（测试计量技术及仪器专业论文）现代测控平台动态测试系统研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着虚拟仪器技术的飞速发展，对数据测控平台进行“虚拟化”的改造已成 为一种潮流。在这一潮流的影响下，本课题在原有的测控平台的基础上结合虚拟 仪器技术，建立基于虚拟仪器结构的数据测控平台，以此改善实验条件，提高实 验效率，使数据的处理更加快捷准确。 本课题建立的测试系统由个人计算机、各种功能硬件模块与用于数据分析、 过程通信及图形用户界面的应用软件l a b w i n d o w s c v i 有机结合构成，使计算机 成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台。它利用软件l a b w i n d o w s c v i 在 显示器上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、存储、显示等功 能。 在软件设计上，根据课题需要，设计出满足自己要求的虚拟仪器。结合动态 测试理论对测试信号进行分析处理。 结合虚拟仪器的动态测试技术将成为学校未来教学科研的重要方法和手段， 特别是在理工科学校其应用前景非常广阔。 关键词：动态测试，虚拟仪器，信号分析 现代测控平台动态测试系统研究 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h e v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , i t i sa l l i n e v i t a b l et r e n dt or e b u i l dt h ep l a t f o r mv i r t u a l l yw h i c hd a t ac o u l db em e a s u r e da n d c o n t r o l l e d i tu r g e du st ob u i l da p l a t f o r m b a s e di nt h ec o n s t r u c to fv i r t u a li n s t r u m e n t m a k i n gu s e o ft h e o r i g i n a lp l a t f o r m ，w e s h o u l dc o m b i n et h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y i t c o u l d i m p r o v e t h e e x p e r i m e n t c o n d i t i o na n dt h ee f f i c i e n ti n e x p e r i m e n t s d a t ac o u l db ed o n e w i t hm o r e q u i c k l ya n dm o r ep r e c i s e l y t h et e s ts y s t e mw ed i s c u s s e di sm a d e u po f ap e r s o n a lc o m p u t e r , h a r dw a r e sw i t h v a r i o u sf u n c t i o n s ，g r a p h i c a li n t e r f a c e sa p p l i c a t i o ns o f t w a r el a b w i n d o w s c v lw h i c h i su s e dt oa n a l y s e sd a t aa n dp r o c e s sc o m m u n i c a t i o n i tm a d et h ec o m p u t e rt ob ea n u m e r a lp l a t f o r mw i t i lv a r i o u st e s t f i m c t i o n s m a k i n g u s eo ft h es o f t w a r el a b w i n d o w s c v i ，v a r i o u si n s t r u m e n tp a n e l sa r eg e n e r a t e d d a t ac o u l db ed o n ew i t h ， e x p r e s s e d ，t r a n s f o r m e d ，s t o r e d ，a n dd i s p l a y e do n t h e s ep a n e l s i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，d u et ot h en e e do ft h es y s t e m ，w ed i s c u s s e da n d d e s i g n e d t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt om e e tt h en e e da d v a n c e d a tt h es a l r l et i m e m a k i n gu s eo f t h e p o w e r f u lc o m p u t e f i m c t i o no ft h es o f t w a r e m a t l a b ，w ec o u l dd e s i g n av i r t u a l i n s t r u m e n tw i t hm o r ep o w e r f u lf u n c t i o n t h et e c h n o l o g i e so ft h ea r t i f i c i a ln e r v e n e t w o r ka n dt h el i t t l ew a v e a n a l y s i sa r e a l s ob ed i s c u s s e d t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n tw o u l db ea i m p o r t a n tm e a n si nt h ec a m p u s i nt h ef u t u r e ，a n di tw o u l dh a v eaw i d ef u t u r ee s p e c i a l l yi ns c i e n c e c o l l e g e s k e y w o r d s ：d y n a m i ct e s t i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，s i g n a lp r o c e s s i n g 2 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：日期：年月 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1动态测试1 ，1 3 ，1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 2 0 动态测试在国际学术组织：国际计量局( b i p m ) 、国际电工委员会( i e c ) 、 国际标准化组织( i s o ) 和国际法制计量组织( o i m l ) 联合制定的国际通用 计量学基本名词中的定义为：量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定。换 言之，它指的是被测之量为变量的连续测量过程。 在动态测试中，测量过程处于不断变化状态，引起动态测试误差的因素比静 态测量更多、更复杂，这就与传统的被测之量为常量的静态测试有所不同，即以 往适用于静态测试的成套经典数据处理方法及测试误差分析与估算方法，不完全 适用于动态测试。在动态测试中，要考虑到被测变量的变化规律及特点、测试系 统的动态特性( 与测试速度、加速度、惯性、阻尼，以及冲击、振动等动态因素 有关) 、以及外界扰动( 包括环境条件的变动、干扰、噪声等种种因素) 等影响。 f 1 7 1 动态测试数据表现为测试时间的函数，一般由三部分组成：被测变量、系统 误差和随机误差。动态测试数据的基本特点首先是由其定义所决定的，动态测试 所测量的是随测试时间而变化的量，尽管被测量本身未必都是时间的某种函数， 但其总是表现为随测试时间而变化的某种函数，可简称为时变性。 由于测试过程中难免存在随机误差或干扰噪声等，因而动态测试数据也象常 量的静态测试数据一样具有随机性，可见，动态测试数据的另一基本特点是既含 有确定性变化部分，又含有随机性变化部分，即总是表现为测试时间的随机函数， 即随机过程，可简称之为随机性。 相邻时间的信号之间具有统计相关性，正是这种相关性才是动态测试数据所 具有的一种基本特性，而静态测试数据之间则应是统计独立或不相关的。 由于动态测试系统在测试被测变量过程中，处于不断变化的运动状态。需用 微分方程来描述动态测试系统的输入被测变量。与其输出即显示的动态测试数据 之间的关系，或以其离散化的差分方程，或以系统内部的状态方程等形式来描述， 以反映出其动态特性。 练上所述，动态测试数据具有上述的时变性、随机性、相关性基本特点。这 些特性集中在一起就构成了它的动态特性。 动态测试数据处理的基本任务为： 1 ) 确定合乎实际的动态测试数据及其测量结果的数学模型； 2 ) 合理规定动态测试误差的评定指标，且要求能较全面而客观地反映其各 方面的特性： 现代测控平台动态测试系统研究 3 ) 识别并提取动态测试数据中的各项非周期和周期的确定性变化成分，并 拟出其适用性判别或显著性检验的验证方法： 4 ) 从所提取的确定往成分中借助实验测定或辅以数据处理尽量分离出铡 试的系统误差； 5 ) 表述与分解动态测试数据中的随机性成分，尽量通过分解而分离或抑制 测试的随机误差。并有助干分析其起因。【l 趴 实践经验表明，通常动态测试数据处理宜分为三个阶段：预处理；成分分离 与结果表示。 主要处理阶段魁成分分离。它可划分为两部分：识别、提取确定性成分和表 述、分解随机性成分。至于采用的具体处理方法，则取决于动态测试数据处理的 实际要求及设定的数学模型。 以识别、提取确定性成分为主的处理方法可分为两类：以解析式或多项式拟 合的疗法和以函数值序列表示的滤波或平滑方法，分别简称拟合法和滤波法。 表述、分解随机性成分的方法也有多种，可归纳为两个方面：在时域上的相 天分析和在频域上的谱分析。 人们借助测试系统检测表现事物不断运动着的物理信号，通过分析和处理获 取事物运动的状态信息及其量值。随着现代科学和社会生产的飞速发展，随着快 逃傅立叶变换( f f t ) 理论的产生，随着微电子技术的发展，信号分析和处理的 高速器件的生产及其算法的不断完善，已建立丁较为成熟的动态测试理论和应用 技术。1 2 ( 1 1 现代动态测试技术是应用现代科学技术，研究动态信号采集、变抉、传输和 实时处理的技术学科。它结合现代传感器技术、微电子技术、计算枫技术、信号 分析与处理技术等技术学科并应用于测试系统和测试过程。 现代动态测试技术与传统测量技术比较有很大不同。传统的测量技术局限与 简单的测量比较，丽现代动态测试技术通常以微型计算机为核心构成数据采集测 试系统，由传感器、信号调理电路、采样保持电路、模数转换电路及显示器、打 印机等外部设备组成。它带来的变革主婴体现在以下几个方面：【1 7 i 1 、传统测量的目的局限于以测量系统的输出量来评价被测量，而动态测试 丁传统的静态测量不同，它测量的是随时间不断变化的量，重点研究测试系统的 动态响应特性： 2 、动态测试不同于传统测试中输出与输入量之间简单的数值对应关系，而 赴输出信号与输入信号之问的对应关系。动态测试中要求输出信号的波形可以不 失真的复现输入信号的波形； 3 、现代动态测试技术的目的是要解决测试系统工作过程中遇到的具体技术 问题，如信号的获取、处理与分析、信号的显示与记录等及它们之间的耦合关系。 4 、现代动态测试系统的复杂性决定其组成之后动态性艟未必符合预先提出 的要求，但是这种“缺陷”可以通过动态数学模型研究及应用适当的滤波器等手 南京航空航天大学硕士学位论文 段改进系统的动态特性来弥补，从而展现了现代动态测试技术的灵活性。u t 1 2 虚拟仪器1 1 1 1 2 1 3 1 7 1 8 4 0 电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、分立元件仪器、数字 化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 近十多年来，由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及电子测量 技术与仪器领域中的应用，新的钡4 试理论、方法、领域以及新的仪器结构的不断 出现，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化。在这种背景下，现代计算 机技术和仪器技术深层次的结合产生了虚拟仪器，这成为当今计算机辅助领域的 一项重要的技术。 图1 1v l 的构成示意图【4 0 现代动态测试技术结合虚拟仪器 技术是目前测试系统领域的重要发 展方向之一。 虚拟仪器v i 和计算机采集测试 分析仪器的基本构成如图1 - 1 所示： 1 )图中各种功能软件是具有测试 分析仪器功能的各种软件，典型的如 美国n i 的l a b v l e w ，l a b w i n d o w s c v i 和美国h p 的h p v e e 和中国c o i n v 的 d a s p 。 2 )计算机及附件包括：各种高性能的计算机，这些计算机需要具有强大的c p u 处理器及高性能的高分辨率的显示器等必需配件，还要具备较高的内存及打印机 等附件。这些高品质的配件是v i 系统的心脏和动力。 3 )a d 采集卡和d a 卡：一般采用高性能模数转换器和数模转换器，它是v i 的左右手，它们必须有高的精度和较宽的采样频率范围，如a d 达到1 2 位、1 6 位、1 8 位甚至2 4 位的水平：采样频率能达到0 i o o k h z 、2 0 0 k h z 、3 3 0 i ( h z 、1 0 0 0 k h z 、 2 0 0 0 0 k h z ( 2 0 m h z ) 甚至更高。多路采集时必须能同步进行，实现无时差、无相 移。测试通道最少可为2 路、4 路、1 6 路、3 2 路，最多可达1 0 2 4 路。 4 )传感器+ 前置信号调理电路。信号调理s c ( s i g n a lc o n d i t i o n i n g ) 它包括： 放大、滤波、隔离、多路复用( 电荷放大、电压放大、热电偶、积微分、应变桥 路平衡、激励电源和线性化) 诸多功能。 虚拟仪器的特定形式使其具有如下特点： 1 ) 强调“软件就是仪器”的新概念。在虚拟仪器中，仪器的功能和性能的 实现，除了必备的硬件系统之外，大多采用硬件软件化或以软件代硬件技术，来 完成复杂的控制、分析或处理等能力。因而从这个意义上讲，虚拟仪器对软件更 具依赖性。 现代测控平台动态测试系统研究 2 ) 打破传统仪器小而全且各仪器资源不能共享的现状。可将传统仪器的公 共部分如显示、储存、打印及微处理器控制管理等，都由计算机来完成，即无论 任何功能的仪器都可利用或共享计算机的这些公共资源，而无需重复的设计。 3 ) 具有模块化、开放性及互换性的特点和好的资源的复用性，同时可方便、 经济地组建或重构自动测试系统。用户可根据自己的需要选购不同功能的卡式或 模块化仪器，并可随测试任务的不同而灵活组合，提高仪器资源的可再用性。 4 ) 可自定义仪器功能。传统的仪器在出厂时，其功能己经确定，用户不能 根据自己的需求而随时进行修改，只能一机一用。而虚拟仪器则可借助通用数据 采集装置，通过编制不同的软件测试方案，可构造几乎任意功能的仪器，故“软 什就是仪器”在这里再次体现。 5 ) 采用虚拟仪器，硬件测试设备与计算机之间的数据“交流”将变得非常 方便、直接与迅速。对于普通的测试设备，般所得到的测试数据需要测试人员 手工实时记录。如果数据量比较大，就将使得测试过程变的很冗长、很复杂，不 可避免引起测试误差。而且有的常用测试仪器，比如示波器，一般只对被测对象 作定性测试，有的示波器带有软盘驱动器，可以先将测试数据存入软盘中，然后 再利用软盘与其它分析仪器“交流”数据。如果采用虚拟仪器技术，测试设备所 得到的测试结果将会实时、直接的通过计算机的总线，传输到计算机的内存或硬 盘，供以后分析使用。这样，一方面避免了数据的传输问题；另一方面，可以充 分的利用计算机的存储能力。 6 ) 根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件， 实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理，如完成d f t 、f f t 运算、p i d 控 制、模糊逻辑控制、联合时频分析、数字信号处理、数学分析和数据库联接、统 计分析参数调整、单位转换等工作，从而对被测控对象进行进一步的控制。 7 ) 测量输入信号特性( 如电压、频率、上升时间等) 只需一个量化的数据 模块，要测量的信号特性能被数据处理器计算出来，这种将多种测试集于一体的 方法缩短了测试时间，从而提高了测试速度。 8 ) 利用计算机强大的图形用户界面( g u i ) ，虚拟仪器可以采用多种方式显 示采集的数掘、分析的结果和控制过程，真正做到界面友好、人机交互。 虚拟仪器的上述特点决定了它与传统仪器相比，性能更优越，使用更灵活， 在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。 虚拟仪器技术经过十多年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬件 软件的模块化，以及编程平台的图形化和硬件模块的即插即用( p l u g p l a y ) 化 等方向发展。现在，虚拟仪器技术在发达国家的应用己非常普及，国外对虚拟仪 器的研究处于领先地位，美国n i 公司、h p 公司、泰克公司、p c 仪器公司在此领 域都已经有十几年的研究经验。丸十年代中期以来，国内重庆大学、哈尔滨工业 大学、西安交大等单位及中科泛华公司等在研究开发虚拟仪器产品，和引进产品 方面做了一些工作。因此，尽快掌握和运用这一新技术，才能够紧跟时代的步伐。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 本课题选择这一热门学科和信号处理技术相结合，在现代动态测试理论的基础上 进行动态测试系统的研究，符合当前技术发展的趋势，更为本学科将来的相关研 究打下坚实的基础。 表1 1虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器( v i )传统仪器 功能定义者用户仪器制造厂家 t 功能升级通过修改软件进行增减固定 技术天键软r l ：硬件 开放性可与计算机技术同步发展封闭、固定 开发周期较快( 一般0 5 1 年)较慢( 大概5 1 0 年) 应用领域大多为测控系统，可与网络及其它周用于通用的测量、计量，是功 边设备互联能单一，互联有限的独立设备 价格价格低、可复用与可重配置性强较高 1 3 本课题研究的主要内容 随着虚拟仪器技术的飞速发展，对测控平台进行“虚拟化”的改造已成为一 种潮流。我们在这种潮流的影响下，在原有的测控平台的基础上结合虚拟仪器技 术，建立基于虚拟仪器结构的测控平台，以此改善实验条件，提高实验效率，使 的处理更加快捷准确。虚拟仪器及技术将成为学校未来教学科研的重要方法和手 段，特别是在理工科学校其应用前景非常广阔。【l 2 】 本课题：现代测控平台动态测试系统的研究，即，以虚拟仪器技术为软件核 心，针对硬件测试对象：振动台，利用一系列的必要硬件工具，结合动态测试理 论，建立起一套完整的动态测试系统，并利用这一系统进行信号的采集与分析处 理。该动态测试系统的测试内容主要为振动信号的测试，希望通过利用虚拟仪器 技术对振动信号进行时域和频域上的动态测试及分析，从而得到所需要的信息。 1 4 本章小结 本章首先介绍了动态测试的一些基础理论知识，接着介绍了动态测试技术及 虚拟仪器技术在当前国内国际发展的发展概况，进而提出了建立现代测控平台动 态测试系统的必要性。最后，简单地描述了本课题：现代测控平台动态测试系统 的研究所要研究的内容：建立基于虚拟仪器技术的测试系统。 现代铡控平台动态测试系统研究 第二章系统的组建及关键技术 2 1 测试系统的一般构成 一个测试系统可以由一个或若干个功能单元组成。广义地说，一个测试系 统应具有以下的功能：即将被测对象置于预定地状态下，并对被测对象所输出地 特征信息进行拾取、变化、传输、分析、处理、判断和显示，最终获得测试目的 所需地信恳。典型的测试系统常由试验装置、测量部件、数据处理和输出设备等 几部分组成，如图2 1 。 图2 1 典型测试系统的框图 上图中，试验装置是一种使被测对象处于预期待测状态的专门设备，它的作 用在于充分暴露被测对象的内在特性以便进行有效的测量。常见的激振器就是 种试验装置。测量部件由传感器、信号测量电路或测量仪器组成。被测对象在一 定的激励下，它的各种物理性能的变化经传感器完成由非电量到电量的转换，再 经测量电路或仪器对被测信号进行切换、滤波、放大和标定，完成对被测信号的 测量。测试结果的输出形式也是多样的，或用指示仪表指示出来，或用记录仪记 求，还可传送给数据处理器作进一步处理运算或频谱分析，使之变成后续设各所 需的输入信号，最终被显示或打印，也可绘图。 目前，国内外测试系统的发展具有以下几个共同特点： i 、军事电子技术是现代测试技术发展的主要动力之一。以雷达、综合电子+ 战为代表的军事电于技术，以预警机和卫星通讯为代表的航空、航天技术以及以 导弹精密制导为代表的兵器技术等都离不开测试技术。 2 、测试技术与计算机技术同步发展。计算机技术与测试技术相结合，测试 仪器进入智能化时代，使采用误差修正的高精度测量、实时测量和自动测量成为 町能。从而形成了两种设计思想：一是以测试技术为核心进行仪器设计，根据测 试的需要，采用一个或多个微处理器来完成仪器的测量控制、数据采集、数据处 理和图形显示等功能；二是以通用p c 为基础，增加测试功能、数字接口和控制 接口，充分利用计算机的图形显示、数据处理、外设接口和软件功能，通常的仪 南京航空航天大学硕士学位论文 器用户界面就是计算机界面。其中，第二种设计思想是近几年的最新发展，即虚 拟仪器技术( v i r t u a li n s t r u m e n t s 简称v i ) 。 3 、测试技术的发展超前于应用对象。测试仪器采用最新技术不断改进性能、 增加功能和推出新产品，打破传统仪器的分界线，为用户提供新型测试仪器和测 试技术。 4 、集成化测试系统的发展受到普遍重视。现在电子系统的复杂程度越来越 大需要检测的性能指标也越来越多，有些功能指标己达到或超过仪器的检测范 围，仅用单台测试仪器不能充分发挥仪器的潜力和群体优势，因此系统化和集成 化是电子测试仪器的一个发展方向。 2 2 基于虚拟仪器技术的测试系统的构成 传统的测试测量仪器通常由三大部分组成：信号的采集与控制：信号的分析 与处理；结果的表示与输出。而在以虚拟仪器( v i ) 为代表的新一代测试仪器中， 计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更加紧密地结合成为一个有机 整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，它是计算机硬件资 源、仪器测控硬件与用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效 结合。虚拟仪器技术的最大特点是“软件就是仪器”的全新观念，它打破了传统 测试仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。虚拟仪器将仪器的三大功能全部放 在计算机上来实现，即可在计算机内插入数据采集卡或外置数据采集盒，经a d 或d a 变换器，用软件对其信号进行分析与处理，并在计算机屏幕上生成仪器 面板，完成仪器的控制和显示，最终实现传统测试仪器的所有功能。 基于虚拟仪器技术的动态测试系统的结构也是基于典型的测试系统的结构 的，它比较特别的地方是基于虚拟仪器的动态测试系统的数据的处理装置部分是 基于虚拟仪器技术的。 构建基于虚拟仪器技术的测试系统，需要相应的硬件来支持。虚拟仪器的硬 件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 按照测控功能硬件的不同，v i 可分为g p i b 总线式、v x i 总线式、p x i 总线 式、以d a q 和信号调理为仪器硬件而组成的p c 总线式、并行总线式、串行总 线式、现场总线式等不同的硬件体系结构。目前虚拟仪器发展的主流是的g p i b 、 p c d a q 、v x i 、p x i 四种标准体系结构。 ( 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s e i n t e r f a c eb u s ) 系统：它以通用接口总线仪器与计 算机为仪器硬件平台，组成虚拟仪器测试系统。 ( 2 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统：它以v x i 标准总线 仪器模块与计算机为仪器硬件平台，组成虚拟仪器测试系统。 ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统：它以p x i 标准总线仪器模 块与计算机为仪器硬件平台，组成虚拟仪器测试系统。 现代测控平台动态测试系统研究 f 4 ) d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统：它是以数据采集卡、信号调理电路及计算 机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用了p c i 或i s a 计 算机本身的总线，故将数据采集卡板( d a q ) 插入计算机的空槽中即可。 g p i b 方式控制的虚拟仪器生要针对单一的专用仪器，数据传输速度有限， 通用性不强：v x i 、p x i 仪器结构复杂，需要专用的v x i 机箱、v x i 控制卡和 p x i 机箱、p x i 控制卡等价格昂贵的设各，研制开发比较困难：由数据采集卡构 成的虚拟仪器性价比比较高，设计手段灵活，通用性强，应用前景广阔。 在本课题的测试系统中，从性价比和灵活性考虑，采用p c 插入式数据采集 卡( p d a q ) 硬件体系结构，构建模块化、开放式的高性能虚拟仪器测试系统。 选用的数据采集卡是凌华公司( a d l i n k ) 的p c i 一9 1 1 3 。p c i 一9 1 1 3 是3 2 通道隔离 模拟量输入卡。 2 3 本课题测试系统的组建 2 3 1 基于虚拟仪器技术的动态测试系统的组建 振动信号是最为常见，与工程和科研工作密切相关的一种动态信号，因此本 课题选择振动信号为系统的测试对象。 本课题进行振动测试所需要的测控平台主要由各硬件模块和虚拟仪器的软 件平台组成，可以将测试系统的总体构成以下图表示。 对系统框图作分析可以看出，系统的基本工作流程包括三个部分；1 - 6 号模块 是信号发生与调理部分，7 号模块进行数据采集，8 号和9 号模块为软件处理部 分，f 面分别对这三个部分在本课题中的实现作简要的介绍，详细的内容将在后 面一章中加以说明。 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 2 测试系统总体框图 1 信号发生与调理 在结构动态特性测试中，首先要激励被测对象，让它按测试的要求做受迫振 动或自由振动，以获得相应的激励及响应图2 2 中的信号发生器发出激励信号， 经功率放大器放大信号能量接到激振器达到激励作用。激振器进而带动测试对象 振动。 图2 3 电荷放大器 图2 3 是图2 2 中激励部分的构成图，在本课题中采用了振动台作为激振器 和测试对象，以传感器、电荷放大器和信号接口板作为中间处理电路。 2 数据采集部分 数据采集模块主要包括的硬件是数据采集卡p c i - 9 11 3 ，软件部分则包括采集 卡的驱动和虚拟仪器软件的采集部分程序。在本系统中的数据采集部分的结构如 图2 - 4 所示。 现代测控平台动态测试系统研究 图2 4 数据采集示意图 包括对数据采集卡 的驱动和为后端服 务的采集与存储数 据的程序 由传感器获得的信号经过接口板的接线端子后。传递至数据采集卡，计算机 中的虚拟仪器程序对数据采集卡发控制的指令获得数据采集卡传输的数据并做 分析与处理。 振动的测试参数通常包括位移，速度和加速度，以及振动的频率周期相位角 等。本系统中传感器获得的信号包括加速度和速度信息。 3 软件处理部分 通常可供选择的虚拟仪器软件很多，包括l a b v i e w ，l a b w i n d o w s c v i 及h pv e e 等，甚至通常使用的开发软件如v c ，v b 及d e l p h i 也可用于开发虚拟仪器。综合 易用性和对开发过程的掌控以及与硬件板卡的接口等多方面因素，本系统选择 n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 作为虚拟仪器开发软件，创建一系列计算机平台上的 虚拟的测量仪器，用于对所采集的信号进行分析和处理。 2 3 2 本课题测试系统的硬件与软件的配置 在选择测试装置时，根本出发点是测试的目的和要求，但是同时要兼顾自身 的经济因素。选择装置时，我们需要考虑的比较重要的指标大致包括以下这些特 性参数：灵敏度、精确度、响应特性、线性范围、稳定性、测量方式、特性配合， 以及其他因素等等。 通过上节的说明，可以明确需要实现的测试系统的具体要求。结合目前实验 室的具体情况和硬件条件，本课题选择的硬件和软件配置如下。 1 硬件方面：振动台( 用于产生信号) 、功放( 振动台用) 、加速度传感器、电 涡流传感器、电荷放大器、数据采集卡等硬件 振动台( 7 z k i 0 ，激振力l o k g ，振幅：l 5 m m ，最大电流i o a ) 信号发生器f u n c t i o ng e n e r a t o r8 1 0 2 ( 牌子) 功率放大器y e 5 8 7 1 y e 5 8 5 2 电荷放大器 端子板( 接口卡8 1 2 5 ) 数采卡p c i 一9 l1 3 斤恒一寸殚 对 南京航空航天大学硕士学位论文 压电式加速度传感器c a y d l 0 6 电涡流式位移传感器c w y d o 一5 0 4 k 2 软件方面： w i n d o w s n t 以上的操作系统 虚拟仪器软件l a b w i n d o w c v i5 0 m i c r o s o f tv i s u mc + + 6 0 ( 用于编写板卡驱动和c v i 的接口) a d l i n kd r i v e r ( 数据采集卡底层驱动软件) 2 4 现代测控平台动态测试系统的关键问题 基于虚拟仪器技术的动态测试系统是由软件和硬件构成的，由于虚拟仪器的 自身的特点，其软、硬件也不同与其它的测试系统。基于虚拟仪器技术的动态测 试系统具有模块化、开放性和互换性的特点和好的资源的复用性，根据软件的不 同可以方便、快捷地组建各种测试系统，这就要求软、硬件功能模块化，且具 有很好的开放性、互换性。 p c d a q 式虚拟仪器动态测试系统由传感器、信号调理电路、数据采集 t d a q ) 板卡、个人计算机、软件等基本要素构成，其中信号调理、数据采集 ( d a q ) 板卡、软件是关键因素。 根据本课题所选用的传感器的特点以及振动信号的特点，采用了在传感器后 接电荷放大器来对传感器的输出信号进行放大处理。本系统选用的数据采集卡本 身自带一些调理电路，能够对信号进行滤波调理。在系统的软件编制过程中，有 一部分程序是专门对信号进行滤波处理的。这些措施可以满足本课题中信号调理 的要求。这些措施将在后面的章节中加以详细的描述。 数据采集卡采用了凌华公司生产的多功能卡p c i 9 1 1 3 ，该卡具有1 0 0 h z 的 采样率、1 2 位的分辨率、3 2 路模拟输入，可以满足常见物理量的测试。 软件是虚拟仪器测试系统的重要组成部分。基于虚拟仪器技术的动态测试系 统的一个重要革新就是仪器硬件软件化，用软件实现硬件的功能。测试系统软件 设计分为四个层次：测试管理层、虚拟仪器功能层、i o 接口驱动层、仪器驱动 层。本系统采用l a b w i n d o w s c v i 软件，创建一系列计算机平台上的虚拟的测量 仪器，用于对所采集的信号进行分析和处理。根据实际情况，本课题测试系统软 件的核心工作在应用开发层。 本系统中，信号分析与处理的方法的选择也是一个重要的因素。 信号分析与处理是动态测试技术的重要内容。时至今日，信号的分析与处理 的方法很多，在设计虚拟仪器时，需要根据仪器的功能要求和所处理信号的实际 情况选择合适的分析和处理方法。通过对传感器原始信号的分析，可以降低噪声 影响，获得准确的量值，或者灵敏可靠地提取处信号的特征，以发现测试对象的 本质，因此要选择合适的信号分析处理方法。现有的动态信号分析方法可以分为 现代测控平台动态测试系统研究 频域法、时域法、时一频域法、分析几何法和混沌分析法等。每种方法的特点和 适用性见表2 1 。 表2 1 动态测试信号的分析方法比较 分类名称特点适用性 傅立叶分析 所能分析的最大频率最高； 平稳信号 频域分析 倒频谱分析 频率分辨率较高耐周期信号敏感 提取周期信号 统计描述求简单、静态特征 平稳信号 a r m a 建模反映时域相邻数据的依赖关系；对数据 平稳随机信号 时域分析 列建模外延，提高频率分辨率 平稳随机信号 现代谱分析类似a r m a ，以提高频率分辨率为目标 加窗傅立叶分析时一频域分辨率折中；窗宽固定 非平稳信号 时一频域小波分析时一频域分辨率折中；窗宽自动调整 非平稳信号 分析维格纳分布反映信号在时一频平面上的能量分布 非平稳随机信号 非平稳随机信号 模糊函数法反映信号的时一频相关函数 分形分析 计算盒维数反映波动曲线的自相似性平稳、复杂信号 以某类信号作为混沌方程的参数，灵敏 混沌分析混沌分析监测微弱信号 度高；对高斯噪声不敏感 本课题中，被测信号为平稳信号，因此信号分析法可以采用频域法和时域法。 对信号进行时域分析，可以得到它在时域的各种表征量，对信号进行频域分析， 可以得到它频域的各种表征量和信号的频率组成信息。 2 5 本章小结 本章首先介绍了测试系统的典型构成，接着分析了国际上较为先进的虚拟仪 器系统的体系结构，然后根据实际需求选用p c - - d a q 式虚拟仪器体系结构，给 出了本课题系统设计的方案，并讨论了本课题系统的关键问题。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章系统硬件电路的研究 分析本课题测试系统的总体构成，可以知道，本测试系统的基本工作流程包 括三个部分：信号发生与调理部分，数据采集部分和软件处理部分。其中，硬件 模块主要集中在信号发生与调理部分，以及数据采集部分。信号发生与调理部分 的电路用到的硬件主要是：信号发生器、功率放大器、振动台、传感器、电荷放 大器。数据采集部分用到的硬件主要是：数据采集卡p c i - - 9 1 1 3 。 3 1 信号发生与调理电路的分析 振动测试可以涎是动态测试中最为典型的个应用领域，本课题的选择的内 容是振动测试。在明确测试的内容是振动信号之后，需要了解的是振动的类型。 振动的主要类型有：正弦周期振动( 简谐振动) 、复杂周期振动、准周期振动、瞬 态振动、冲击振动。此外，工程实际中还会遇到非常普遍的平稳随机振动。 结合本课题研究的实际硬件环境以及课题研究的实际需求，在课题的研究中 重点考虑的是简谐振动。 3 1 1 激振器 在动态特性测试中，首先要激励被测对象，让它按测试的要求振动，以获得 相应的激励及响应信号。常用的激振方式有简谐激振，瞬态激振和随机激振。 花j 程实际中，激振器是指对试件施加某种预定要求的激振力以激起试件振 动的装置。对激振器的要求是能够提供波形幅值符合要求且稳定的交变力。一般 认为，激振器与振动台是原理与类型都相同的产品，两者的区别在于激振器的结 构相对简单，激振力小一些，主要用于激励机械设备，进行结构动态试验或进行 结构系统试验模态分析。振动台的推力要大一些，结构比较复杂，性能指标更为 严格。主要用于振动、冲击环境试验或对测振传感器进行性能技术指标的校准。 对比第二章中图2 2 可知，本课题中的测试系统就是使用振动台起到激振作 用。振动台在这里也担当了系统的测试对象的角色。也就是说，本系统简化了前 端的硬件，省略了测试的试件。基于本系统的工作目的在于系统的建立而非测试 某个具体对象，这样的做法对本系统的工作没有影响在其他的工程实际中，试 件的安装是一项比较复杂的工作。 常用的激振器包括电动式，电磁式和电液式三种，本课题中选择的是电动式 激振器。其工作原理是带电导线在磁场中受到电动力的作用而产生振动。 信号发生器产生交变信号，经功率放大器放大后，输入振动台里的带电导线， 现代测控平台动态测试系统研究 它与磁场作用即产生一个交变的力f ，推动可动系统运动。如果信号发生器产生 的电流呈简谐变化，即 i = is i n w t ( 4 ) 则力的大小为 f = b t i s i n w t ( n ) 则可得出，此时加速度也呈简谐变化，其频率大小是w 。 3 1 2 传感器 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 测振传感器的作用是把被测对象的机械振动量( 位移速度加速度) 转换为 与之有确定对应关系的电量( 电流电压电荷) 本节针对本测试系统的硬件构成， 只介绍振动位移和振动加速度测量用传感器。 l 、电涡流式位移传感器 探头、延伸电缆、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡 电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在 这交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当 有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电 涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由 于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变( 线圈的有效阻抗) ， 这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及 头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能 是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率 6 、磁导率 、尺寸因子t 、头部体线圈与金属导体表面的距离d 、电流强度i 和 频率参数来描述。则线圈特征阻抗可用z = f 0 ， ，6 ，d ，i ，0 ) ) 函数来表示。 通常我们能做到控制t ， ，6 ，i ，0 ) 这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特 征阻抗z 就成为距离d 的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特 征为“s ”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线 路的处理，将线圈阻抗z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距离d 的变化转 化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变 化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。 其工作过程是，当被测金属与探头之间的距离发生变化时。则探头中线圈 的q 值发生变化，q 值的变化引起振荡电压幅度的变化，这个随距离变化的振 荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压( 电流) 变化。最 终完成机械位移( 间隙) 转换成电压( 电流) 。 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 - i电涡流传感器原理图 2 、电式加速度传感器 压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重 量轻、使用寿命长等特点。 简单的理解压电传感器的工作原理，可以将压电传感器视为一个电荷发生器 或相当于一个电容器，其电容量 c 。= 掣( f )( 3 3 ) 式中：5 压电材料的相对介电常数： 氏一真空中介电常数，8 8 5 x 1 0 。2 ( f m ) ； 万一极板间距，即晶片厚度( m ) a 一压电晶片工作面的面积( m 2 ) 。 可以证明，当压电传感器的压电晶片制成后，压电传感器的极板间的电压也 与外力成正比，因而压电类型的传感器有电荷及电压两种输出。本系统选用的是 电荷输出的压电加速度传感器。 压电传感器可用一个与电容c 、电阻兄相并联的电荷源来等效，如下图所 示 0 图3 2 压电传感器等效电路图 电容上的电压v 、电荷量q 、和电容c a 之间的关系为 y ：旦( 3 - 4 ) c 现代测控平台动态删试系统研究 3 1 3 电荷放大器 由于压电晶片受力后产生的电荷量极其微弱，不能使用一般的低输入阻抗仪 表术进行测量，否则压电片上的电荷会很快通过测量电路泄漏掉，只有当测量电 路的输入阻抗很高时，才能将电荷泄漏减少到测量准确度所要求的限度之内。为 此，加速度计和测量放大器之间需加接一个可变换阻抗的前置放大器。本系统使 用的时置放大器为电荷放大器。 电荷放大器是一个带电容负反馈的高增益运算放大器，其输入阻抗极高，压 电加速度传感器可视为一个电荷源，压电加速度传感器与电荷放大器连接的等效 f 乜路见下图 y 图3 - 3 压电传感器一电荷放大器等效电路图 图中c ，为反馈电容，y ：罢和c 分别为电缆电容和放大器的输入电容，巴 和r 分别为压电传感器本身的电容与阻值，置为输入电阻。压电片产生的电荷q 使电容器充电，设输入和输出电压分别为e ，和e 。，可以得出放大器输出电压： 。2 石丽- k q ( v ) ( 3 ，5 ) 当频率0 9 很高时，如果压电传感器和电荷放大器之间的电缆线太长，电缆电 容和杂散电容增加，电缆电阻也增加，这些参数都会影响放大器的高频特性。若 忽略运放的输入电容g 和输入电阻r ，同时忽略反馈电阻肆，设电缆电容和电一 缆电阻分别为c f 、r ，则上限频率为 厶2 丽翻 o - 6 ) 在本课题中，压电传感器与电荷放大器之间的连接电缆很短，且输入的信号 的频率也不高，所以，在本课题中，信号的上限频率可以不考虑。 当信号频率很低的时候，输出电压e 。下降到频率很高时1 4 5 ，此时的频率 南京航空航天大学硕士学位论文 称下限频率，即 1 兀2 芴矗( 3 - 7 ) 由此可见，为了扩大使用频率下限，可将c ，取得大一些。一般情况下，采 用电荷放大器系统的下限频率低于电压放大器系统的下限频率。 当信号的频率为下限频率时， 1 馆妒2 面_ 1 ( 3 - 8 ) 则可以算出，输出电压e 。与输入电荷q 之间的相移p 为4 5 。 以上对低频下限的讨论，仅仅是