林喜鑒

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院,福建 福州 350003）

基于Labview的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的研究

林喜鑒

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院,福建 福州 350003）

由于傳統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、大量測(cè)試功能浪費(fèi)等缺點(diǎn)，文中基于振動(dòng)計(jì)量領(lǐng)域的測(cè)試需求，以NI USB-6366便攜式8通道同步采集模塊和Labview 8.2軟件為平臺(tái)，對(duì)多通道振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試的基本功能。

振動(dòng)測(cè)試；虛擬儀器；同步采集；Labview

1 概述

隨著振動(dòng)測(cè)試技術(shù)理論的發(fā)展，以及工業(yè)生產(chǎn)對(duì)振動(dòng)測(cè)試的大量需求，振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)在機(jī)械、電力、石化、建筑和航空航天等行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。但是，成本低廉、簡(jiǎn)單可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)卻很少。尤其在國(guó)內(nèi)振動(dòng)計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域中，各計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)大量采用丹麥B&K公司的pulse（3560B、3560C、3160A）振動(dòng)分析系統(tǒng)。這些傳統(tǒng)專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)在應(yīng)用中都存在不足之處，比如價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、擴(kuò)展性較差、大量測(cè)試功能浪費(fèi)等。但伴隨著虛擬儀器技術(shù)在振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中的快速發(fā)展，采用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)測(cè)試與分析系統(tǒng)具有操作性好，用戶可根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求定制測(cè)量功能，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

因此，文中基于振動(dòng)計(jì)量領(lǐng)域的測(cè)試需求，以NI USB-6366便攜式8通道同步采集模塊和Labview軟件為平臺(tái)，對(duì)多通道振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試與分析的基本功能。

2 系統(tǒng)的總體組成

該振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、NI USB-6366數(shù)據(jù)采集卡、PC電腦及運(yùn)行在PC電腦上的Labview軟件平臺(tái)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的組成圖

硬件部分由振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和PC電腦構(gòu)成。振動(dòng)傳感器將所測(cè)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電荷信號(hào)傳給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行縮放、濾波、多路復(fù)用等處理，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、放大等，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后由運(yùn)行在PC上的振動(dòng)測(cè)試分析Labview軟件進(jìn)行分析。

其中，系統(tǒng)硬件中核心的數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司的 USB-6366，其擁有8路同步模擬輸入通道，2路模擬輸出通道，最大模擬輸入輸出電壓為±10V，最高采樣率達(dá)2MS/s[2]。

軟件部分所實(shí)現(xiàn)的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的主要功能包括以下：

（1）信號(hào)采集：對(duì)多通道振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高速同步采集，包括對(duì)物理通道、采樣率、濾波、量程等參數(shù)設(shè)置。

（2）波形分析：對(duì)所采集的多通道信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，顯示加速度、速度、位移信號(hào)波形，并實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的頻率、幅值、相位、失真等參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)處理：對(duì)所測(cè)的振動(dòng)信號(hào)（頻率、幅值、相位等）進(jìn)行二次分析計(jì)算，以得出各測(cè)量領(lǐng)域所需要的數(shù)據(jù)。

（4）存儲(chǔ)輸出：對(duì)管理信息及所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行固定格式排版后存儲(chǔ)。

3 Labview系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的虛擬儀器軟件Labview 8.20作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件部分的功能設(shè)計(jì)。Labview其實(shí)是一個(gè)圖形化的編程平臺(tái)，類似C的，對(duì)于采集和測(cè)試來(lái)講，它的特色就是在于用它編程起來(lái)比較方便，很多VI直接拿過(guò)來(lái)就可以用。但是對(duì)于一個(gè)很大的項(xiàng)目來(lái)講，比如幾百路的輸入輸出，中間摻雜多種數(shù)據(jù)類型的小波分析，傅里葉變換等等Labview就要方便很多了。

基于Labview平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)主要包括前面板和程序框圖兩方面。前面板是人機(jī)交互界面，該界面上有交互式的控件，包括用戶向程序輸入的參數(shù)、以及向用戶顯示的數(shù)據(jù)或界面。程序框圖就是編寫程序的地方，把所要實(shí)現(xiàn)功能的函數(shù)拖到程序框圖上，再根據(jù)數(shù)據(jù)流方向把函數(shù)連接起來(lái)，比文本語(yǔ)言直觀很多[3]。

根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)方法，依照系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)功能可將軟件部分分為信號(hào)采集模塊、波形分析模塊、數(shù)據(jù)二次計(jì)算模塊、存儲(chǔ)輸出模塊[4]。

（1）信號(hào)采集模塊：

對(duì)多通道振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高速同步采集，包括對(duì)物理通道、采樣率、濾波、量程等參數(shù)設(shè)置，其同步采集程序框圖流程如圖2所示，信號(hào)采集模塊設(shè)置如圖3所示。

圖2 多通道信號(hào)同步采集程序流程圖

①通道設(shè)置：在Labview平臺(tái)前面板上創(chuàng)建虛擬通道，并在其中進(jìn)行通道設(shè)置，包括物理通道選擇、輸入范圍、輸入接線端配置等。

②采樣設(shè)置：在Labview平臺(tái)前面板上設(shè)置采樣時(shí)鐘的源、采樣率、采樣模式、每通道采樣數(shù)（采樣模式為有限采樣下設(shè)置）。

③同步選擇：在Labview平臺(tái)程序框圖上對(duì)不同型號(hào)NI的多通道數(shù)采卡配置相應(yīng)的同步類型，本系統(tǒng)所使用的NI USB-6366數(shù)據(jù)采集卡同步類型配置為“E系列，S系列”。

④發(fā)送觸發(fā)：在Labview平臺(tái)程序框圖上配置任務(wù)在數(shù)字信號(hào)的上升/下降沿開始采集或生產(chǎn)采樣。

⑤開始采集：在Labview平臺(tái)程序框圖上使任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，開始測(cè)量或生成。

圖3 信號(hào)采集模塊設(shè)置圖

（2）波形分析模塊：

對(duì)所采集的多通道信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，顯示加速度、速度、位移信號(hào)波形，并實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的頻率、幅值、相位、失真等參數(shù)。其波形分析模塊如圖4所示。

時(shí)域分析功能是要顯示信號(hào)的時(shí)域特征，是對(duì)測(cè)試信號(hào)最簡(jiǎn)單直觀的描述。時(shí)域信號(hào)分析函數(shù)位于Functions Palette的Signal Processing | Signal Operation面板下，該函數(shù)面板提供的分析函數(shù)有交直流成分檢測(cè)、微分、積分等。

圖4 波形分析模塊圖

頻域分析功能用來(lái)描述信號(hào)幅度和相位與頻率間的變化規(guī)律，通過(guò)頻譜可以直觀地觀察和分析信號(hào)的頻率組成。頻域信號(hào)分析函數(shù)位于Functions Palette的Transforms和Special Analysis面板下，主要包括傅里葉變化和功率譜分析等。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊：

對(duì)所測(cè)的振動(dòng)信號(hào)（頻率、幅值、相位等）進(jìn)行二次分析計(jì)算，以得出各測(cè)量領(lǐng)域所需要的數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)處理模塊如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)二次處理模塊圖

如在比較法振動(dòng)幅相測(cè)量中對(duì)振動(dòng)傳感器靈敏度進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)一般同步采集參考傳感器和被校傳感器的兩路輸入電壓信號(hào)，則被校傳感器的靈敏度幅值和相位可根據(jù)公式（1）計(jì)算：

（4）存儲(chǔ)輸出模塊：

存儲(chǔ)輸出功能主要是對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的及二次數(shù)據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行排版，并生成EXCEL文件后進(jìn)行存儲(chǔ)打印。其存儲(chǔ)輸出模塊如圖6所示。

圖6 存儲(chǔ)輸出模塊圖

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為確保所研究的基于Labview的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的有效性和測(cè)試結(jié)果可靠性，用該系統(tǒng)與B&K 3560C Pulse振動(dòng)分析系統(tǒng)，同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上的背靠背安裝的參考加速度計(jì)8305和被校加速度計(jì)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果（參考加速度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)振幅、被校加速度計(jì)的靈敏度）進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果的比對(duì)驗(yàn)證

從測(cè)試結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證可知，所研究的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的有效、可靠且便捷，且在測(cè)試過(guò)程，也驗(yàn)證了信號(hào)采集、波形分析、數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)輸出功能，故該系統(tǒng)可應(yīng)用于實(shí)際振動(dòng)測(cè)試分析。

5 總結(jié)

通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，文中開發(fā)的基于Labview的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能滿足振動(dòng)測(cè)試的基本需要，與傳統(tǒng)儀器相比，具有操作簡(jiǎn)單、開發(fā)效率高、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。另外，本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，用戶可根據(jù)不同的測(cè)試需求以擴(kuò)展相應(yīng)的測(cè)試功能。

[1]紀(jì)國(guó)宜,趙淳生. 振動(dòng)測(cè)試和分析技術(shù)綜述[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2010, 40(03)∶1-5.

[2]蒙艷玖,高鳳偉,段敬利,等. 基于Labview的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào),2007, 32(02)∶114-117.

[3]陳錫輝,張銀鴻. Labview 8.20 程序設(shè)計(jì) 從入門到精通[M].北京∶ 清華大學(xué)出版社,2007.

[4]李立銘.基于Labview的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究[J].儀表技術(shù),2013, (02)∶5-8.

Research on Vibration Measurement and Analysis Systerm Based on Labview

LIN Xi-Jian
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

The traditional vibration test and analysis system is expensive, complex operation, a large number of test function waste and other shortcomings. For the requirements, based on NI USB-6366 portable 8-channel synchronous acquisition module and Labview 8.2 software platform, this paper studies the multi-channel vibration signal measurement and analysis system , in order to achieve the basic functions of vibration testing.

Vibration test; Virtual instrument; Synchronous acquisition; Labview

2016-09-07

林喜鑒，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院力學(xué)室，工程師，檢定員