基于虚拟仪器技术的振动测试系统研究

罗颂荣

(湖南文理学院机械工程学院，湖南常德，415003)

摘要：为解决机械工程领域内振动测试所需仪器繁杂、成本高的难题，把虚拟仪器技术引入解决机械工程领域中的振动测试问题。通过把计算机技术及数字信号处理技术有机结合，构建了以笔记本电脑和应用软件为核心的振动测试系统。使用笔记本电脑和USB2008数据采集卡搭建了硬件平台，在此基础上实现了对各种信号进行的分析功能。通过对实际测试结构分析，得到了与理论相一致的测试结果。

关键词：虚拟仪器技术；振动测试；LabVIEW；频率域 中图分类号：TP274 TB52+3 文献标识码：A 0引言

计算机机技术与测试技术两门学科中的最新技术结合的产物就是虚拟仪器技术，其有机地融合了计算机接口技术、高速总线技术、图形软件编程技术、仪器原理和技术和测试理论。虚拟仪器测试系统由硬件和应用软件两大块，具体来说其主要包括计算机硬件和具有图形界面特征的能够实现过程通讯、数字分析与处理的应用软件组成，允许用户根据自己的喜好把仪器厂家出厂定义的仪器功能进行自定义，用户根据自己的需要和要求有针对性地进行选择和使用，具有通用性强、适应范围广等特点。 1虚拟仪器系统构成

在现场机械测试中，非常常见的一种测试是机械振动的测试，如车辆平顺性测试、发动机振动测试和齿轮故障诊断等。测试过程的核心问题是对获取的振动信号进行信号分析，在测试中需要传感器、滤波器、记录仪、信号调理装置和谱分析仪等，所需仪器繁杂，精度要求高，且测试周期长。开发的振动测试系统把计算机技术、仪器技术和数字信号处理技术等技术进行了有机地融合，构建了以笔记本电脑为核心的振动测试系统[1]。用笔记本电脑和带USB接口的数据采集卡搭建了硬件平台来实现信号的获取，通过软件编程来实现仪器功能，完成信号分析。该测试分析系统有两大部分组成，系统框图如图1所示。 1.1硬件部分

被测对象的振动信号或参数被加速度传感器收集，通过信号处理装置进行放大后进行滤波等处理，接着通过数据采集卡，其被转换为计算机能够识别和运算的数字信号，最近送达笔记本电脑进行处理。振动测量中最常用的传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。本文选择USB2008数据采集卡作为A/D转换装置，USB2008数据采集卡是高集成度、16通道、12位USB输出数据采集卡，能很好地满足现场测试要求。 1.2应用软件部分

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应用软件是测试系统的核心部分。主要是对硬件获取的信号利用数字信号处理技术进行时域和频域分析和显示，包括波形显示，相关分析、谱分析。应用软件是应用经典的振动信号分析理论，利用图形化编成语言 LabVIEW软件编程来实现的。

USB2008被测信号传感器数据采集卡笔记本计算机应用软件 2 系统软件的设计与实现

基于虚拟仪器技术的振动测试系统其主要功能是通过应用软件来达到对振动测试信号的分析与处理的目的。该应用软件是在LabVIEW7.1平台上采用了结构化和模块化编程的基本思路开发的[2]。该应用软件由4大功能模块组成：信号波形显示模块、信号采集和存储模块、硬件设置模块、信号的处理功能模块，图2为系统前面板。其中信号分析、处理模块是核心模块，该模块对振动测试信号进行经典的幅值域分析，时域分析及频域分析，包括有方差、均值、概率密度函数、自相关、互相关、幅值谱、自功率谱，互功率谱及倒频谱等信号分析功能。测试方式有在线和离线两种方式。用于信号的实时监测一般用在线方式，测试分析能够实现实时分析；采用的离线方式而是先把信号记录下来，然后再进行分析和回放。

图2 振动测试虚拟仪器系统控制2.1幅值域和时域分析模块

自相关分析、波形显示和互相关分析主要用在时域分析中。互相关反映出了两个随机变量的统计之间的相互依赖关系。自相关则用于判断信号的随机程度大小，可以检测出混在随机信号中的周期信号成分；自相关分析如图3 所示。输出和输入信号的概率密度曲线和概率

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图1 振动测试分析系统结构

密度分布曲线通过振动幅值域分析模块可以观测到，同时也可以直接求出均值、均方值和方差等幅值域参数。图4 是某次振动测试的时域波形显示图。

图3 自相关分析程序方框图

2.2 频率域分析模块

图4 时域波形显示图

振动信号的频率域分析主要有互功率谱分析、幅值谱分析、频率响应函数分析、倒频谱分析和自功率谱分析等[3]。图5 是振动实时波形及倒频谱分析程序的方框图，从图中可知，通过虚拟仪器应用软件中相应的显示波形和自功率谱等子程序模块就能够实现以上这些功能。频率响应函数表示激振力和测量点振动参数之间的关系，在振动分析中有着非常重要作用。频率响应函数曲线也是模态参数识别的依据。图6 是某次振动测试的频率响应函数曲线。数据处理时为了提高频率分辨率，减少能量泄露[4]，采用加汗宁窗函数。从图中可以看到幅值-相干曲线上看，相干系数有多处峰值，且固有频率发生在峰值的附近，其结果与在固有频率处发生相干的理论相果相符。

图5倒频谱分析程序方框图

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3结论

图6频率响应函数曲线

设计的基于虚拟仪器技术的振动测试系统具有性能高、可扩展性强、开发时间少和无缝集成等特点，采集到的数据可以直接进行信号处理。另外，为使获得的测试曲线要符合实际情况，对其可以进行拟合处理。基于虚拟仪器技术的振动测试系统能够尽可能地减少测试系统的软硬件成本，较好地实现了对采集到的振动信号进行实时采集、实时分析和处理，其结果是测试周期大大缩短，分析准确性大大提高。

参考文献

[1]赵永立.基于LabVIEW 的车辆振动测试分析系统研究[D].河北工业大学,2003.06：32-35. [2]吴国新,许宝杰,朱春梅.基于LabVIEW 的虚拟振动测试系统[J].北京机械工业学院学报,2000.12：38～45.

[3]黄长艺,严普强.机械工程测试技术基础(第二版)[M] .北京：机械工业出版社,2005. [4]李方泽.工程振动测试与分析[M].北京：高等教育出版社,1992.

作者简介：罗颂荣，女，1973年生 湖南浏阳人。1996年毕业于湖南大学机械与汽车工程学院汽车专业 ，现任湖南文理学院机械工程学院副教授。主要研究方向：先进制造技术，机电一体化技术，计算机自动控制与测量。联系地址：湖南省常德市洞庭大道西段170号湖南文理学院机械工程学院，邮编：415003。

课题来源：湖南省教育厅2007年科研项目，项目编号：07C447。

Study of Vibration Measurement System Based On the Virtual

Instrument Technology*

Luo Songrong

(Department of Mechanical Engineering, Hunan University of Science and Arts ,Hunan Changde, 415003) Abstract：In order to solve difficult problems or vibration testing instrument in the field of

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mechanical engineering such as complex test equipments and high cost, the virtual instrument technology was introduced to solve problems of vibration test in the field of mechanical engineering. Through organic combination of both the computer technique and digital signal processing technology, vibration test system adopted laptop computers and application software as the core was constructed. Hardware platform was built by using USB2008 laptop computers and data acquisition card, on the basis of that, analysis function to various kinds of signals was realized. Through the analysis of actual testing structure, test results that are consistent with the theory are obtained. Keywords：virtual instrument technology; vibration measurement; LabVIEW; frequency domain

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