基于LabVIEW的虛擬振動測試分析系統(tǒng)

前言
在現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域,存在著大量的振動問題。例如，車輛在凹凸不平的路面上行駛所引起的振動;旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于質(zhì)量不平衡在運(yùn)行中的振動等。在絕大多數(shù)場合,振動都是有害的,它將影響設(shè)備的正常工作,引起機(jī)器構(gòu)件的加速磨損,甚至導(dǎo)致急劇斷裂而破壞。為了解決工程振動問題,機(jī)械振動測試系統(tǒng)隨著振動測試技術(shù)理論的發(fā)展和生產(chǎn)中對測試的需求與日俱增,并有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。但性能優(yōu)越、成本低廉的測試系統(tǒng)市場很難見到。尤其在工程現(xiàn)場的振動測試,迫切需要低成本、高精度、高效率,同時(shí)方便靈活的測量儀器。
因此,筆者基于振動測試的這種需要,設(shè)計(jì)了一套以數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路和各類高精度的傳感器為硬件，基于LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺的振動測試分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)不但節(jié)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(tǒng)的硬件
虛擬振動測試分析系統(tǒng)（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(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，并有如下的關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

振動信號量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量（電壓、電流等），再經(jīng)過信號調(diào)理器的放大、隔離、濾波等處理進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡完成采樣和量化，轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)所能識別的數(shù)字量。然后經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以便得到所需的信息。圖1是振動測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，在實(shí)際的應(yīng)用中，系統(tǒng)的硬件可根據(jù)振動測試要求的不同選擇不同的裝置。

系統(tǒng)的軟件
本系統(tǒng)的程序是在LabVIEW 8.20平臺上開發(fā)的。在系統(tǒng)的編制過程中采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的基本思路。程序主要包括兩大模塊：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存模塊；數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理分析模塊。在程序的設(shè)計(jì)過程中，將每個(gè)模塊做成一個(gè)子VI,然后在主程序中調(diào)用，這樣就可以加強(qiáng)程序的可讀性和可維護(hù)性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集提供了整個(gè)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，是虛擬儀器的基本組成部分。數(shù)據(jù)采集模塊主要是實(shí)現(xiàn)振動信號的拾取及對各種參數(shù)的控制，例如對數(shù)據(jù)采集卡、采集通道的選擇，以及采樣頻率、點(diǎn)數(shù)、段數(shù)的控制等。振動信號主要為隨機(jī)信號和瞬態(tài)信號，因此對信號的采集設(shè)置了兩種采樣方式：（1）自由連續(xù)采集方式，即設(shè)置好采集參數(shù)后直接進(jìn)行連續(xù)采集，適用于隨機(jī)信號的采集；（2）信號觸發(fā)采集，首先設(shè)置好觸發(fā)條件，包括觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、觸發(fā)前預(yù)留點(diǎn)數(shù)等，圖3為信號觸發(fā)采集模塊流程圖，其中調(diào)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(shù)。通過 這些模塊可以實(shí)現(xiàn)采集振動瞬態(tài)信號，各子函數(shù)模塊均可以圖標(biāo)形式放置在程序流程圖中，這樣不但增加了程序的可維護(hù)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似，且相對簡單，這里就不贅述。）

2 信號分析模塊的設(shè)計(jì)
根據(jù)振動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(shè)計(jì)。

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(jī)程度，也可以檢測混在隨機(jī)信號中的周期信號，互相關(guān)則反映了兩隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)依賴關(guān)系。幅值域特性分析是每次實(shí)驗(yàn)必不可少的一步，該模塊程序可以同時(shí)觀測輸入、輸出信號的概率密度曲線、概率密度分布曲線，還可以直接求值，尤其是隨機(jī)信號數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)分析、倒頻譜分析等。時(shí)域信號經(jīng)傅里葉變換、頻域轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)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)合分析亦稱時(shí)頻局域化方法，是使用時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來表示信號。典型的線性時(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。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(tǒng)的分析功能更加完善，還設(shè)計(jì)了可輔助分析功能，如信號標(biāo)尺輸入、數(shù)字濾波以及窗函數(shù)等。
整個(gè)數(shù)據(jù)分析處理模塊程序的前面板由Tab控件來組織，用戶可以通過單擊Tab的不同頁來查看相關(guān)的分析結(jié)果；后面板主要由一個(gè)While循環(huán)和2個(gè)Case結(jié)構(gòu)組成，程序的后面板主要程序部分如圖4所示。

實(shí)例驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性，筆者在基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)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(biāo)表示時(shí)間，左邊縱坐標(biāo)表示頻率，而右邊縱坐標(biāo)表示在各個(gè)時(shí)間、頻率分量上的幅值（并用顏色表示強(qiáng)弱）。從該分布可以很清楚的看出信號頻率強(qiáng)弱程度以及信號隨時(shí)間變化的情況。

該分析結(jié)果與重慶大學(xué)研制的測振儀等設(shè)備分析出的結(jié)果相符。