虚拟仪器设虚拟相关法测量相位差仿真仪设计27资料.docx

1、湖南科技大学课程设计（论文）湖南科技大学课程设计课程设计名称：虚拟仪器课程设计学生姓名：学院：机电工程学院专业及班级：学号：指导教师：毛征宇郭迎福王靖1湖南科技大学课程设计（论文）2012年12 月 28 日湖南科技大学课程设计（论文）课程设计任务书机电学院测控仪器系系主任：杨书仪学生班级： 2009 测控 1、 2、 3 班日期：2012.12.28一、设计目的：在学习和了解虚拟仪器及总线技术与LabVIEW开发平台的基本原理和方法的基础上，使学生理论与实践相结合，深入了解虚拟仪器技术及 LabVIEW 编程技术在工程常见领域的测量与分析的应用，提高学生将虚拟仪器、测试技术和电子、机械、通讯

2、等多学科的综合应用能力和实际动手能力。二、学生提交设计期限：在本学期2012 年 12 月 17 日至 2012 年 12 月 28 日完成，设计必须学生本人交指导老师评阅，指导教师将抽取约10左右的学生答辩。三、本设计参考材料：虚拟仪器 LabVIEW8.2基础教程基于 LabVIEW的虚拟仪器设计虚拟仪器技术分析与应用测试技术四、设计题目的选定：参考设计题目附后页，必须选二题（一般信号分析的虚拟仪器设计和工程测试实验教学虚拟仪器各一题）。五、设计要求：1、 查阅相关资料；2、 提出整体系统设计方案；3、 详细设计虚拟仪器各部分的原理、组成及具体实现过程；4、 说明前面板控件布置、流程图（节

3、点和图框）编辑和数据流实现方法；5、 运行检测（仿真检测和实测检测。）六、设计成果及处理说明书主要章节：1 设计成果（包括说明书、前面板窗口设计和程序代码编辑及其程序软件）；2 设计说明书格式及主要章节：a.封面（参照学院规定标准）；b.设计任务书（包括选定设计题目与要求，可复印）；c. 目录d. 说明书正文；（主要包括系统总体方案分析及确定； 虚拟仪器设计步骤详细介绍； 程序调试运行分析结果等）e. 设计总结及体会；f. 参考文献七、设计所得学分及成绩评定：本设计单独算学分及成绩：占2 个学分。考核与评分主要分四个方面：1 学生平时出勤及工作态度；2 虚拟仪器设计正确性及前面板布置实用、美观

4、程度；3 说明书、软件编写规范、调试分析结果及独立工作能力；4 答辩成绩（部分学生） 。八、设计进度与答疑：1、 确定设计题目及查阅资料，并确定方案：12.1712. 18 日；2、 虚拟仪器设计及撰写设计报告：12.1912.25 日；3、 运行调试检测与修改，完成课程设计报告：12.26 12.28 日；4、 提交设计报告，部分学生答辩：12.26 12.30 日。学生签名：指导老师签名：学号：日期：日期：i湖南科技大学课程设计（论文）目录第一章 虚拟相关法测量相位差仿真仪设计.11.1 设计要求 .11.2 设计原理 .11.2.1相关法求相位差的原理 .11.2.2相关法存在的问题 .

5、21.3程序设计 .31.3.1流程框图设计 .31.3.2程序设计 .41.4程序调试及分析结果 .5第二章 振动测试虚拟仪器设计 .82.1设计要求 .82.2设计原理 .82.3软件设计 .92.3.1前面板设计 .92.3.2程序设计 .112.4振动测试虚拟仪器调试 .132.4.1扫频信号输出调试 .132.4.2服务器设计调试 .132.4.3 客户端调试.142.5 总结 .15参考文献 .16ii湖南科技大学课程设计（论文）第一章虚拟相关法测量相位差仿真仪设计1.1设计要求1、可测量两个同频正弦波信号的相位差；2、两个正弦波信号的幅值、相位都可由用户选择设定；3、信号的采样点

6、数可为16，32， 64，128，256， 512，1024，2048；4、采样周期数可以选择310；5、可以显示相关计算结果。1.2设计原理1.2.1相关法求相位差的原理相 关法 利用 两同 频正 弦 信号 的延时 =O时的互 相关 函数 值与 基相 位差 的余弦 值成 正比 的原 理 获得 相位 差。由 于噪 声信 号通 常与 有效 信号相 关性 很小，因而该方法有很好的噪声抑制能力。假设有 两个同频 信号 x(t)、 y(t)，都 被噪 声污 染， 描述 如下x(t)=Asin( 0t 0) Nx(t)y(t)=Bsin( 0t 1) Ny(t)（ 1）其中 ， A， B分别为 x(t)

7、和 y(t)的幅 值； Nx ， Ny分别为 噪声 信号。显然 两信 号的 相位 差 为 phasedif 1 0，但实 际中 是无 法知 道 1和 0的。用相关法求相差的原理如下，周期信号互相关函数的表达式为：（）1Tt yt)dt（ 2）R xyT 0x ( ) (其中，T为信号周期，将（2）式代入（1）式，可得：（）1TAsin ( 0t0 )N x ( t )Bsin( 0 (t)1 )N y ( t)dtR xyT 0当 0时，T（ ）1t0)N x ( t )Bsin(0 (tdtR xy 0Asin ( 01 ) N y ( t )T 0理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也

8、不相关，积分后得：R xy（ 0）AB10 )cos (2所以有：1湖南科技大学课程设计（论文）2Rxy (0)(1-1)phasedif10 arccos(AB另外，信号的幅值和在延时0 时的自相关函数值又有下述关系：A 2R x (0)B 2R y (0)（ 3 ）这样，通过两信号的直相关、互相关就可以求得它们的相位差。（ 1） 散时间表达式实际处理的是连续信号采样后的离散点序列，因而，计算相关函数所用的计算式相应地也应该是离散时间表达式，下面是相应酌离散时间计算公式：Rxy ( 0 )1k1x n y n kn0Rx( 0 )1 k 1x 2 ( n )kn0R y( 0 )1k12kn

9、0y ( n )（ 1- 2）其中， k 为采样点数。1.2.2相关法存在的问题（ 1）当信号中存在噪声干扰时，用时延0 时的自相关函数值Rx(0) 求取信号幅值会引入较大误差。问题的提出根据自相关函数的性质，噪声信号也在0 时取得最大值，因而，当有效信号中含有噪声信号时，信号的自相关最大值是有效信号和噪声信号各自的自相关最大值叠加的结果，用式(3) 求取有效信号幅值的结果不准确。具体推证如下：对信号 x(t)=Asin(t ) N (t)，其 =0 时的自相关函数值Rx(0) 为：00x（ ）1TN x ( t) A sin(0 tR x 0limAsin ( 0 t0 )0 )N x (

10、t )dtTT01A 2 RN x (0)Rf ( 0)RNx (0)2式（ 3）中给出的信号幅值A 与 Rx（0）间的关系式不再成立。 解决方法2湖南科技大学课程设计（论文）含噪声信号的自相关函数如图 1.1 所示 ( 假设噪声为白噪声 )- 由图中可以看到，在到达一定值之后，含噪信号的自相关函数完全等于有效信号的自相关函数，这是由于噪声信号的自相关函数随着时延的增大迅速衰减。据此，对于正弦信号含有噪声的情况，完全可以用含噪信号自相关函数的次峰值来计算正弦波的幅值，此方法称为次峰值取代法。（ 2）周期信号的自相关函数的离散计算式在所取总点数不等于整周期时存在计算误差。这个问题可以用频率跟踪法

11、解决。所谓频率跟踪法： 就是即时测量信号的当前频率，根据信号频率确定采样频率和采样总点数。这一方法同时也是解决FFT 方法测相差问题的有效方法。（ 3）相关法适用于对同频正弦信号求取相差， 而对于含有多个频率分量的周期信号不适用 。图 1.1含白噪声干扰的正弦信号的自相关函数1.3程序设计1.3.1程序框图设计本设计未对相关法存在问题做相应的处理，其程序流程图如下图：3湖南科技大学课程设计（论文）图 1.2程序流程图1.3.2程序设计(1) 前面板设计1 、放 置 4 个数字控件，分别用于设置两个正弦波的幅值和相位。2、放置一个输出波形显示器，可观察两个信号x(t)与 y(t)的信号波形；3

12、、放置三个数字控件，用于设置采样点数、采样频率、信号频率三个参量，为两个正弦波信号发生器所共用；4 、放置一个开关型控件，用于使用者运行或关闭仪器；5、放置一个输出显示型数字控件，显示相位差测量结果，单位为度；设 计虚拟相关法测量相位差仿真仪面板下图所示：图 1.3虚拟相关法测量相位差仿真仪面板4湖南科技大学课程设计（论文）（ 2） 程序图设计执行作用 信号处理 信号运算互相关操作，调入互相关图标。在流程图设计中用到了数组子模板上的索引数组图标，用来获取=0 时的互相关函数值，该值是互相关函数图标第n 1 个输出值。互相关函数的所有的2n-1 个值都输入到索引数组中，输入端输入参数设置为n-1

13、 时，其输出即为第n 1 个互相关值。为得到相位差，执行作用数学 基本与特殊函数三角函数 反余弦操作，调入反余弦函数，并进而实现相应运算，将相位差由弧度转化为角度表示。流程图如下图所示图 1.4虚拟相关法测量相位差仿真仪流程图1.4仿真实验（ 1）设置信号1 幅值为1V，初始相位为00；设置信号2 幅值为2V，初始相位为900 ；设置两个信号的频率均为1Hz，采样频率为10Hz，采样点数为50 点。运行结果如图 1.5 所示。图中显示得到的相位差为900 。5湖南科技大学课程设计（论文）图 1.5仿真实验前面板显示（ 2）设置信号1 幅值为1V，初始相位为200 ；设置信号2 幅值为2V，初始

14、相位为 90 0；设置两个信号的频率均为1Hz，采样频率为10Hz，采样点数为50 点。运行结果如图1.6 所示。图中显示得到的相位差为70 0。图 1.6随机实验（ 1）前面板显示6湖南科技大学课程设计（论文）（ 3）设置信号1 幅值为1V，初始相位为50.5 0 ；设置信号2 幅值为2V，初始相位为 100.6 0 ；设置两个信号的频率均为1Hz，采样频率为10Hz，采样点数为100 点。运行结果如图9 所示。图中显示得到的相位差为50.1 0。图 1.7随机实验（ 2）前面板显示7湖南科技大学课程设计（论文）第二章振动测试虚拟仪器设计2.1 设计要求(1) 可测试振动实验台悬臂梁的加速度

15、；(2) 可测试振动实验台悬臂梁的振动频率；(3) 可测试振动实验台悬臂梁的固有频率；2.2设计原理本设计由计算机产生一 个频率 连续变化 的正 弦激励信 号，通过数据采集卡 进行D/A 转化后输出，经功率放大器送到激振器，使被测悬臂梁产生受迫振动。用压电晶体加速度传感器拾取被测梁的振动信号。采用内置电荷转换电路的传感器，将对应振动加速度的电荷量转变为电压信号并放大后传递到数据采集卡，这种传感器需要恒流源激励。信号发生模块产生正弦扫频信号。数据采集模块采集到反映振动加速度的电压信号通过DataSocket传输到计算机网络上，同时监测振动的频率。数字滤波部分采用 “信号处理滤波器”函数子选板的B

16、utterworth滤波器VI ，设置为低通滤波，滤除信号中的噪声和不需要的频率成分。本次实验选择滤波器截止频率400Hz。积分模块用“数学- 积分与微分”函数子选板中的Integralx（ t ） VI ，进行加速度变化率的累加，求得当前速度；再进行速度变化率的累加，求得当前位移。趋势项是测试系统中某些因素引起的随时间变化的长周期系统误差。本设计构造了一个Detrend VI消除趋势项。Detrend VI调用了最小二乘法拟合直线的Linear Fit VI拟合趋势项，然后在数据中减去趋势项。实验中用共振频率近似代替被测系统的固有频率。在扫频激振过程中记录被测梁的振动频率与对应加速度振幅，得

17、到其幅频特性曲线。幅频特性曲线峰值处就是实际测试的共振频率。8湖南科技大学课程设计（论文）2.3. 软件设计2.3.1前面板设计（ 1） 扫频仪前面板放置一个停止按钮及数字频率设计输出。采 用了一个布尔控件控制自动与手动两种方式。为了便于显示固有频率处的幅频特性曲线，采用慢扫频间隔和快扫频间隔。由于二阶固有频率可以用一阶固有频率乘以系数6.36 。在这里设置了两个慢扫频区间，包含了一阶二阶固有频率。如图2.1 所示 。图 2.1扫频仪前面板（ 2）振动试验服务器前面板两个波形图显示控件显示频率和加速度。返回按键控制数据采集及该程序是否结束。用布尔控件决定是否要记录数据及是否查看结果，使用数字输

18、入控件输入采样率、采样数、传感器电压灵敏度。并通过网络通信使用 DataSocket从网络上接收加速度信号。如果传输有错，则由“指示灯”指示出来。 前面板如图2.2 所示。9湖南科技大学课程设计（论文）图 2.2振动实验服务器前面板（3）客户端设计客户端用来显示各种信息，数字显示用来显示振动频率和加速度振幅。图形显示控件显示加速度信号的时域波形和幅值频谱。旋钮用来控制显示的周期数。如图 2.3 所示。图 2.3振动实验客户端前面板10湖南科技大学课程设计（论文）2.3.2程序设 计（ 1）扫频仪程序设计用数据采集VI 建立一个虚拟通道、输出一定频率的正弦波、连续采样输出任务。同时在自动模式下每

19、个循环加0.2 ，至到300 。当频率进入慢扫频区 间时 ，采 用慢 扫频间 隔。同时 用全局变 量把频率传递出去 。 如图2.4 所示。图 2.4 扫频仪程序框图（ 2）振动实验服务器程序设计程序中数据采集助手设置为0 通道差分输入，连续采样，采样率和采样数在程序前面板上设置。通过全局变量接收激励输出频率，以此频率的2 倍作为低通滤波器的截止频率。由于实验中所用电路压电晶体加速度传感器给出的灵敏度参数以g 为单位，所以将电压信号除以传感器电压灵敏度后再乘以重力加速度9.8 得到以m/s 2 为单位的振动加速度值。Dstr VI中对数据传输做了一些控制，读者也可以用更简便的方法实现数据传输。传

20、输的数据为振动加速度波形数据和采样率。服务器进行频率分析和测试数据存取便于监测和分析。如图 2.5 所示11湖南科技大学课程设计（论文）图 2.5振动实验服务器程序框图（ 3）振动测试客户端程序设计程序中用DataSocket Read VI从网络上接收数据。用索引数组函数把加速度信号和采样率分别索引出来。如图 2.6 所示。图 2.6振动测试客户端程序框图12湖南科技大学课程设计（论文）2.4振动测试虚拟仪器调试2.4.1 扫频 信号 输出 调试设置自动模式，频率设置为66.2Hz ，慢扫频间隔5000ms，快扫频间隔250ms，慢扫频区间一阶为14 28，二阶为 131 145 。如图2.7 所示。图 2.7扫描仪调试图2.4.2服务器设计调试设置采样率为2048S/s 、采样数为1024s 、传感器电压灵敏度为0.151 。如图 2.8所示。图 2.8振动测试服务端调试13湖南科技大学课程设计（论文）2.4.3客户端调 试数据传输地址设为dstp:localhostwave。如图2.9 所示。图 2.9振动测试客户端调试14湖南科技大学课程设计（论文）第三章总结本次课程设计由于我要考研，历时一个星期，在这一个星期