基于虚拟仪器技术的振动测试系统的设计

0前言
　　
振动是自然界最普遍的现象，传统的振动测试系统大多采用电子测量仪器，其特点是功能单一、专用、灵活性较差、大大的制约了振动测试的范围。如今，正在流行着一种将虚拟仪器技术引到振动测试领域中的技术，将计算机技术和振动测试技术相结合，组建虚拟振动测试系统。实践表明，虚拟振动测试仪器不仅功能强大、用途多样，而且具有友好的用户界面和简化的图形化编程方法，受到广大用户的普遍欢迎和高度重视，成为振动测试新的发展方向。

1虚拟振动测试系统的硬件设计
　　
虚拟振动测试系统的硬件主要包括了加速度传感器、力传感器、信号放大器、数据采集卡以及通用PC机。
　　
1.1 加速度传感器
　　
加速度传感器主要测试振动体的振动加速度，机械振动测量中常用的压电式加速度传感器，它是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的传感器，压电式加速度传感器输出的电荷量与物体振动加速度成比例，用适当的测试系统检测出电荷量，就实现了对振动加速度的测量。它有体积小，重量轻，灵敏度高和频率范围宽的优点，在振动测试中应用最为普遍。本系统的设计采用的是并联压电材料的压电传感器，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，与构成电路的电缆形成的分布电容和信号频率无关，这一特性使电荷放大器的传输线路的分布电容不敏感，传输距离可达数百米。
　　
1.2 电荷放大器
　　
压电式传感器输出的电荷信号比较微弱，不能直接被数据采集卡采集，需要用信号放大器把较弱的电荷信号转化成较强的能被数据采集卡采集的电压信号。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、且输入阻抗及高增益的运算放大器。本系统采用BC97型电荷放大器为例，电荷放大器上还具有低通滤波器和能按传感器灵敏度调节放大倍数的适调放大器。
　　
1.3 数据采集卡
　　
本系统中采用的数据采集卡是PCI-6024，它是美国NI公司生产的多功能接口卡，此卡设计基于PCI总线，数据传输速率高，吞吐量大，是数据采集卡设计的主流，它是一块性价比较好的产品，支持DMA方式和双缓冲模式，保证了实时的信号不间断采集与储存。它支持单极性和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为-5v～+5v和0～10v。提供16路单端/8路差动模拟输入通道，2路独立的D/A输出通道，24线的TTL型数字I/O，3个16位定时计数器等多种功能。实际测量是输入信号通过BNC接头从输入端子进入数据采集卡进行数据采集，同时用美国NI公司提供的Measurement Automation软件进行简单的设置便可完成系统软件与数据采集卡之间的通讯。

2虚拟振动测试系统的软件设计
　　
虚拟振动测试系统的软件设计，是运用图形化编程语言LabVIEW为软件开发平台，在程序的开发过程中运用模块化的设计思想，根据不同功能的需要，分别组建各种功能模块，本系统包含了数据采集模块、数据存储与读取模块、数据处理模块、结果显示模块，为了将各模块集成到一起，还设计了一个主界面来实现各模块的调用。最后再对系统进行集成和调试。
　　
2.1 系统主界面的设计
　　
在系统的主界面设计中，利用LabVIEW中提供的Edit Menu菜单，先将要实现的功能作为菜单选项的内容，以便在运行时调用，然后在框图中对各项菜单的调用通过Case循环进行选择，使各项菜单对应各项子VI，在各子VI中的VI Setup的Eexecution Options中选择Show Front Panel When Called选项，这样在运行中，当选择了菜单中的某项内容时，该子VI就被选中调用。
　　
2.2 数据采集模块
　　
数据采集模块使用了LabVIEW中Analog Iuput功能块中的AI Waveform Scan模块进行采集控制，根据不同需要可以选择连续信号采集或单次信号采集，并可进行采集通道、采样速率、采样点数、加窗方式、平均次数、显示谱的类型控制，还可通过光标移动观察信号的时域值和频域值，在触发方式上，还可以选择信号触发或自由采集，在信号触发时，可选择触发电平、触发沿、触发前预保留点数等参数。
　　
2.3 数据存储与读取模块
　　
数据存储模块的主要功能是将显示器上显示的图像所对应的时域数据存入二进制文件;将与采集数据有关的参数：平均次数、数据长度、分析带宽、触发点采样点、采集时间等存入与数据文件同名的文本文件中，便于数据读取模块和用户使用。
　　
数据读取模块可以方便地进行文件的读写操作。LabVIEW读写文件的过程为：打开一个文件——按一定格式进行读写内容——最后关闭文件。在数据读取模块中用到的主要函数分别是：打开文件函数、读文件函数、关文件函数。
　　
2.4数据处理模块
　　
数据处理模块程序的设计是本系统软件设计的关键部分，它需要完成数字滤波、加窗处理、频谱分析、功率谱分析、相关分析、倒谱分析等诸多功能。时域分析有自相关与互相关分析，幅值域分析可以进行均值、方差、概率密度和概率分布统计，对数据的预处理可进行各通道标定系数输入及用数字滤波器进行滤波，可进行低通、高通、带通、带阻滤波，基于FFT的频率分析，包括自功率谱、互功率谱、幅度倒频谱、频响函数，其中频响函数可以根据需要采用不同的估计公式，可选择显示实部和虚部、幅频和相频以及相干函数。另外在频域分析时可对各信号进行加窗以减少泄漏，主要有矩形窗、汉宁窗、哈明窗、指数窗等，充分利用计算机的资源，计算FFT的点数可以从512点到16384点，可进行多次平均以减少误差，可任意选择两通道计算频响函数和互功率谱。在信号分析中调用了auto power spectrum、spectrum unit conversion、power frequency estimate等子VI模块。
　　
2.5 数据显示模块
　　
数据显示模块是将采集到的数据以及分析后的数据数据显示到显示器上，同时它还包含许多附属的显示项，包括坐标单位显示，最大值及其相应位置显示，时限显示，数据采集文件索引显示，供使用者观察系统测试结果。

3虚拟振动测试系统的实际测试
　　
本文介绍了虚拟振动测试系统的开发全过程，为了验证整个系统程序运行的正确与否，采用锤击法对试件进行锤击测试，用装有力传感器的力锤对试验结构进行锤击，用加速度传感器进行拾振，将两个信号经电荷放大器放大后送入数据采集卡，通过软件设定采集条件控制采集，并将采集到的数据存储和进行各种分析。采集时设置采样通道为2个，采样频率为1000Hz，平均次数为5次，每次采集点数设为1024点，触发通道为0通道，触发电平为100mv，触发沿为默认的上升沿，预保留点数为20个。从测试结果上看，激励信号和响应信号反映的正是锤击法激励时激励及响应信号应有的典型形状，可见系统程序运行良好，系统可靠性较高。

4结束语
　　
本文介绍了虚拟振动测试系统的设计。实践证明采用LabVIEW和基于PC 的数据采集卡构造虚拟振动测试系统是切实可行的，测试系统功能强大，它的模块化的编程使程序扩展变得很方便。可以预见，虚拟仪器技术在整个测试领域将会有更加广阔的应用空间。

5本文作者创新点
　　
振动测试系统的设计采用了先进的虚拟仪器技术，提高了系统的测试精度，节省了开发时间，降低了开发成本。

参考文献
　　
[1] 雷振山编著，LabVIEW 7 Express实用技术教程，中国铁道出版社，2004年
[2] 刘君华编著,虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程， 西安电子科技大学出版社，2001年
[3] 王踪，基于虚拟仪器技术的导引头位标器振动性能测试系统设计 微计算机信息， 2005.5
[4] 张恩编著，振动测试与分析技术，清华大学出版社，2000年
[5] National Instruments Corporation, LabVIEW Use Manuals, July 2002
[6] National Instruments Corporation, DAQ PCI-6024 User Manual, July 1998