【正文】 張凱，郭棟等．LabVIEW虛擬儀器工程設計與開發(fā)．北京：國防工業(yè)出。我相信，隨著科學研究的不斷深入，虛擬儀器將會在機械工程測試領域中發(fā)揮越來越重要的作用。通過LabVIEW的共享變量，使用戶可以在不同的VI之間、本地不同VI之間或同一個程序框圖中的不同循環(huán)之間交換數(shù)據(jù)。增加通信功能、網(wǎng)絡功能。本文只是做了測試這一部分，沒有涉及控制功能。本人認為，以下問題有待進一步研究和深入發(fā)展。并且進行了實驗驗證，在實際應用中具有可行性。應用方面。方法選擇方面。為達到細化、平滑波形的目的，采用了最小二乘法編程對波形進行平滑處理。技術方面。軟件方面。本文主要從硬件選擇和軟件設計兩方面進行實驗臺開發(fā)，本論文完成了以下工作：硬件方面。從而驗證了此開發(fā)平臺的有效性．也為進一步對機器及其零部件的運行情況、在線監(jiān)測、故障診斷提供了一個直觀便捷的分析平臺。從位移的原波形中可以看到位移信號為一個周期信號，這也可以從自相關圖中判斷出，因為其自相關函數(shù)波形不衰減，為同頻率的周期信號。從圖中可以看到通過對信號進行小波變換，把信號空間尺度(頻率)的不同，分為低頻近似部分和高頻細節(jié)部分，從而實現(xiàn)各成分在在時間軸上的位置保持不變以及進行數(shù)據(jù)壓縮等?？梢栽陬l域把信號所含的信息更好的提取出來。從上面自相關圖中可以看到其自相關函數(shù)不收斂，從而可以判斷出原信號有周期信號。在宴際應用中，可以按照不同的測試要求對信號濾波，只讓特定頻段的信號通過，抑制無用的信號分量輸出；根據(jù)實際需要選擇截止頻率以分析所需的頻率范圍；濾波類型及濾波器類型同樣可供選擇。從流量原波形圖中可以看出，當液壓系統(tǒng)齒輪泵2單獨工作且無故障運行正常時，其流量接近一個穩(wěn)定值。從頻域分析的自功率譜圖中可以看出，壓力信號的譜峰值出現(xiàn)在哪個頻率值上i能量主要集中在哪個頻段范圍內(nèi)，從而可以用在判斷機器以及零部件的運行情況，為狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供一種有效的方法。從時域分析的自相關圖中可以看到，當t=0時，自相關函數(shù)具有最大值1，因為此時諧波脈沖與它的時移信號相一致，隨著時移過程的繼續(xù)進行，由于信號間重疊部分的逐漸減少，相關函數(shù)的J下負峰值逐漸趨向于零。測量系統(tǒng)主油路壓力，可以得到如下的測量結果：從壓力原波形圖中可以看出，當液壓系統(tǒng)齒輪泵2單獨工作運行『F常時，其壓力值波動范圍報小。采集時選擇采樣頻率為2560HZ，采樣點數(shù)1024。用電渦流位移傳感器I(CWYDO一504)采集位移信號，經(jīng)過信號采集A／D轉換箱。測量位移時，用到的實驗器材包括電渦流位移傳感器(CWYDO．504)，信號采集A／D轉換箱，液壓動力系統(tǒng)多源診斷信息獲取實驗臺，NI的PXI虛擬儀器測試系統(tǒng)。測量壓力時，用到的實驗器材包括：YE3817應變放大器，BPR．39電阻應變式壓力傳感器，電橋盒YE29003，液壓動力系統(tǒng)多源診斷信息獲取實驗臺，NI的PXI虛擬儀器測試系統(tǒng)。①電阻應變式壓力傳感器(BPR．39)；②渦輪流量傳感器(LWZY010732651 103)；③霍爾電壓傳感：h器：(HNV025A)：④霍爾電流傳感器(HNC．50LA)：⑤電渦流位移傳感器I(CWYDO．504)；⑥電渦流位移傳感器2(CWYDO一504)：⑦溫度傳感器(PTl 00)；⑧壓電式壓力傳感器I(CYYD．205，靈敏度：13．76pC／105Pa，靜標)：⑨壓電式壓力傳感器2(CVYD．205，靈敏度：13．08pC／105Pa，靜標)；⑩壓電式加速度傳感器(CYYD一113，靈敏度：1．01pC／m做出隨時間變化的波形曲線，通過波形顯示和分析結果，從而驗證本開發(fā)平臺數(shù)據(jù)顯示程序的正確性和有效性。本文設計的實驗臺是針對機械測試系統(tǒng)而開發(fā)的，具有通用性，可以滿足很多機械量測試試驗的需求，所以本文選擇具有典型性的位移、壓力、流量信號進行采集和分析處理。旨在研究液壓動力系統(tǒng)不同形式動力元件(齒輪泵和柱塞泵)單獨或同時工作時，液壓設備中機電液參數(shù)在污鬻且充氣嚴重的油液中傳播時的偶合特性、干擾源；研究液壓動力系統(tǒng)多源故障信息特征的提取、表達和融合問題：研究液壓動力系統(tǒng)節(jié)約能源、降低污染、故障處理的控制策略。如圖5所示設有電源開關、啟動、停車操作按鈕、三相電流電壓表、變頻器操作面板等，電氣控制系統(tǒng)經(jīng)多次運行安全可靠。動力油泵按照系統(tǒng)泵油壓力和流量的要求，分別采用齒輪泵和柱塞泵供油，排量為5ml／r、10ml／r，其驅動電動功率為2 2KW、4 0KW；油馬達根據(jù)系統(tǒng)原理圖的要求安裝在兩液壓回路的總油路上，采用比例電磁溢流閥給馬達工作時模擬加載，蓄能器起到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力和降低壓力脈動的作用。有標準桌面PC的遠程控制，包含MicrosoR操作系統(tǒng)(如Windows2000／XP)或實時操作系統(tǒng)(如LabVIEW RT)的高性能嵌入式控制。對于需在一個機箱內(nèi)結合高精度測量和信號調(diào)理功能的測試系統(tǒng)，PXI一1050非常適用。機箱為系統(tǒng)提供了堅固的模塊化封裝結構，具有DC電源和集成式信號調(diào)理。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，PXI可以幫助用戶縮減整個系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的性能并更加快速地開發(fā)系統(tǒng)。5．1 1 PXl虛擬儀器實驗臺PXI虛擬儀器是一個用于測試和自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定平臺。第五章 測試系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗基于前面已經(jīng)完成了硬件的選擇、組建和安裝以及軟件的設計，為了驗證開發(fā)的測試試驗軟件的可行性和可靠性，利用實驗室現(xiàn)有的儀器和設備，即虛擬儀器試驗平臺和國家自然科學基金資助的液壓動力系統(tǒng)多源診斷信息獲取實驗臺，對所設計的機械工程測試系統(tǒng)進行調(diào)試，對其功能進行測試試驗。4．6 2溫度測試系統(tǒng)的主控前面板前面板如下圖所示：前面板的左邊為參數(shù)設置部分，包括溫度上下限設置和濾波設置，右邊為波形顯示部分，包括原始溫度波形顯示和調(diào)整后波形顯示以及圖形的局部細化、放大，還有指標值的數(shù)值顯示。(4)以實時趨勢圖的形式直觀的看出溫度的變化過程，在實時趨勢圖中新數(shù)據(jù)連續(xù)擴展在已有數(shù)據(jù)的后面，波形連續(xù)向前推進。(2)設置預警信號，當溫度超過某個預設的溫度值時，該警示燈變亮。其總體框架如下圖所示：設計一個儀器，首先要考慮確定其功能，然后根據(jù)其功能確定需要設計前面板和程序框圖。4．6溫度系統(tǒng)的總體結構與功能虛擬溫度測試儀將被測對象的溫度轉換為電壓或電流等模擬信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進行功率放大、濾波等處理后，變換為可被數(shù)據(jù)采集卡采集的標準電壓信號。每一層的具體分解說明如下所示(以第一層為例)：在下一步分解中，可以用同樣的方法將低頻分量CAl分成兩部分，即把上述框圖中的原始信號X用CAl代替，分解后返回尺度為2的低頻系數(shù)CA2和高頻系數(shù)CD2，再往下依次類推。具體來講，就是如何在LabVIEW的程序流程圖中編寫小波變換的分解算法。 小波分解的Mallat算法中Mallat分解公式如下：在LabVIEW中實現(xiàn)小波Mallat算法分析。下圖提供了選擇濾波器的大致步驟，不過在實際應用中需要用戶多次應用試驗。IV、FIR加窗濾波——是基于乘窗設計的數(shù)字濾波器。在通帶中貝塞爾濾波器的相應響應近似于線性，必須通過提高階數(shù)來減小誤差。本文在LabVIEW中采用數(shù)字濾波器，它的輸入輸出都是離散時間信號，可供選擇的濾波類型有以下幾種：I、Butterworth濾波器——此濾波器在所有頻率上提供平滑的響應，但是過渡帶下降較為緩慢，陡峭程度同階數(shù)成正比。②、濾波設置。(1)最左邊的參數(shù)設置區(qū)域。其中，為了更好的顯示其高頻分量和低頻分量，加入了小波分析算法中的Mallat算法，截取所需的分析長度和選擇分解層數(shù)進行分析。4．5．1流量測試系統(tǒng)的程序流程根據(jù)流量測試系統(tǒng)所要完成的功能，流量測試系統(tǒng)的程序流程如下所示：當對系統(tǒng)進行初始化后，對液壓系統(tǒng)進行調(diào)試，然后根據(jù)液壓系統(tǒng)的流量大小設定流量上下限，當流量超過上下限值時，進行超限報警提示，報警指示燈變?yōu)榧t色，此時可以重新調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)流量使其流量在允許的范圍內(nèi)。這是一種正交小波變換的快速算法，它通過對分析信號進行小波變換，把信號空間尺度(頻率)的不同，分為低頻近似部分和高頻細節(jié)部分，從而實現(xiàn)各成分在時間軸上的位置保持不變以及進行數(shù)據(jù)壓縮等。②、可以對流量的大小極值進行設置和報警提示，可以有效的保護液壓系統(tǒng)不被損壞。(3)波形信息——設置有效值、峰峰值和均值的數(shù)字顯示，直觀，便于用戶對系統(tǒng)進行管理。(1)波形顯示——利用波形圖表，可以顯示原波形和時域頻域分析波形。這些可以讓用戶清楚的看出壓力信號的變化情況，從而掌握液壓系統(tǒng)的運行情況，根據(jù)需要實時調(diào)整和檢測，或者進行在線分析和故障診斷，更好的為機械工程領域服務。其中，波形顯示模塊可以顯示分析所需要的波形，可以顯示原始波形、自相關波形和功率譜分析波形。本文所設計的液壓系統(tǒng)采用模塊化設置，可以對所采集的壓力信號進行相關分析、功率譜分析，以了解液壓系統(tǒng)的運行狀況，便于及時采取對策。本文壓力測試系統(tǒng)采用計算機輔助測試技術與模塊化思想，具有較高的測試精度、靈敏度、測試系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)操作的便捷性，而且方便使用者根據(jù)行業(yè)和企業(yè)的發(fā)展進行設備的改造和功能擴展。4．4壓力系統(tǒng)的總體結構與功能液壓系統(tǒng)的壓力是所有液壓執(zhí)行元件的工作動力，也是大部分液壓控制元件的控制動力，它存在于元件密閉的空腔和相互連接的管路內(nèi)，反映著液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，也附載著整個系統(tǒng)的其他重要信息。4．3．3位移測試系統(tǒng)程序框圖的設計程序設計的用到的子VI主要是下面這個“Waveform Min Max．vi。4．3位移系統(tǒng)的總體結構與功能位移系統(tǒng)的總體結構為同樣采用模塊化設計，設置好參數(shù)后，對系統(tǒng)調(diào)試好后可以進行位移信號采集、數(shù)據(jù)保存、波形顯示、分析處理。信號的功率譜是指信號的總功率在各頻率分量上的分布情況，它表示信號能量分布的特點，對確定信號帶寬有重要作用，利用譜密度分析可以在頻域把信號所含的信息更好的提取出來。為了更好的優(yōu)化波形，對波形進行平滑處理，本文選用最小二乘法，用戶可以擬合點數(shù)來選擇波形的細化程度。按流程圖設計，根據(jù)應變測試要完成的功能進行有序設計。第六：測試終了以后，返回參數(shù)設置界面，點擊“系統(tǒng)停止按鈕，完成測試功能。在主面板上顯示出被測量應變波形圖。第三：在前面板上選擇參數(shù)設置，包括最小二乘法點數(shù)和自功率倒數(shù)。步驟如下：第一：進行系統(tǒng)調(diào)試，直到調(diào)試到數(shù)據(jù)采集卡的輸出波形與原始波形相吻合時退出調(diào)試，開始數(shù)據(jù)采集。4．2應變系統(tǒng)的總體結構與功能虛擬式應變測試儀的軟件功能不但具有良好的可移植性、可擴充性和可升級性，而且具有豐富的分析處理功能能進行時域及頻域的分析處理，所有的處理功能都可供在線和離線事后分析，可以對信號的波形進行實時顯示，統(tǒng)計出信號的特征值。保存路徑說明：程序設計中，所有都保存在一個數(shù)據(jù)庫中，每一個項目都有一列，打開數(shù)據(jù)庫可以看到一個路徑，這個路徑是設計者設計好的，是指定的數(shù)據(jù)庫路徑，為了方便統(tǒng)一管理和查詢，路徑不能修改，下面只是顯示著保存的路徑，方便查看數(shù)據(jù)保存在哪罩。(7)參數(shù)設置界面此界面可以進行參數(shù)設置，在此界面可咀設置如下參數(shù)；①：采集時的參數(shù)設置——采集數(shù)據(jù)時的“任務輸入”通道選擇、“物理通道”通道選擇、采樣頻率、每通道采樣點數(shù)、采集開關。(6)幫助幫助部分可以方便用戶在遇到問題時獲得解決途徑。②歷史數(shù)據(jù)查詢。①數(shù)據(jù)備份。否則要重新調(diào)試，直到符合要求方可進行后續(xù)操作。(2)機械工程測試系統(tǒng)主界面(4)系統(tǒng)調(diào)試在對數(shù)據(jù)進行采集之前，要給系統(tǒng)進行調(diào)試，以保證采集的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)范范圍內(nèi)，確保數(shù)據(jù)采集卡的輸出波形與實際波形相符合，只有達到這個要求才可以進行數(shù)據(jù)采集，這也是為了保護數(shù)據(jù)采集卡的安全性。最后，在已有的保存測試數(shù)據(jù)文件基礎上進行測試后操作時，可以選擇采集開關關閉，然后選擇生成試驗報告等連接組建軟件系統(tǒng)。第三，進行數(shù)據(jù)采集時，濾波、數(shù)據(jù)存儲等模塊在采集循環(huán)內(nèi)才能對數(shù)據(jù)進行即時操作。也就是所謂的先后秩序不混淆．因為機械工程測試系統(tǒng)的那些測試量從被采集開始到分析完畢，都有嚴格的先后順序，為了防止程序運行的混亂，確保有序運行，在系統(tǒng)模塊的設計中，主體采用了順序循環(huán)的思路，只有在必須先運行的程序模塊運行完畢后，才會到達下一個程序的處理框圖中，詳細的流程如下面：第一，由一個外層的選擇結掏決定采集的物理通道和任務輸入。為了便于后續(xù)人員按自己的要求進行小范圍修改，后面板程序框圖也以直觀簡潔的方式進行設計。當用戶在前面板操作相應的功能時，后面板的程序框圖有與之協(xié)調(diào)的字vI運行，這樣可以保證運行操作的同步性和準確性。利用菜單編輯器對程序進行編輯，要改變程序的操作項直接從菜單編輯器中修改，為程序作總體設計，菜單編輯器如下圖所示：(4)前后面板的人性化設計。在后面板中利用“case結構完成在前面板中不同的按鈕選擇，選擇好一個測試以后，這個測試儀就可以獨立的工作。利用ADO技術的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問包——LabSQL，用戶可以直接在LabVIEW中以調(diào)用子VI的方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。基于需要對測試數(shù)據(jù)進行存儲、調(diào)用、管理和查詢，并且處理的數(shù)據(jù)量大，本文設計通過數(shù)據(jù)庫來存儲、管理和查詢數(shù)據(jù)。并且每個測試系統(tǒng)用模塊化進行設一前后面板，方便程序設計和用戶操作與控制。以計算機為中心，利用數(shù)據(jù)采集與傳感器相結合的方式構成現(xiàn)代測試系統(tǒng)，將眾多的測試儀器功能集成在計算機的一個“測試功能軟件庫’’中，通過與專用的采集卡和接口搭配，在一臺計算機內(nèi)實現(xiàn)了被集成測試儀器的全部功能，使測試技術的進步發(fā)生了質的飛躍。第四章 機械測試系統(tǒng)的程序設計4．1總體設計思路隨著科學技術的發(fā)展，對測試系統(tǒng)提出越來越高的要求，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)模式已不能適應要求。10％溫度范圍一20—120℃3 5 2溫度測試系統(tǒng)的信號調(diào)理此溫度傳感器用溫度變送器進行信號調(diào)理，溫度變送器的T作原理：采用熱電阻作為測溫元件，從測溫元件輸出的信號送到變送模塊，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波，運算放大，非線性校正和反方向保護等處理電路，轉換為與溫度成線性關系的4～20mA電流信號輸出，在信號輸出端加～個220歐的電阻轉換成