毕业设计（论文）-基于虚拟仪器的振动测试系统研究.doc

毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 基于虚拟仪器的振动测试系统研究 姓名 院系 电气信息学院 专业 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 一、 基本任务及要求： 设计一个基于LabVIEW的振动测试系统，采用适当的传感器采集到振动信号后由NI M系列数据采集卡6221将数据传至主机。通过LabVIEW可视化编程对采集到的信号进行相应处理预处理以及时域频域分析。 设计的主要任务是： 查阅相关资料确定总体设计方案；根据课题要求确定硬件方案、硬件设计；软件设计，学习LabVIEW可视化编程软件，对软件的具体模块编程并对信号进行处理；完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书及设计说明书的撰写工作。 二、 进度安排及完成时间： 3月2日3月22日：查阅相关资料，搜集课题所需资料，了解课题现状、课题研究的目的和意义，学习LabVIEW软件，完成开题报告和文献综述。 3月23日4月5日：毕业实习 4月6日4月15日：系统总体方案和硬件电路设计以及传感器选型； 4月16日5月15日：完成各软件模块的编写及调试 5月16日6月14日：整理资料，撰写毕业设计论文。 6月15日6月19日：毕业论文审定、打印，答辩准备 6月20日6月24日：答辩 毕业设计论文目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 振动测试技术发展现状和发展趋势11.3 课题主要研究内容2第2章 虚拟仪器和labview42.1 虚拟仪器42.1.1 虚拟仪器的概述42.1.2 虚拟仪器的发展历史、现状和趋势52.1.3 虚拟仪器的特点62.1.4 虚拟仪器的分类62.2 labview72.2.1 labview概述72.2.2 labview的应用82.2.3 labview的特点8第3章 振动测试分析系统103.1 振动测试系统概述103.2 振动测试系统的组成113.3 信号测试与分析13第4章 虚拟震动测试分析系统的硬件配置154.1 传感器154.2 电荷放大器164.3 数据采集卡的选用16第5章 虚拟震动测试分析系统的软件设计195.1 数据采集模块205.2 信号预处理模块225.3 时域分析模块235.4 频域分析模块255.4.1 FFT分析255.4.2 功率谱分析265.4.2.1 自功率谱密度265.4.2.2 互功率谱密度285.4.2.3 相干函数285.5 时频分析模块29第6章 总结与展望31参考文献33致 谢34基于虚拟仪器的振动测试系统研究基于虚拟仪器的振动测试系统研究摘 要：随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向，采用虚拟仪器实现振动测试与分析也成为振动测试的发展趋势。为了解决工程振动问题,机械振动测试系统随着振动测试技术理论的发展和生产对测试的需求与日俱增,并有着广泛的应用领域。在工程现场的振动测试中,迫切需要低成本、高精度、高效率,同时方便灵活的测量仪器。 振动测试试验系统是根据某些零部件振动测试的要求设计的 ,通过对被测系统施加各种波形的激励,使其产生振动,由传感器测量其振动的响应,将此信号进行调理放大,再由频谱分析仪获得系统的响应特性。 为此，本课题研究开发了以PC为硬件平台、以美国国家仪器(NI)公司开发的LabVIEW软件为开发平台，配合必要的传感器、信号调理器和数据采集卡组成的振动测试分析系统。采用虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW组建的振动测试分析系统，减少了测试过程中的硬件设备，同样实现了对振动信号的采集、处理和分析的目的，大大降低了硬件成本。关键词：虚拟仪器，振动测试，LabVIEW，数据采集，信号分析The Design of Vibration Text System Based On Virtual InstrumentAbstract:With the development of calculator and the software technology, the virtual instrument is becoming the development direction in text domains, and using virtual instrument has been a development trend to realize the text and analysis of vibration.As the development and production of technology theory in vibration text, in order to solve the problem of vibration, the need of text in vibration text system increase with each passing day, and has extensive field of application. The vibration text in project spot, it is urgent to need measuring instruments that are low cost, high degree of accuracy, high efficiency, and at the same time convenient.The vibration text system is desighed based on demand of some parts, to make it vibrate, all kinds of waveform stimulations are exerted to texted system.,then conditioning and enlarging the signal that transducer measures the responding of vibration in system,thenceforth obtain the responding characteristics by analyzer. For this, the task has studyed and developed a vibration text system which take PC as hardware terrace, the labview that the United States nation instrument company opend up as software terrace, coordinate with necessary transducer, signal conditioning and data collecter.Adopting the vibration text system which is made up by virtual instrument figured program language labview, reduce the hardware equipment during text, at the same time realize the objective that collects,analyse and process vibration signal, decrease hardware cost.Key words: Virtual instrument, Vibration text, Labview, Signal analysis, Data acquisition. II第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义要想紧跟技术的发展，就要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求，同时测量手段的进步也为技术的进一步发展奠定了基础。虚拟仪器则是提高测量精度和效率的有效手段。它改变了传统的测量模式，使测量系统由松散结合的、常常不兼容的独立仪器发展成紧密结合的虚拟测量系统，把计算机技术与仪器技术完美结合起来。振动是自然界最普遍的现象之一。这类现象有的是由其本身固有的原因引起，有的是外界干扰引起。在运转的设备中，振动信号是最重要的信息来源。旋转机械的振动信号中包含着大量可反映设备运行状态的有用信息或称为信号特征。振动信号分析是旋转机械状态监测和故障诊断的重要组成部分，并在设备预测维修中发挥着重要作用。通过振动特征分析可以找出旋转机械设备70的故障源，而且可以确保机器运转的安全性，避免事故的发生，同时结合较好的维修项目管理还可以显著降低机器的运行成本。在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳动效率，甚至产生“振动病或“运动病，如常见的晕车、晕船现象就是由于小于1Hz的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市场上已有用于人体振动测量的传感器和测试仪出售。振动测试分析仪器则将振动测试与分析技术转化为生产力，它随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增。从最初的机械式测振仪，发展到今天，各种应用物理学原理制成的传感器、FFT分析仪、结构动力学分析软件己在广泛使用。为提高测试效率，降低测试成本，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等方面日益提高的测试要求，我们需要将虚拟仪器技术引入在用车辆性能测试领域,开发基于虚拟仪器的车辆性能测试系统。1.2 振动测试技术发展现状和发展趋势振动是各种设备在工作过程中经常发生的现象，振动问题是机械工程领域一个十分重要的研究课题。但工程实际中复杂的振动现象并非都能通过理论分析得出可靠结果，此时往往需要求助于实验手段，而且理论分析结果的正确性也需要通过实践来验证，这就使振动测试在振动研究中占有重要地位。 在过去的三十多年中，无论国际还是国内，振动测试技术都获得了突飞猛进的发展，各种全新的分析方法如雨后春笋般大量涌现，并在科研、教学特别是工业上获得了广泛应用。从 1967 年世界上第一台基于 FFT 的动态信号分析仪问世以来，振动信号分析技术已经经历了三次突破性的发展。虚拟仪器在我国的研究和开发有着十分现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提高我国仪器的整体水平，节省仪器开发的人力和费用。我们有理由相信，随着软件业和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增，高质量的测试仪器、设备和现代化的测试方法不断出现。20世纪20年代，由于汽轮发电机组等设备的发展，机械式测振仪已不能满足要求，于是磁电式传感器应运而生，实现非电量信号向电信号转换的电测量。二次大战后出现了压电式传感器，由于它具有体积小、重量轻、频率范围、动态量程大等特点，且既可测量振动，又可用于冲击测量，直到今天仍在广泛应用。近些年随着微电子技术的发展，又出现了可在各种恶劣环境下使用的压电传感器和内装阻抗变换器、放大器、滤波器的集成电路式压电传感器，简化了测试系统，大大地拓宽了这种传感器的应用范围，提高了抗干扰能力和测量的精度。而压阻传感器的出现和使用进一步拓宽了低频率的测量范围，与此同时，还陆续发展了各种换能原理的传感器和配套仪器，如变电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器等，pc机性能的提高引发了测试仪器领域的一场革命性变化，即产生了插卡式加软件的所谓虚拟仪器。虚拟仪器是当前计算机的主流技术与应用开发软件和高性能模块化的硬件相结合的产物，可由用户自己设计和定义，用软件在屏幕上生成仪器控制面板，进行信号分析和处理。而国内生产的针对振动测试的设备大多是模拟式和数字式仪表，功能比较单一，与国外设备相比，精度较差，可靠性低。这些仪器基本上属于硬件组成的专用信号分析与处理仪器，一般不能存储记录。这就为国内开发高性能的动态测试分析仪提出了迫切要求，同时随着PC机的广泛应用，虚拟仪器技术用于动态测试领域已成为发展趋势。1.3 课题主要研究内容本文从虚拟仪器开发的角度，首先对虚拟仪器的概念和内容做简要介绍，然后对虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW进行阐述，在分析了信号分析处理的原理后，使用图形化编程语言LabVIEW进行振动测试与分析虚拟仪器系统的软件设计。整个系统按照模块化的思想，拟采用菜单的形式搭建如下5个功能模块：(1)数据采集：实现Windows下基于6221数据采集卡的单通道数据采集、双通道数据采集和多通道数据采集，采样频率默认为1024Hz。(2)信号预处理：数字滤波器一般用在数据采样之后，对采样后的信号做信号预处理使用。(3)时域分析：包括能产生几种典型信号的信号发生子模块和对信号进行时域相关分析子模块。(4)频域分析：包括对仿真信号和实际采集到的信号进行频谱分析，功率谱分析，倒频谱分析，得到信号的频域特征。(5)时频分析：采用谐波小波实现仿真信号的时频分析及谐波小波滤波功能。第2章 虚拟仪器和labview2.1 虚拟仪器2.1.1 虚拟仪器的概述虚拟仪器概念早在 20 世纪 70 年代就已提出,但真正得以实现则是在 PCI、GP-IBVXI、PXI 等总线准出现之后才变为可能,并随着卡式仪器、VXI 总线仪器、PXI总线仪器等的推出而得到迅速发展。虚仪器技术是仪器技术、通信技术、总线技术、数字化技术、计算机技术等有机结合的产物3。这是在准计算机软硬件基础上,加上一组软件和硬件所构成。 虚拟仪器从本质上说是一个开放式结构,用通用算机、DSP 信号处理器或其他 CPU 提供系统管理、信号处理、存储以及显示功能；用数据采集板、GP或 VXI 总线接口板提供信号获取和控制信号输出,从而实现传统仪器功能。 “数据采集分析处理输显示”结构模式为其硬件开发平台,同时充分利用计算机强大软件功能及有关测试开发软件所需要试仪器方案。虚拟仪器功能完全由用户自己设计、定义,因而可以通过改变软件适应不同测试需要,很易与互联网、外设以及其他仪器相联接,真正体现软件就是仪器、网络就是仪器的概念。虚拟仪器的概念是美国NI公司(National Instrument)在20世纪80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测试数据，价格低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了 软件就是仪器的设计思想1。 虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，其核心是在最少量的硬件模块支持下， 用软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的功能。它用显示在PC机上的虚拟面板代替传统仪器面板，用鼠标、键盘对测量的参数及进程进行控制。用户可以充分发挥自己的才能和想象力来设计满足需求的仪器系统。虚拟仪器系统主要包括以下三个部分：安装有强大应用软件的计算机平台或者是工作站：硬件部分，数据采集卡、信号调理卡、G P I B接口仪器、V XI 接口仪器等；被测单元，或前端传感器。虚拟仪器不仅实现了传统的仪器功能，并且有更大的性能拓展，虚拟仪器改变了传统以硬件为中心的仪器架构，而是利用了商用计算机及工作站的计算功能、工作效率、 显示功能和方便的连接方法，形成了以软件为中心的仪器系统。虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即实验室虚拟仪器工作平台)。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率，让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能，快速简捷地完成自己的工作任务，它被称为科学家与工程师的语言。2.1.2 虚拟仪器的发展历史、现状和趋势仪器的发展大体可分为四代：第一代是20世纪初发展起来的以电磁感应律为基础的指针式仪器,如指针式万用表；第二代是20世纪50年代以电子管或晶体管电子电路为基础的分立元件式模拟仪器，如晶体管电压表，其价格低廉,但测试精度和速度较低；第三代是20世纪60年代兴起的以集成电路芯片为基础的数字化仪器，如数字频率计等，它将测试的精度、分辨力和测量速度提高了几个数量级；第四代是20世纪70年代以微处理器为核心的智能式仪器,这类仪器不仅能自动完成某些测量任务，还能进行一些复杂的数据处理，其缺点是功能模块全部以硬件(或固化软件)的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。现代工业技术的发展，除了要求各种机械具备低振动和低噪声的性能外，需随时对其运行过程进行监测、诊断和对工作环境进行控制，这些技术措施都离不开振动的测量。一般振动测试大致可分为两类：一类是测量设备和结构所存在的振动；另一类则是对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后测量其振动。此类测振的目的是研究设备或结构的力学动态性能。正是由于振动测试在近代工程领域有着极其重要的作用，所以受到普遍重视，随着计算机技术的发展和普及，尤其是便携式计算机的普及，虚拟仪器设计已成为当前和今后的发展趋势。强大的系统资源和良好的操作界m，以及巨大的存储容量和各种各样的应用软什等，提供了极好的设计甲台和环境。因此，奉课题基r虚拟仪器的思恕，采用便携式系统集成方案，用LabVIEW软什和专用的数据采集设备进行制动器振动信号和噪声信号的检测和分析，利用计算机丰富的软硬件资源来完成传统仪器的测试功能。这样，不仅可以大大减少检测的工作量，降低测试系统成本，还可以提高测试效率，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等日益提高的测试要求，同H、J使检测设备投资少，丌发周期短，通用性强，易维护。2.1.3 虚拟仪器的特点现代化生产要求电子仪器品种多、功能全、精度和自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要求。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：（1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致识别与操作误差。虚拟仪器则可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。（2）硬件功能软件化，虚拟仪器使仪器的部分硬件功能软件化，并封装形成模块；（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。（4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。（5）研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低、维护方便，易于应用新理论、新算法和新技术来实现仪器的换代升级。（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，也可与网络及其他周边设备互联。2.1.4 虚拟仪器的分类虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： 第一类：并行口式最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。第二类：PXI总线方式PXI 总线方式是 PCI 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，以使用与相邻模块高速通讯的局部总线。PXI有高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3-4个扩展槽，通过使用PCIPCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式 PC 的性能价格比和 PCI 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。 第三类：GPIB 总线方式GPIB技术的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由PC机、GPIB接口卡和若干台 GPIB 形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达 14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB 测量系统的结构和命令简单。 第四类：PC总线插卡型这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如 LabVIEW 相结合。LabVIEW/CVI 是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言 Visual C+,Visual Basic, Labviews/cvi 构成测试系统。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但是受 PC 机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。 第五类：VXI总线方式VXI总线是一种高速计算机总线 VME 总线在VI领域的扩展，它具有强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势2。2.2 labview2.2.1 labview概述虚拟仪器的技术基础是计算机技术，核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即实验室虚拟仪器工作平台)。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统，它的目标就是简化程序的开发工作，提高编程效率，让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能，快速简捷地完成自己的工作任务，它被称为科学家与工程师的语言。Labview使用了所见即所得的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。Labview支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。 LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言-G语言。LabVIEW满足了实现虚拟测试仪器的条件。它充分考虑了振动测试的特点 ,与众多的编程软件相比，采用LabVIEW具有更强的相通性、开放性、专用性。尤其对实验室教学领域 ,开发周期短、成本低、质量高。下面结合一台虚拟振动测试仪具体介绍虚拟仪器的组成和基于LabVIEW的虚拟仪器使用功能编程方法与实现技术。2.2.2 labview的应用LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。对于更复杂更专业的工业自动化领域，在LabVIEW基础上发展起来的BridgeVIEW是更好的选择。LabVIEW为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线形代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。即使在联合时频分析、小波分析和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合，LabVIEW也为此提供了专门的附加软件包。LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC、串行设备和插卡式数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过Internet、Active、DDE和SQL等交互方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。2.2.3 labview的特点LabVIEW软件的特点如下：（1）具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。（2）提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。（3）提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。（4）32位的编译器生成32位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。（5）囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS一232485、USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。（6）提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL(动态链接库)、DDE(共享库)、ActiveX等。（7）具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发3。所有的 LabVIEW 程序分为两部分：前面板（Front Panel）和程序流程图（Block Diagram）。前面板是 VI 的图形用户接口， 它集成了用户输入和输出功能，为更逼真地模拟传统仪器的工作方式， LabVIEW提供了各种各样的控件，如各种旋钮、开关、按钮、波形图、波形图表等控制与显示模块，并可根据用户实际需要定制控件，用户可以根据自己的需要在前面板上放置按钮等控制模块和显示模块。而程序流程图包含了虚拟仪器的图形化源代码，在程序流程图中对虚拟仪器进行编程，以控制和操纵定义在前面板上输入和输出功能。流程图包括内置于 LabVIEW 库中的函数（Function）和结构（Structures），还包括仪器面板上的控制对象、显示对相对应的连线端子（Terminals） ，LabVIEW构成的虚拟仪器是数据流驱动的，流程图中的诸元素如结构、功能模块等构成节点，这些节点由数据线相连接，这些线定义了程序中数据的流向，这些线在程序中按照数据类型的不同显示出不同的颜色和类型，使得用户能对程序中传送的数据种类一目了然。一旦某个节点的所有输入均为有效，该节点即可运行，运行结束后，将结果送入数据流路径的下一个节点。 第3章 振动测试分析系统3.1 振动测试系统概述信号分析技术被广泛地应用于许多学科和领域，诸如：通信、雷达、声纳、地震、遥感、生物医学、机械振动等，特别是近代电子技术、数字计算机及微型机的发展和应用，使得信号分析技术得到了迅速的发展，目前，它已成为信息科学技术中一种必不可少的手段。在生产和科学实验中，机械振动是普遍存在的现象。振动测试与分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面。随着科学技术的日益发展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面的要求越来越高，因而发生振动的可能性不断增大。另一方面，人们对机器的工作精度和稳定性的要求也越来越高，对控制振动的要求越来越迫切。这些都对机械振动的研究和振动测试的研究提出了更高的要求。振动测试与分析技术的任务就在于帮助人们清楚地认识振动现象，从而能动地控制振动和利用振动。振动测量就是检测振动的变化量，将其转换为与之对应的、便于显示和分析处理的电信号，并从中提出所需的信息。振动测量的方法一般有机械式测量方法、电测方法和光测方法三类。其中用的最普通、技术最成熟的是电测法。电测法通常采用测振传感器检测振动的位移、速度和加速度信号并转为电量，然后利用分析电路或专用仪器来提取振动信号中的强度和频谱信息。振动系统，是对一般机器或结构系统的一类抽象数学模型，当研究的目的是关于这个系统的振动性能时，所抽象的系统模型，就称为振动系统。一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出，该输入通常称为激励，输出称为响应。而输出特性不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。输入、输出和系统的振动特性这三者之间的关系如图 3.1 所示。激励响应系统振动特性图 3.1 振动系统原理框图 在进行实践、探索和研究。振动测试的主要用途为： (1)各种工程机械、建筑结构、车辆船舶、飞机导弹、能源设备、仪器仪表等系统或者自身在运转过程中由于质量不平衡等原因而产生激振力，成为强烈的振源；或者受到周围环境的激励而产生受迫振动。在实验室内对正在设计或大批生产的产品进行各种振动试验以考核产品承受振动能力已成为很多工厂的常规任务。从现场测试了解机器运转时振动大小以确定其性能优劣已成为验收往复式、旋转式机器的一个重要环节，现在又有各种产品的“振动烈度标准”和振动烈度测量仪。 (2)各种利用振动工作的机械如振动给料机、振动打夯机、振动压路机、振动筛、振动输送机、动平衡机和各种激振设备因其高效率低能耗在国民经济各部门得到日益广泛的应用。为了研究其工作机理以提高生产效率，必须进行大量的振动测试。 (3)实际系统往往零部件繁多，结合面形状复杂，理论计算（如有限元）是要做大量简化假设，只能建立粗略的力学模型，某些重要参数（如阻尼系数）至今仍无完善的计算方法。用振动测试可以求得系统的动态特性参数，进而建立或修正力学模型，为今后的“响应预估”或“环境预估（载荷识别）”创造先决条件。这就是结构动力学中所谓“系统识别”或“参数识别”课题。 (4)效益巨大但造价昂贵的现代化大型系统（如海上平台、大型汽轮发电机组、航天飞机等）经常在高转速、大负荷、高温、高压或高真空等恶劣条件下工作，他们的破坏会造成十分严重的后果。国外统计重要产品的故障中有百分之六十以上来自环境因素（包括温度、振动、冲击、沙尘等），而在各环境因素中振动引起的故障几乎占百分之三十，利用振动测试手段对运行设备进行在线的状态监控或故障诊断是保证机组安全、及时消除隐患的重要措施之一。 (5)振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳动效率，甚至产生“振动病”或“运动病”，如常见的晕车、晕船现象就是由于小于 1Hz 的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市场上已有用于人体振动测量的传感器和测试仪出售。(6)任何机械振动系统往往同时又是声波辐射源。噪声中很大一部分来自振动物体。减少振动的同时往往也意味着降低噪声（相反地也可从噪声分析中找到振源）。只要有声电传感器（如话筒）和适调放大器，振动分析和声学分析就可以共用同一分析仪器4。 3.2 振动测试系统的组成一般来说，振动测试与分析系统由两大部分组成。一部分为传感器测量系统，它包括各种振动传感器、压力传感器及其有关测量部分，其作用是拾取表征机器状态的各种信号或参数，并使之变成标准的电压或电流信号。另一部分即为测量数据采集、显示、处理及分析系统，其作用是获得信号并进行显示，同时进行进一步的各种分析、处理。激振装置激镇对象分析处理图3.2 振动系统结构示意图一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出，输入通常称为激励，输出称为响应；输出特性不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。在工程技术当中，研究振动问题就是在激励、响应和系统特性这三者中知道其二求其三的问题。在己知激励条件和系统振动特性的情况下，求系统的响应，这就是所谓的振动分析问题；在己知系统振动特性和系统响应的情况下，求系统的激励状态，这就是所谓的振动环境预测问题：在已知系统激励和系统响应的情况下，确定系统的振动特性，这就是所谓的振动特性测试或系统识别问题。传感器是感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种灵敏的转换元件。本系统为振动测试系统，所测量为振动的非电量信号，因此选用了电涡流位移传感器和光电传感器。传感器有如下一些选用原则：(1) 可靠性：是指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。为了保证传感器应用中具有高的可靠性，事先须选用设计、制造良好，使用条件适宜的传感器；使用过程中，应严格保持规定的使用条件，尽量减轻使用条件的不良影响。(2) 测量方式：是指传感器在实际条件下的工作方式。例如，接触与非接触测量、在线与离线测量等，也是选用传感器时应考虑的重要因素。工作方式不同对传感器要求亦不同。(3)线性范围：任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精确度的基本条件。(4) 灵敏度：是指测试系统在静态测试时，输出量的增量与输入量的增量之比的极限值。一般讲，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量越小，被测量稍有一微小变化，传感器就有较大的输出。(5)精确度：传感器的精确度表示传感器的输出与被测量真值一致的程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量值，对整个测试系统具有直接影响。(6) 响应特性：在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测量条件。此外，实际传感器的响应总有一定迟延，但总希望迟延时间越短越好。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点5。3.3 信号测试与分析对于绝大多数数据采集和控制系统来说,传感器在连接到数据设备之前所的信号必须被转换为设备所能够识别的信号,所以信号调理非常重要典型的系统一般都需要信号调理硬件,用于将原始信号以及传感器输出接到数据卡上通过信号调理的功能，如信号的放大、隔离、滤波、线性化处理等,提高了数据系统的可靠性等性能。信号分析是振动测试中的一种重要方法，也是近年来测试技术的发展方向。数字信号的测试与模拟信号的测量一样，也是由传感器来完成的。然后将模拟信号进行转化成数字信号，再利用数字信号处理技术进行分析与处理。信号处理的基本步骤如图3.3所示。振动信号预处理A/D转换信号处理器结果显示图3.3 数字信号处理的基本步骤（1）预处理预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理。把信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理的困难。如对输人信号的幅值进行处理，使信号幅值与AD转换器的动态范围相适应；衰减信号中不感兴趣的高频成分，减小频混的影响；隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直流分量的干扰等项处理。 （2）AD转换是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，存入到指定的地方。信号处理系统的性能指标与其有密切关系6。 模数(AD)转换是模拟信号经过采样、量化并转换为二进制数的过程。数字信号处理器或计算机对离散的时间序列进行运算处理。计算机只能处理有限长度的数据，所以首先要把长时间的序列截断，对截取的数字序列有时还要人为的进行加权(乘以窗函数)，以成为信的有限长的序列。对于数据中的奇异点(由于强干扰或信号丢失所引起的数据突变)应予以剔除。如有必要，还可以设计专门的程序来进行数字滤波。然后把数字信号处理结果送入计算机进行运算，完成各种分析和处理。（3）分析计算对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成信号处理器完成，也可用通用计算机。（4）一般采用数据和图形显示结果。第4章 虚拟震动测试分析系统的硬件配置虚拟震动测试分析系统的硬件主要由传感器、信号调理器、数据采集卡和计算机成。硬件结构图如图4.1所示：传感器信号调节器数据采集卡计算机图4.1 系统硬件结构图4.1 传感器的选用振动传感器的类型较多，按机械量与电信号变换的物理原理不同可分为发电式传感器和参数式传感器。前者如电动式、压电式和电磁式等，后者如电感式、电容式、电阻式和电涡流式等。按被测物理量分类有：位移传感器，速度传感器和加速度传感器三种；按工作原理分有：机械惯性式传感器和电测传感器；噪声测量传感器主要是传声器。传感器是能够感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种灵敏的换能元件。传感器的种类很多，且有不同的分类方法，按参考坐标的不同可分为绝对式与相对式传感器；按工作方式的不同可分为接触式和非接触式传感器；按工作原理的不同可分为惯性式和参数式传感器。按测量参数的不同又可分为位移、速度和加速度传感器。这里我们仅简要讨论机械振动测量中常用的压电式加速度传感器。加速度传感器主要用于测量振动体的加速度。压电式加速度传感器，由于其体积小，重量轻，灵敏度高和频率范围宽等优点，在实际测量中应用最为普遍7。由于本课题测量的物理量是振动信号，因此选用压电式加速度传感器。压电式加速度传感器由于其体积小、重量轻、灵敏度高和频率范围宽等优点，在振动测量中应用最为普遍。 压电式加速度传感器是一种绝对式测量的惯性式振动传感器，它以某些材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。因此其中装有压电元件，在承受一定方向的外力时，元件晶面或极化面上会产生电荷，并正比于振动加速度。 传感器信号的不确定性一方面反映在传感器器本身的可靠性，另一方面反映传感器的灵敏度和精度。在一个复杂的传感器环境，提高传感器的可靠性一方面依赖传感器本身的质量，另一个方面靠传感器的有效性检验(Validation)。而传感器的灵敏度和精度的提高依赖现有电子技术和信号处理技术的现状。而单个传感器的有效性以及失效后的连续工作系统需要的可靠性无法提供保证。所以传统的基于单传感器的故障诊断依赖于传感器本身的可靠性。这种不确定性是单传感器系统固有，只能采用多个传感器来消除8。而多个传感器实现对于简单系统来说又存在技术经济方面的因素影响。振动信号的采集通常采用加速度传感器，内装ICP电路电压式传感器是国际上新兴的机电一体化测量传感器。除了体积小、刚度大、频响宽、灵敏度高、使用方便等优点外，还有一系列优点：（1）低阻抗允许在恶劣环境下使用超长电缆传输信号（2）固定的电压灵敏度与电缆的长度与电容无关（3）作为二线制系统，能适配通用的廉价同轴电缆（4）低阻抗的电压输出能与通用的仪器和采集卡兼容（5）系统成本低，只需配接低成本的恒流源，省去了昂贵的电荷放大器94.2 电荷放大器对于绝大多数数据采集和控制系统来说，传感器在连接到数据设备之前所的信号必须被转换为设备所能够识别的信号，所以信号调理非常重要典型的系统一般都需要信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器输出接到数据卡上通过信号调理的功能，如信号 的放大、隔离、滤波、线性化处理等 ,提高了数据系统的可靠性等性能。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器，它的核心是一个具有电容负反馈、且输入阻抗极高的高增益运算放大器。以本课题中用的并联压电材料的压电传感器为例，适于选用电荷放大器，其电路特点是放大器输出电压只与传感器产生的电荷输入量及放大器反馈电容有关，而与构成电路的电缆所形成的分布电容和信号频率无关，这一特性使电荷放大器对传输线路的分布电容不敏感，传输距离可达数百米，因此受到普遍使用10。4.3 数据采集卡的选用数据采集卡是虚拟仪器最常用的接口形式，具有灵活、成本低的特点，它的功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输 出给受控对象 用数据采集卡配 以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构造各种检测和控制仪器 ,如存储数字万用表、信号发生器、示波器、动态信号分析仪等等。在测试中，经常需要同时对多个信号进行数据采集，这可以由多通道数据采集卡来实现。多通道数据采集卡通常有两种方式：(1)共用模数(AD)转换器的模拟多路转换(AMUX)；(2)各通道独立采用模数(AD)转换器的数字多路转换(DMUX)。两种方式各有其优缺点：模拟多通道转换共用AD优点是通道成本低，结构简单，但各通道问有时间差，采样频率低一些；各通道单独AD，数字多路转