三向振動臺的計算機測試分析系統設計(徐云霞)

1、南 京 工 程 學 院畢業(yè)設計說明書（論文）作 者： 徐云霞 學 號： 201090402 系 部： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化（制造技術） 題 目： 三向振動臺的計算機測試分析系統設計 指導者： 鄭 勇 講師 評閱者： 2013 年 5 月 南 京1畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要在現代機械工業(yè)和機械工程中，振動測試、信號處理以及振動分析是十分重要的環(huán)節(jié)。但是在機械振動測試中，所需的測試儀器繁多復雜，導致測試工作需要大量的人力、物力。近年來，自動化測試與電子測量儀器在這個技術領域發(fā)生了巨大的變化。美國NI公司的創(chuàng)新產品圖形化編程環(huán)境LabV1EW軟件的出現，使虛擬儀器技術為

2、工業(yè)界所接收，進而成為當前國際上最先進的儀器技術之一，并得到廣泛應用。在虛擬儀器快速發(fā)展的趨勢下，本論文對實驗室中所用到的三向振動臺，如何通過計算機測試軟件收集、分析、保存數據進行了研究。開發(fā)了以計算機、壓電式加速度傳感器、電荷放大器、數據采集卡為硬件平臺、以美國國家儀器(NI)公司開發(fā)的LabVIEW軟件為開發(fā)平臺的振動測試軟件。關鍵詞：虛擬儀器 LabVIEW 信號測試 平臺硬件 畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要Title The Test and Analysis of Computer System About Three-Vibration Table AbstractIn moder

3、n mechanical industry and mechanical engineering, vibration testing, signal processing, and vibration analysis is a very important part. However, mechanical vibration test require numerous complex test equipment, causing the test work requires a lot of manpower and material resources.In recent years

4、, automated testing and electronic measuring instrument that in this technology has undergone profound changes. Especially the U.S. company's innovative products NI graphical programming environment LabV1EW software have enabled virtual instrument technology for the industrial sector received, a

5、nd thus become the world's most advanced equipment technologies, has been widely used.In the virtual instrument trend of rapid growth, in the laboratory used by the three-vibration table, how the computer test software to collect, analyze, save the data were studied. The development of a compute

6、r, a piezoelectric acceleration sensor, data acquisition card as the hardware platform, National Instruments (NI) LabVIEW software developed for the vibration test software development platform.Keywords: Virtual Instruments ,LabVIEW ,signal test , platform hardware 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 目 錄前 言1第一章 緒 論21

7、.1 課題背景21.2 課題研究的目的和意義31.3 課題研究的任務和內容31.4 電機振動特性研究簡介31.4.1 電機振動產生的原因41.4.2 電機的振動形式4第二章 虛擬儀器簡介52.1 虛擬儀器52.1.1 虛擬儀器的定義52.1.2 虛擬儀器的組成52.1.3 虛擬儀器的分類52.1.4 虛擬儀器與傳統儀器的比較62.1.5 虛擬儀器的發(fā)展72.2 LabVIEW語言92.2.1 LabVIEW 語言的簡述92.2.2 LabVIEW 語言的特點92.2.3 LabVIEW語言的應用10第三章測試分析系統設計的總體方案123.1 平臺硬件介紹123.2 測試系統概念模型143.3

8、測試分析系統總體設計方案153.3.1系統數據的采集模塊163.3.2數據文件的存儲模塊163.3.3數據文件的讀取模塊163.3.4振動信號的分析與處理模塊16第四章 三向振動臺振動信號測試184.1 測試系統功能驗證184.1.1 數據采集與保存184.1.2 數據讀取、分析與處理194.2 實例分析20第五章 結論與建議275.1 結論275.2 進一步研究建議27參考文獻28致 謝29附錄30I 前 言在現代的機械工業(yè)、工程中，振動測試、信號處理、振動分析是十分重要的環(huán)節(jié)。但是，在機械振動測試中，所需的測試儀器很多，也很復雜，導致測試工作需要很多的人力和物力。隨著現代電子技術和計算機技

9、術的快速發(fā)展，自動化測試與電子測量儀器在這個技術領域，也發(fā)生了很大的變化。尤其是近些年來，美國NI公司的創(chuàng)新產品LabV1EW軟件的出現，使虛擬儀器技術被工業(yè)界人士所接收，進一步成為當前國際上最先進的儀器技術之一，并得到廣泛應用。在虛擬儀器快速發(fā)展的趨勢下，本次論文對實驗室中所用到的三向振動臺，如何通過計算機測試軟件收集、分析、保存數據進行了研究。同時，開發(fā)了以計算機、壓電式加速度傳感器、電荷放大器、數據采集卡為硬件平臺、以美國 NI公司開發(fā)的LabVIEW軟件為開發(fā)平臺的振動測試軟件。采用圖形化的編程語言LabVIEW，我組建了這個振動測試分析系統，減少了測試過程中的硬件設備，同樣實現了對振

10、動信號的采集的目的。這不僅大大降低了硬件成本，而且為實驗室教學提供了一種全新的手段?；谔摂M儀器技術的測試實驗教學平臺的開發(fā)，這可以幫助學生形象生動的學習課本知識，將書本上的抽象理論具體的展現出來，有利于提高學生的學習興趣和學習效率，同時也提高了教學質量。 第一章 緒 論1.1 課題背景在現代工程技術領域，有很多振動問題。我們知道，在絕大多數場合，振動都是有害的。電機是現代生產中的重要電氣設備，如果它產生故障，會對生產造成特別大的影響。例如，它可能影響設備的正常工作、機械的加工精度，也可能導致機器零件的加速磨損，甚至導致機器急劇斷裂。因此，我們需要監(jiān)測電機的運行狀態(tài)。同時，不斷提高的環(huán)保標準也

11、要求我們控制電機的噪聲。測試和分析電機的振動，它為電機的故障診斷和電機的噪聲控制提供了途徑。因此，我們有必要建立一個電機振動測試分析系統。 所謂的振動測試與分析，就是利用現代的測試手段，對所研究的振動信號進行測量，并對測試所得到的信號作進一步的分析，以獲得在各種工作狀態(tài)下結構的振動特性，從而判斷出結構的這種動態(tài)特性是否符合設計的要求，為研究人員來驗證理論和建立新的理論提供可靠的依據。隨著信號處理方法的發(fā)展，現代的信號處理技術，正在不斷應用到電機振動信號的處理方面，使得電機振動分析越來越的精確。早前，以傅里葉變換為基礎的振動功率譜密度、功率譜等，它們只適用于電機的平穩(wěn)振動方面。短時傅里葉技術的出

12、現，使我們有可能測試并分析電機的轉速。這種短時傅里葉技術，也在一定程度上克服了傅里葉分析的缺陷，是振動信號處理特別有效的工具。近年來發(fā)展起來的獨立分量分析，它則為電機的內部復雜的振動源的分離以及電機故障診斷的特征提供了更加可靠的技術。另外，在計算機技術不斷發(fā)展的背景下，以計算機為基礎的虛擬儀器得到了快速的發(fā)展。在很多情況下，傳統的振動測試系統，采用電子測量儀器，它的特點是：靈活性較差、功能單一、專用，這極大地制約了振動測試的范圍。相比于傳統儀器，虛擬儀器不僅用途多樣、功能強大，而且具有簡化的圖形化編程語言以及友好的用戶界面。這個優(yōu)勢，不僅讓虛擬儀器受到很多用戶的歡迎，它也廣泛應用在工程測試領域

13、。在不花費大量資金購買專用設備的情況下，虛擬儀器技術對電機振動進行了復雜的測試，使得運用現代信號處理技術處理電機信號成為了可能。41.2 課題研究的目的和意義在現在的機械工業(yè)和工程中，振動測試分析是它的重要環(huán)節(jié)。傳統的振動測試系統很多情況下采用電子測量儀器，這類儀器又多又復雜，它的特點是靈活性較差、功能單一而且專用，這極大地縮小了振動測試的范圍。基于虛擬儀器技術建立的振動測試分析系統，它不用花費很多錢來購買專用的設備，只要配傳感器、數據采集卡、電荷放大器等硬件就能滿足振動測試分析的需要。而且，虛擬儀器它不僅僅功能強大、用途多樣，還有友好的用戶界面和簡單的圖形化編程語言，這讓程序員特別容易學習。

14、本次畢業(yè)設計的課題，我利用LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，依靠計算機對虛擬儀器面板進行開發(fā)。根據開發(fā)出來的面板，只要使用鼠標和鍵盤，就可以對采集到的信號數據進行分析處理。這種操作和實際中的儀器操作，可以完全一致。同時，還可以簡化設計專項功能，沒有了復雜的操作，使得應用非常的簡單。 一臺計算機具有多臺儀器的功能，這使得實驗準備過程被簡化了。由于這些功能是在計算機的基礎上開發(fā)的，而不是硬件元件，所以很多實驗步驟也可以完全省略，這會大大減少師生在學習中的任務量，提高效率。另外，實驗儀器設備的功能可通過編程來實現，這樣就擺脫了功能固化的問題。這樣可以節(jié)省很多的資金，是非常經濟的。1.3 課題研究的任務

15、和內容本課題是以三向振動臺為研究對象，開發(fā)基于LabVIEW平臺下計算機測試分析系統。主要的任務是：1、搭建由壓電式加速度傳感器、電荷放大器、數據采集裝置和PC機組成的三向振動臺計算機測試分析系統的硬件平臺。2、開發(fā)基于LabVIEW的振動測試分析軟件，完成數據采集、數據存儲與讀取、信號顯示、信號分析與處理等功能，并提供相應的軟件測試報告。1.4 電機振動特性研究簡介電機是現代化生產中重要的電器設備，如果電機發(fā)生故障，絕對會對生產造成十分大的影響。因此，需要監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，有必要建立一個電機振動測試分析系統。那電機的振動原因、形式有哪些呢4 12，下面就進行一下闡述。1.4.1 電機振動產

16、生的原因電機是電能量的轉換裝置，結構復雜，它的振動涉及到電機的各個部件。電機振動特性研究涉及了到了很多方面，如能量轉換、電磁鐵，機械振動。一般來說，電機振動產生的原因有：1、電磁力：電磁力作用于定子和轉子的氣隙之中，它的力波在氣隙中是脈動或旋轉的。力的大小與電磁負荷、電機有效部分的一些結構和計算參數有關。2、軸承：軸承產生的振動的原因很多，比如軸承本身的制造情況、加工精度等。3、轉子的機械不平衡：轉子的不平衡能產生特別明顯的振動。 1.4.2 電機的振動形式1、電機定子繞組引起的振動2、電機定子鐵心引起的振動3、電機軸承引起的振動4、電機轉子的扭轉引起的振動5、電機轉子的彎曲引起的振動6、電機

17、機座的引起的振動 第二章 虛擬儀器簡介2.1 虛擬儀器 2.1.1 虛擬儀器的定義虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，并結合高效、靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用技術。自它問世以來，世界各國的工程師和科學家，都已將虛擬儀器用于產品設計的各個環(huán)節(jié)中。這不僅改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，而且還提高了產品開發(fā)和生產的效率。6 7 圖2-1 虛擬儀器2.1.2 虛擬儀器的組成虛擬儀器是由儀器硬件平臺（簡稱為硬件平臺）和應用軟件兩大部分構成的。硬件平臺則由計算機和I/O接口兩部分組成。計算機是虛擬儀器的核心設備，通過軟件進行仿真可以實現儀器的功能。在傳統儀器中，硬件電路實現的

18、數據分析處理與顯示功能，在虛擬儀器中的話，由計算機來執(zhí)行。所以，計算機是其核心部分。當計算機與I/O接口設備配置完畢后，虛擬儀器的硬件平臺就可以被確定了。在此之后，軟件就成為虛擬儀器的關鍵部分。2.1.3 虛擬儀器的分類隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，虛擬儀器它可以分為五大種類型：10 111、PC總線插卡型這種方式的虛擬儀器，借助于數據采集卡與專用的軟件，與軟件相結合。計算機的總線、機箱、電源及軟件得到了充分應用。但是，它受到PC機機箱和總線限制，而且電源功率不足，機箱內部噪聲的電平比較高，插槽數目不多、尺寸比較小，機箱內無屏蔽。2、并行口式并行口的虛擬儀器是最新發(fā)展的，可連接到計算機的

19、測試裝置，它們把儀器硬件集成到一個采集盒里面。儀器軟件裝在計算機上面，一般可以完成各種測試的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、任意波形發(fā)生器、邏輯分析、儀功率計、頻率計、數字萬用表、數據記錄儀、數據采集器、程控穩(wěn)壓電源。3、GPIB總線方式GPIB技術是IEEE488標準的虛擬儀器發(fā)展的早期階段。它的出現，使電子測量從獨立的單臺手工操作，向大規(guī)模自動測試系統方向發(fā)展。比較典型的GPIB系統，它由一臺PC機、一塊GPIB接口卡、若干臺GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。GPIB技術可通過計算機來對儀器進行操作、控制，從而替代以前的人工操作方法。這可把特別多儀器組合在一起，自動測量

20、的系統就形成了。GPIB結構、命令十分的簡單，它一般情況下應用在臺式的儀器上，適用在精確度的要求比較高的地方。4、VXI總線方式VXI總線是高速計算機總線VME在虛擬儀器領域的擴展，它具有非常穩(wěn)定的電源，特別有力的冷卻能力和十分嚴格的RFI/EMI屏蔽功能。由于它具有標準開放、模塊可以重復利用、數據吞吐能力強、定時和同步精確、結構緊湊等等優(yōu)點，得到了十分廣泛的應用。經過許多年的發(fā)展，VXI系統的組建和使用越來越方便。但是，組建VXI總線要求有機箱、嵌入式控制器、零槽管理器，這使得它的造價很高。5、PXI總線方式PXI總線方式是在PCI總線內部核技術中，增加了成熟的技術規(guī)范和要求，增加了多板同步

21、觸發(fā)總線，以使用在相鄰模塊的高速通訊中的局總線。因為PXI具有8個擴展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，所以說PXI的具有高度的可擴展性。如果將臺式PC機的高性價比和PCI總線的高度擴展性優(yōu)勢結合起來，將形成很好的虛擬儀器平臺。2.1.4 虛擬儀器與傳統儀器的比較虛擬儀器與傳統儀器存在著或多或少的區(qū)別。一般來說，傳統的儀器是獨立的一種裝置。從它的外觀上看，它有信號的輸入端口、檢測結果的輸出端口、操作面板三個部分。操作的面板上邊，一般有按鈕、開關以及旋鈕等。檢測結果，它的輸出方式：圖形窗口數字、打印輸出等。功能方面來說的話，傳統的儀器可以分成這些：信號的處理&分析、

22、信號的控制&采集、結果的輸出和表達這么三個部分。傳統得儀器功能，大多數是用硬件(或者是固化的軟件)那樣來實現的。此樣底框架結構使得它只能靠制造儀器的廠商來定義以及制造，且規(guī)格、功能一般是固定的，用戶根本無法根據自己的需要改變其結構和功能。5那虛擬儀器又有什么特點呢？虛擬儀器是一種全新的測控儀器系統，它通過應用程序將通用 PC機與功能模塊硬件結合起來。用戶可以通過友好的圖形界面來操作計算機，完成對被測量數據的采集、顯示、分析、判斷、存儲等測試工作。2虛擬儀器與傳統儀器兩者的比較，見表2-1。表 2-1 傳統儀器和虛擬儀器的對比傳統儀器虛擬儀器功能由儀器制造廠家定義功能由使用者自己來定義和

23、其它的儀器設備連接在一起非常地有限可以方便地和網絡外邊的設施以及許多種的儀器連接開發(fā)和維護費用高基于軟件體系的結構，可節(jié)省開發(fā)費技術更新慢技術更新快硬件是關鍵部分軟件是關鍵部分價格昂貴價格低廉,僅是傳統儀器的五至十分之一系統封閉、功能固定、可擴展性差基于計算機技術開放的功能，模塊可構成多種儀器數據無法編輯數據可編輯、存儲、打印圖形界面小，人工讀取數據、信息量小用戶界面圖形化,計算機可以直接讀取數據并分析處理數據2.1.5 虛擬儀器的發(fā)展從上世紀70年代，提出了智能儀器的概念，到提出虛擬儀器的思想，人們對測試儀器的功能設計和應用的認識，呈現出了不斷發(fā)展和深化的過程。虛擬儀器從概念的提出，到現在技

24、術的越來越成熟，體現出了計算機技術對傳統工業(yè)的革命。在虛擬儀器技術發(fā)展的過程中，有兩個十分突出的標志，第一個是 VXI 總線標準的建立和推廣，第二個是圖形化編程語言的出現和發(fā)展。前者從儀器的硬件框架中，實現了分析與測量的儀器所必須要的總線結構。后者則是從軟件編程方面，實現了面向工程師的圖形化編程方法，這兩種虛擬儀器一起形成了虛擬的儀器滴基礎規(guī)范。1、硬件發(fā)展傳統儀器具有可靠性、實時的處理能力，如果要確保虛擬儀器擁有這樣的功能，關鍵的一點是：傳輸的測量數據的總線結構。在這個虛擬儀器里面，它的分析處理功能是靠計算機來控制、完成，因此，接口和總線得速度以及可靠性是十分關鍵的。美國NI公司最新推出的

25、VXI 總線標準，讓用戶可跟儀器廠家一樣，從訪問寄存器來設計和安排儀器的功能，這樣也使得用戶化儀器功能得以實現。當然，采用普通的PC總線，特別是基于工業(yè)PCI總線的虛擬儀器也在不斷地發(fā)展。這類虛擬儀器的出現，主要是面向工業(yè)控制，過程監(jiān)測及實驗室應用方面。另外，發(fā)展很迅速的還有數據采集卡。具有很高的采樣率，高精度的DAQ 板已經面世，抗混疊濾波器、A/D 轉換技術、信號調理技術、儀器放大器的快速發(fā)展使 DAQ 成為最具有吸引力的 VI 選件之一。這些精度高、性能優(yōu)越的先進板卡，即是我們構建測控系統的硬件基礎。2、軟件發(fā)展推動虛擬儀器發(fā)展的因素，除了有硬件技術外，還有軟件技術和國際標準。在GPIB

26、這類接口總線出現后，大家一直關心的問題是：關于程序控制儀器的信息交換協議、句法格式以及共用命令的標準化的相關問題。隨著虛擬儀器技術的發(fā)展，用戶自己來開發(fā)儀器驅動器，已經基本成為技術發(fā)展的客觀要求。以前，儀器廠家專門設計儀器驅動器，沒有一定的標準，這讓用戶用在儀器軟件上面的投資無法得到保護。為此，國際有關組織專門地制訂了一個標準：VISA標準，這樣就建立了與跟許多儀器接口的總線不相關的標準I/O軟件，與 LabVIEW軟件等一些開發(fā)環(huán)境比較先進的軟件互相適應。3 2.2 LabVIEW語言2.2.1 LabVIEW 語言的簡述實驗室里面，虛擬儀器的集成環(huán)境的簡稱是LabVIEW，它是目前發(fā)展最快

27、、應用最廣、功能最強大滴圖形化的軟件以及開發(fā)集成的環(huán)境，得到了學術界、工業(yè)界的一致好評以及評認可。它可以將相對比較繁瑣的語言編程方法簡化，將它們變?yōu)橛貌藛位蚴怯脠D標來提示，選擇功能，只用通過線條把各種各樣的功能(圖形)接起來，這方便了基本沒有編寫程序經驗的使用者，進行編程、糾錯以及調試。LabVIEW是一種虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，它能以直觀簡便的編程方式，為用戶構筑自己在工程中所需要的儀器提供了方便。而且與其它計算機語言相比，LabVIEW有一個不同點：其它的計算機語言，大都采用基于文本的語言來產生代碼行，但是，LabVIEW 則采用圖形化的編程語言G 語言，產生的程序是框圖的形式。因為不用去去

28、記住那些復雜、繁瑣的代碼，所以這個特別容易學習，適合于各類人群，可幫他們在很短時間里，掌握并應用它。5LabVIEW 語言的的功能也十分強大。和其它的計算機語言一個樣子，LabVIEW也是通用化的編寫程序系統，它擁有功能厲害、種類繁多的函數庫，這其中包括串行儀器的控制、數據的采集、數據分析、數據的顯示功能、數據的存儲功能以及網絡功能。除此之外，LabVIEW 語言，它還有十分完美的仿真、調試工具等功能。LabVIEW語言的動態(tài)、連續(xù)的跟蹤方式，也可以連續(xù)、動態(tài)地來觀察一下程序中里面的數據以及它的變化情況，這比其它語言的開發(fā)環(huán)境更加方便、更加有效。2.2.2 LabVIEW 語言的特點LabVI

29、EW環(huán)境中，開發(fā)了好一些應用的程序，它的文件名字都用 .VI 作為后綴,用此方法來表示，它是虛擬儀器的意思。一個VI，它有三部分組成的，這包括：圖標的連接端口、數據的流框圖以及用戶的接口。同時，模塊化的編程方法也是其特點。用戶可以把一個復雜的應用分解成為一系列簡單的子任務,為每個子任務建立子VI。最后，把這些子VI組合在一起，就完成了最后一步應用程序。因為每個子VI可以單獨執(zhí)行，所以調試很容易。進一步而論，許多低級子VI可以完成一些常用功能。因此，用戶可以開發(fā)特定的子VI，以此來適用一般的應用程序。LabVIEW的運行機制，它帶有數據流的模式、圖形控制流的結構。數據流 得程序設計方法里面規(guī)定，

30、所有輸入都有效的時候才可以執(zhí)行。當它的功能完成時，目標才能輸出。這也就是說，在這樣的數據流的程序概念中，程序執(zhí)行方式是以數據來驅動的。它不受其他因素的影響。如果是這樣的話，被連接的功能的節(jié)點，它們中間的數據流，它執(zhí)行次序被控制，而不像文本程序那樣，它受到行執(zhí)行順序的約束。因此，我們可以用相互連接起來的功能節(jié)點，快速地開發(fā)出應用的程序，這樣還能實現很多數據通道，一起同步運行這種功能。LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。一個VI一共包括三個部分，第一個程序前面板、第二個框圖程序、第三個圖表/連接器。程序的前面板是用來觀察輸出的量、設置輸入的數值，以及模擬真實的儀

31、表。在程序的前面板上，輸入成為控制量，輸出量則被叫做顯示。框圖程序則是和前面板相對應的。我們用圖形化的語言，來編寫框圖的程序，它可以理解成為源程序代碼。這種框圖程序的構成是：連線、圖框、端口、以及節(jié)點。圖標/連接器這個部分，它是用來調用子VI的接口。在其它的程序框圖中，圖標是子VI被調用節(jié)點的一種表現形式。而連接器，它是表示著，節(jié)點數據之中的輸入/輸出口，就像是函數的一種參數。操作者必須指定一種連接器端口以及要與前面板的控制、顯示保持一一的對應關系。連接器一般情況下是隱含的，除非用戶自己選擇打開它。2.2.3 LabVIEW語言的應用LabVIEW語言應用非常廣泛，具體有以下幾個方面：1、測試

32、測量：LabVIEW最初出現，就是為測試測量而設計的。因而LABVIEW最廣泛的應用領域也就是測試測量。經過多年的發(fā)展，大多數主流的測試儀器、數據采集設備依然使用LabVIEW驅動程序。2、仿真：LabVIEW尤其是適合進行模擬、仿真、原型設計等工作，因為它包含了許多數學運算函數。3、控制：隨著虛擬儀器的發(fā)展，LabVIEW拓展至控制領域。LabVIEW語言它擁有著這種模塊LabVIEWDSC，專門用于控制領域。除這個之外，LabVIEW語言，它的驅動程序還應用在其他的方面，比如：工業(yè)控制的領域里面。當我們使用LabVIEW語言的時候，可以很方便地編制出各種各樣的程序。4、跨平臺：同一個程序，

33、如果它需要運行在須多的硬件設備上面，也可第一個考慮用LabVIEW語言。這是因為，LabVIEW具有十分好的平臺的一致性。5、快速開發(fā)：因為LabVIEW采用的是圖形化的編程語言，所以在開發(fā)大型應用軟件時，熟練的LabVIEW程序員所需的開發(fā)時間，大概只是熟練的C程序員所需要時間的1/5左右。第三章測試分析系統設計的總體方案3.1 平臺硬件介紹此次畢業(yè)設計，我做的是：三向振動臺的計算機測試分析系統設計。在做設計之前，必須選擇并搭建合理的硬件平臺。設計過程中，所用到的平臺硬件包括：三向振動臺電氣控制箱、三向振動臺、壓電式傳感器、積分電荷放大器、數據采集裝置、PC機。硬件平臺機構圖如圖3-1。圖3

34、-1 硬件平臺機構圖1、三向振動臺電氣控制箱 ：控制三向振動臺的振動頻率和振動時間。如圖3-2。圖 3-2 三向振動臺電氣控制箱 2、三向振動臺：收集其產生的振動信號，供設計的軟件進行分析。如圖3-3。圖3-3 三向振動臺3、壓電式傳感器：傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。此實驗的傳感器即是將采集到三向振動臺的振動信號變成電信號，供后面計算機進行分析。見圖3-4。圖3-4 壓電式傳感器 4、積分電荷放大器：電荷放大器是一

35、種具有電容反饋的高增益運算放大器，如圖3-5所示。其輸出電壓與壓電加速度計兩端所產生的電荷成正比。電荷放大器的輸出電壓僅由壓電加速度計兩端所產生的電荷和反饋電容決定，而與壓電加速度計的固有電容和電纜及等效電容無關。本課題實驗所采用的是CA-3型積分電荷放大器，與加速度傳感器是配套儀器。將振動產生的電荷進行運算輸出對應模擬電壓值。圖 3-5 積分電荷放大器電荷放大器配接YD-64型壓電加速度傳感器。將壓電加速度傳感器所測機械量轉變成與其成正比的電壓，將高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩埂２⒖赏ㄟ^儀器面板上檔位調節(jié)開關調節(jié)所測物理量，如：加速度，速度，位移信號，根據所測信號的強弱可進行適當的增益設置，為后級

36、采集電路提供適合的輸入信號。 5、數據采集裝置：本次畢業(yè)設計采用較為普遍的NI公司的數據采集卡，該卡的型號為：NI USB-6008/6009。NI USB-6008/6009數據采集卡具有模擬輸入、模擬輸出、數字I/O和計數器/計時器功能。提供8個模擬輸入通道和2個模擬輸出通道，12個數字輸入/輸出通道和32位USB計數器。見圖3-6。6、PC機：利用計算機中的LabVIEW 軟件，編寫相應的測試程序，用來分析三向振動臺的振動數據。見圖3-7。圖3-6 數據采集裝置 圖3-7 PC機3.2 測試系統概念模型測試的過程就是獲得信號，最后提取所需信息的過程。通常，測試工作的過程包含許多不同功能的

37、環(huán)節(jié)，例如被測對象、信號的傳感與變換、傳輸與條理、分析與處理、顯示與記錄等。通常情況下講，測試系統主要有以下幾個過程所組成：整個測試系統的原理為：傳感器對振動信號、加速度等被測物理量進行檢測，同時將其轉換為電量，中間變換裝置用硬件電路，對電信號進行分析以及處理?；蛘呤钱斝盘柦涍^AD轉換之后，一些軟件分析信號。用來顯示以及記錄的這種裝置，它則將測量出來的結果顯示，最后提供給一些觀察的人員，也提供給其它的一些控制之類的裝置。51、被測量被測量即是信號，分為兩種：第一種電信號，第二種非電信號，如電信號電壓、電流，非電信號位移、加速度、溫度、濕度、頻率等。2、信號轉換信號轉換即是將采集到的各種信號測量

38、出來，并轉換成電信號(模擬電壓或電流)，主要包括信號變換器、傳感器以及各種顯示儀器。3、信號調理信號調理就是將待測信號通過放大、濾波等操作轉換成采集設備能夠識別的標準信號。因為有些工業(yè)信號，它是高壓，過流，浪涌等，系統不能正確識別它們，所以必須進行信號調理。4、數據采集和控制數據采集(DAQ)，是指從傳感器或者其它待測設備的模擬和數字被測單元中，自動采集非電量或者電量信號，采集完之后，送到上位機中進行分析，并進行處理。8 9 5、數據處理信號處理是指將模擬信號變成數字信號，然后由計算機進行處理。數據處理可分為以下三個步驟： (1)預處理：在信號分析前，對信號用數學方法進行的處理叫做預處理。包括

39、以下幾種方法：錯點剔除、去趨勢項和數字濾波等。 (2)數據分析：這是該測試軟件的核心功能，主要是對預處理的信號進行特性分析。 (3)結果顯示：顯示分析處理結果的數據和圖形。在顯示結果時，為了讀數或讀圖的方便，往往可以利用移動光標定位、選點、標定參數、顯示等多種輔助功能，來幫助我們讀取結果。3.3 測試分析系統總體設計方案分析三向振動臺的振動信號，我這次所用的軟件是美國NI公司的軟件LabVIEW。用LabVIEW軟件編寫測試程序，關鍵就是選擇好前面板中的控件和編寫好程序框圖中的程序。只要能保證這兩個不出錯，那么三向振動臺的數據就能順利的測試好。本次畢業(yè)設計，我主要完成設計的工作是：系統數據采集

40、模塊設計、數據文件的存儲與讀取模塊設計、振動信號的分析與處理模塊設計。那么在搭建好相關的硬件平臺后，我就做出了這一次測試分析系統的總體設計方案。3.3.1系統數據的采集模塊 在設計好采集模塊之后，即是達到采集三向振動臺三個方向振動數據的功能。所以，我在設計采集模塊前面板的時候，首先要選擇三個通道，分別對應三向振動臺的三個方向。同時，設計一個開關按鈕，控制是否進行采集數據。然后，對采集來的波形，要進行保存。設計好前面板，程序框圖就要完成相應的工作，達到相應的功能。具體的前面板和程序框圖見附錄1。3.3.2數據文件的存儲模塊在設計好數據文件的存儲模塊后，要達到可以保存采集來的信號波形圖，同時還要保

41、存經過數據分析和處理的數據。因為保存模塊用到的比較多，所以可以把它做成子VI的格式，然后進行調用，這樣比較方便，程序也比較簡單。保存模塊的程序見附錄1。3.3.3數據文件的讀取模塊三向振動臺的信號采集完之后，在對這些信號進行分析之前，首先要讀取這些信號，所以要設計一個讀取模塊。讀取模塊的前面板和程序框圖具體見附錄1 。3.3.4振動信號的分析與處理模塊振動信號的分析與處理模塊設計，主要完成的功能有：時域分析和頻域分析。具體見附錄1。1、時域分析時域分析主要是信號相關分析，包括自相關和互相關分析。當兩個隨機變量之間具有某種關系時，隨著某個變量數值的確定，另一個卻可能取許多不同值，但取值有一定的概

42、率統計規(guī)律，這時稱兩個隨機變量存在著相關關系。12、頻域分析頻域分析包括信號的幅頻譜、相頻譜、單邊傅里葉變換、雙邊傅里葉變換、自功率譜、互功率譜分析。在信號分析過程中，將組成信號的各頻率成分找出來，按序排列，得出信號的頻譜。若以頻率為橫坐標、分別以幅值或相位為縱坐標，便得到信號的幅頻譜、相頻譜。傅里葉變換，它是一種線性的積分變換。之所以用傅里葉的名字來命名，因為它思想，最早是由法國的學者：約瑟夫·傅里葉提出來的。傅里葉變換，它可以將滿足條件的函數，用三角函數（正弦函數或著是余弦函數）來表示出來?；蛘呤?，我們將它們的積分，通過線性方法組合。傅里葉變換在不同的研究的領域，有不同的形式。此

43、次畢業(yè)設計中，因為離散傅里葉變換計算過程比較繁瑣，所以我主要用的連續(xù)傅里葉變換（單邊和雙邊傅里葉變換），這個能比較快速而又方便的分析振動信號的頻域特點。1功率譜是數字信號處理的主要內容之一，主要研究信號在頻域中的各種特征，目的是根據有限數據在頻域內提取被淹沒在噪聲中的有用信號。功率譜包括自功率譜和互功率譜。隨機信號的自功率譜密度函數（自譜）是該隨機信號自相關函數的傅立葉變換。互譜即是兩個隨機信號互相關函數的傅里葉變換。功率譜密度函數表示信號的功率密度沿頻率軸的分布。 第四章 三向振動臺振動信號測試4.1 測試系統功能驗證4.1.1 數據采集與保存本次畢業(yè)設計，設計的虛擬振動測試分析系統，采用的

44、數據采集硬件為多通道的數據卡，可以同時對三個通道進行現場的采集。數據采集子VI主要完成對振動信號從模擬信號到數字信號的高精度轉換，從而為后續(xù)的各種信號分析與處理提供可靠的原始數據。在進行測試前，首先要對系統進行參數設置，包括采樣頻率的設定、采樣通道的選擇、以及連接方式的設定。采集的信號圖見圖4-1。圖4-1 信號采集1、設置采樣頻率。采樣頻率是信號處理的重要參數，所以為了使測試軟件具有通用性，采樣率都由用戶自己設置。2、選擇采樣通道和連接方式。由于是采集振動臺三個方向的振動信號，所以要選擇3個通道。3、設置振動時間和頻率。這個通過電器控制箱來設置。4、開始采樣。點擊開始按鈕后，開始采集振動臺三

45、個方向的信號，可以看到波形圖上的波形會隨著時間而變化。5、保存。在按下保存數據按鈕后，采集的信號特征便可保存在指定的位置，以便以后進行信號分析時使用。 6、波形圖有顯示，說明采集模塊是沒有問題的。同時，波形可以保存，說明保存模塊也是正確的。 4.1.2 數據讀取、分析與處理在采集完三向振動臺的信號后，開始對采集來的信號進行分析與處理，所用到的是我本次設計的信號分析部分。時域分析中的自相關和互相關波形圖見圖4-2。圖4-2 時域分析1、時域分析 讀取波形。單擊“讀取波形”按鈕，即可讀取已經采集來的振動信號。 時域分析。當波形讀取進來的時候，三個通道的自相關和互相關波形都會出現在對應的波形圖中。

46、保存。數據時域分析好后，就將它進行保存。2、頻域分析 讀取波形。單擊“讀取波形”按鈕，即可讀取已經采集來的振動信號。 頻域分析。當波形讀取進來的時候，三個振動信號的幅頻譜、相頻譜、單邊傅里葉變換、自功率譜、互功率譜都會出現在對應的波形圖中。 保存。數據時域分析好后，就將它進行保存。 每一個波形圖顯示出來，說明信號讀取、處理模塊也沒有問題。具體的分析，見附錄2。4.2 實例分析下面通過對三向振動臺的上下電機設置不同振動頻率，來分析它的振動情況。三向振動臺的上電機振動頻率是24 Hz，下電機振動頻率是18Hz，采樣頻率是1000 Hz，采集方式是RSE。第一通道對應三向振動臺的Y方向，第二通道對應

47、X方向，第三通道對應 Z通道。分為三種情況進行分析。1、上電機單獨振動。利用硬件平臺，采集了各個通道的波形圖。把各個通道的波形圖，分別在三個通道對應的波形圖中顯示出來（見圖4-3），再把三個通道的波形圖顯示在一個波形圖中（見圖4-4）。這樣可以更直觀地看出三個通道波形圖的情況。同時，把三個通道的自功率譜的波形圖顯示出來（見圖4-5），以便分析。圖4-3 波形圖圖 4-4 波形圖圖4-5 自功率譜從兩幅波形圖中分析，當只有上電機單獨振動時，三向振動臺的Y方向（第一通道）振動最厲害，X方向振動的幅度最小。這個跟三向振動臺的固定方式以及上電機的旋轉方式是一致的。在Y方向三向振動臺沒有完全固定，X方向

48、是被固定住的，所以振動時，振動臺的滑板容易向Y方向運動。同時，電機是在Y方向上旋轉的。所以，上電機單獨振動時，三向振動臺的Y方向振幅最大，X方向振幅最小。在波形圖上 ，第一通道的波形圖幅值最大，第二通道的波形圖幅值最小。從自功率譜的波形圖上分析，三個通道的波形圖，尖峰都是對應在一條線上的。這是因為只有上電機單獨振動，振動頻率是一樣的。從橫坐標的頻率上看，在誤差范圍內，頻率都是 24的倍數。這是因為上電機單獨振動時，設置的振動頻率是24Hz。所以振動頻率的基頻是24 Hz，諧波的頻率就都是它的倍數。2、下電機單獨振動。利用硬件平臺，采集了各個通道的波形圖。把各個通道的波形圖，分別在三個通道對應的

49、波形圖中顯示出來（見圖4-6），再把三個通道的波形圖顯示在一個波形圖中（見圖4-7）。這樣可以更直觀地看出三個通道波形圖的情況。同時，把三個通道的自功率譜的波形圖顯示出來（見圖4-8），以便分析。 圖4-6 波形圖圖4-7 波形圖圖4-8 自功率譜從兩幅波形圖中分析，當只有下電機單獨振動時，三向振動臺的Z方向（第三通道）振動最厲害，Y方向和X方向振動的幅度相差不多。這個跟三向振動臺電機的固定情況也是一致的。下電機單獨振動時，下電機對三向振動臺的影響比較大。所以導致在Z方向，也就是豎直方向，振動幅度比較大。從波形圖中也可以看出，Y和X方向波形圖上，有波峰異常的高。這并不是我設計的程序有問題，而是

50、因為三向振動臺的上墊板在振動時，遭到沖擊，相互有碰撞，所以導致在某個時刻或一個時間段內，加速度特別大，所以振動幅度比較大。從自功率譜的波形圖上分析，三個通道的波形圖，尖峰都是對應在一條線上的。這是因為只有下電機單獨振動，振動頻率是一樣的。從橫坐標的頻率上看，在誤差范圍內，頻率都是 18的倍數。這是因為下電機單獨振動時，設置的振動頻率是18Hz。所以振動頻率的基頻是18 Hz，諧波的頻率就都是它的倍數。3、上下電機同時振動。利用硬件平臺，采集了各個通道的波形圖。把各個通道的波形圖，分別在三個通道對應的波形圖中顯示出來（見圖4-9），再把三個通道的波形圖顯示在一個波形圖中（見圖4-10）。這樣可以

51、更直觀地看出三個通道波形圖的情況。同時，把三個通道的自功率譜的波形圖顯示出來（見圖4-11），以便分析。圖4-9 波形圖圖4-10 波形圖圖4-11 自功率譜從兩幅波形圖中看，在上下電機同時振動時，三向振動臺的Y方向振動的最厲害，X和Z方向的振動幅度相差不多。這是因為上電機的振動比下電機的振動對三向振動臺的影響大。這個結果跟實際情況是一致的。我把自功率譜的波形圖放大，這樣可以更直觀地觀察波形的特點。從圖上看，三個通道的波形還是對應在一條豎線上，因為電機是同一個，振動頻率是一樣的。其次，從橫坐標的頻率上看，頻率都是18和24的倍數（有些許誤差）。這是因為有兩個電機同時振動，振動頻率分別是18Hz

52、、24Hz。 第五章 結論與建議5.1 結論本次畢業(yè)設計主要是要運用LabVIEW軟件，設計一個程序，對三向振動臺的信號進行采集與分析。在這過程中，我翻閱了很多資料，最終設計出來的測試系統程序，達到了對振動信號的采集、處理和分析、存儲與讀取的功能。該計算機測試分析系統具有如下幾個特點：1、測試系統，它用了虛擬儀器這種方法，極大地降低了設計的成本。測試系統所用的硬件平臺，采用 PC機為硬件核心。其次，采集信號用了數據采集卡、轉換設備等。USB這種接口方式，它有很多有點。它克服了許多缺點，有使用的方便、速度加快、連接靈活、獨立供電等優(yōu)點。2、測試系統的編寫，采用了的圖形化編程語言LabVIEW，它以圖形化的框圖程序取代了傳統的文本格式代碼，使編程更為簡單、方便。3