兩個(gè)信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后送入數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)軟件設(shè)定采集條件控制采集，并將采集到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和進(jìn)行各種分析。采集時(shí)設(shè)置采樣通道為2個(gè)， 采樣頻率為1000Hz平均次數(shù)為5次，每次采集點(diǎn)數(shù)設(shè)為1024點(diǎn)，觸發(fā)通道為0通道，觸發(fā)電平為100mv觸發(fā)沿為默認(rèn)的上升沿，預(yù)保管點(diǎn)數(shù)為20個(gè)。從測(cè)試結(jié)果上看， 激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)反映的正是錘擊法激勵(lì)時(shí)激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)應(yīng)有的典型形狀，可見系統(tǒng)順序運(yùn)行良好，系統(tǒng)可靠性較高。
本文介紹了虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
實(shí)踐證明采用LabVIEW和基于PC數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)造虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是切實(shí)可行的測(cè)試系統(tǒng)功能強(qiáng)大，模塊化的編程使順序擴(kuò)展變得很方便。 可以預(yù)見，虛擬儀器技術(shù)在整個(gè)測(cè)試領(lǐng)域?qū)?huì)有更加廣闊的應(yīng)用空間。
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