【正文】 振動。沖擊與瞬時振動是最常見的非周期振動，它的時間函數(shù)是一個衰減函數(shù)。隨機振動是一種非確定性振動，其運動周期是不規(guī)則的，事先無法確定振幅、頻率或相位的瞬時值，但有一定的統(tǒng)計規(guī)律性，是簡易儀器無法精確測試的一種振動。 振動的表征和測試振動信號的表征量有三個，幅值、頻率和相位。幅值的大小體現(xiàn)了振動的強度和能量；不同的振動源都有各自的相位，相同的相位可能引起合拍共振，相位相反，則可能引起振動抵消，起到減振作用，因此，相位是振動特征的重要信息，相位測量一般用于：諧波分析、動平衡測量、振動類型測量和判斷共振點等。頻率是物體每一秒振動的次數(shù)，不同的結(jié)構(gòu)、不同的零部件、不同的故障產(chǎn)生不同頻率的振動。振幅通常用峰值、平均值、有效值和波峰因數(shù)來體現(xiàn)。振動最常用的分析方法就是頻譜分析。頻譜分析一般有兩種方法：一是濾波法，二是FFT分析法。濾波法就是讓信號通過不同帶寬的濾波網(wǎng)絡(luò)或可調(diào)帶通濾波器，分別測量顯示各個頻段的振平值。FFT分析法是利用FFT信號分析儀，對振動信號進行快速傅里葉變換，就能在屏幕上直接顯示出頻譜圖，利用移動光標(biāo)可直接讀出各個頻率點的振幅參數(shù)。由于一臺機器中各個零部件具有確定的振動頻率，因此作出頻譜圖與其正常頻譜圖進行比較，就能較方便地尋找振源，診斷出故障部位和嚴(yán)重程度。當(dāng)頻譜圖上出現(xiàn)了新的譜線時，就要考慮到是機器發(fā)生了新的故障了。部分頻譜分析判斷故障的方法如下表所示：測試中的頻譜分析是指把時間域的各種動態(tài)信號通過傅里葉變換到頻域進行分析，內(nèi)容包括：（1）頻譜分析：包括幅值和相位譜、實部頻譜和虛部頻譜；（2）功率頻譜分析：包括自譜和互譜；（3）頻率響應(yīng)函數(shù)分析：系統(tǒng)輸入信號與輸出信號頻譜之比；（4）相干函數(shù)分析：系統(tǒng)輸入信號與輸出信號之間頻譜的相關(guān)程度。上述的這些頻譜分析技術(shù)在計算機中的實現(xiàn)基礎(chǔ)就是離散傅里葉變換，其，就需要對輸入計算機里的信號進行FFT變換，在LabVIEW中有這樣的虛擬儀器可以直接調(diào)用，可以設(shè)置FFT變換的相關(guān)參數(shù)。31 / 435 虛擬儀器和 LabVIEW工具的發(fā)展簡介 虛擬儀器系統(tǒng)及其軟件結(jié)構(gòu)一套虛擬儀器系統(tǒng)就是一臺工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機或工作站配上功能強大的應(yīng)用軟件、低成本的硬件（例如插入式板卡）及驅(qū)動軟件，他們在一起共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測量系統(tǒng)到以軟件為中心的測量系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。雖然PC機和集成電路技術(shù)在過去的20年里有顯著的發(fā)展和提高，但是，軟件才是在功能強大的硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建虛擬儀器系統(tǒng)的真正關(guān)鍵所在。新的以軟件為中心的虛擬儀器系統(tǒng)為用戶提供了創(chuàng)新技術(shù)并大幅降低了生產(chǎn)成本。有了虛擬儀器，工程師和科學(xué)家就可以完全根據(jù)自己的需求組建測量和自動化系統(tǒng)，而不用再受功能固定（完全由廠家提供）的傳統(tǒng)儀器的限制。獨立的傳統(tǒng)儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，性能強大，但是價格昂貴，且被廠家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此，用戶通常都不能夠?qū)ζ浼右詳U展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開關(guān)、內(nèi)置電路及用戶所能使用的功能對這臺儀器來說都是固定的。另外，開發(fā)這些儀器還必須要用專門的技術(shù)和高成本的元部件，從而使它們身價頗高且很不容易更新。此外，傳統(tǒng)儀器往往不便隨身攜帶，而虛擬儀器可以在筆記本電腦上運行，充分體現(xiàn)了其便攜特性。 使用虛擬儀器解決方案，可以大幅降低資金投入、系統(tǒng)開發(fā)成本和系統(tǒng)維護成本，同時還為用戶加快產(chǎn)品上市時間并提高產(chǎn)品質(zhì)量。用儀器設(shè)備低廉很多。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展進步、現(xiàn)成即用的元件價格更低廉、功能更強大，由其制成的插入式板卡當(dāng)然也了包含了這些優(yōu)勢。這些技術(shù)上的優(yōu)勢使得虛擬儀器系統(tǒng)有更高的數(shù)據(jù)采集速率、測量準(zhǔn)確度、精度以及更好的信號隔離功能。虛擬儀器的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)分為 3 層：界面設(shè)計，數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)處理。Lab VIEW 是一種高效化的圖形設(shè)計環(huán)境，他結(jié)合簡單易用的圖形形式開發(fā)環(huán)境與靈活強大的 編程語言，提供了一個直覺式的環(huán)境，并與測量緊密結(jié)合，能讓用戶迅速設(shè)計出有關(guān)數(shù)據(jù)采集、分析及顯示的方案。此編程的另一優(yōu)點是將軟件的界面設(shè)計與功能設(shè)計獨立開來，修改人機交互界面無需對整個程序進行調(diào)試，這對設(shè)計像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機界面而言是十分方便的。Lab VIEW 還為用戶提供了函數(shù)擴展功能，利用 Lab VIEW 中的 CIN 可調(diào)用一些傳統(tǒng)的編程語言寫的程序代碼，利用 Lab VIEW 中的 Call Library Function，可調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)鏈接庫。因此本系統(tǒng)采用 Lab VIEW 開發(fā)環(huán)境，低層的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理程序采用高級語言 C 編寫,數(shù)據(jù)采集模塊部分用 C51 編寫。軟件功能 ：本系統(tǒng)所設(shè)計的軟件包括虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器兩部分，虛擬信號發(fā)生器可由軟件控制完成信號的產(chǎn)生及相關(guān)參數(shù)（幅值、頻率和波形等）的調(diào)節(jié)。下面主要介紹虛擬示波器，他主要由軟件控制完成信號的采集、處理和顯示，具體包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、波形分析、頻譜分析及波形存儲和回放等五大模塊。數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集部分在真?zhèn)€程序中占很重要的地位。數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)設(shè)置正確與否直接影響到后面的數(shù)據(jù)分析、處理和顯示。這部分的參數(shù)設(shè)置主要包括設(shè)備與同道的選擇、時基控制、觸發(fā)控制、掃描速率設(shè)置等。其中，觸發(fā)控制包括內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)模式。 通道選擇主要控制單通道測量或多通道測量；時基控制主要控制采集模塊的采集速率和每一通道采集的次數(shù)（取樣數(shù)）。波形顯示模塊 軟件提供了三波形顯示模式；通過選擇按鍵“CH1”和“CH2”，可以任意顯示某一通道或兩輸入信號的波形，并作到了實時、同步33 / 43顯示。波形顯示類型可選擇頻譜曲線顯示或時域信號顯示，還可以根據(jù)需要進行線性或?qū)?shù)顯示。此外，波形顯示時還有相應(yīng)的標(biāo)尺，可以用他方便的讀出任意點的參數(shù)值。波形分析模塊 波形分析模塊具有波形參數(shù)測量分析功能，完成包括電壓參數(shù)和頻率周期等幾個時間參數(shù)的測量，并顯示測量結(jié)果。頻譜分析模塊 頻譜分析模塊采用快速傅立葉變換（FFT 算法），完成數(shù)據(jù)信號的頻譜分析，頻譜分析模塊可進行濾波窗口的選擇，或選擇不進行窗口濾波操作。頻譜分析功能包括幅度譜分析、功率譜分析和相交譜分析。數(shù)據(jù)存儲和回放模塊 按“RUN”和“SAVE”控制是否進行數(shù)據(jù)存儲；主界面提供了文件名輸入框，供寫盤和讀盤時用。從軟盤或硬盤上讀取的數(shù)據(jù)同實時采樣的數(shù)據(jù)一樣，能夠進行自動波形顯示以及波形分析。 虛擬儀器的現(xiàn)狀 近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開發(fā)平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng)，并編制測試軟件。最早和最具影響的開發(fā)軟件，是 NI 公司的 Lab VIEW 軟件和 LabWindwos/CVI 開發(fā)軟件。Lab VIEW 采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。LabWindows／CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在 Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開發(fā)環(huán)境。除了上述的優(yōu)秀開發(fā)軟件之外，美國 HP 公司的HP－VEE 和 HPTIG 平臺件，美國 Tektronis 公司的 Ez－Test 和 Tek－TNS 軟件，以及美國 HEM Data 公司的 Snap－Marter 平臺軟件，也是國際上公認的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。 虛擬儀器的突出成就不僅是可以利用 PC 機組建成為靈活的虛擬儀器，更重要的是它可以通過各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自測試系統(tǒng)。它可以藉不同的接口總線的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動調(diào)試系統(tǒng)。 當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的 RS232 串行總線、GP－IB通用接口總線、VXI 總線，以及已經(jīng)被 PC 機廣泛采用的 USB 通用串行總線和IEEE 1394 總線（即 Firewire，也叫做火線）。世界各國的公司，特別是美國NI 公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件），可以靈活地組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動測試系統(tǒng)。RS232 總線是 PC 機早期采用的通用串行總線，至今仍然適用于要求較低的虛擬儀器或測試系統(tǒng)。GP－IB 儀器總線已經(jīng)風(fēng)行多年，由于它只是 8 位并行儀器總線，傳輸速率和傳輸距離有限，已經(jīng)跟不上當(dāng)今大規(guī)模自動測試系統(tǒng)的需求。但是，采用 GP－IB 總線的儀器或插件，仍然大量存在，一直在應(yīng)用，因此 GP－IB 總線仍然是組建中等水平自動測試系統(tǒng)所歡迎的總線。VXI 總線是在VME 總線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的儀器總線，成為當(dāng)今國際上測量儀器總線的主體。它可以滿足當(dāng)代科學(xué)技術(shù)展的測試要求，成為世界各國開發(fā)虛擬儀器最重視的開發(fā)對象。在這一方面，不僅常有新的軟件出現(xiàn)，也常有高水平的系統(tǒng)開發(fā)成果的報道。從事虛擬儀器開發(fā)的廠家和公司，也很注意 USB 通用串行總線和 IEEE 1394 串行總線虛擬儀器的開發(fā)，一是因為虛擬儀器系統(tǒng)主控常采用 PC 機，而當(dāng)今 PC 機已經(jīng)更多地采用 USB 總線和 IEEE 1394 總線，二是因為 USB 總線已經(jīng)得到廣泛的支持。一微軟 Windows 98 全面支持 USB 總線， Windows CE 和Windows 也支持 USBWindows 95 的修訂版也支持 USB，Sun 公和 Digital公司也已經(jīng)支持 USB。但是，USB 總線只限于用在較簡單的測試系統(tǒng)中，當(dāng)今用虛擬儀器組建自動測試系統(tǒng)有前途的是采用 IEEE1394 串行總線，這是因為這一種高速串行總線，能夠以 100、200 或 400Mb／s 的速率傳送數(shù)據(jù)，顯然會成為虛擬儀器發(fā)展最有前途的總線。目前國際上虛擬儀器所用 IEEE 1394 總線的傳站速度的最高記錄，已經(jīng)達到 100Mb／s。 虛擬儀器開發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種通用計算機總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統(tǒng)。美國 NI公司在 1997 年 9 月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺 PXI，這是與 Copact PCI完全兼容的系統(tǒng)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺 PXI／Compace，PCI 的傳輸速度已經(jīng)達到 100Mb／s，是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。 虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達模式及其變換方面也做了許多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和開發(fā)工具庫（例如測量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)字濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和閾值檢隊波形發(fā)生、噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運算、時域和頻域分析等），使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動測試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器的展望虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和測量需求?！皼]有測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進 ”。虛擬儀器將會在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 LabVIEW 工具 35 / 43LabVIEW 是虛擬儀器必不可缺的一部分，因為它為用戶提供了一個簡單易用的程序開發(fā)環(huán)境，特別考慮了工程師和科學(xué)家們的需要而專門設(shè)計。LabVIEW 提供的強大特性讓用戶可以非常方便地連接各種各樣的硬件產(chǎn)品和其它軟件產(chǎn)品。LabVIEW的特性就是圖形化的編程環(huán)境。你可以使用LabVIEW 在電腦屏幕上創(chuàng)建一個圖形化的用戶界面，即可設(shè)計出完全符合自己要求的虛擬儀器。通過這個圖形界面，你可以：1) 操作儀器程序2) 控制硬件3) 分析采集到的數(shù)據(jù)4) 顯示結(jié)果可以使用旋鈕、開關(guān)、轉(zhuǎn)盤、圖表等自定義你的前面板，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的控制面板、創(chuàng)建自制測試面板或圖形化表示控制和操作過程。只需將各個圖標(biāo)連在一起創(chuàng)建各種流程圖表，即可完成虛擬儀器程序的開發(fā)。 LabVIEW 帶有現(xiàn)成即用的函數(shù)庫，用戶可以用它集成各種獨立臺式儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、運動控制和機器視覺產(chǎn)品、GPIB/IEEE 488 和串口/RS232 設(shè)備、PLCs 等，從而開發(fā)出一套完整的測量和自動化解決方案。LabVIEW 還包含了主要的儀器標(biāo)準(zhǔn)如VISA——GPIB、串口和VXI儀器可共用標(biāo)準(zhǔn)；PXI 和基于PXI 系統(tǒng)聯(lián)盟CompactPCI 標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件；IVI 可互換虛擬儀器驅(qū)動程序；VXI Plugamp。Play；VXI儀器標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序。此外，與開放式商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)展能降低整個系統(tǒng)成本。 LabVIEW 是獨立于平臺的，在一種環(huán)境下編寫的虛擬儀器程序（簡稱VI），能夠透明地轉(zhuǎn)移到其他LabVIEW 平臺上。你所需做的，只是在新環(huán)境下打開這個VI即可。 在虛擬儀器系統(tǒng)中，將信號采集到電腦還需要利用軟件完成復(fù)雜的分析和信號處理工作。在機械狀態(tài)監(jiān)視和控制系統(tǒng)的高速測量應(yīng)用中，經(jīng)常需要對振動信號進行精確的階次分析。閉環(huán)嵌入式系統(tǒng)一般要利用控制算法進行逐點運算以便保證穩(wěn)定性。除了在LabVIEW 中已安裝的高級分析功能庫外，NI 公司還為不同要求的測量提供了相應(yīng)附加工具包，如：LabVIEW 信號處理工具套件，LabVIEW 聲音與振動工具包，和LabVIEW階次分析工具包等。 在虛擬儀器用戶界面里，LabVIEW 提供了大量內(nèi)置的可視化工具用于顯示數(shù)據(jù)：從圖表到圖形、從2D 到3D 顯示，應(yīng)有盡有。同時，你還可以隨時修改界面特征，如顏色、字體尺寸、圖表類型，還有動態(tài)旋轉(zhuǎn)、縮放等。除了圖形化編程和方便的定義界面屬性外，你只需利用拖放工具，就可將物體拖放到儀器的前面板上。 虛擬儀器有不斷發(fā)展的強大計算機技術(shù)最為堅強后盾，它為你提供自己定義并創(chuàng)