【文章內(nèi)容簡介】 濾波器”函數(shù)子選板的Butterworth濾波器VI，設置為低通濾波，濾波信號中的噪音和不需要的頻率成分。根據(jù)本次實驗條件選擇濾波器截止頻率400Hz。為了減小或抑制頻率泄露，采用了漢寧窗對時域信號進行加權(quán)處理。頻譜分析模塊選用快速傅里葉變換計算出時域信號的自功率；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計算出自功率譜中的頻率峰值。積分模塊進行加速度變化率的累加，求得當前速度；在進行速度變化率的累加，求得當前位移。積分用“數(shù)學積分與微分”函數(shù)子選板中的Integral x(t)VI。第三章 振動測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)虛擬振動測試系統(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。如圖31硬件結(jié)構(gòu)圖計算機壓電傳感器數(shù)據(jù)采集卡電荷放大器被測對象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試振動體的振動加速度，機械振動測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加速度成比例，用適當?shù)臏y試系統(tǒng)檢測出電荷量，就實現(xiàn)了對振動加速度的測量。它有體積小，重量輕，靈敏度高和頻率范圍寬的優(yōu)點，在振動測試中應用最為普遍。本系統(tǒng)的設計采用的是并聯(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頻率無關(guān)，這一特性使電荷放大器的傳輸線路的分布電容不敏感，傳輸距離可達數(shù)百米。DH107壓電加速度傳感器實物見圖32圖32 DH107壓電加速度傳感器DH107傳感器性能指標：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比較微弱，不能直接被數(shù)據(jù)采集卡采集，需要用信號放大器把較弱的電荷信號轉(zhuǎn)化成較強的能被數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號。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，它的核心是一個具有電容負反饋、且輸入阻抗及高增益的運算放大器。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，用于測量機械振動或沖擊壓力的測量。 本儀器在國防工業(yè)、運輸交通、機械制造及建筑工業(yè)等需要對機械振動、沖擊等量進行測量的地方有廣泛的用途。電荷放大器實物見圖33圖33 DHF4型電荷放大器 技術(shù)指標　1輸入量：本儀器的最大不削波輸入信號為106Pc(pC=1012庫侖，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,該檔滿輸出時頻率上限為10KHz) 。低通濾波器：分為100、1KHz(以下降3dB177。1dB為準)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過載顯示本儀器內(nèi)各輸出電壓超過177。10V時，過載指示燈亮，當過載信號消失后，指示燈自動熄滅。9諧波失真輸出信號的諧波失真度小于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NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡，此卡設計基于PCI總線，數(shù)據(jù)傳輸速率高，吞吐量大，是數(shù)據(jù)采集卡設計的主流，它是一塊性價比較好的產(chǎn)品，支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實時的信號不間斷采集與儲存。它支持單極性和雙極性模擬信號輸入，信號輸入范圍分別為5v～+5v和0～10v。提供16路單端/8路差動模擬輸入通道，2路獨立的D/A輸出通道，24線的TTL型數(shù)字I/O，3個16位定時計數(shù)器等多種功能。實際測量是輸入信號通過BNC接頭從輸入端子進入數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，同時用美國NI公司提供的Measurement Automation軟件進行簡單的設置便可完成系統(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控制整個 DAQ 系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等。信號經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)在軟件設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，經(jīng)存儲單元進入微機的顯示緩沖區(qū)，最后由圖形顯示設備接口 API 函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應的像素在屏幕上顯示出波形。其中 DAQ 卡的存儲單元有存儲器和數(shù)據(jù)緩沖器，存儲器按先進先出或循環(huán)刷新的原則暫存采集數(shù)據(jù)，I/O 及存儲控制邏輯用于 I/O 編碼、定時計數(shù)、通信及產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸方式控制信號等。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/輸出以及計數(shù)器定時器操作等。數(shù)據(jù)采集卡工作原理如圖34所示。存儲器緩沖器多路開關(guān)可編程放大器ADC單元采樣保持I/O及存儲控制邏輯圖34 數(shù)據(jù)采集卡工作原理第四章 振動測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在采集連續(xù)波形數(shù)據(jù)輸出過程中，為了精確測量它的波形，一般采用信號最高頻率成分5~10倍的采樣頻率進行信號采集。使用過高的采樣率會消耗大量系統(tǒng)資源，并增加信號處理所用的時間。實際上只需要采集部分波形就可以完成相應的分析。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)進行循環(huán)，便于觀察者讀取數(shù)據(jù)，同時將輸出頻率發(fā)送到服務器振動測試程序當中。輸出的振動頻率為被測物體的固有頻率。在試驗過程中采用自動掃頻時，程序運行時間過長，所以采用手動掃頻方式，在試驗過程中，區(qū)間邊界值可以根據(jù)被測物得固有頻率在面板的設置。掃描間隔是刷新一次輸出頻率的時間間隔，根據(jù)試驗情況在面板上設置。所用到的鐵板在敲擊時產(chǎn)生的振動頻率在60Hz左右，可以手動更改掃頻儀前面板頻率設置選項中的頻率值，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)建一個輸出模擬電壓的虛擬通道。（2） 根據(jù)設置的輸出信號類型、幅值、頻率以及緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)容量計算出輸出的波形信號，并且設置輸出刷新率。（3） 調(diào)用DAQmx Timing(Sample Clock)VI設置輸出時鐘速度。模式設置為連續(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。（6） 通過全局變量得到前面板上當前頻率設置值。據(jù)此重新計算輸出刷新率。（7） 通過屬性節(jié)點重新設置輸出刷新率。（8） 使用DAQmx Is Task Done VI 通過設置時間檢查一次任務執(zhí)行狀況。直到發(fā)生錯誤或點擊“停止”按鈕。服務器的主要完成數(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)遠程發(fā)送等功能。通過MAX中Data Neighborhood項進行設置，可以設置數(shù)據(jù)輸入的測試任務通道，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中的電壓項，并選選擇相應的模擬輸入“ai0”通道，這時雙擊數(shù)據(jù)采集助手，查看任務通道是否為“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)在程序前面板上設置。數(shù)字濾波的低通濾波器截止頻率是掃頻儀程序通過全局變量發(fā)送過來的輸出頻率，根據(jù)“奈奎斯特采樣定律”，在對模擬信號進行離散化時，采樣頻率f2至少應2倍于被分析的信號的最高頻率f1,即： f2≥2 f1；否則可能出現(xiàn)因采樣頻率不夠高，模擬信號中的高頻信號折疊到低頻段，出現(xiàn)虛假頻率成分的現(xiàn)象，在進行動態(tài)信號測試中測量儀器必須具有抗混濾波功能，如果不對振動的模擬信號進行低通抗混濾波，高階模態(tài)頻率很可能會混疊到低頻段，形成虛假的模態(tài)頻率，給模態(tài)參數(shù)識別帶來困難.。數(shù)據(jù)頻譜分析當中，首先要進行加窗處理，為了減小或抑制頻率泄露，由于實驗中所用內(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。通過自功率譜VI用傅里葉變換得到自功率譜，再通過頻率單位轉(zhuǎn)換VI將自功率譜格式進行變換，最后通過功率及頻譜估值VI計算出自功率譜中的頻率峰值。通過電子表格文件VI可以查看相應采樣時間日期、采樣頻率、實驗編號等內(nèi)容。服務器前面板可以顯示加速度時域信號波形、幅值頻譜和頻率峰值等信息。數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送主要用到Dstr VI對數(shù)據(jù)傳輸進行控制，下面會詳細介紹，在此不加講解。按圖43構(gòu)建振動測試實驗服務器程序前面板，并參考圖中的顯示進行采樣參數(shù)設置。程序主要執(zhí)行步驟：（1） 讀取當前文本文件程序。（2） 數(shù)據(jù)采集助手通過0通道采集振動信號。（3） 振動信號通過低通數(shù)字濾波器。（4） 通過掃頻儀輸出的頻率的二倍為濾波的截止頻率。（5） 信號通過單位轉(zhuǎn)換變成加速度單位。（6） 通過DataSocket 網(wǎng)絡傳輸加速度信號。（7） 通過加窗減少和抑制頻率泄露。（8） 通過頻譜分析得到相應的頻率峰值。（9） 通過前面板的按鍵完成對數(shù)據(jù)傳輸和采集的控制。圖43 振動測試實驗服務器前面板按圖44構(gòu)建振動測試服務器程序框圖。圖44 振動測試實驗服務器程序框圖 數(shù)據(jù)傳輸控制Dstr VI中對數(shù)據(jù)傳輸進行控制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為振動加速度波形數(shù)據(jù)和采樣率。數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂穌stp://localhost/wave是本地服務器的地址，data是本地服務器DataSocket Write VI寫入DataSocket Server的采樣率和處理后的加速度信號的數(shù)據(jù)，當客戶端的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，服務器進行頻率分析和測試數(shù)據(jù)存取便于客戶監(jiān)測和分析實驗過程。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 客戶端程序設計客戶端主要完成數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)的數(shù)學處理、頻譜分析、數(shù)據(jù)的顯示等功能。服務器用DataSocket Write VI通過網(wǎng)絡發(fā)布數(shù)據(jù)，首先通過客戶端前面板正確的填寫dstp:/，通過DataSocket Read VI從網(wǎng)絡上接收數(shù)據(jù)，利用索引數(shù)組函數(shù)把加速度信號和采樣率分別索引出來。對加速度信號的變化率的累加進行積分，得到當前的速度；在通過對速度變化率的累加進行積分，得到當前的位移值，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。在圖形顯示時為了便于觀察，通過創(chuàng)建數(shù)組和捆綁最后顯示在一個波形圖當中。頻譜分析過程當中，首先要進行加窗處理，為了減小或抑制頻率泄露，通過自功率譜VI用傅里葉變換得到自功率譜，再通過頻率單位轉(zhuǎn)換VI將自功率譜格式進行變換，最后通過功率及頻譜估值VI計算出自功率譜中的頻率峰值。加速度信號通過數(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)建振動測試實驗客戶端程序前面板。兩個波形圖分別顯示振動的時域信號和頻譜。時域信號圖在圖例上設置不同的顏色分別顯示加速度、速度和位移。時標控件改變顯示的數(shù)據(jù)點間隔，以便于觀察波形。圖振動測試實驗客戶端程序前面板圖46構(gòu)建振動測試實驗客戶端程序前面板圖47 振動測試實驗客戶端程序框圖按圖47構(gòu)建振動測試實驗客戶端程序框圖。程序中用DataSocket Read VI從網(wǎng)絡上接收數(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URL制定服務器的位置讀取數(shù)據(jù)。（2） 將加速度信號的變化率進行積分得到當前的速度值，再進行速度變化率的累加，得到當前位移。（3） 在積分過程中，由于某些因素引起的隨時間變化的長周期的系統(tǒng)誤差。在此用到消除趨勢項控件。（4） 傳輸?shù)募铀俣刃盘栃枰捎脻h丁窗對時域信號進行加權(quán)處理。（5） 通過自功率譜VI得到時域信號的自功率譜。（6） 頻譜單位轉(zhuǎn)換VI將自功率譜轉(zhuǎn)換為需要的格式。（7） 功率和頻譜估計值VI計算出自功率譜中的頻率峰值。（8） Stop按鈕又來保持當前采樣數(shù)據(jù)，便于記錄。趨勢項是測試系統(tǒng)中某些因素引起的隨時間變化的長周期系統(tǒng)誤差。本系統(tǒng)構(gòu)造一個Detrend VI消除趨勢項。Detrend VI調(diào)用了以最小二乘法擬合直線的Linear Fit VI擬合趨勢項，然后在數(shù)據(jù)中減去趨勢項。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 消除趨勢項程序圖第五章遠程振動測試實驗調(diào)試部分( 1 ) 由于實驗條件的