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正文內(nèi)容

基于虛擬儀器的振動測試系統(tǒng)研究-在線瀏覽

2024-09-15 22:30本頁面
  

【正文】 而且理論分析結(jié)果的正確性也需要通過實踐來驗證,這就使振動測試在振動研究中占有重要地位。從 1967 年世界上第一臺基于 FFT 的動態(tài)信號分析儀問世以來,振動信號分析技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三次突破性的發(fā)展。我們有理由相信,隨著軟件業(yè)和測試技術(shù)的發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)必將在更多、更廣的領(lǐng)域得到應(yīng)用和普及。20世紀(jì)20年代,由于汽輪發(fā)電機(jī)組等設(shè)備的發(fā)展,機(jī)械式測振儀已不能滿足要求,于是磁電式傳感器應(yīng)運(yùn)而生,實現(xiàn)非電量信號向電信號轉(zhuǎn)換的電測量。近些年隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,又出現(xiàn)了可在各種惡劣環(huán)境下使用的壓電傳感器和內(nèi)裝阻抗變換器、放大器、濾波器的集成電路式壓電傳感器,簡化了測試系統(tǒng),大大地拓寬了這種傳感器的應(yīng)用范圍,提高了抗干擾能力和測量的精度。虛擬儀器是當(dāng)前計算機(jī)的主流技術(shù)與應(yīng)用開發(fā)軟件和高性能模塊化的硬件相結(jié)合的產(chǎn)物,可由用戶自己設(shè)計和定義,用軟件在屏幕上生成儀器控制面板,進(jìn)行信號分析和處理。這些儀器基本上屬于硬件組成的專用信號分析與處理儀器,一般不能存儲記錄。 課題主要研究內(nèi)容本文從虛擬儀器開發(fā)的角度,首先對虛擬儀器的概念和內(nèi)容做簡要介紹,然后對虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺LabVIEW進(jìn)行闡述,在分析了信號分析處理的原理后,使用圖形化編程語言LabVIEW進(jìn)行振動測試與分析虛擬儀器系統(tǒng)的軟件設(shè)計。(2)信號預(yù)處理:數(shù)字濾波器一般用在數(shù)據(jù)采樣之后,對采樣后的信號做信號預(yù)處理使用。(4)頻域分析:包括對仿真信號和實際采集到的信號進(jìn)行頻譜分析,功率譜分析,倒頻譜分析,得到信號的頻域特征。 第2章 虛擬儀器和labview 虛擬儀器 虛擬儀器的概述虛擬儀器概念早在 20 世紀(jì) 70 年代就已提出,但真正得以實現(xiàn)則是在 PCI、GPIBVXI、PXI 等總線準(zhǔn)出現(xiàn)之后才變?yōu)榭赡?并隨著卡式儀器、VXI 總線儀器、PXI總線儀器等的推出而得到迅速發(fā)展。這是在準(zhǔn)計算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)上,加上一組軟件和硬件所構(gòu)成。 “數(shù)據(jù)采集—分析處理—輸顯示”結(jié)構(gòu)模式為其硬件開發(fā)平臺,同時充分利用計算機(jī)強(qiáng)大軟件功能及有關(guān)測試開發(fā)軟件所需要試儀器方案。虛擬儀器的概念是美國NI公司(National Instrument)在20世紀(jì)80年代中期提出來的。與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器有許多優(yōu)點:對測試量的處理和計算可更復(fù)雜且處理速度更快,測試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣,可以方便地存儲和交換測試數(shù)據(jù),價格低,技術(shù)更新快。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化,任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模,這充分體現(xiàn)了 軟件就是儀器的設(shè)計思想[1]。它用顯示在PC機(jī)上的虛擬面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器面板,用鼠標(biāo)、鍵盤對測量的參數(shù)及進(jìn)程進(jìn)行控制。虛擬儀器系統(tǒng)主要包括以下三個部分:安裝有強(qiáng)大應(yīng)用軟件的計算機(jī)平臺或者是工作站:硬件部分,數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理卡、G P I B接口儀器、V XI 接口儀器等;被測單元,或前端傳感器。虛擬儀器的技術(shù)基礎(chǔ)是計算機(jī)技術(shù),核心是計算機(jī)軟件技術(shù)。它是世界上第一個采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng),它的目標(biāo)就是簡化程序的開發(fā)工作,提高編程效率,讓科學(xué)家和工程技術(shù)人員充分利用計算機(jī)的資源和強(qiáng)大功能,快速簡捷地完成自己的工作任務(wù),它被稱為科學(xué)家與工程師的語言。現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,除了要求各種機(jī)械具備低振動和低噪聲的性能外,需隨時對其運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)測、診斷和對工作環(huán)境進(jìn)行控制,這些技術(shù)措施都離不開振動的測量。此類測振的目的是研究設(shè)備或結(jié)構(gòu)的力學(xué)動態(tài)性能。強(qiáng)大的系統(tǒng)資源和良好的操作界m,以及巨大的存儲容量和各種各樣的應(yīng)用軟什等,提供了極好的設(shè)計甲臺和環(huán)境。這樣,不僅可以大大減少檢測的工作量,降低測試系統(tǒng)成本,還可以提高測試效率,適應(yīng)在速度、準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)場實用性等日益提高的測試要求,同H、J使檢測設(shè)備投資少,丌發(fā)周期短,通用性強(qiáng),易維護(hù)。虛擬儀器正可以實現(xiàn)這些要求。虛擬儀器則可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。(4)儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計,而不需購買新的儀器。(6)虛擬儀器開放、靈活,可與計算機(jī)同步發(fā)展,也可與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。儀器軟件裝在計算機(jī)上,通??梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能,可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。PXI有高度可擴(kuò)展性。 第三類:GPIB 總線方式GPIB技術(shù)的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展,典型的GPIB系統(tǒng)由PC機(jī)、GPIB接口卡和若干臺 GPIB 形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。GPIB 技術(shù)可用計算機(jī)實現(xiàn)對儀器的操作和控制,替代傳統(tǒng)的人工操作方式,可以很方便地把多臺儀器組合起來,形成自動測量系統(tǒng)。 第四類:PC總線——插卡型這種方式借助于插入計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如 LabVIEW 相結(jié)合。它充分利用計算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利,但是受 PC 機(jī)機(jī)箱和總線限制,且有電源功率不足,機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高,插槽數(shù)目也不多,插槽尺寸比較小,機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點,很快得到廣泛的應(yīng)用。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢[2]。其中最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview(laboratory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺)。Labview使用了所見即所得的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面,提供了許多儀器面板中的控制對象,如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。Labview提供了多種強(qiáng)有力的工具箱和函數(shù)庫,并集成了很多儀器硬件庫。LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng),具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫,包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲,甚至還有目前十分熱門的網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW的動態(tài)連續(xù)跟蹤方式,可以連續(xù)、動態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況,比其它語言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效。LabVIEW滿足了實現(xiàn)虛擬測試儀器的條件。尤其對實驗室教學(xué)領(lǐng)域 ,開發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高。 labview的應(yīng)用LabVIEW強(qiáng)大的硬件驅(qū)動、圖形顯示能力和便捷的快速程序設(shè)計,為過程控制和工業(yè)自動化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。LabVIEW為科學(xué)家和工程師提供了功能強(qiáng)大的高級數(shù)學(xué)分析庫,包括統(tǒng)計、估計、回歸分析、線形代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域,可滿足各種計算和分析需要。LabVIEW已成為測試與測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),通過GPIB、VXI、PLC、串行設(shè)備和插卡式數(shù)據(jù)采集板可以構(gòu)成實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 labview的特點LabVIEW軟件的特點如下:(1)具有圖形化的編程方式,設(shè)計者無需編寫任何文本格式的代碼,是真正的工程師語言。(3)提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段,如設(shè)置斷點、單步運(yùn)行,同時提供獨具特色的執(zhí)行工具,使程序動畫式運(yùn)行,利于設(shè)計者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié),使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。(5)囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS一232/48USB等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù),使不懂得總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。(7)具有強(qiáng)大的Internet功能,支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測控儀器的開發(fā)[3]。前面板是 VI 的圖形用戶接口, 它集成了用戶輸入和輸出功能,為更逼真地模擬傳統(tǒng)儀器的工作方式, LabVIEW提供了各種各樣的控件,如各種旋鈕、開關(guān)、按鈕、波形圖、波形圖表等控制與顯示模塊,并可根據(jù)用戶實際需要定制控件,用戶可以根據(jù)自己的需要在前面板上放置按鈕等控制模塊和顯示模塊。流程圖包括內(nèi)置于 LabVIEW 庫中的函數(shù)(Function)和結(jié)構(gòu)(Structures),還包括儀器面板上的控制對象、顯示對相對應(yīng)的連線端子(Terminals) ,LabVIEW構(gòu)成的虛擬儀器是數(shù)據(jù)流驅(qū)動的,流程圖中的諸元素如結(jié)構(gòu)、功能模塊等構(gòu)成節(jié)點,這些節(jié)點由數(shù)據(jù)線相連接,這些線定義了程序中數(shù)據(jù)的流向,這些線在程序中按照數(shù)據(jù)類型的不同顯示出不同的顏色和類型,使得用戶能對程序中傳送的數(shù)據(jù)種類一目了然。 第3章 振動測試分析系統(tǒng) 振動測試系統(tǒng)概述信號分析技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于許多學(xué)科和領(lǐng)域,諸如:通信、雷達(dá)、聲納、地震、遙感、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械振動等,特別是近代電子技術(shù)、數(shù)字計算機(jī)及微型機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用,使得信號分析技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,目前,它已成為信息科學(xué)技術(shù)中一種必不可少的手段。振動測試與分析技術(shù)是機(jī)械動力學(xué)學(xué)科的重要分支之一,是機(jī)械動力學(xué)工程應(yīng)用的一個極為普遍的方面。另一方面,人們對機(jī)器的工作精度和穩(wěn)定性的要求也越來越高,對控制振動的要求越來越迫切。振動測試與分析技術(shù)的任務(wù)就在于幫助人們清楚地認(rèn)識振動現(xiàn)象,從而能動地控制振動和利用振動。振動測量的方法一般有機(jī)械式測量方法、電測方法和光測方法三類。電測法通常采用測振傳感器檢測振動的位移、速度和加速度信號并轉(zhuǎn)為電量,然后利用分析電路或?qū)S脙x器來提取振動信號中的強(qiáng)度和頻譜信息。一個振動系統(tǒng),從外界輸入一定形式的激勵就呈現(xiàn)一定形式的輸出,該輸入通常稱為激勵,輸出稱為響應(yīng)。輸入、輸出和系統(tǒng)的振動特性這三者之間的關(guān)系如圖 所示。振動測試的主要用途為: (1)各種工程機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)、車輛船舶、飛機(jī)導(dǎo)彈、能源設(shè)備、儀器儀表等系統(tǒng)或者自身在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于質(zhì)量不平衡等原因而產(chǎn)生激振力,成為強(qiáng)烈的振源;或者受到周圍環(huán)境的激勵而產(chǎn)生受迫振動。從現(xiàn)場測試了解機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時振動大小以確定其性能優(yōu)劣已成為驗收往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式機(jī)器的一個重要環(huán)節(jié),現(xiàn)在又有各種產(chǎn)品的“振動烈度標(biāo)準(zhǔn)”和振動烈度測量儀。為了研究其工作機(jī)理以提高生產(chǎn)效率,必須進(jìn)行大量的振動測試。用振動測試可以求得系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù),進(jìn)而建立或修正力學(xué)模型,為今后的“響應(yīng)預(yù)估”或“環(huán)境預(yù)估(載荷識別)”創(chuàng)造先決條件。 (4)效益巨大但造價昂貴的現(xiàn)代化大型系統(tǒng)(如海上平臺、大型汽輪發(fā)電機(jī)組、航天飛機(jī)等)經(jīng)常在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷、高溫、高壓或高真空等惡劣條件下工作,他們的破壞會造成十分嚴(yán)重的后果。 (5)振動是一種公害,它能損傷人體器官、損害健康、降低勞動效率,甚至產(chǎn)生“振動病”或“運(yùn)動病”,如常見的暈車、暈船現(xiàn)象就是由于小于 1Hz 的極低頻振動引起的。目前市場上已有用于人體振動測量的傳感器和測試儀出售。噪聲中很大一部分來自振動物體。只要有聲電傳感器(如話筒)和適調(diào)放大器,振動分析和聲學(xué)分析就可以共用同一分析儀器[4]。一部分為傳感器測量系統(tǒng),它包括各種振動傳感器、壓力傳感器及其有關(guān)測量部分,其作用是拾取表征機(jī)器狀態(tài)的各種信號或參數(shù),并使之變成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號。激振裝置激鎮(zhèn)對象分析處理 振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖一個振動系統(tǒng),從外界輸入一定形式的激勵就呈現(xiàn)一定形式的輸出,輸入通常稱為激勵,輸出稱為響應(yīng);輸出特性不僅取決于輸入特性,還取決于振動系統(tǒng)的振動特性。在己知激勵條件和系統(tǒng)振動特性的情況下,求系統(tǒng)的響應(yīng),這就是所謂的振動分析問題;在己知系統(tǒng)振動特性和系統(tǒng)響應(yīng)的情況下,求系統(tǒng)的激勵狀態(tài),這就是所謂的振動環(huán)境預(yù)測問題:在已知系統(tǒng)激勵和系統(tǒng)響應(yīng)的情況下,確定系統(tǒng)的振動特性,這就是所謂的振動特性測試或系統(tǒng)識別問題。本系統(tǒng)為振動測試系統(tǒng),所測量為振動的非電量信號,因此選用了電渦流位移傳感器和光電傳感器。為了保證傳感器應(yīng)用中具有高的可靠性,事先須選用設(shè)計、制造良好,使用條件適宜的傳感器;使用過程中,應(yīng)嚴(yán)格保持規(guī)定的使用條件,盡量減輕使用條件的不良影響。例如,接觸與非接觸測量、在線與離線測量等,也是選用傳感器時應(yīng)考慮的重要因素。(3)線性范圍:任何傳感器都有一定的線性范圍,在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi),是保證測量精確度的基本條件。一般講,傳感器的靈敏度越高越好,因為靈敏度越高,意味著傳感器所能感知的變化量越小,被測量稍有一微小變化,傳感器就有較大的輸出。傳感器處于測試系統(tǒng)的輸入端,因此,傳感器能否真實地反映被測量值,對整個測試系統(tǒng)具有直接影響。此外,實際傳感器的響應(yīng)總有一定遲延,但總希望遲延時間越短越好。 信號測試與分析對于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)來說,傳感器在連接到數(shù)據(jù)設(shè)備之前所的信號必須被轉(zhuǎn)換為設(shè)備所能夠識別的信號,所以信號調(diào)理非常重要典型的系統(tǒng)一般都需要信號調(diào)理硬件,用于將原始信號以及傳感器輸出接到數(shù)據(jù)卡上通過信號調(diào)理的功能,如信號的放大、隔離、濾波、線性化處理等,提高了數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可靠性等性能。數(shù)字信號的
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