【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 濾波器”函數(shù)子選板的Butterworth濾波器VI，設(shè)置為低通濾波，濾波信號(hào)中的噪音和不需要的頻率成分。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)條件選擇濾波器截止頻率400Hz。為了減小或抑制頻率泄露，采用了漢寧窗對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。頻譜分析模塊選用快速傅里葉變換計(jì)算出時(shí)域信號(hào)的自功率；頻率單位轉(zhuǎn)換VI將自功率譜轉(zhuǎn)換為需要的格式；功率及頻率估值VI計(jì)算出自功率譜中的頻率峰值。積分模塊進(jìn)行加速度變化率的累加，求得當(dāng)前速度；在進(jìn)行速度變化率的累加，求得當(dāng)前位移。積分用“數(shù)學(xué)積分與微分”函數(shù)子選板中的Integral x(t)VI。第三章 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)虛擬振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括了加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及通用PC機(jī)。如圖31硬件結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)壓電傳感器數(shù)據(jù)采集卡電荷放大器被測(cè)對(duì)象LabVIEW如圖31 硬件結(jié)構(gòu)圖（1）加速度傳感器加速度傳感器主要測(cè)試振動(dòng)體的振動(dòng)加速度，機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中常用的壓電式加速度傳感器，它是以某些材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，壓電式加速度傳感器輸出的電荷量與物體振動(dòng)加速度成比例，用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)出電荷量，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)加速度的測(cè)量。它有體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，在振動(dòng)測(cè)試中應(yīng)用最為普遍。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的是并聯(lián)壓電材料的壓電傳感器，適于選用電荷放大器，其電路特點(diǎn)是放大器輸出電壓只與傳感器產(chǎn)生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關(guān)，與構(gòu)成電路的電纜形成的分布電容和信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，這一特性使電荷放大器的傳輸線路的分布電容不敏感，傳輸距離可達(dá)數(shù)百米。DH107壓電加速度傳感器實(shí)物見圖32圖32 DH107壓電加速度傳感器DH107傳感器性能指標(biāo)：參考靈敏度：s2橫向靈敏度比：5%頻率范圍：~6000Hz安裝諧振：30kHz量 程：1000 ms2沖擊極限：5000 ms2絕緣電阻：109Ω電 容：~2000pF工作溫度：20~120℃內(nèi)部結(jié)構(gòu)：平面剪切安裝方式：M5螺紋孔輸出方式：頂端L5（2）電荷放大器壓電式傳感器輸出的電荷信號(hào)比較微弱，不能直接被數(shù)據(jù)采集卡采集，需要用信號(hào)放大器把較弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化成較強(qiáng)的能被數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào)。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器，它的核心是一個(gè)具有電容負(fù)反饋、且輸入阻抗及高增益的運(yùn)算放大器。本系統(tǒng)采用DHF4型電荷放大器為例，電荷放大器上還具有低通濾波器和能按傳感器靈敏度調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的適調(diào)放大器。DHF4型電荷放大器與壓電傳感器相配合，用于測(cè)量機(jī)械振動(dòng)或沖擊壓力的測(cè)量。 本儀器在國(guó)防工業(yè)、運(yùn)輸交通、機(jī)械制造及建筑工業(yè)等需要對(duì)機(jī)械振動(dòng)、沖擊等量進(jìn)行測(cè)量的地方有廣泛的用途。電荷放大器實(shí)物見圖33圖33 DHF4型電荷放大器 技術(shù)指標(biāo)　1輸入量：本儀器的最大不削波輸入信號(hào)為106Pc(pC=1012庫(kù)侖，為電荷單位)　　2靈敏度：本儀器的輸出靈敏度與所配用的壓電傳感器的電荷靈敏度之間經(jīng)適調(diào)電位歸一之后與增益，開關(guān)之間的關(guān)系如電荷靈敏度SQ的范圍1～輸出電壓mv/,1,10,100,1000。3適調(diào)開關(guān)適調(diào)量：三位數(shù)。4準(zhǔn)確度：≤177。% 。5頻率范圍及濾波器。上限截止頻率：100KHz 。下限截止頻率： 。(177。1V,該檔滿輸出時(shí)頻率上限為10KHz) 。低通濾波器：分為100、1KHz(以下降3dB177。1dB為準(zhǔn))五檔通帶外下降斜率為12dB/倍頻程。6輸出能力輸出電流：0～177。50mA ，輸出電壓：0～177。10V 。7噪聲電平本儀器的輸出噪音電平在輸入電容為1000pf時(shí)小于1mV(有效值)。在儀器的最高增益檔輸出噪音電平小于10mV。8過(guò)載顯示本儀器內(nèi)各輸出電壓超過(guò)177。10V時(shí)，過(guò)載指示燈亮，當(dāng)過(guò)載信號(hào)消失后，指示燈自動(dòng)熄滅。9諧波失真輸出信號(hào)的諧波失真度小于1%。10外形尺寸及重量外形尺寸：60122180(mm)。重量： 。適用條件環(huán)境溫度：0℃～+10℃，相對(duì)濕度：〈80% ，大氣壓力：750177。30mmHg，電源：177。15V(約35mA) （3）數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)采集卡是PCI6251，它是美國(guó)NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡，此卡設(shè)計(jì)基于PCI總線，數(shù)據(jù)傳輸速率高，吞吐量大，是數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的主流，它是一塊性價(jià)比較好的產(chǎn)品，支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實(shí)時(shí)的信號(hào)不間斷采集與儲(chǔ)存。它支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸入范圍分別為5v～+5v和0～10v。提供16路單端/8路差動(dòng)模擬輸入通道，2路獨(dú)立的D/A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I/O，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能。實(shí)際測(cè)量是輸入信號(hào)通過(guò)BNC接頭從輸入端子進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)用美國(guó)NI公司提供的Measurement Automation軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通訊。其工作原理是借助軟件來(lái)控制整個(gè) DAQ 系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等。信號(hào)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)在軟件設(shè)定的采樣頻率的控制下，巡回采集并由可編程放大器放大，信號(hào)經(jīng)采樣保持和 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）單元后被量化成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)存儲(chǔ)單元進(jìn)入微機(jī)的顯示緩沖區(qū)，最后由圖形顯示設(shè)備接口 API 函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的像素在屏幕上顯示出波形。其中 DAQ 卡的存儲(chǔ)單元有存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)緩沖器，存儲(chǔ)器按先進(jìn)先出或循環(huán)刷新的原則暫存采集數(shù)據(jù)，I/O 及存儲(chǔ)控制邏輯用于 I/O 編碼、定時(shí)計(jì)數(shù)、通信及產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸方式控制信號(hào)等。通常一塊卡可以完成多種功能：模/數(shù)傳喚、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入/輸出以及計(jì)數(shù)器定時(shí)器操作等。數(shù)據(jù)采集卡工作原理如圖34所示。存儲(chǔ)器緩沖器多路開關(guān)可編程放大器ADC單元采樣保持I/O及存儲(chǔ)控制邏輯圖34 數(shù)據(jù)采集卡工作原理第四章 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在采集連續(xù)波形數(shù)據(jù)輸出過(guò)程中，為了精確測(cè)量它的波形，一般采用信號(hào)最高頻率成分5~10倍的采樣頻率進(jìn)行信號(hào)采集。使用過(guò)高的采樣率會(huì)消耗大量系統(tǒng)資源，并增加信號(hào)處理所用的時(shí)間。實(shí)際上只需要采集部分波形就可以完成相應(yīng)的分析。掃頻儀主要是采集部分連續(xù)輸出頻率并在一定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，便于觀察者讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)將輸出頻率發(fā)送到服務(wù)器振動(dòng)測(cè)試程序當(dāng)中。輸出的振動(dòng)頻率為被測(cè)物體的固有頻率。在試驗(yàn)過(guò)程中采用自動(dòng)掃頻時(shí)，程序運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以采用手動(dòng)掃頻方式，在試驗(yàn)過(guò)程中，區(qū)間邊界值可以根據(jù)被測(cè)物得固有頻率在面板的設(shè)置。掃描間隔是刷新一次輸出頻率的時(shí)間間隔，根據(jù)試驗(yàn)情況在面板上設(shè)置。所用到的鐵板在敲擊時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率在60Hz左右，可以手動(dòng)更改掃頻儀前面板頻率設(shè)置選項(xiàng)中的頻率值，直到波形清晰、完整為止。掃描儀前面板和程序面板如下圖41和圖42：圖41 掃頻儀前面板圖42 掃頻儀程序框圖程序執(zhí)行的主要步驟是：（1） 創(chuàng)建一個(gè)輸出模擬電壓的虛擬通道。（2） 根據(jù)設(shè)置的輸出信號(hào)類型、幅值、頻率以及緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)容量計(jì)算出輸出的波形信號(hào)，并且設(shè)置輸出刷新率。（3） 調(diào)用DAQmx Timing(Sample Clock)VI設(shè)置輸出時(shí)鐘速度。模式設(shè)置為連續(xù)輸出（Continuous samples）。（4） 將波形數(shù)據(jù)寫到輸出緩沖區(qū)。（5） 開始執(zhí)行模擬輸出任務(wù)。（6） 通過(guò)全局變量得到前面板上當(dāng)前頻率設(shè)置值。據(jù)此重新計(jì)算輸出刷新率。（7） 通過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)重新設(shè)置輸出刷新率。（8） 使用DAQmx Is Task Done VI 通過(guò)設(shè)置時(shí)間檢查一次任務(wù)執(zhí)行狀況。直到發(fā)生錯(cuò)誤或點(diǎn)擊“停止”按鈕。服務(wù)器的主要完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)頻譜分析、采集數(shù)據(jù)情況的記錄、數(shù)據(jù)顯示、和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送等功能。通過(guò)MAX中Data Neighborhood項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，可以設(shè)置數(shù)據(jù)輸入的測(cè)試任務(wù)通道，由于電荷放大器將電荷量放大以電壓的形式輸出，所以選擇模擬輸入任務(wù)中的電壓項(xiàng)，并選選擇相應(yīng)的模擬輸入“ai0”通道，這時(shí)雙擊數(shù)據(jù)采集助手，查看任務(wù)通道是否為“ai0”通道。數(shù)據(jù)采集助手的連續(xù)采集、采樣率和采樣數(shù)在程序前面板上設(shè)置。數(shù)字濾波的低通濾波器截止頻率是掃頻儀程序通過(guò)全局變量發(fā)送過(guò)來(lái)的輸出頻率，根據(jù)“奈奎斯特采樣定律”，在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化時(shí)，采樣頻率f2至少應(yīng)2倍于被分析的信號(hào)的最高頻率f1,即： f2≥2 f1；否則可能出現(xiàn)因采樣頻率不夠高，模擬信號(hào)中的高頻信號(hào)折疊到低頻段，出現(xiàn)虛假頻率成分的現(xiàn)象，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試中測(cè)量?jī)x器必須具有抗混濾波功能，如果不對(duì)振動(dòng)的模擬信號(hào)進(jìn)行低通抗混濾波，高階模態(tài)頻率很可能會(huì)混疊到低頻段，形成虛假的模態(tài)頻率，給模態(tài)參數(shù)識(shí)別帶來(lái)困難.。數(shù)據(jù)頻譜分析當(dāng)中，首先要進(jìn)行加窗處理，為了減小或抑制頻率泄露，由于實(shí)驗(yàn)中所用內(nèi)置電路壓電晶體加速度傳感器給出的靈敏度參數(shù)以g為單位。通過(guò)自功率譜VI用傅里葉變換得到自功率譜，再通過(guò)頻率單位轉(zhuǎn)換VI將自功率譜格式進(jìn)行變換，最后通過(guò)功率及頻譜估值VI計(jì)算出自功率譜中的頻率峰值。通過(guò)電子表格文件VI可以查看相應(yīng)采樣時(shí)間日期、采樣頻率、實(shí)驗(yàn)編號(hào)等內(nèi)容。服務(wù)器前面板可以顯示加速度時(shí)域信號(hào)波形、幅值頻譜和頻率峰值等信息。數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送主要用到Dstr VI對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，下面會(huì)詳細(xì)介紹，在此不加講解。按圖43構(gòu)建振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)服務(wù)器程序前面板，并參考圖中的顯示進(jìn)行采樣參數(shù)設(shè)置。程序主要執(zhí)行步驟：（1） 讀取當(dāng)前文本文件程序。（2） 數(shù)據(jù)采集助手通過(guò)0通道采集振動(dòng)信號(hào)。（3） 振動(dòng)信號(hào)通過(guò)低通數(shù)字濾波器。（4） 通過(guò)掃頻儀輸出的頻率的二倍為濾波的截止頻率。（5） 信號(hào)通過(guò)單位轉(zhuǎn)換變成加速度單位。（6） 通過(guò)DataSocket 網(wǎng)絡(luò)傳輸加速度信號(hào)。（7） 通過(guò)加窗減少和抑制頻率泄露。（8） 通過(guò)頻譜分析得到相應(yīng)的頻率峰值。（9） 通過(guò)前面板的按鍵完成對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和采集的控制。圖43 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)服務(wù)器前面板按圖44構(gòu)建振動(dòng)測(cè)試服務(wù)器程序框圖。圖44 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)服務(wù)器程序框圖 數(shù)據(jù)傳輸控制Dstr VI中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為振動(dòng)加速度波形數(shù)據(jù)和采樣率。數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂穌stp://localhost/wave是本地服務(wù)器的地址，data是本地服務(wù)器DataSocket Write VI寫入DataSocket Server的采樣率和處理后的加速度信號(hào)的數(shù)據(jù)，當(dāng)客戶端的DataSocket Read VI的數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂窞閐stp:/，它等同于數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂分械膌ocalhost，服務(wù)器進(jìn)行頻率分析和測(cè)試數(shù)據(jù)存取便于客戶監(jiān)測(cè)和分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程。按圖45構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸控制的程序圖圖45 Dstr VI的程序圖 客戶端程序設(shè)計(jì)客戶端主要完成數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)處理、頻譜分析、數(shù)據(jù)的顯示等功能。服務(wù)器用DataSocket Write VI通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)，首先通過(guò)客戶端前面板正確的填寫dstp:/，通過(guò)DataSocket Read VI從網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)，利用索引數(shù)組函數(shù)把加速度信號(hào)和采樣率分別索引出來(lái)。對(duì)加速度信號(hào)的變化率的累加進(jìn)行積分，得到當(dāng)前的速度；在通過(guò)對(duì)速度變化率的累加進(jìn)行積分，得到當(dāng)前的位移值，積分得到速度值以后，轉(zhuǎn)換為mm/s；積分得到位移振幅值以后，轉(zhuǎn)換為181。 m。在圖形顯示時(shí)為了便于觀察，通過(guò)創(chuàng)建數(shù)組和捆綁最后顯示在一個(gè)波形圖當(dāng)中。頻譜分析過(guò)程當(dāng)中，首先要進(jìn)行加窗處理，為了減小或抑制頻率泄露，通過(guò)自功率譜VI用傅里葉變換得到自功率譜，再通過(guò)頻率單位轉(zhuǎn)換VI將自功率譜格式進(jìn)行變換，最后通過(guò)功率及頻譜估值VI計(jì)算出自功率譜中的頻率峰值。加速度信號(hào)通過(guò)數(shù)組的轉(zhuǎn)化經(jīng)均值的求得加速度振幅平均值。按圖46構(gòu)建振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)客戶端程序前面板。兩個(gè)波形圖分別顯示振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)和頻譜。時(shí)域信號(hào)圖在圖例上設(shè)置不同的顏色分別顯示加速度、速度和位移。時(shí)標(biāo)控件改變顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔，以便于觀察波形。圖振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)客戶端程序前面板圖46構(gòu)建振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)客戶端程序前面板圖47 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)客戶端程序框圖按圖47構(gòu)建振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)客戶端程序框圖。程序中用DataSocket Read VI從網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行主要步驟：（1） 程序調(diào)用“讀取DataSocket”函數(shù)從一個(gè)URL制定服務(wù)器的位置讀取數(shù)據(jù)。（2） 將加速度信號(hào)的變化率進(jìn)行積分得到當(dāng)前的速度值，再進(jìn)行速度變化率的累加，得到當(dāng)前位移。（3） 在積分過(guò)程中，由于某些因素引起的隨時(shí)間變化的長(zhǎng)周期的系統(tǒng)誤差。在此用到消除趨勢(shì)項(xiàng)控件。（4） 傳輸?shù)募铀俣刃盘?hào)需要采用漢丁窗對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。（5） 通過(guò)自功率譜VI得到時(shí)域信號(hào)的自功率譜。（6） 頻譜單位轉(zhuǎn)換VI將自功率譜轉(zhuǎn)換為需要的格式。（7） 功率和頻譜估計(jì)值VI計(jì)算出自功率譜中的頻率峰值。（8） Stop按鈕又來(lái)保持當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)，便于記錄。趨勢(shì)項(xiàng)是測(cè)試系統(tǒng)中某些因素引起的隨時(shí)間變化的長(zhǎng)周期系統(tǒng)誤差。本系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)Detrend VI消除趨勢(shì)項(xiàng)。Detrend VI調(diào)用了以最小二乘法擬合直線的Linear Fit VI擬合趨勢(shì)項(xiàng)，然后在數(shù)據(jù)中減去趨勢(shì)項(xiàng)。這也是目前比較常用的方法。Detrend VI的程序圖，如圖48所示。圖48 消除趨勢(shì)項(xiàng)程序圖第五章遠(yuǎn)程振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)調(diào)試部分( 1 ) 由于實(shí)驗(yàn)條件的