張炫山，楊志軍，何海超

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

0 引言

在材料測(cè)試中，往往需要對(duì)頻率和阻尼特性進(jìn)行測(cè)試[1]，尤其是可以直觀反映振動(dòng)能量衰減快慢程度的阻尼特性[2]，越來越受到重視。因此設(shè)計(jì)一套快速檢測(cè)材料特性的檢測(cè)系統(tǒng)，可以減少檢測(cè)時(shí)間并提高自動(dòng)化程度。LabVIEW具有圖形化編程的特點(diǎn)，同時(shí)具有實(shí)用的驅(qū)動(dòng)程序以及函數(shù)庫(kù)，可以有效地縮短開發(fā)時(shí)間。本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一套對(duì)待測(cè)材料產(chǎn)生的加速度振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析的檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)材料的頻率和阻尼的測(cè)量。通過對(duì)彈片式柔性鉸鏈的小阻尼系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明該檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確有效。

1 檢測(cè)原理

通過敲擊使單自由度小阻尼系統(tǒng)產(chǎn)生自由響應(yīng)，其自由振動(dòng)響應(yīng)的加速度方程[3]為

(1)

式中ωd為有阻尼固有圓頻率，rad/s。

如圖1所示，該響應(yīng)為指數(shù)衰減正弦曲線，根據(jù)其性質(zhì)，振動(dòng)曲線的包絡(luò)線[4]為

(2)

式中fd為有阻尼固有頻率，Hz。

圖1 指數(shù)衰減正弦曲線及包絡(luò)線

此時(shí)，可以通過振幅對(duì)包絡(luò)線進(jìn)行擬合，則有擬合曲線

y(t)=Ae-nt

(3)

式中n為指數(shù)衰減系數(shù)。

二式比較可得阻尼比

(4)

據(jù)此，可以分別通過求出以自然常數(shù)為底的指數(shù)包絡(luò)線得出指數(shù)衰減系數(shù)n以及通過FFT得到系統(tǒng)的自由振動(dòng)頻率fd，從而求得系統(tǒng)的阻尼比ξ。

2 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖2所示，將待測(cè)材料安裝后，通過敲擊使待測(cè)材料產(chǎn)生自由振動(dòng)。加速度傳感器將該振動(dòng)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，通過數(shù)據(jù)采集卡將振動(dòng)信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分析。計(jì)算機(jī)通過LabVIEW編寫上位機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的處理。通過模塊化的編程思想，對(duì)上位機(jī)的功能進(jìn)行模塊化編程[5]，分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)保存模塊，對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)所需的各個(gè)功能。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)將加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)作為檢測(cè)的硬件基礎(chǔ)，其中為了測(cè)量材料產(chǎn)生的自由振動(dòng)的加速度信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)采用了PCB-333B30型號(hào)的加速度傳感器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡所識(shí)別的電信號(hào)，其頻率檢測(cè)范圍為0.5～3 000 Hz。數(shù)據(jù)采集卡采用了NI PXIe-4464數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡擁有可自動(dòng)匹配至采樣速率的內(nèi)置抗混疊濾波器和204.48ksps的最大采樣率。此外，計(jì)算機(jī)由NI PXIe-1085機(jī)箱和PXIe-1088內(nèi)嵌式控制器組成，擁有24 GB/s的系統(tǒng)總帶寬和匹配PXIe-4464采集卡的插槽。NI公司對(duì)旗下采集卡已整合好驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)庫(kù)DAQ-mx，可以通過軟件LabVIEW調(diào)用DAQ-mx函數(shù)庫(kù)，從而快捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。此外，LabVIEW圖形化編程的特點(diǎn)可以很方便地編寫后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和保存等功能模塊，進(jìn)而整合為測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 整體框架設(shè)計(jì)

程序整體框架如圖3所示，采用了生產(chǎn)者/消費(fèi)者的設(shè)計(jì)模式。生產(chǎn)者通過事件結(jié)構(gòu)處理用戶在上位機(jī)界面上的操作，從而產(chǎn)生與操作相對(duì)應(yīng)的事件，如采集、分析和保存數(shù)據(jù)等事件響應(yīng)，通過隊(duì)列將事件響應(yīng)傳輸?shù)礁飨M(fèi)者即各個(gè)模塊中。消費(fèi)者則對(duì)這些生產(chǎn)者所產(chǎn)生的事件響應(yīng)進(jìn)行處理，從而完成后續(xù)對(duì)應(yīng)響應(yīng)的工作。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)波形顯示。數(shù)據(jù)分析模塊可以對(duì)自由振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻率和阻尼分析，得出待測(cè)材料的特性分析結(jié)果。數(shù)據(jù)保存模塊可以將采集的波形和分析結(jié)果進(jìn)行保存，同時(shí)也可以將之前已保存的文件進(jìn)行回放，方便查看已保存的波形和分析結(jié)果。

圖3 軟件系統(tǒng)框架

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是基于DAQ-mx函數(shù)庫(kù)進(jìn)行編程的，通過調(diào)用函數(shù)庫(kù)中定時(shí)和觸發(fā)等函數(shù)可以方便地對(duì)采集設(shè)備進(jìn)行配置與底層操作。如圖4所示，數(shù)據(jù)采集模塊包括對(duì)數(shù)據(jù)采集的采集設(shè)置，以及對(duì)采集數(shù)據(jù)讀取與實(shí)時(shí)顯示等功能。

(a)采集設(shè)置模塊

(b)采集模塊圖4 采集設(shè)置和采集模塊界面

在采集設(shè)置中，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)試對(duì)象，對(duì)采集通道、采樣模式以及時(shí)鐘源等設(shè)置進(jìn)行修改。此外，可以根據(jù)測(cè)試對(duì)象特性，對(duì)測(cè)量量程和采樣率等參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，提高信號(hào)的信噪比。數(shù)據(jù)讀取和波形顯示通過讀取函數(shù)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并通過波形圖進(jìn)行顯示，同時(shí)也通過游標(biāo)對(duì)曲線上的數(shù)值進(jìn)行讀取，并對(duì)區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值、最小值和直流值等統(tǒng)計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

4.3 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的自由振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，包括對(duì)直流分量的去除、自由振動(dòng)的頻率分析和阻尼分析等功能，分析界面如圖5所示。

圖5 分析模塊界面

4.3.1 去除直流分量

對(duì)加速度傳感器輸出的模擬量進(jìn)行采集，往往存在干擾的直流分量，該直流分量會(huì)對(duì)后續(xù)的頻率分析和阻尼分析造成干擾，因此需要進(jìn)行去除。對(duì)振動(dòng)信號(hào)求平均值，即可得到信號(hào)的直流分量，將振動(dòng)信號(hào)全體減去直流分量后，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)直流分量的去除。

4.3.2 頻率分析模塊

根據(jù)檢測(cè)原理，頻率分析模塊需要對(duì)振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析并得出固有頻率fd。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，頻率分析模塊由窗函數(shù)和信號(hào)處理函數(shù)庫(kù)中的提取混合單頻信息函數(shù)組成。去除直流分量的信號(hào)先選擇合適的窗函數(shù)減少FFT的泄漏后，利用提取混合單頻信息函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，尋找頻譜的極大值點(diǎn)，并按照幅值大小將極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行排列。最后，對(duì)幅值最大的頻率進(jìn)行索引，得到的頻率即為系統(tǒng)的固有頻率fd。

4.3.3 阻尼分析模塊

阻尼分析模塊需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)線進(jìn)行指數(shù)擬合并得到指數(shù)衰減系數(shù)n。為此，首先需要對(duì)信號(hào)的波峰進(jìn)行搜索，通過波形波峰檢測(cè)函數(shù)提取檢測(cè)到的多個(gè)波峰以及所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。然后，將波峰和時(shí)間輸入指數(shù)擬合函數(shù)，求出包絡(luò)線的回歸方程，得到擬合的指數(shù)衰減系數(shù)。最后，結(jié)合頻率分析模塊所得出的有阻尼固有頻率，根據(jù)式(4)，求得阻尼比。

4.4 數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊包含將采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表生成和對(duì)生成的報(bào)表進(jìn)行回放的功能。

利用LabVIEW的報(bào)表生成工具包[6]中的寫入函數(shù)，結(jié)合設(shè)置好的Excel模板，可以方便地在指定行列上插入數(shù)據(jù)，從而生成Excel報(bào)表文件。對(duì)Excel報(bào)表進(jìn)行讀取回放時(shí)，利用報(bào)表生成工具包中的讀取函數(shù)，將指定行列的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過相對(duì)應(yīng)的顯示控件進(jìn)行顯示，如圖6所示。

圖6 回放界面

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在運(yùn)用LabVIEW編寫上位機(jī)軟件后，采用了彈片式柔性鉸鏈系統(tǒng)作為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，柔性鉸鏈系統(tǒng)與加速度傳感器的布置如圖7所示。

圖7 柔性鉸鏈系統(tǒng)與傳感器布置圖

在上位機(jī)上對(duì)采集參數(shù)完成設(shè)置后，對(duì)柔性鉸鏈系統(tǒng)進(jìn)行敲擊，使系統(tǒng)產(chǎn)生自由振動(dòng)響應(yīng)。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集的加速度信號(hào)進(jìn)行分析并保存，在進(jìn)行5次敲擊實(shí)驗(yàn)后，分析結(jié)果如表1所示?？梢郧蟮?，5次敲擊實(shí)驗(yàn)通過分析得到的頻率與阻尼比的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.174 Hz和0.020%，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值較小，說明系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性。

表1 實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表

將保存的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行驗(yàn)證，通過FFT算法，得出系統(tǒng)的固有頻率。通過findpeaks函數(shù)尋找波峰，將檢測(cè)到的波峰輸入到cftool工具箱中進(jìn)行指數(shù)擬合，得到指數(shù)衰減系數(shù)，最后通過式(4)算得阻尼比。從式(4)可以看出，固有頻率和擬合的指數(shù)衰減系數(shù)的誤差將共同決定阻尼比的誤差，因此，以MATLAB求得的阻尼比作為基準(zhǔn)，通過對(duì)比，驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，如表2所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)檢測(cè)的阻尼比與MATLAB求得的阻尼比誤差小于1.5%，說明系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果有較高的精度。

表2 MATLAB分析結(jié)果對(duì)照表

6 結(jié)束語(yǔ)

文中基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了針對(duì)小阻尼系統(tǒng)的頻率、阻尼特性的檢測(cè)系統(tǒng)，并給出了基本原理與整體方案。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)頻率和阻尼分析、報(bào)表生成及數(shù)據(jù)回放等多種功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠靈活配置采集設(shè)置且檢測(cè)的頻率和阻尼準(zhǔn)確性好，保存的數(shù)據(jù)可以方便查看。