一种振动测试系统的设计与实现

　　前言

　　振动是自然界普遍的现象，传统的振动测试系统大多采用电子测量仪器，其特点是功能单一、专用、灵活性较差、大大的制约了振动测试的范围。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。

　　虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全"继承" 了以现成即用的PC技术为主导的商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

　　1虚拟振动测试系统的硬件设计

　　虚拟振动测试系统的硬件主要包括了加速度传感器、力传感器、信号放大器、数据采集卡以及通用PC机。

　　1.1 加速度传感器

　　加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。

　　加速度传感器主要测试振动体的振动加速度，机械振动测量中常用的压电式加速度传感器，它是以某些材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器，压电式加速度传感器输出的电荷量与物体振动加速度成比例，用适当的测试系统检测出电荷量，就实现了对振动加速度的测量。它有体积小，重量轻，灵敏度高和频率范围宽的优点，在振动测试中应用为普遍。本系统的设计采用的是并联压电材料的压电传感器，适于选用电荷放大器，其电路特点是放大器输出电压只与传感器产生的电荷输入量及放大器反馈电容有关，与构成电路的电缆形成的分布电容和信号频率无关。

　　1.2 电荷放大器

　　压电式传感器输出的电荷信号比较微弱，不能直接被数据采集卡采集，需要用信号放大器把较弱的电荷信号转化成较强的能被数据采集卡采集的电压信号。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器，它的是一个具有电容负反馈、且输入阻抗及高增益的运算放大器。电荷放大器可配接压电加速度传感器。其特点是将机械量转变成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗Ra极高。电荷变换级是将电荷变换为与其成正比的电压，将高输出阻抗变为低输出阻抗。Ca 配接传感器自身电容一般为数千pF，1/2 RaCa决定传感器低频下限。

　　1.3 数据采集卡

　　本系统中采用的数据采集卡是PCI-6024，它是美国NI公司生产的多功能接口卡，此卡设计基于PCI总线，数据传输速率高，吞吐量大，是数据采集卡设计的主流，它是一块性价比较好的产品，支持DMA方式和双缓冲模式，保证了实时的信号不间断采集与储存。它支持单极性和双极性模拟信号输入，信号输入范围分别为-5v～+5v和0～10v。提供16路单端/8路差动模拟输入通道，2路独立的D/A输出通道，24线的TTL型数字I/O，3个16位定时计数器等多种功能。数据采集（DAQ），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线（1394）、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。

　　2虚拟振动测试系统的软件设计

　　虚拟振动测试系统的软件设计，是运用图形化编程语言LabVIEW为软件开发平台，在程序的开发过程中运用模块化的设计思想，根据不同功能的需要，分别组建各种功能模块，本系统包含了数据采集模块、数据存储与读取模块、数据处理模块、结果显示模块，为了将各模块集成到一起，还设计了一个主界面来实现各模块的调用。再对系统进行集成和调试。

　　2.1 系统主界面的设计

　　在系统的主界面设计中，利用LabVIEW中提供的Edit Menu菜单，先将要实现的功能作为菜单选项的内容，以便在运行时调用，然后在框图中对各项菜单的调用通过Case循环进行选择，使各项菜单对应各项子VI，在各子VI中的VI Setup的Eexecution Options中选择Show Front Panel When Called选项。

　　2.2 数据采集模块

　　数据采集模块使用了LabVIEW中Analog Iuput功能块中的AI Waveform Scan模块进行采集控制，根据不同需要可以选择连续信号采集或单次信号采集，并可进行采集通道、采样速率、采样点数、加窗方式、平均次数、显示谱的类型控制，还可通过光标移动观察信号的时域值和频域值，在触发方式上，还可以选择信号触发或自由采集，在信号触发时，可选择触发电平、触发沿、触发前预保留点数等参数。

　　2.3 数据存储与读取模块

　　数据存储模块的主要功能是将显示器上显示的图像所对应的时域数据存入二进制文件；将与采集数据有关的参数：平均次数、数据长度、分析带宽、触发点采样点、采集时间等存入与数据文件同名的文本文件中，便于数据读取模块和用户使用。

　　数据读取模块可以方便地进行文件的读写操作。LabVIEW读写文件的过程为：打开一个文件——按一定格式进行读写内容——关闭文件。在数据读取模块中用到的主要函数分别是：打开文件函数、读文件函数、关文件函数。

　　2.4数据处理模块

　　数据处理模块程序的设计是本系统软件设计的关键部分，它需要完成数字滤波、加窗处理、频谱分析、功率谱分析、相关分析、倒谱分析等诸多功能。时域分析有自相关与互相关分析，幅值域分析可以进行均值、方差、概率密度和概率分布统计，对数据的预处理可进行各通道标定系数输入及用数字滤波器进行滤波，可进行低通、高通、带通、带阻滤波，基于FFT的频率分析，包括自功率谱、互功率谱、幅度倒频谱、频响函数，其中频响函数可以根据需要采用不同的估计公式，可选择显示实部和虚部、幅频和相频以及相干函数。另外在频域分析时可对各信号进行加窗以减少泄漏，主要有矩形窗、汉宁窗、哈明窗、指数窗等，充分利用计算机的资源，计算FFT的点数可以从512点到16384点，可进行多次平均以减少误差，可任意选择两通道计算频响函数和互功率谱。

　　2.5 数据显示模块

　　数据显示模块是将采集到的数据以及分析后的数据数据显示到显示器上，同时它还包含许多附属的显示项，包括坐标单位显示，值及其相应位置显示，时限显示，数据采集文件索引显示，供使用者观察系统测试结果。

　　3虚拟振动测试系统的实际测试

　　本文介绍了虚拟振动测试系统的开发全过程，为了验证整个系统程序运行的正确与否，采用锤击法对试件进行锤击测试，用装有力传感器的力锤对试验结构进行锤击，用加速度传感器进行拾振，将两个信号经电荷放大器放大后送入数据采集卡，通过软件设定采集条件控制采集，并将采集到的数据存储和进行各种分析。采集时设置采样通道为2个，采样频率为1000Hz，平均次数为5次，每次采集点数设为1024点，触发通道为0通道，触发电平为100mv，触发沿为默认的上升沿，预保留点数为20个。

　　4结束语

　　本文介绍了虚拟振动测试系统的设计。实践证明采用LabVIEW和基于PC 的数据采集卡构造虚拟振动测试系统是切实可行的，测试系统功能强大，它的模块化的编程使程序扩展变得很方便。可以预见，虚拟仪器技术在整个测试领域将会有更加广阔的应用空间。

　　5本文作者创新点

　　振动测试系统的设计采用了先进的虚拟仪器技术，提高了系统的测试，节省了开发时间，降低了开发成本。