【文章內容簡介】 濾波器”函數子選板的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；頻率單位轉換VI將自功率譜轉換為需要的格式；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“數學積分與微分”函數子選板中的Integral x(t)VI。第三章 振動測試系統(tǒng)的硬件結構虛擬振動測試系統(tǒng)的硬件主要包括了加速度傳感器、電荷放大器、數據采集卡以及通用PC機。如圖31硬件結構圖計算機壓電傳感器數據采集卡電荷放大器被測對象LabVIEW如圖31 硬件結構圖（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生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器，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，用適當的測試系統(tǒng)檢測出電荷量，就實現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生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關，與構成電路的電纜形成的分布電容和信號頻率無關，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℃內部結構：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，不能直接被數據采集卡采集，需要用信號放大器把較弱的電荷信號轉化成較強的能被數據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節(jié)放大倍數的適調放大器。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適調電位歸一之后與增益，開關之間的關系如電荷靈敏度SQ的范圍1～輸出電壓mv/,1,10,100,1000。3適調開關適調量：三位數。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）數據采集卡系統(tǒng)中采用的數據采集卡是PCI6251，它是美國NI公司生產的多功能接口卡，此卡設計基于PCI總線，數據傳輸速率高，吞吐量大，是數據采集卡設計的主流，它是一塊性價比較好的產品，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型數字I/O，3個16位定時計數器等多種功能。實際測量是輸入信號通過BNC接頭從輸入端子進入數據采集卡進行數據采集，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)軟件與數據采集卡之間的通訊。其工作原理是借助軟件來控制整個 DAQ 系統(tǒng)，包括采集原始數據、分析數據等。信號經多路轉換開關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，信號經采樣保持和 ADC（模數轉換）單元后被量化成數字信號，經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 函數將數據轉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據緩沖器，存儲器按先進先出或循環(huán)刷新的原則暫存采集數據，I/O 及存儲控制邏輯用于 I/O 編碼、定時計數、通信及產生數據傳輸方式控制信號等。通常一塊卡可以完成多種功能：模/數傳喚、數/模轉換、數字量輸入/輸出以及計數器定時器操作等。數據采集卡工作原理如圖34所示。存儲器緩沖器多路開關可編程放大器ADC單元采樣保持I/O及存儲控制邏輯圖34 數據采集卡工作原理第四章 振動測試系統(tǒng)軟件結構在采集連續(xù)波形數據輸出過程中，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進行循環(huán)，便于觀察者讀取數據，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，根據試驗情況在面板上設置。所用到的鐵板在敲擊時產生的振動頻率在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） 根據設置的輸出信號類型、幅值、頻率以及緩沖區(qū)內的數據容量計算出輸出的波形信號，并且設置輸出刷新率。（3） 調用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） 將波形數據寫到輸出緩沖區(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據的采集、數字濾波、數據頻譜分析、采集數據情況的記錄、數據顯示、和數據遠程發(fā)送等功能。通過MAX中Data Neighborhood項進行設置，可以設置數據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，這時雙擊數據采集助手，查看任務通道是否為“ai0”通道。數據采集助手的連續(xù)采集、采樣率和采樣數在程序前面板上設置。數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“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，出現虛假頻率成分的現象，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)參數識別帶來困難.。數據頻譜分析當中，首先要進行加窗處理，為了減小或抑制頻率泄露，由于實驗中所用內置電路壓電晶體加速度傳感器給出的靈敏度參數以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。數據的遠程發(fā)送主要用到Dstr VI對數據傳輸進行控制，下面會詳細介紹，在此不加講解。按圖43構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設置。程序主要執(zhí)行步驟：（1） 讀取當前文本文件程序。（2） 數據采集助手通過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） 信號通過單位轉換變成加速度單位。（6） 通過DataSocket 網絡傳輸加速度信號。（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據傳輸和采集的控制。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 數據傳輸控制Dstr VI中對數據傳輸進行控制，傳輸的數據為振動加速度波形數據和采樣率。數據傳輸地址dstp://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據，當客戶端的DataSocket Read VI的數據傳輸地址為dstp:/，它等同于數據傳輸地址中的localhost，服務器進行頻率分析和測試數據存取便于客戶監(jiān)測和分析實驗過程。按圖45構建數據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據的接收、數據的數學處理、頻譜分析、數據的顯示等功能。服務器用DataSocket Write VI通過網絡發(fā)布數據，首先通過客戶端前面板正確的填寫dstp:/，通過DataSocket Read VI從網絡上接收數據，利用索引數組函數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，轉換為mm/s；積分得到位移振幅值以后，轉換為181。 m。在圖形顯示時為了便于觀察，通過創(chuàng)建數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。加速度信號通過數組的轉化經均值的求得加速度振幅平均值。按圖46構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據點間隔，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構建振動測試實驗客戶端程序框圖。程序中用DataSocket Read VI從網絡上接收數據。程序執(zhí)行主要步驟：（1） 程序調用“讀取DataSocket”函數從一個URL制定服務器的位置讀取數據。（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） 傳輸的加速度信號需要采用漢丁窗對時域信號進行加權處理。（5） 通過自功率譜VI得到時域信號的自功率譜。（6） 頻譜單位轉換VI將自功率譜轉換為需要的格式。（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據，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)構造一個Detrend VI消除趨勢項。Detrend VI調用了以最小二乘法擬合直線的Linear Fit VI擬合趨勢項，然后在數據中減去趨勢項。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試部分( 1 ) 由于實驗條件的