基于虚拟仪器的转子实验台.doc

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measurement and control.the system that is designed with the professional sofe labview includes real-timely daq、data processing.the paper discusses the total project of measurement and control system、the configuration of local measurement and control system hardware、the development of virtual instrument soft programme in depth.key word: rotor test-bed virtual instrument labview data acquisition 目 录第1章 绪论.11.1国内外研究发展现状.11.2选题背景和意义.2 1.3本课题的主要工作.3第2章 测控系统总体结构.42.1硬件系统.42.1.1多功能转子实验台.4 2.1.2测控系统.52.1.3传感器的选择.6 2.2 软件系统.7第3章 转子实验台现场测控系统.83.1 数据采集及信号处理.8 3.2 模/数转换.93.3去噪处理和信号滤波. .10 3.4 信号分析和处理.12第4章 转子实验台虚拟仪器开发.144.1 虚拟仪器概述.144.1.1 虚拟仪器的概念.14 4.1.2 虚拟仪器的基本结结构和类型.15 4.2 虚拟仪器的开发软件.164.3 转子实验台虚拟仪器的设计.17 4.3.1 轴心位移测量模块.184.3.2 振动分析模块.20第5章 结论.225.1 结论.22参考文献.23致谢.24第一章 绪 论1.1 国内外研究发展现状随着科学技术的发展，检测技术已经广泛应用于人类科研、生产和生活等活动领域，检测技术既是服务于其它学科的工具，又是综合运用其它多学科最新成果的尖端性技术。因此检测技术的发展是科学技术和生产发展的重要基础，也是一个国家生产力发胀程度和现代化程度的重要标志。检测技术有力地促进了科学技术和生产的发展，而科学技术和生产的现代化，不仅对检测技术提出了更高的要求，也为检测技术提供了丰富的物质手段和技术条件，从而促进其不断发展。目前，检测技术的发展趋势可从以下四个方面进行综述： 不断扩大测量范围 提高测量精度及可靠性 开发检测的新领域和新技术 利用集成化技术和计算机技术新型传感器 检测任务的完成离不开检测仪器，20世纪70以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，并渗透到检测仪器和仪器技术领域。在它们的推动下，检测技术与仪器不断进步，由原来的模拟仪器和数字仪器发展到了现在的智能仪器、总线仪器、pc仪器、虚拟仪器等微机化仪器和自动化检测系统，计算机与现代仪器设备之间的界线日渐模糊。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与检测技术发展的主潮流。正是在这种趋势的影响下，产生了新一代的检测仪器虚拟仪器。虚拟仪器它是通过应用程序将计算机与功能硬件（完成信号获取、转换和调理的专用硬件）结合起来，从而把计算机的强大运算、存储和通信能力与功能硬件的测量和转换能力融为一体，形成一种多功能、高精度、可灵活组合并带有通信功能的测试技术平台。大致来说,虚拟仪器发展到今，可以分为三个阶段，而这三个阶段可以是同步进行的。 第一，gpib(通用接口总线)标准的建立增强了传统仪器的功能。通过插 在计算机上的gpib接口卡或传统仪器内置，传统仪器可以和计算机进行通 信，用户就可以通过计算机控制仪器，使得仪器的自动化测量成为现实，并成为仪器测控的发展方向，这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线的。但是pgib总线只适用于消息基器件的操作，不适用于寄存器操作，且其数据传输率只有1mb/s,存在数据传输速度慢的特点。 第二，开放式仪器构成。在这期间，主要由二大技术进步所推动：一是插入式计算机数据处理卡，后来发展到即插即用的数据卡；二是在1987年7月，来自colorado data system，hewlett packard，racal dana， tektronix和 wavetek等五家著名仪器公司的技术代表发布了第一个vxi总线规范的 第一个版本。其消除了第一阶段的由用户定义和供应商定仪器功能的区别。vxi总线数据传输率为40mbs，数据传输速度相对较快。在1993年ieee春天正式接受vxi以前，价格成本较高和系统的易用性，是其得不到广泛应 用的重要原因，然而令人欣慰的是，在1993年，在ni、tek等五家公司发起成立的vxi plugplay systems a1liance制订了详细的vpp标准。加之vxi厂商采用各种先进技术努力降低成本，使vxi的系统成本不断降低，应用范围不断扩大。目前，vxi正在进入“低成本搞市场份额低成本”的良性市场状态。 第三，虚拟仪器在软件和标准方面不断取得进展，其框架得到了广泛的认同和采用。在软件方面，图形化编程成为主流，如ni公司的labview7.1等。在硬件方面，据八十年代五家著名公司推出 vxi总线标准后，九十年代 pci总线被推出，其数据传输速率为132mbs，且成本低，但缺乏同步触发等实时功能，不适合高实时性测量领域的需求。针对此，在1997年，美国国家仪器(ni)推出了兼具pci总线和vxi总线优势的pxi总线，具有系统时钟、同步触发总线功能。如ni公司推出的pxi-4070 flex 数字万用表。 综上所述，虚拟仪器的发展有二个主要特点：一是总线标准技术的发展 ，另一个是软件技术的发展。虚拟仪器与传统仪器相比，虚拟仪器的智能化、处理能力、性能格价比、可操作性都具有明显的技术优势，但由于其所处的工作环境的电磁环境恶劣，使得虚拟仪器在小信号测量、高精度的测量方面 受到了限制。1.2 选题背景和意义20多年前，美国国家仪器公司ni (national instruments)提出“软件即是仪 器”的虚拟仪器 (ni)概念。引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于 计算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍)飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 本课题以转子试验台为测控对象，采用虚拟仪器技术，构建了转子试验台的现场测控系统，实现了自动化检测，本课题可以作为虚拟测控和虚拟实验的一个初步尝试和探索。1.3 本课题的主要工作经过对国内外测控技术的深入研究，以多功能转子试验台为实验对象，结合现有的实验设备，研究和开发多功能转子测控系统。本文在虚拟仪器方面进行以下研究和开发工作： 转子实验台测控系统总体结构设计； 抗干扰装置设计 硬件系统配置：包括各种传感器、数据采集卡的选择。 软件系统编程：包括数据采集程序、数据处理程序设计2第二章测控系统总体结构本章讨论了整个小型多功能转子测控系统的总体结构，整个系统分为两个部分，即硬件平台和软件系统。硬件平台包括多功能转子实验台、数据采集控制系统和计算机；软件系统主要包括试验测控软件.系统总体结构示意图如图2-1所示。转子试验台是本系统的测控对象；系统通过振动传感器和位移传感器采集转子试验台的信号，传感器输出的信号经过调理达到a/d转换器的输入要求，就可以将转子试验台的现场参数采集到计算机中，同时可以对采集的数据进行处理、显示和存储。这样通过计算机来监控转子试验台现场的实际工况。转子试验台信号调理位移传感器振动传感器信号调理a/da/d计算机数据处理数据显示数据处理图2-1 转子试验台测控系统结构图2.1硬件系统硬件系统主要由以下各部分组成：多功能转子实验台、传感器、数据采集系统、计算机。四部分协同工作实现试验数据的采集和在线分析。2.1.1转子实验台转子试验台是本系统的测控对象。其结构如图2-2。图2-2 转子试验台转子试验台采用整体圆柱轴承支承，润滑油润滑。在轴承座上有传感器安装位置，便于轴承根部的振动测量。另外还有传感器支架，用于安装电涡流传感器，对不同位置的轴心位移进行测量。2.1.2传感器的选择1） 移传感器实验台主要用的传感器是电涡流传感器，它主要用来将转子的轴心振动信号变换为可用仪器测量和处理的电压信号。电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生高频的电流从振荡器流入探头线圈中，线圈就产生了一个高频电磁场。当被测金属体的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面上就产生感应电流，即电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场方向相反，这二个磁场相互迭加就改变了原线圈的阻抗并使探头的品质因数降低，影响了线圈的阻抗。所以探头与被测金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。电涡流传感器能测量被测体（必须是金属导体）与探头断面的相对位置。过去对于轴的振动测量通常采用加速度传感器或速度传感器。通过测量机壳振动间接地测量转轴的振动，测量结果的可信度不高。而电涡流位移传感器能直接测量转轴的状态，灵敏度高，抗干扰能力强、非接触测量，因此常被用于旋转机械的轴位移，轴振动、轴转速等参数的监测。电涡流传感器主要包括探头、延伸电缆、前置器等部件。传感器工作的机理是电涡流效应。当接通传感器系统的电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过延伸电缆送到探头中密封的线圈，在探头周围产生交变磁场h1.如果金属导体接近探头，则交变磁场h1将在导体表面产生电涡流场，该电涡流场会产生一个方向和h1相反的交变磁场h2。由于h2的反作用就改变了线圈的有效阻抗，在其它参数不变得条件下，线圈的阻抗就成为探头与金属导体距离的单值函数，其曲线为“s”形曲线，在一定范围内可近似为一线性函数。线圈的阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路的处理转换成电压输出。本系统采用的电涡流传感器是北京测振仪器厂的hz-8500型电涡流传感器，探头为8mm它的输入电压是-24v。安装时将探头分别水平、垂直安装于实验台传感器支架的安转孔，调整探头距离轴心的初始间距，使其初始电压为-8.5v，即静态特性线性段的中部。然后连接延伸电缆和前置器等。传感器的实物图如下所示： 图2-3 电涡流传感器2）压电晶体加速度传感器传感器是典型的振动传感器，压电传感器是以某种物质的压电效应为基础的一种有源传感器。某些电介质物质沿一定方向受外力作用而变形时，在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量-弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。压电传感器的输出信号很微弱，而却内阻很高，一般不能直接显示和记录，需要采用低噪声电缆把信号送到具有高输入阻抗的电荷放大器。电荷放大器由两个作用，一是放大压电传感器的微弱输出信号；另一个作用是把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。本系统选用的是4370系列压电传感器，将压电加速度传感器安装在轴承座上，产生的与轴承振动对应的电荷，经电荷放大器转换为电压信号并放大后，输入数据采集卡，结构如图所示：图2-4压电振动传感器2.1.3轴心位移测量的信号调理轴的径向、轴向位移信号是由电涡流传感器测量得到的，电涡流传感器是基于高频磁场在金属表面的涡流效应而成，可进行非接触测量。安装时，要选择合适的间隙，以保证测量范围内 正负向位移对称，对于直径为8mm探头，其初始间隙电压为-8.5vdc。电涡流传感器输出的信号是轴心位移信号和初始间隙直流电压的叠加，叠加信号的最小值超过了-10v，而本系统所采用的数据采集卡的模拟输入范围最大为-10v10v，因此在轴心位移信号输入计算机前要滤除直流噪声信号。本课题采用了一个高通滤波器可以有效的滤除直流成分。滤波器是一种选频装置，它允许输入信号中的特定频率成分通过,同时抑制或极大地衰减其它频率成分。根据滤波器的选频特性，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种，由于要滤除的信号是一直流信号，因此本系统设计的是一个高通滤波器，如图2-5： 图2-5 高通滤波器ux为电涡流传感器的输出信号，uy为滤波后可以直接输入计算机的信号，r选用的是1k的电阻，c选用的是100f的电容，根据公式fc1/6.28 c r=1.6hz,试验证明，直流信号能够被有效滤除，而位移信号能够不衰减的顺利通过。2.2 软件系统软件系统现场测控软件轴心位移测量轴心轨迹测量振动信号分析现场测控系统软件开发主要使用美国国家仪器公司推出的基于图形开发的优秀集成环境labview，labview作为适时推出的一个优秀的测控软件开发平台和虚拟仪器构建环境，得到了广泛的应用。labview提供了仪器化的编程环境和良好的网络接口，使编程工作大大简便，并可方便的由单机版程序升级为网络程序。试验台测控系统软件主要包括以下几个功能模块：数据采集模块、信号分析和处理模块、转速测量和控制模块、电源控制模块，数据采集模块主要是对轴心位移、振动信号进行采集；信号分析模块负责对采集的振动信号进行相关分析、频谱分析等；转速测控模块实现对直流电机实时转速的测控和转速的精确控制；电源控制控制各种电源设备的启闭。现场测控软件运行于试验服务器端，远程用户通过网络来控制本地测控系统的运行。图2-6 软件系统结构图21第三章 转子实验台现场测控系统3.1.数据采集概述1）什么是数据采集 要想使用微机测控系统对生产过程和科学实验装置进行测量、处理、显示记录和控制，必须首先将被测变量的模拟信号转换成适合微机的数字信号，数字采集的技术正是为这项工作服务的。所谓数据采集是将经过前置放大、滤波后的被测模拟信号转换成数字信号，并从如到计算机进行处理。2）数据采集的任务数据采集的任务是把生产现场的工艺参数采集后，以数字量的形式显示、存储、处理、传送、打印。完成这些任务的基本手段是模拟量的输入通道。数据采集系统主要包括以下部分：信号调理模块；模拟多路切换开关、采样保持（s/h）模块；模数转换模块；其它模块，如定时/计数器，数模转换等。3）数据采集结构常见的数据采集有单通道和多通道两种结构，对只需要采集一路模拟信号的测控系统选择单通道结构，但在实际的测控系统中，一般需要测试多个参数或者对同一个参数进行多点测量，因此多通道数据采集结构应用更加普遍。根据资源共享程度的不同、是否采用多路转换器(mux)及mux安放位置的不同多通道有如下几种方案：1）各路模拟信号由一个多路开关切换，通过共用的单个采样保持器送到模数转换器进行数据采集，它的特点是多路信号共同使用一个s/h和a/d，简化了电路结构，降低了成本，但模拟多路开关分时切换，轮流选通，两路相邻信号在时间上依次被采集，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了时间偏斜误差。2） 在多路转换开关之前，给每路模拟信号通道各加一个s/h，使多路信号的采样在同一时刻进行，然后由各自的s/h保持着采样信号的信号幅值，等待多路开关分时切换，将各路信号输入公用的s/h和a/d。这种方案能满足同步采集的要求，结构又相对比较简单 。不足的地方是采样保持器长时间后都有泄漏，各路信号衰减的程度不同，因此这种结构不是严格的同步输入。3）采用多个单通道结构方案，不需要多路转换器(mux)，每一路都有一个s/h和a/d 对各个模拟信号分别转换，各通道模拟转换器的输出直接挂接在微处理的总线上，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。如果各路信号接受同一个触发信号，就可以做到真正得同步采集。此方案的缺点是要使用较多的模数转换器；由于本系统主要任务是进行加速度传感器振动测量、电涡流传感器位移测量、光电传感器转速测量、转子转速控制等，不对通道之间的相互关系（如互相关、互谱等）进行分析，所以第一种方案可以满足这个要求。3.2 模/数 转换 1模/数（a/d）转换的功能模/数（a/d）转换的功能是将连续时间和幅值的模拟信号转换为时间离散和幅值离散的计算机能够接受和处理的数字信号，并保证转换过程中产生的信号失真在允许的范围之内。a/d接口是数据采集和处理系统中的核心，它的性能好坏直接影响着所采集的数据的准确性和数据分析的可靠性。随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，现在测控领域的数据采集产品广泛采用板卡级结构。这类产品在一块印刷电路板上包括了模拟多路开关（mux）、采样保持电路（s/h）、模数、数模转换器（adc、dac）、定时计数器82538254等部件。应用时，直接插入微机的pci或isa扩展槽，安装方便，操作简单灵活。2在选用a/d板时，以下技术参数应着重考虑：分辨率、转换频率、精度、通道数等。1）分辨率用来表示a/d板对于输入模拟信号的分辨能力，也是a/d板输出的数字编码能够反映多么微小的模拟信号变化，常用a/d板的分辨率用位数来表示。数据采集设备模数转换器的位数越多，可以检测到的信号变化量也就越小。如果a/d板的输入信号电压范围为5v，分辨率为12bit，则与5v-5v电压范围相对应的离散数据在04095之间，即离散数据最多只能分辨出原来连续数据中5-（-5）/(212-1)0.00252.5mv 大小的变化。从上式看出，对于同样的信号，a/d板的分辨率越高，则采样后离散数据的有效位数越多，a/d板对于输入的模拟信号的分辨能力就越强。对于该试验台测试，涡流传感器的分辨率为1，灵敏度为8 ，所以采用分辨率为12位的a/d板足以满足要求。2）转换频率，即采样率。是指单位时间内的采样点数，也就是采样时相邻两采样点最短时间间隔的倒数，单位为hz。进行测试系统设计时应该根据测试信号的类型选择适当的采样率，采样率太低，采集的信号会有很大的失真，但盲目提高采样率，会增加测试系统的成本。在实际测试系统中，一般情况下会有多个被测信号，这些信号独立进入数据采集卡，但是大部分数据采集卡是多个通道共用一个a/d转换器。在这种情况下，数据采集卡的性能指标给出的最高采样率，应该分配到各个通道上。在本试验系统中，转速最高为10000rpm，即167hz。考虑到倍频成分的测量和通道数的要求，最高转换频率不高于10k。目前常用的ni公司的数据采集卡中，低价位的pci-6024e采样率为200ks/s，可以满足本系统的要求。3）a/d板的转换精度反映了采样所带来的数据误差，精度通常与分辨率有关系，高精度的前提必须有高的分辨率。另外输入的连续信号的峰值电压不能超过a/d板的输入电压范围，否则，采得的数据不正确，且可能烧坏a/d板。当然，如果输入信号的电压远远小于a/d板的电压限值，也难以充分利用a/d板高分辨率的优点。在试验的过程中，根据测试信号的电压大小，合理选择a/d板的输入电压范围。数据采集卡性能指标给出的分辨率是满量程时的参数，如果实际上被测信号电压幅值达不到满量程范围，可以通过设置使实际的量程范围与信号电压范围相匹配，这样就充分利用了设备现有的分辨率。4）模拟输入通道数n是指a/d板可以同时对n路输入信号采样。在试验台测试中，最多同时采集6个通道，4个振动测试通道，2个轴心位移测量通道。根据a/d板选择的原则和试验台测试的要求，本文选择使用美国国家仪器公司的多功能数据采集卡pci-6024e，这种a/d卡主要功能和特点如下：a/d转换芯片的分辨率为12bit；最高采样频率为200khz，可任意设定采样频率；16模入通道，任意设定采样通道数，通道自动扫描采集；精度优于0.05%（满量程）；模入范围5v和10v；输入阻抗100m。从a/d板性能参数可以看出，这种a/d板是符合要求的。3.3去噪处理和信号滤波在测控系统中，通常要包含许多的感性负载，例如本系统的电机和pwm电机控制器。他们在工作时，会产生很强的电磁辐射，形成幅值很大的尖峰脉冲噪声，这些噪声和所采集的有用信号一起通过模拟输入通道输入计算机，大大影响了信号分析结果的可靠性。本系统的去噪方法是采用信号滤波。转子实验台各信号频率范围是0-167hz，通过对噪声信号的分析，发现噪声的频谱与信号频谱有交叠，所以用频域滤波的方法（如低通、高通滤波器等）进行处理会影响信号本身。造成有用信号的失真。如果用时域滤波的方法（如中值滤波等）就能够较好的把噪声滤除，而信号失真很小。因为在时域中，信号的轮廓很清晰，噪声信号只是随机的造成了许多的毛刺和尖峰，因而本系统中采用的时域滤波的方式去除噪声。滤波一般分为模拟滤波和数字滤波，模拟滤波很容易实现频域滤波而难以实现时域滤波，数字滤波既可以实现时域滤波又可以实现频域滤波。本课题采用了软件数字滤波法即计算机算法对所采集的数据进行了处理14。 通过对噪声信号的分析和统计，本系统采用时域中值滤波算法处理信号，中值滤波就是用一个含有奇数点的滑动窗口，将窗口正中那点值用窗口内各点的中值代替。 设有一个一维序列 f1f2fm。窗口长度为m(m为奇数)，对此序列进行中值滤波，就是从输入序列中相继抽出m个数，fi-vfi-1fifi+1fi+v,其中f i为窗口的中心值，v=(m-1)/2，再将这m个点值按其数值大小排列，取其序号为正中间的那个数作为滤波输出。用数学公式表示为y i=med fi-vfi-1fifi+1fi+v iz, v= (m-1)/2, 中值滤波可以用来减弱随机干扰和脉冲干扰，在系统实际应用中取得了不错的效果。图3-1是1000转/分时圆盘原始振动信号波形、图3-2是时域中值滤波后的波形、图3-3是频域低通滤波后的波形。图3-1 原始振动信号图 图3-2 中值滤波后的波形图图3-3低通滤波后的波形图值滤波不仅恢复原波形形状而且保持原波形的相位信息。而低通滤波虽滤掉了干扰信号但也破坏了原始信号，图3.3中可发现滤波后的波形发生了相位改变。3.4 信号分析和处理信号分析和处理是数据采集系统重要的部分，由于被测信号各种各样，所以由各种传感器或放大调理电路输出的信号也是各不相同的，根据信号种类的不同，信号的分析方法也各不相同。labview开发环境提供了很多数字滤波、信号分析和处理方面的控件，利用这些控件可以实现转子试验台各种信号分析和处理的功能。1轴心轨迹测量轴心轨迹一般是指转子轴心一点相对于轴承座在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹，该轨迹是一平面曲线。轴心轨迹的形状可以反映出主轴承的运行情况，液体润滑情况等。轴心轨迹的测量一般采用两个电涡流传感器测量出x轴位移和y轴的位移，进行合成。x、y方向的振动波形振幅相同，只含有转速频率成分的简谐振动，二者相位差为90度。对于大多数实际转子。由于轴的各向弯曲刚度存在着差异，引起转速频率振动的原因也不全是不平衡，轴心轨迹也不再是圆，而是椭圆。与其对应得x和y方向振动波形不仅幅值不同，而且相位差也不是90度。轴心轨迹测量流程如下图：x轴位移y轴位移数据采集卡ad中值滤波中值滤波 x轴波形y轴波形轴心轨迹 3-4 轴心轨迹测量流程图2振动信号分析工程上所测得的信号一般为时域信号，然而由于故障的发生往往引起信号的频率结构的变化，为了通过所测信号了解观测对象的动态行为，往往需要频域信息。将时域信号变换至频域加以分析的方法称为频谱分析。频谱分析的目的是把复杂的时间历程波形，经傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。在本系统中，由振动分析模块对所采集的振动信号进行时域分析和频域分析，从而研究轴承转子系统的一些动力学特性，如旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等。3自相关分析在测试结果的分析中，相关性是一个非常重要的概念，相关指的是变量之间的线性关系，变量x、y之间的相关程度可以用相关系数来表示。自相关函数可以检验信号中是否含有周期信号，如果信号中有周期成分，则其自相关函数在稍大时都不衰减，并具有明显的周期性，不含周期成分的随机信号在稍大时自相关函数就趋近于零。互相关函数则是工程中在噪声背景下提取有用信号的一个非常有效的手段。为了滤除信号中的噪声和不需要的频率成分，分析模块设置了中值滤波器。为了减小和抑制频率泄露，采用汉宁窗，对时域信号进行加权处理。在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。对振动加速度进行了两次积分，分别得到了振动速度和位移信号。振动分析流程图如下图3-5：数据采集汉宁窗自相关分析中值滤波频谱分析积分积分图3-5 振动分析流程图第四章 转子试验台虚拟仪器系统的开发仪器仪表作为测控的重要工具在科研和生产过程中起着重要作用，在对大规模、自动化、智能化电子测控系统的需求愈发迫切的形式下，计算机技术、仪器技术和通信技术的结合开创了仪器仪表新的里程碑-虚拟仪器技术 ，它结合了计算机和传统仪器仪表的特点，具有更高的灵活性和可定义性。本远程测控系统就是根据这一特点，采用虚拟仪器开发工具labview开发了本地测控系统，方便地实现了仪器的网络化。4.1 虚拟仪器概述虚拟仪器（virtual instrument）是计算机技术和仪器系统结合的产物。它把计算机、传感器、仪器仪表等硬件与计算机软件结合起来。除继承传统仪器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中可以根据需要定制仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，大大突破传统仪器在数据处理、表达、传送、存储方面的限制。由于虚拟仪器系统是基于模块化软件标准的开放系统，当用户测试要求变化时可方便地由用户自己来增减硬件、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的vi系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。总之，使用虚拟仪器系统不仅提高了开发效率而且降低了开发成本，在系统测控方案的选择中处于优势地位。 4.1.1 虚拟仪器的概念所谓虚拟仪器，就是在计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作和使用计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利于计算机强大的图形显示和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与模块化硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面操作这台仪器，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测信号的采集、处理、分析、显示、存储等功能。虚拟仪器与传统仪器一样可划分为数据采集、数据分析、数据表达三个模块，如图4.1所示。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件结合在一起，通过应用程序提供的仪器硬件接口和图形化用户界面，用户可以方便的操作仪器硬件，而不必深入了解gpib(通用接口总线、vix（工业标准vem总线在仪器领域的扩展）、daq（数据采集）等方面的细节。采集和控制插卡式数据采集板gpib仪器vxi/pxi仪器rs-232仪器数据采集和分析数字信号处理数字滤波统计分析数值分析数据存储和传输网络通信硬件拷贝输出文件i/o图形用户接口图4-1 虚拟仪器的内部功能划分由于vi的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，用户可以大大提高系统的复用率，低开发成本，通过表4.1可清楚的看出vi与传统仪器的区别表4-1 vi与传统仪器的区别vi传统仪器开发费用软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护开销高更换周期技术更新周期短技术更新周期长关键部件软件是关键硬件是关键价格价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵功能用户定义仪器功能厂商定义仪器功能开放性开放、灵活，可与计算机技术保持同步封闭、固定互联性与网络及其他周边设备方便互联并构成面向应用的系统功能单一、互联有限的独立设备4.1.2 虚拟仪器的基本结结构和类型从构成要来讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；根据仪器硬件的不同，则分为以daq板和信号调理为仪器硬件组成的pc-daq测试系统，和以gpib、vxi、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件组成的gpib系统、vxi系统、串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统构成如图4-2所示。信号调理数据采集卡测控对象gpib接口设备gpib接口卡串行接口仪器/plcvxi仪器现场总线设备其它计算机硬件labviewlabwindows/cvi及其它应用软件图4-2 虚拟仪器系统的构成4.2 虚拟仪器的开发软件软件是虚拟仪器的核心，通过编制软件可以在有限的设备基础上实现虚拟仪器的各种自定义功能。因此有人提出了“软件就是仪器的观点”。虚拟仪器的开发软件通常可以分为通用软件和专业软件。通用软件就是我们常见的高级编程语言，比如visual c+、vb、delphi、java等。而专用软件一般是指专业的图形化软件，比如ni公司的labview、labwindows/cvi或者hp公司的vee等。labview是实验室虚拟仪器集成环境(laboratory virtual instrument engineering workbench)的简称，是一种集数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示功能于一体的图形化开发环境，为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式。它提供了一种全新的程序编写方法，即对称之为“虚拟仪器”（virtual instruments, vis）的软件对象进行图形化的组合操作，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，这样开发人员就不再需要使用复杂的传统开发环境即可享用强大的编程语言带来的灵活性，在同一环境下就可以使用广泛的采集、分析和显示功能。labview广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。labview集成了满足gpib、vxi、rs-232和rs-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数，这是一个功能强大且灵活的测控软件，利用它可以方便的建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 所有labview应用程序，即虚拟仪器，它包括前面板、流程图以及图标/连接器三部分程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（controls），输出量被称为显示（indicators）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用labview图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。图标/连接器是子vi被其它vi调用的接口。图标是子vi在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。与传统的编程语言比较，labview图形编程方式能够节省85以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。在labview 中，可以利用旋钮、开关、转盘、图表等控制件和显示件建立用户界面，即前面板，用以代替传统仪器的控制面板。控制件包括旋钮、按钮等输入控件，显示件包括图表、led 等显示器件。在完成用户界面的创建后，通过vi 和结构添加代码来控制前面板上的对象。这些程序代码就构成了程序框图。利用labview，可以和诸如数据采集设备、图像设备、运动控制设备等硬件进行通信，也可以和gpib、pxi、vxi、rs-232、rs-485 仪器通信。所以说，作为一种图形化的开发环境，labview具有以下特点：u 图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面u 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。u 提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步执行，同时提供有读到的高亮度执行工具，使程序动画式执行，利于观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。u 32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。u 从底层vxi仪器、数据采集板到总线接口硬件和gpib的驱动程序，囊括了daq、gpib、pxi、vxi、rs232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备和仪器。u 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如dlls (动态链接库)、dde(共享库)、activex等。u 支持动态数据交换(dde)和tcp/ip等强大的网络功能，支持常用网络协议，方便联络、远程测控仪器的开发。 4.3 转子实验台虚拟仪器的设计试验台各参数的正确控制和测量是远程试验成功的关键。采用labview构造本地的虚拟仪器测控系统，不仅可以方便灵活的采集、分析、 测量各信号量，而且还能提供良好的仪器操作界面以便监控和干预远程用户的试验过程。软件框图如图4.3所示：转子实验台软件系统轴心轨迹测量振动信号分析轴心位移测量图4-3 软件框图4.3.1 轴心位移测量模块轴心位移测量模块的能是采集轴心位移信号，并测量位移的幅值等参数。虚拟仪器的信号采集模拟常用示波器的操作与功能。具体来讲就是使用个人计算机及其信号采集接口电路来捕捉信号波形，并通过图形用户界面来模拟示波器的操作面板，对信号完成采集、显示。根据本系统的需求，数据采集是多通道连续采集，整个系统初始化时，就对采集卡进行初始化和配置，使采集卡处于就序状态。当用户发出采集命令，此时采集卡开始多通道连续采集,数据采集程序为ai continuous scan子vi，这个函数为实用多通道连续采集函数。调用amplitude and level measurements和tone measurement两个函数分别计算得出x轴、y轴位移的最大值、最小值、峰峰值及振幅和频率。amplitude and level measurements和tone measuremen这两个函数可以使用快速vi,快速vi的参数是通过对话框进行设置的，这样可以减少连线，提高程序的开发效率。下图4-4和4-5分别为轴心位移测量模块的前面板和程序框图。图4-4 轴心位移测量前面板图4-5 轴心位移测量程序框图4.3.2振动分析模块振动量分析模块主要负责把所采集的转子振动量数据进行功率谱分析（振动信号是一随机信号，在时域上是一无限信号，因此 ，一般不做幅值谱和相位谱分析