粱召華　李智

摘 要： 為了適應(yīng)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的需要，提高測(cè)試精度，開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)，它利用相關(guān)法準(zhǔn)確提取出振動(dòng)信號(hào)的幅值和相位，采用基于影響系數(shù)法的單面動(dòng)平衡和雙面動(dòng)平衡的方法進(jìn)行動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。通過(guò)在多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上做了多次轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子在加適當(dāng)?shù)脑囍睾蟛黄胶庹駝?dòng)得到了有效的抑制，振動(dòng)幅度明顯減小。這對(duì)于減小機(jī)器噪聲和軸承磨損，提高機(jī)器的性能和壽命有著重要意義，同時(shí)也有助于提高機(jī)器的工作效率和保障機(jī)械加工操作者的安全。

關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)； 虛擬儀器技術(shù)； 相關(guān)法； 影響系數(shù)法

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0110?04

0 引 言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在日常的機(jī)械中非常的常見(jiàn)，隨著人們要求和技術(shù)的不斷提升，人們對(duì)旋轉(zhuǎn)的速度也有了較高要求，但是，由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的機(jī)械故障也越來(lái)越多，這引起了人們的密切注意，這其中由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡引起的機(jī)械故障占到所有故障總數(shù)的70%以上[1]。

虛擬儀器技術(shù)是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，它可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器，用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。自問(wèn)世以來(lái)， 虛擬儀器大大的降低人工操作帶來(lái)的不確定性，在全自動(dòng)化的測(cè)試和分析中提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性[2]。該系統(tǒng)將虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試、分析、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡一體化。主要采用影響系數(shù)法，構(gòu)建了該動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)。

1 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法

1.1 動(dòng)平衡原理

轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布不均是造成不平衡的主要原因。轉(zhuǎn)子的質(zhì)心不在回轉(zhuǎn)軸線上，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其偏心質(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生離心慣性力，該離心慣性力會(huì)在運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生附加動(dòng)壓力。當(dāng)前在平衡轉(zhuǎn)動(dòng)中平衡不平衡轉(zhuǎn)子的最主要方法是在轉(zhuǎn)子上增加或除去一部分質(zhì)量，使轉(zhuǎn)子的質(zhì)心與回轉(zhuǎn)軸心重合，盡量避免在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生離心慣性力?，F(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的分析過(guò)程分為：

（1） 首先測(cè)量出不加試重之前的不平衡振動(dòng)量，并分析出該振動(dòng)量的幅值以及相位；

（2） 加載能夠使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生明顯振動(dòng)的試重，得到不平衡和振動(dòng)之間的關(guān)系；

（3） 測(cè)量此時(shí)該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的不平衡振動(dòng)量的參數(shù)；

（4） 對(duì)比分析加載試重前后轉(zhuǎn)子的振動(dòng)量，通過(guò)分析和計(jì)算來(lái)確定消除該不平衡量所需的校正質(zhì)量以及校正的角度；

（5） 在轉(zhuǎn)子上加載計(jì)算所得出的校正量，并測(cè)得此時(shí)轉(zhuǎn)子的不平衡量的大小，重復(fù)操作直到測(cè)量結(jié)果符合要求則本次實(shí)驗(yàn)結(jié)束 [3]。

1.2 影響系數(shù)法

基于影響系數(shù)法的單面動(dòng)平衡：設(shè)在某一校正平面上未加試重時(shí)測(cè)得的的原始振動(dòng)為[A0]（是矢量，包括幅值和相位），且在該校正平面上某一測(cè)點(diǎn)上測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)為[B0]；然后在該校正平面上加一試重[Q0]（也是矢量，包括幅值和相位），并測(cè)得其不平衡量為[At]，在同一轉(zhuǎn)速下且在同一測(cè)點(diǎn)測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)為[B1]，則由試重[Q0]引起的振動(dòng)響應(yīng)為[Bt=B1-B0]，于是計(jì)算得到影響系數(shù)為[α=BtAt]，然后列出方程解出校正幅值和相位?；谟绊懴禂?shù)法的雙面動(dòng)平衡：

（1） 在實(shí)驗(yàn)儀器上選定兩個(gè)測(cè)點(diǎn)分別為A和B。用合適的振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)得這兩點(diǎn)的平衡前的振動(dòng)值分別為[A0，B0]（是矢量，它包括幅值A(chǔ)0，B0和相位角[γA0，γB0]）。

（2） 根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選取適當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)校正平面分別為Ⅰ，Ⅱ，加重半徑分別為r1，r2。先在平面I上加試重[Q1]（也是矢量，其質(zhì)量為[Q1]，相位角為[γB0]）。并在同一平衡轉(zhuǎn)速下測(cè)得A，B兩點(diǎn)的振動(dòng)值分別為[A1，B1]。

影響系數(shù)分別為：

（3） 取走[Q1]，并在平面Ⅱ上加試重[Q2]。用同樣的方法測(cè)得A，B點(diǎn)的振動(dòng)值分別為[A2，B2]。

影響系數(shù)分別為：

（4） 列方程，校正平面Ⅰ，Ⅱ上所需的校正質(zhì)量[P1，P2]可由下式求得：

用解析法或幾何法解此矢量方程組得到平衡量[P1，P2]。得到校正質(zhì)量后，在轉(zhuǎn)子上加上計(jì)算出的校正質(zhì)量，重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)子并測(cè)量振動(dòng)量；如果振動(dòng)量已達(dá)到了所需要求，則平衡結(jié)束；否則可再進(jìn)行一次修正平衡。

1.3 基于相關(guān)法的振動(dòng)幅值和相位的計(jì)算

運(yùn)用相關(guān)法可準(zhǔn)確地提取出振動(dòng)信號(hào)中基頻的幅值以及相位。在x（t），y（t）都為實(shí)能量信號(hào)的前提下互相關(guān)函數(shù)可定義為：

互相關(guān)函數(shù)可以描述出兩個(gè)信號(hào)所存在的相似度，能夠有效地在有多個(gè)頻率成分的信號(hào)中分離出有用信號(hào)。在測(cè)試時(shí)，提取到的振動(dòng)信號(hào)有多個(gè)頻率成分，主要包括：轉(zhuǎn)速基頻，倍頻，亞倍頻，隨機(jī)振動(dòng)成分，見(jiàn)式（3）：

式中：a0為直流分量；ωi為各信號(hào)的頻率；[αi]為各頻率信號(hào)的相位值；s（t）為干擾信號(hào)參數(shù)；設(shè)頻率為ω、相位為0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)和余弦信號(hào)分別為：

分別與式（3）所示的輸入信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)

于是可以得到振動(dòng)基頻信號(hào)的幅值及相位，分別為：

2 基于LabVIEW 的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)的研究對(duì)象是多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，本文選用北京京儀北方儀器儀表有限公司的ZHS?2型多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，其實(shí)物圖見(jiàn)圖1。

動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的總體框架如圖2所示，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在線采集信號(hào)。通過(guò)電渦流傳感器采集轉(zhuǎn)子的振動(dòng)位移信號(hào)，電磁式速度傳感器采集軸承座的振動(dòng)速度信號(hào)，壓電式加速度傳感器采集軸承座的振動(dòng)加速度信號(hào)，通過(guò)光電式傳感器采集轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

通過(guò)前置器、變送器等信號(hào)調(diào)理模塊及數(shù)據(jù)采集卡，將位移、速度、加速度等振動(dòng)信號(hào)及轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳遞到計(jì)算機(jī)中，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)的虛擬儀器平臺(tái)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并顯示和保存不平衡量的幅值和相位。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成

硬件部分由前置器、變送器、模擬濾波器等調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，前置器主要是將渦流傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大，變送器是將傳感器獲得的非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，模擬濾波器能有效濾除高頻干擾信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司的PCI?6251 型號(hào)產(chǎn)品（如圖3），數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是將傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后給計(jì)算機(jī)軟件以供分析。

該數(shù)據(jù)采集卡的主要性能參數(shù)及特點(diǎn)如下：

（1） 最高采樣率為1.25 MS/s；

（2） A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率為16 b；

（3） 16路模擬輸入通道，可任意設(shè)定通道采樣數(shù)，通道自動(dòng)掃描采集；

（4） 最小模擬輸入電壓范圍為-5～5 V，最大模擬輸入電壓范圍為-10～10 V；

（5） 2路模擬輸出通道，更新速率2.8 MS/s；

（6） 滿量程精度為0.003%；

（7） 2個(gè)32位80 MHz定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)選用的是美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)，LabVIEW的全稱是（Laboratory Virtual Instrument Engineering bench），這是一種同時(shí)具有數(shù)據(jù)的采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示功能于一體的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，該軟件能夠很好地為用戶提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形化編程方式[4]。LabVIEW 是目前發(fā)展速度最快、功能最強(qiáng)大、應(yīng)用最廣泛的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集及儀器控制軟件[5]。測(cè)試軟件模塊的組成如圖4所示，本文主要從數(shù)據(jù)采集和信號(hào)的分析處理這2個(gè)主要的模塊來(lái)完成實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行分析說(shuō)明[6]。

（1） 數(shù)據(jù)采集。NI?DAQmax數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對(duì)采集到的有關(guān)參數(shù)和操作進(jìn)行準(zhǔn)確封裝。本系統(tǒng)在NI?DAQmax數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與管理，程序框圖如圖5所示。

（2） 數(shù)據(jù)的分析和處理。能否準(zhǔn)確完成動(dòng)平衡測(cè)試的關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)的分析和處理這兩個(gè)過(guò)程，主要可分為：

① 測(cè)量轉(zhuǎn)速；

② 準(zhǔn)確計(jì)算基頻幅值和相位；

③ 正確運(yùn)用影響系數(shù)法計(jì)算動(dòng)平衡的校正質(zhì)量和相位。

測(cè)量基準(zhǔn)信號(hào)，本文利用的是LabVIEW中單頻測(cè)量VI來(lái)得到所需要的轉(zhuǎn)速以及基頻相位這2個(gè)參數(shù)，所需程序的框圖如圖6所示?；l轉(zhuǎn)速產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦及余弦信號(hào)。之后將之前測(cè)到的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)的正弦及余弦信號(hào)做互相關(guān)，通過(guò)這種方法就可以得到振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值及相位，該程序框圖如圖7所示。

計(jì)算影響系數(shù)，從而確定出不平衡量的幅值以及相位。本文在試驗(yàn)和分析中運(yùn)用影響系數(shù)法來(lái)對(duì)單面動(dòng)平衡得到的幅值和相位進(jìn)行校正計(jì)算，程序框圖見(jiàn)圖8。

通過(guò)在多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行多次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子在加適當(dāng)?shù)脑囍睾蟛黄胶庹駝?dòng)得到了有效的抑制，振動(dòng)幅度明顯減小。因此本測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。該測(cè)試系統(tǒng)不僅在單面動(dòng)平衡過(guò)程中效果比較理想，同時(shí)亦可推廣到雙面動(dòng)平衡測(cè)試中去。

3 該測(cè)試系統(tǒng)和傳統(tǒng)的儀器之間的對(duì)比分析

虛擬儀器對(duì)比傳統(tǒng)儀器來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：性能高；擴(kuò)展性強(qiáng)；開(kāi)發(fā)時(shí)間少；無(wú)縫集成[7?8]。目前利用虛擬儀器來(lái)完成測(cè)試、工業(yè)I/O控制以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)已成為主流，伴隨著虛擬儀器技術(shù)正在不斷的完善和提高，虛擬儀器已經(jīng)在許多的應(yīng)用中代替了傳統(tǒng)的儀器。伴隨著相關(guān)軟件的不斷革新，虛擬儀器的使用前景也將更加的廣闊，能夠使使用者在使用起來(lái)有更多的靈活性和更加強(qiáng)大的功能[9?10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)將虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試、分析、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡一體化。虛擬儀器能夠大大降低人工操作帶來(lái)的不確定性，在全自動(dòng)化的測(cè)試和分析中提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，比傳統(tǒng)的動(dòng)平衡測(cè)量?jī)x器有更好的發(fā)展前景，性價(jià)比也更高。

參考文獻(xiàn)

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[9] 趙科.基于虛擬儀器的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[10] 金彥，鄭建榮，吳清.基于虛擬儀器技術(shù)的信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法比較[J].機(jī)械與電子，2003（2）：55?58.

2.2 測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成

硬件部分由前置器、變送器、模擬濾波器等調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，前置器主要是將渦流傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大，變送器是將傳感器獲得的非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，模擬濾波器能有效濾除高頻干擾信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司的PCI?6251 型號(hào)產(chǎn)品（如圖3），數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是將傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后給計(jì)算機(jī)軟件以供分析。

該數(shù)據(jù)采集卡的主要性能參數(shù)及特點(diǎn)如下：

（1） 最高采樣率為1.25 MS/s；

（2） A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率為16 b；

（3） 16路模擬輸入通道，可任意設(shè)定通道采樣數(shù)，通道自動(dòng)掃描采集；

（4） 最小模擬輸入電壓范圍為-5～5 V，最大模擬輸入電壓范圍為-10～10 V；

（5） 2路模擬輸出通道，更新速率2.8 MS/s；

（6） 滿量程精度為0.003%；

（7） 2個(gè)32位80 MHz定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)選用的是美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)，LabVIEW的全稱是（Laboratory Virtual Instrument Engineering bench），這是一種同時(shí)具有數(shù)據(jù)的采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示功能于一體的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，該軟件能夠很好地為用戶提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形化編程方式[4]。LabVIEW 是目前發(fā)展速度最快、功能最強(qiáng)大、應(yīng)用最廣泛的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集及儀器控制軟件[5]。測(cè)試軟件模塊的組成如圖4所示，本文主要從數(shù)據(jù)采集和信號(hào)的分析處理這2個(gè)主要的模塊來(lái)完成實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行分析說(shuō)明[6]。

（1） 數(shù)據(jù)采集。NI?DAQmax數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對(duì)采集到的有關(guān)參數(shù)和操作進(jìn)行準(zhǔn)確封裝。本系統(tǒng)在NI?DAQmax數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與管理，程序框圖如圖5所示。

（2） 數(shù)據(jù)的分析和處理。能否準(zhǔn)確完成動(dòng)平衡測(cè)試的關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)的分析和處理這兩個(gè)過(guò)程，主要可分為：

① 測(cè)量轉(zhuǎn)速；

② 準(zhǔn)確計(jì)算基頻幅值和相位；

③ 正確運(yùn)用影響系數(shù)法計(jì)算動(dòng)平衡的校正質(zhì)量和相位。

測(cè)量基準(zhǔn)信號(hào)，本文利用的是LabVIEW中單頻測(cè)量VI來(lái)得到所需要的轉(zhuǎn)速以及基頻相位這2個(gè)參數(shù)，所需程序的框圖如圖6所示?；l轉(zhuǎn)速產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦及余弦信號(hào)。之后將之前測(cè)到的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)的正弦及余弦信號(hào)做互相關(guān)，通過(guò)這種方法就可以得到振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值及相位，該程序框圖如圖7所示。

計(jì)算影響系數(shù)，從而確定出不平衡量的幅值以及相位。本文在試驗(yàn)和分析中運(yùn)用影響系數(shù)法來(lái)對(duì)單面動(dòng)平衡得到的幅值和相位進(jìn)行校正計(jì)算，程序框圖見(jiàn)圖8。

通過(guò)在多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行多次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子在加適當(dāng)?shù)脑囍睾蟛黄胶庹駝?dòng)得到了有效的抑制，振動(dòng)幅度明顯減小。因此本測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。該測(cè)試系統(tǒng)不僅在單面動(dòng)平衡過(guò)程中效果比較理想，同時(shí)亦可推廣到雙面動(dòng)平衡測(cè)試中去。

3 該測(cè)試系統(tǒng)和傳統(tǒng)的儀器之間的對(duì)比分析

虛擬儀器對(duì)比傳統(tǒng)儀器來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：性能高；擴(kuò)展性強(qiáng)；開(kāi)發(fā)時(shí)間少；無(wú)縫集成[7?8]。目前利用虛擬儀器來(lái)完成測(cè)試、工業(yè)I/O控制以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)已成為主流，伴隨著虛擬儀器技術(shù)正在不斷的完善和提高，虛擬儀器已經(jīng)在許多的應(yīng)用中代替了傳統(tǒng)的儀器。伴隨著相關(guān)軟件的不斷革新，虛擬儀器的使用前景也將更加的廣闊，能夠使使用者在使用起來(lái)有更多的靈活性和更加強(qiáng)大的功能[9?10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)將虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試、分析、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡一體化。虛擬儀器能夠大大降低人工操作帶來(lái)的不確定性，在全自動(dòng)化的測(cè)試和分析中提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，比傳統(tǒng)的動(dòng)平衡測(cè)量?jī)x器有更好的發(fā)展前景，性價(jià)比也更高。

參考文獻(xiàn)

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[10] 金彥，鄭建榮，吳清.基于虛擬儀器技術(shù)的信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法比較[J].機(jī)械與電子，2003（2）：55?58.

2.2 測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成

硬件部分由前置器、變送器、模擬濾波器等調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，前置器主要是將渦流傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大，變送器是將傳感器獲得的非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，模擬濾波器能有效濾除高頻干擾信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司的PCI?6251 型號(hào)產(chǎn)品（如圖3），數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是將傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后給計(jì)算機(jī)軟件以供分析。

該數(shù)據(jù)采集卡的主要性能參數(shù)及特點(diǎn)如下：

（1） 最高采樣率為1.25 MS/s；

（2） A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率為16 b；

（3） 16路模擬輸入通道，可任意設(shè)定通道采樣數(shù)，通道自動(dòng)掃描采集；

（4） 最小模擬輸入電壓范圍為-5～5 V，最大模擬輸入電壓范圍為-10～10 V；

（5） 2路模擬輸出通道，更新速率2.8 MS/s；

（6） 滿量程精度為0.003%；

（7） 2個(gè)32位80 MHz定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)選用的是美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)，LabVIEW的全稱是（Laboratory Virtual Instrument Engineering bench），這是一種同時(shí)具有數(shù)據(jù)的采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示功能于一體的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，該軟件能夠很好地為用戶提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形化編程方式[4]。LabVIEW 是目前發(fā)展速度最快、功能最強(qiáng)大、應(yīng)用最廣泛的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集及儀器控制軟件[5]。測(cè)試軟件模塊的組成如圖4所示，本文主要從數(shù)據(jù)采集和信號(hào)的分析處理這2個(gè)主要的模塊來(lái)完成實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行分析說(shuō)明[6]。

（1） 數(shù)據(jù)采集。NI?DAQmax數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對(duì)采集到的有關(guān)參數(shù)和操作進(jìn)行準(zhǔn)確封裝。本系統(tǒng)在NI?DAQmax數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)5個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與管理，程序框圖如圖5所示。

（2） 數(shù)據(jù)的分析和處理。能否準(zhǔn)確完成動(dòng)平衡測(cè)試的關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)的分析和處理這兩個(gè)過(guò)程，主要可分為：

① 測(cè)量轉(zhuǎn)速；

② 準(zhǔn)確計(jì)算基頻幅值和相位；

③ 正確運(yùn)用影響系數(shù)法計(jì)算動(dòng)平衡的校正質(zhì)量和相位。

測(cè)量基準(zhǔn)信號(hào)，本文利用的是LabVIEW中單頻測(cè)量VI來(lái)得到所需要的轉(zhuǎn)速以及基頻相位這2個(gè)參數(shù)，所需程序的框圖如圖6所示?；l轉(zhuǎn)速產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦及余弦信號(hào)。之后將之前測(cè)到的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)的正弦及余弦信號(hào)做互相關(guān)，通過(guò)這種方法就可以得到振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值及相位，該程序框圖如圖7所示。

計(jì)算影響系數(shù)，從而確定出不平衡量的幅值以及相位。本文在試驗(yàn)和分析中運(yùn)用影響系數(shù)法來(lái)對(duì)單面動(dòng)平衡得到的幅值和相位進(jìn)行校正計(jì)算，程序框圖見(jiàn)圖8。

通過(guò)在多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行多次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子在加適當(dāng)?shù)脑囍睾蟛黄胶庹駝?dòng)得到了有效的抑制，振動(dòng)幅度明顯減小。因此本測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。該測(cè)試系統(tǒng)不僅在單面動(dòng)平衡過(guò)程中效果比較理想，同時(shí)亦可推廣到雙面動(dòng)平衡測(cè)試中去。

3 該測(cè)試系統(tǒng)和傳統(tǒng)的儀器之間的對(duì)比分析

虛擬儀器對(duì)比傳統(tǒng)儀器來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：性能高；擴(kuò)展性強(qiáng)；開(kāi)發(fā)時(shí)間少；無(wú)縫集成[7?8]。目前利用虛擬儀器來(lái)完成測(cè)試、工業(yè)I/O控制以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)已成為主流，伴隨著虛擬儀器技術(shù)正在不斷的完善和提高，虛擬儀器已經(jīng)在許多的應(yīng)用中代替了傳統(tǒng)的儀器。伴隨著相關(guān)軟件的不斷革新，虛擬儀器的使用前景也將更加的廣闊，能夠使使用者在使用起來(lái)有更多的靈活性和更加強(qiáng)大的功能[9?10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)將虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試、分析、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡一體化。虛擬儀器能夠大大降低人工操作帶來(lái)的不確定性，在全自動(dòng)化的測(cè)試和分析中提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，比傳統(tǒng)的動(dòng)平衡測(cè)量?jī)x器有更好的發(fā)展前景，性價(jià)比也更高。

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[8] ALICI G，SHIRINZADEH B. Oprimum dynamic balancing of planar parallel manipulators based on sensitivity analysis [J]. Mechanism and Machine Theory， 2006 （41）： 1520?1532.

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