基于LabVIEW的虛擬振動測試分析系統(tǒng)

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)機械由于質(zhì)量不平衡在運行中的振動等。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，同時大大縮短了整個測試周期。

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)采集卡和計算機構(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)?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬量（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)變成計算機所能識別的數(shù)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是振動測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，在實際的應(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)計過程中，將每個模塊做成一個子VI,然后在主程序中調(diào)用，這樣就可以加強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
數(shù)據(jù)采集提供了整個測試系統(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、點數(shù)、段數(shù)的控制等。振動信號主要為隨機信號和瞬態(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
根據(jù)振動測試對信號分析處理的要求，主要從時域分析、幅值域分析、頻域分析和時頻聯(lián)合分析方面進(jìn)行程序設(shè)計。

時域和幅值域分析模塊：時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(tǒng)計依賴關(guān)系。幅值域特性分析是每次實驗必不可少的一步，該模塊程序可以同時觀測輸入、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，故在顯示分析時有很多的格式，如幅頻譜、相頻圖、實頻圖、虛頻圖、奈奎斯特圖、波特圖、三維瀑布圖等。

時頻聯(lián)合分析模塊：時頻聯(lián)合分析亦稱時頻局域化方法，是使用時間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來表示信號。典型的線性時頻表示有：短時傅里葉變換、小波變換和Gabor變換。時頻聯(lián)合分析在實際信號處理中，尤其是振動信號處理中，可以將信號在任意時刻的頻域很好的表示出來。短時傅里葉變換是把信號劃分為許多小的時間間隔，用傅里葉變換分析每個時間間隔，以便確定該段時間間隔存在的頻率。

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While循環(huán)和2個Case結(jié)構(gòu)組成，程序的后面板主要程序部分如圖4所示。

實例驗證
為了驗證本系統(tǒng)的可行性與實用性，筆者在基于發(fā)動機轉(zhuǎn)子動力學(xué)實驗臺上進(jìn)行了實例驗證。
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 短時傅里葉變換前面板

圖6所示為短時傅里葉變換分析程序面板，其橫坐標(biāo)表示時間，左邊縱坐標(biāo)表示頻率，而右邊縱坐標(biāo)表示在各個時間、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。