【正文】 于振動測試。為提高測試效率，降低測試成本，適應(yīng)在速度、準確度、數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場實用性等方面日益提高的測試要求，我們需要將虛擬儀器技術(shù)引入在用車輛性能測試領(lǐng)域,開發(fā)基于虛擬儀器的車輛性能測試系統(tǒng)。從 1967 年世界上第一臺基于 FFT 的動態(tài)信號分析儀問世以來，振動信號分析技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三次突破性的發(fā)展。20世紀20年代，由于汽輪發(fā)電機組等設(shè)備的發(fā)展，機械式測振儀已不能滿足要求，于是磁電式傳感器應(yīng)運而生，實現(xiàn)非電量信號向電信號轉(zhuǎn)換的電測量。虛擬儀器是當前計算機的主流技術(shù)與應(yīng)用開發(fā)軟件和高性能模塊化的硬件相結(jié)合的產(chǎn)物，可由用戶自己設(shè)計和定義，用軟件在屏幕上生成儀器控制面板，進行信號分析和處理。 課題主要研究內(nèi)容本文從虛擬儀器開發(fā)的角度，首先對虛擬儀器的概念和內(nèi)容做簡要介紹，然后對虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺LabVIEW進行闡述，在分析了信號分析處理的原理后，使用圖形化編程語言LabVIEW進行振動測試與分析虛擬儀器系統(tǒng)的軟件設(shè)計。(4)頻域分析：包括對仿真信號和實際采集到的信號進行頻譜分析，功率譜分析，倒頻譜分析，得到信號的頻域特征。這是在準計算機軟硬件基礎(chǔ)上,加上一組軟件和硬件所構(gòu)成。虛擬儀器的概念是美國NI公司(National Instrument)在20世紀80年代中期提出來的。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了 軟件就是儀器的設(shè)計思想[1]。虛擬儀器系統(tǒng)主要包括以下三個部分：安裝有強大應(yīng)用軟件的計算機平臺或者是工作站：硬件部分，數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理卡、G P I B接口儀器、V XI 接口儀器等；被測單元，或前端傳感器。它是世界上第一個采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，它的目標就是簡化程序的開發(fā)工作，提高編程效率，讓科學(xué)家和工程技術(shù)人員充分利用計算機的資源和強大功能，快速簡捷地完成自己的工作任務(wù)，它被稱為科學(xué)家與工程師的語言。此類測振的目的是研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動態(tài)性能。這樣，不僅可以大大減少檢測的工作量，降低測試系統(tǒng)成本，還可以提高測試效率，適應(yīng)在速度、準確度、數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場實用性等日益提高的測試要求，同H、J使檢測設(shè)備投資少，丌發(fā)周期短，通用性強，易維護。虛擬儀器則可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。（6）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，也可與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。PXI有高度可擴展性。GPIB 技術(shù)可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利，但是受 PC 機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢[2]。Labview使用了所見即所得的可視化技術(shù)建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標平面圖等。LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)，具有各種各樣、功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW滿足了實現(xiàn)虛擬測試儀器的條件。 labview的應(yīng)用LabVIEW強大的硬件驅(qū)動、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計，為過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。LabVIEW已成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標準，通過GPIB、VXI、PLC、串行設(shè)備和插卡式數(shù)據(jù)采集板可以構(gòu)成實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（3）提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點、單步運行，同時提供獨具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式運行，利于設(shè)計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。（7）具有強大的Internet功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠程測控儀器的開發(fā)[3]。流程圖包括內(nèi)置于 LabVIEW 庫中的函數(shù)（Function）和結(jié)構(gòu)（Structures），還包括儀器面板上的控制對象、顯示對相對應(yīng)的連線端子（Terminals） ，LabVIEW構(gòu)成的虛擬儀器是數(shù)據(jù)流驅(qū)動的，流程圖中的諸元素如結(jié)構(gòu)、功能模塊等構(gòu)成節(jié)點，這些節(jié)點由數(shù)據(jù)線相連接，這些線定義了程序中數(shù)據(jù)的流向，這些線在程序中按照數(shù)據(jù)類型的不同顯示出不同的顏色和類型，使得用戶能對程序中傳送的數(shù)據(jù)種類一目了然。振動測試與分析技術(shù)是機械動力學(xué)學(xué)科的重要分支之一，是機械動力學(xué)工程應(yīng)用的一個極為普遍的方面。振動測試與分析技術(shù)的任務(wù)就在于幫助人們清楚地認識振動現(xiàn)象，從而能動地控制振動和利用振動。電測法通常采用測振傳感器檢測振動的位移、速度和加速度信號并轉(zhuǎn)為電量，然后利用分析電路或?qū)Ｓ脙x器來提取振動信號中的強度和頻譜信息。輸入、輸出和系統(tǒng)的振動特性這三者之間的關(guān)系如圖 所示。從現(xiàn)場測試了解機器運轉(zhuǎn)時振動大小以確定其性能優(yōu)劣已成為驗收往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式機器的一個重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)在又有各種產(chǎn)品的“振動烈度標準”和振動烈度測量儀。用振動測試可以求得系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，進而建立或修正力學(xué)模型，為今后的“響應(yīng)預(yù)估”或“環(huán)境預(yù)估（載荷識別）”創(chuàng)造先決條件。 (5)振動是一種公害，它能損傷人體器官、損害健康、降低勞動效率，甚至產(chǎn)生“振動病”或“運動病”，如常見的暈車、暈船現(xiàn)象就是由于小于 1Hz 的極低頻振動引起的。噪聲中很大一部分來自振動物體。一部分為傳感器測量系統(tǒng)，它包括各種振動傳感器、壓力傳感器及其有關(guān)測量部分，其作用是拾取表征機器狀態(tài)的各種信號或參數(shù)，并使之變成標準的電壓或電流信號。在己知激勵條件和系統(tǒng)振動特性的情況下，求系統(tǒng)的響應(yīng)，這就是所謂的振動分析問題；在己知系統(tǒng)振動特性和系統(tǒng)響應(yīng)的情況下，求系統(tǒng)的激勵狀態(tài)，這就是所謂的振動環(huán)境預(yù)測問題：在已知系統(tǒng)激勵和系統(tǒng)響應(yīng)的情況下，確定系統(tǒng)的振動特性，這就是所謂的振動特性測試或系統(tǒng)識別問題。為了保證傳感器應(yīng)用中具有高的可靠性，事先須選用設(shè)計、制造良好，使用條件適宜的傳感器；使用過程中，應(yīng)嚴格保持規(guī)定的使用條件，盡量減輕使用條件的不良影響。(3)線性范圍：任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。一般講，傳感器的靈敏度越高越好，因為靈敏度越高，意味著傳感器所能感知的變化量越小，被測量稍有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。此外，實際傳感器的響應(yīng)總有一定遲延，但總希望遲延時間越短越好。數(shù)字信號的測試與模擬信號的測量一樣，也是由傳感器來完成的。如對輸人信號的幅值進行處理，使信號幅值與A／D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍相適應(yīng)；衰減信號中不感興趣的高頻成分，減小頻混的影響；隔離被分析信號中的直流分量，消除趨勢項及直流分量的干擾等項處理。數(shù)字信號處理器或計算機對離散的時間序列進行運算處理。然后把數(shù)字信號處理結(jié)果送入計算機進行運算，完成各種分析和處理。：傳感器信號調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)采集卡計算機 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 傳感器的選用振動傳感器的類型較多，按機械量與電信號變換的物理原理不同可分為發(fā)電式傳感器和參數(shù)式傳感器。傳感器的種類很多，且有不同的分類方法，按參考坐標的不同可分為絕對式與相對式傳感器；按工作方式的不同可分為接觸式和非接觸式傳感器；按工作原理的不同可分為慣性式和參數(shù)式傳感器。壓電式加速度傳感器，由于其體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬等優(yōu)點，在實際測量中應(yīng)用最為普遍[7]。因此其中裝有壓電元件，在承受一定方向的外力時，元件晶面或極化面上會產(chǎn)生電荷，并正比于振動加速度。而單個傳感器的有效性以及失效后的連續(xù)工作系統(tǒng)需要的可靠性無法提供保證。振動信號的采集通常采用加速度傳感器，內(nèi)裝ICP電路電壓式傳感器是國際上新興的機電一體化測量傳感器。 數(shù)據(jù)采集卡的選用數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器最常用的接口形式，具有靈活、成本低的特點，它的功能是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到計算機，或?qū)⒂嬎銠C數(shù)據(jù)輸 出給受控對象 用數(shù)據(jù)采集卡配 以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)造各種檢測和控制儀器 ,如存儲數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器、示波器、動態(tài)信號分析儀等等。數(shù)據(jù)采集卡的任務(wù)是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，形成計算機能夠處理的數(shù)據(jù)。為了克服其各通道的時差，確保信號的同步采集，采取了在數(shù)據(jù)采集卡前端加裝一塊同步采樣保持卡的解決辦法，其原理是首先將信號同步采集并鎖存下來，然后再逐個進行轉(zhuǎn)換。（4）數(shù)據(jù)總線接口類型不同總線接口類型的數(shù)據(jù)采集卡接口硬件形式不一樣，數(shù)據(jù)傳遞的規(guī)則和數(shù)據(jù)傳遞的速度也不一樣，plc總線是臺式計算機中目前最通用的總線。 第5章 虛擬震動測試分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計在本程序中，首先要確定的是程序設(shè)計的總體方案。在虛擬儀器的實際設(shè)計中，一般采用由上至下的設(shè)計方法，首先根據(jù)系統(tǒng)的總體需求，將系統(tǒng)劃分為各個功能模塊。 系統(tǒng)主界面 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集就是將被測對象的各種參量通過各種傳感器件做適當轉(zhuǎn)換后，在經(jīng)過信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程。對各項參數(shù)設(shè)置好后，點擊“采集”按鈕即可進行信號的采集，可以利用前面板中的波形圖（Waveform graph）進行觀測。數(shù)據(jù)采集功能在各個模塊中都有不同程度的應(yīng)用，同時也牽扯到很多問題，如連續(xù)采集、觸發(fā)、同步等。采樣頻率設(shè)置時必須滿足采樣定理，即Fs=(2～3)*F，其中風(fēng)為采樣頻率，F(xiàn)為信號的最高頻率，但在工程實際中采樣頻率一般取信號最高頻率的10倍以上。（3）程控增益的選擇。信號預(yù)處理設(shè)計主要采用預(yù)濾波或抗混疊濾波技術(shù)。數(shù)字濾波器用于改變或消除不需要的波形，因此它是應(yīng)用最廣泛的信號處理工具之一。本設(shè)計采用了巴特沃斯低通濾波器。不同類型的信號，其對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置也就不盡相同?！跋嚓P(guān)”是指變量之間的線性關(guān)系。相關(guān)分析是利用相關(guān)系數(shù)或相關(guān)函數(shù)描述兩個信號之間的關(guān)系或相似程度，也可以描述同一信號的現(xiàn)在值與過去值的關(guān)系，或者根據(jù)過去值、現(xiàn)在值來估計未來值。相關(guān)函數(shù)一般包括自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)。 自相關(guān)分析前面板互相關(guān)函數(shù)是表示兩組數(shù)據(jù)之間依賴關(guān)系的統(tǒng)計量，其表達式為 () 互相關(guān)分析前面板互相關(guān)函數(shù)分析主要應(yīng)用于：利用兩個信號的時延信息對傳輸通道進行分析識別；檢測外界噪聲中的信號：在機械設(shè)備故障診斷和振動控制中識別傳遞問題，包括傳遞路徑的識別和故障源的識別，以及相關(guān)測速和定位等。而自譜反映信號的頻域結(jié)構(gòu)，這一點與幅傻譜相似，但是自譜反映的是信號幅值的平方，因此更明顯得體現(xiàn)頻域結(jié)構(gòu)的特征，具有比幅值譜更為明顯得峰值。 FFT分析傅立葉變換是平穩(wěn)信號分析和處理的一個重要工具，通過傅立葉變換可把一個時域的問題轉(zhuǎn)化成頻域的問題來分析研究。但是它的原信號x(t)是連續(xù)的，它的變換所得的頻譜X(f)也續(xù)的，連續(xù)傅立葉變換不能直接應(yīng)用計算機技術(shù)，繁瑣的計算限制了它的進一步發(fā)展。 FFT變換前面板 功率譜分析 自功率譜密度 假定樣本函數(shù)x(t)是零均值的隨機過程，即=0，且x(t)中沒有周期分量，那么=0，這樣，自相關(guān)函數(shù)可滿足傅立葉變換條件＜，根據(jù)傅立葉變換理論，自相關(guān)函數(shù)是絕對可積的，則傅立葉變換及其逆變換定義為 （） （）稱為x(t)的自功率譜密度函數(shù)，簡稱自功率譜。 自功率譜模塊前面板 互功率譜密度互相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換稱為互功率譜密度函數(shù)，簡稱互功率譜。相干函數(shù)是評價系統(tǒng)的輸入信號與輸出信號之間的因果性，即輸出信號的功率譜中有多少是輸入量引起的響應(yīng)，在線性系統(tǒng)中，表示輸出與輸入之間在頻域上的相關(guān)程度。時頻分析在實際信號處理過程中，尤其是振動信號處理中，可以將信號在任意時刻的頻域特性都很好的表現(xiàn)出來。短時傅立葉變換(Shorttime Fourier Transform——STFT)實際上是對傳統(tǒng)傅氏變換的擴展。正是窗函數(shù)w(t)的時移和頻移使短時傅立葉變換具有了局部特性，．它既是時間的函數(shù)，又是頻率的函數(shù)[18]。課題的任務(wù)是利用labview開發(fā)振動測 振動測試中的應(yīng)用，目前這個課題 于PC的數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)造虛擬儀器進行振動測試是切實可行的，它不僅可以節(jié)省程序開發(fā)時間，而且它的模塊化編程使程序的擴展變得很靈活。本文的硬件配置，使系統(tǒng)攜帶方便，可以用于工程振動測試。LabVIEW圖形化的編程語言，為虛擬儀器的設(shè)計提供了一個便捷的設(shè)計環(huán)境。（3）系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，這使得系統(tǒng)的擴充十分方便。我們有理由相信，隨著軟件業(yè)和測試技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)必將在更多、更廣的領(lǐng)域得到應(yīng)用和普及。從論文的選題到論文的最終完成都浸透著她的努力和汗水，給予我細心的指導(dǎo)和不懈地