基于虚拟仪器的振动测试系统的设计

摘要：介绍了振动测试系统的结构、硬件平台，以及软件设计中的关键技术。利用LabVIEW和硬件设备生成激励信号，采集信号并进行处理分析，最后生成测试报告，完成测试任务。 关键字：虚拟仪器，LabVIEW，振动测试 中图分类号：TP391 文献标识码：A

The design of vibration testing system based on Virtual Instrument

Zhang Yu-hua Jiang Shubo Cheng mingxiao Yang xia

（College of Automation, Nanjing University of Technology, Nanjing，210009，China） Abstract: This paper presents the structure of vibration measurement, including the hardware

constitution and software design of the system. Using Virtual Instrument technique and hardware, Vibration measurement and analysis system is developed to generate signal, realize vibration signal date acquisition, measurement and analysis, generate report. Keyword: Virtual Instrument, LabVIEW, vibration testing 1．引言

机械振动是工程技术和生产生活中常见的现象，是机械工程领域的一个十分重要的课题。其在大多数情况下是有害的，影响机械设备的工作性能和寿命，甚至可能毁坏设备；也有可以利用的一面，例如振动输送机、清洗机等就是利用振动原理进行工作的。振动测试在生产和科研的许多方面占有重要地位。

虚拟仪器技术是计算机技术与仪器技术相结合的产物，其实质是充分利用先进的计算机技术来实现和扩展仪器的功能。其通过软件构造虚拟面板，完成信号的采集、分析处理和数据显示，实现了“软件就是仪器”的理念。用户可根据需要定义仪器的功能，且具有开发周期短、成本低、维护方便等优点。 2．振动测试系统的总体结构

测试系统分为两类，一类是测量存在的振动对象的位移、速度等，得到振动强度，通过频域分析估计振动根源，用于故障诊断与分析；另一类是对结构施加激励使其振动，通过振动测试研究结构的力学动态特性。本系统主要完成后一类测试。

下图1所示为振动测试系统的总体结构图，由计算机产生一个激励信号，通过数据采集卡D/A转换后经功率放大器送到激振器，使被测悬臂梁受迫振动。振动信号经压电加速度传感器拾振、电荷放大器放大成电压信号后传递到数据采集卡，进而传输给计算机。

悬臂梁 传感器 电荷放大器 数据采集卡激振器工作台 功率放大器 图1 振动测试系统总体结构图

本系统主要用于高校的教学科研，也可以应用于工程设备的振动标定和测试。 3．硬件选择和设计

振动测试系统由振动测试工作台、计算机、传感器、数据采集卡和信号调理模块等组成，

硬件结构图同图1。

数据采集卡选用的是NI公司的PCI-6014的数据采集卡，性价比高，可以满足多路信号的同步采集要求，如对温度、压力、流量等模拟量及一些数字量、开关量的采集，其精度高达16位，最大采样路数为单端16路/差分8路模拟输入、2路模拟输出，8路数字输入输出，2路计数/定时器，采样率为200Ks/s，支持数字触发。 4．软件设计

通过虚拟仪器的图形化编程软件LabVIEW实现信号发生、数据采集显示、测量分析、仪器控制等任务。软件设计模块如下图2所示：

LabVIEW开发平台 4.1 信号发生模块

信号发生模块产生标准的信号激励源，使用缓冲区技术从数据采集卡输出模拟信号。程序采用了固定信号每周期数据点数，使其正好等于缓冲区大小，调用高级模拟输出函数AO Clock Config改变模拟输出刷新率update rate来实现不同频率信号输出的方法。

首先调用AO Config函数设置输出通道和缓冲区大小，在第一次循环时计算出初始波形数据并由AO Write函数装入缓冲区，然后开始连续波形的输出。在接下来的循环中，如果前面板的波形参数控件设置值有变化，重新计算波形并装入缓冲区。为了波形平缓过渡，每次只写缓冲区大小的一半，如果输出刷新率发生变化，则调用AO Clock Config函数重新设置输出时钟。按下停止键或出现错误后，AO Clear函数清除对硬件的设置，释放缓冲区。最后用AO Update Channels函数将输出通道的电平置零。

信号发生模块功能有：产生标准波形，有方波、正弦波、锯齿波、三角波；方便调整频率、幅值、直流偏置、相位、占空比等波形参数，程序框图如下图3。

参数设置网络传输数据采集数据存储生成报告信号发生图2 测试系统软件设计

信号分析

图3 信号发生模块程序框图

4.2 信号分析模块

信号的分析和处理是数据采集系统的最后一个环节，目的是：提高信噪比、提取信号特征、分析信号、修正系统误差。本系统的信号分析处理主要从时域和频域两方面进行。 4.2.1 时域分析与处理

①首先采集的信号经数字滤波，滤波部分采用Filters函数子模版的巴特沃思滤波函数Butterworth Filter，设置为带通滤波。

②其次是求得加速度信号的速度和振幅这两个特征值。

调用Domain函数子模块中的Integral x(t)函数，将加速度变化率累加，求得当前速度；再将速度变化累加，求得当前位移。

趋势项是测试中某些因素引起的随时间变化的长周期系统误差。调用以最小二乘法拟合直线的Linear Fit函数拟合趋势项，然后再从数据中减去。

③最后还包括相关分析，表征采集信号在不同时刻瞬时值的相互依从关系。

相关函数表达式为Rxy

1N

=lim∑x(i)y(i+r) （r=0,1,2……，m） N→∞Ni=1

式中 N ：总采样数，i：采样序列，r：间断时移植，x、y代表两模拟信号

调用Signal Operation子模块中的AutoCorrelation函数，它所用的算法是

Rxy(r)=∑x(i)x(i+r)，因此需修正才可得到其自相关性曲线。

i=1

∧

N

4.2.2 频域分析与处理

为了减小或抑制频率泄露，采用了汉宁加窗函数，对信号进行加权处理。频率分析模块选用了Frequency Domain函数子模板，用FFT变换计算出时域信号的自功率谱以及自功率谱中的频率峰值等特性参数。

实验中用共振频率近似代替被测系统的固有频率，在扫频过程中记录被测悬臂梁的振动频率与对应的位移振幅，得到幅频特性曲线，曲线峰值处就是实际测量的共振频率。由固有频率可近似求出被测悬臂梁的阻尼比。 4.3 报表生成

在完成数据采集和分析后，调用Report Generation函数子模板编写报表程序，生成HTML格式的测试报表。首先创建新报表，设置页边距、报表方向、字体等格式；调用Append Report Text向报表中加入文字；调用Append Control Image to Report加入控件图像到报表，Ctrl reference参数是要加入控件参考号（Reference），在图像控件的快捷菜单上可创建相应参考号；调用Append Table to Report向报表加入表格，其为多态VI，分别用来加入文本表

格和数值表格，通过Select Type命令来切换；最后可打印报表。 4.4 数据的远程传输

在LabVIEW中，有两种方法可以实现远程数据采集：RDA技术、DataSocket技术。 本系统选用RDA技术，具体设置如下：

①配置服务器，在MAX中测试DAQ卡工作是否正常，并运行RDA Server程序。 ②客户端添加RDA设备，在MAX中添加远端计算机的数据采集卡，键入服务器名称或IP地址，MAX自动搜索服务器上的DAQ设备，设定端口编号，完成RDA添加。

③完成RDA设备的测试，即可像本地设备一样创建通道、采集数据等。

利用RDA技术实现数据采集，直接面向硬件，方法简单，但不具备数据共享、分析及存储的能力，且仅适用于NI公司的DAQ设备。DateSocket技术实现远程数据采集，通过数据发布、共享的方式传送数据，且适用任何DAQ设备，故能弥补RDA技术的不足。在复杂系统中可两者结合，灵活使用。

下图3是振动测试前面板，激励信号是由数据采集卡输出的带噪声的正弦信号。在此虚拟面板上可实现上述各个模块的功能。

图4 振动测试前面板

5．结束语

虚拟仪器将计算机与硬件融为一体，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合起来，使测试设备简化、数据处理精确、迅速。具有操作简便、界面友好、易于维护等诸多优点，在测试分析和故障诊断等诸多领域有很广阔的前景。 参考文献：

[1]雷振山编著，LabVIEW 7 Express实用技术教程[M]，北京：中国铁道出版社，2005

[2]马增强等，基于TCP/IP协议的网络化振动传感器的研究，微计算机信息，2005，21(5)：177-178

[3]杨乐平编著，LabVIEW高级程序设计[M]，北京：清华大学出版社，2003 所投栏目：数采与监测 创新点：本系统将作为我学院传感器实验室的振动测试平台，是虚拟仪器在教学实验的又一应用；并可作为模板，构建其他测试测量平台，有很好的扩展性和可移植性。

作者简介：张玉华(1981-)，女，江苏丹阳人，在读研究生。研究方向：虚拟仪器及测控领域。 Author introduction：Zhang Yuhua，female, born in 1981,DanYang city of JiangSu, graduate student, engaged in the study of Virtual Instrument and computer measure.

联系方式：huazyzhang@163.com 南京工业大学丁家桥校区218信箱（210009）