三向振动台的计算机测试分析系统设计(徐云霞)

1、南 京 工 程 学 院毕业设计说明书（论文）作 者： 徐云霞 学 号： 201090402 系 部： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化（制造技术） 题 目： 三向振动台的计算机测试分析系统设计 指导者： 郑 勇 讲师 评阅者： 2013 年 5 月 南 京毕业设计说明书（论文）中文摘要在现代机械工业和机械工程中，振动测试、信号处理以及振动分析是十分重要的环节。但是在机械振动测试中，所需的测试仪器繁多复杂，导致测试工作需要大量的人力、物力。近年来，自动化测试与电子测量仪器在这个技术领域发生了巨大的变化。美国NI公司的创新产品图形化编程环境LabV1EW软件的出现，使虚拟仪器技术为工

2、业界所接收，进而成为当前国际上最先进的仪器技术之一，并得到广泛应用。在虚拟仪器快速发展的趋势下，本论文对实验室中所用到的三向振动台，如何通过计算机测试软件收集、分析、保存数据进行了研究。开发了以计算机、压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集卡为硬件平台、以美国国家仪器(NI)公司开发的LabVIEW软件为开发平台的振动测试软件。关键词：虚拟仪器 LabVIEW 信号测试 平台硬件 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Test and Analysis of Computer System About Three-Vibration Table AbstractIn modern

3、 mechanical industry and mechanical engineering, vibration testing, signal processing, and vibration analysis is a very important part. However, mechanical vibration test require numerous complex test equipment, causing the test work requires a lot of manpower and material resources.In recent years,

4、 automated testing and electronic measuring instrument that in this technology has undergone profound changes. Especially the U.S. company's innovative products NI graphical programming environment LabV1EW software have enabled virtual instrument technology for the industrial sector received, an

5、d thus become the world's most advanced equipment technologies, has been widely used.In the virtual instrument trend of rapid growth, in the laboratory used by the three-vibration table, how the computer test software to collect, analyze, save the data were studied. The development of a computer

6、, a piezoelectric acceleration sensor, data acquisition card as the hardware platform, National Instruments (NI) LabVIEW software developed for the vibration test software development platform.Keywords: Virtual Instruments ,LabVIEW ,signal test , platform hardware目 录前 言1第一章 绪 论21.1 课题背景21.2 课题研究的目的和

7、意义31.3 课题研究的任务和内容31.4 电机振动特性研究简介31.4.1 电机振动产生的原因41.4.2 电机的振动形式4第二章 虚拟仪器简介52.1 虚拟仪器52.1.1 虚拟仪器的定义52.1.2 虚拟仪器的组成52.1.3 虚拟仪器的分类52.1.4 虚拟仪器与传统仪器的比较62.1.5 虚拟仪器的发展72.2 LabVIEW语言92.2.1 LabVIEW 语言的简述92.2.2 LabVIEW 语言的特点92.2.3 LabVIEW语言的应用10第三章测试分析系统设计的总体方案123.1 平台硬件介绍123.2 测试系统概念模型143.3 测试分析系统总体设计方案153.3.1系

8、统数据的采集模块163.3.2数据文件的存储模块163.3.3数据文件的读取模块163.3.4振动信号的分析与处理模块16第四章 三向振动台振动信号测试184.1 测试系统功能验证184.1.1 数据采集与保存184.1.2 数据读取、分析与处理194.2 实例分析20第五章 结论与建议275.1 结论275.2 进一步研究建议27参考文献28致 谢29附录30 前 言在现代的机械工业、工程中，振动测试、信号处理、振动分析是十分重要的环节。但是，在机械振动测试中，所需的测试仪器很多，也很复杂，导致测试工作需要很多的人力和物力。随着现代电子技术和计算机技术的快速发展，自动化测试与电子测量仪器在这

9、个技术领域，也发生了很大的变化。尤其是近些年来，美国NI公司的创新产品LabV1EW软件的出现，使虚拟仪器技术被工业界人士所接收，进一步成为当前国际上最先进的仪器技术之一，并得到广泛应用。在虚拟仪器快速发展的趋势下，本次论文对实验室中所用到的三向振动台，如何通过计算机测试软件收集、分析、保存数据进行了研究。同时，开发了以计算机、压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集卡为硬件平台、以美国 NI公司开发的LabVIEW软件为开发平台的振动测试软件。采用图形化的编程语言LabVIEW，我组建了这个振动测试分析系统，减少了测试过程中的硬件设备，同样实现了对振动信号的采集的目的。这不仅大大降低了硬件成

10、本，而且为实验室教学提供了一种全新的手段。基于虚拟仪器技术的测试实验教学平台的开发，这可以帮助学生形象生动的学习课本知识，将书本上的抽象理论具体的展现出来，有利于提高学生的学习兴趣和学习效率，同时也提高了教学质量。 第一章 绪 论1.1 课题背景在现代工程技术领域，有很多振动问题。我们知道，在绝大多数场合，振动都是有害的。电机是现代生产中的重要电气设备，如果它产生故障，会对生产造成特别大的影响。例如，它可能影响设备的正常工作、机械的加工精度，也可能导致机器零件的加速磨损，甚至导致机器急剧断裂。因此，我们需要监测电机的运行状态。同时，不断提高的环保标准也要求我们控制电机的噪声。测试和分析电机的振

11、动，它为电机的故障诊断和电机的噪声控制提供了途径。因此，我们有必要建立一个电机振动测试分析系统。 所谓的振动测试与分析，就是利用现代的测试手段，对所研究的振动信号进行测量，并对测试所得到的信号作进一步的分析，以获得在各种工作状态下结构的振动特性，从而判断出结构的这种动态特性是否符合设计的要求，为研究人员来验证理论和建立新的理论提供可靠的依据。随着信号处理方法的发展，现代的信号处理技术，正在不断应用到电机振动信号的处理方面，使得电机振动分析越来越的精确。早前，以傅里叶变换为基础的振动功率谱密度、功率谱等，它们只适用于电机的平稳振动方面。短时傅里叶技术的出现，使我们有可能测试并分析电机的转速。这种

12、短时傅里叶技术，也在一定程度上克服了傅里叶分析的缺陷，是振动信号处理特别有效的工具。近年来发展起来的独立分量分析，它则为电机的内部复杂的振动源的分离以及电机故障诊断的特征提供了更加可靠的技术。另外，在计算机技术不断发展的背景下，以计算机为基础的虚拟仪器得到了快速的发展。在很多情况下，传统的振动测试系统，采用电子测量仪器，它的特点是：灵活性较差、功能单一、专用，这极大地制约了振动测试的范围。相比于传统仪器，虚拟仪器不仅用途多样、功能强大，而且具有简化的图形化编程语言以及友好的用户界面。这个优势，不仅让虚拟仪器受到很多用户的欢迎，它也广泛应用在工程测试领域。在不花费大量资金购买专用设备的情况下，虚

13、拟仪器技术对电机振动进行了复杂的测试，使得运用现代信号处理技术处理电机信号成为了可能。41.2 课题研究的目的和意义在现在的机械工业和工程中，振动测试分析是它的重要环节。传统的振动测试系统很多情况下采用电子测量仪器，这类仪器又多又复杂，它的特点是灵活性较差、功能单一而且专用，这极大地缩小了振动测试的范围。基于虚拟仪器技术建立的振动测试分析系统，它不用花费很多钱来购买专用的设备，只要配传感器、数据采集卡、电荷放大器等硬件就能满足振动测试分析的需要。而且，虚拟仪器它不仅仅功能强大、用途多样，还有友好的用户界面和简单的图形化编程语言，这让程序员特别容易学习。本次毕业设计的课题，我利用LabVIEW软

14、件作为开发平台，依靠计算机对虚拟仪器面板进行开发。根据开发出来的面板，只要使用鼠标和键盘，就可以对采集到的信号数据进行分析处理。这种操作和实际中的仪器操作，可以完全一致。同时，还可以简化设计专项功能，没有了复杂的操作，使得应用非常的简单。 一台计算机具有多台仪器的功能，这使得实验准备过程被简化了。由于这些功能是在计算机的基础上开发的，而不是硬件元件，所以很多实验步骤也可以完全省略，这会大大减少师生在学习中的任务量，提高效率。另外，实验仪器设备的功能可通过编程来实现，这样就摆脱了功能固化的问题。这样可以节省很多的资金，是非常经济的。1.3 课题研究的任务和内容本课题是以三向振动台为研究对象，开发

15、基于LabVIEW平台下计算机测试分析系统。主要的任务是：1、搭建由压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集装置和PC机组成的三向振动台计算机测试分析系统的硬件平台。2、开发基于LabVIEW的振动测试分析软件，完成数据采集、数据存储与读取、信号显示、信号分析与处理等功能，并提供相应的软件测试报告。1.4 电机振动特性研究简介电机是现代化生产中重要的电器设备，如果电机发生故障，绝对会对生产造成十分大的影响。因此，需要监测电机的运行状态，有必要建立一个电机振动测试分析系统。那电机的振动原因、形式有哪些呢4 12，下面就进行一下阐述。1.4.1 电机振动产生的原因电机是电能量的转换装置，结构复杂，

16、它的振动涉及到电机的各个部件。电机振动特性研究涉及了到了很多方面，如能量转换、电磁铁，机械振动。一般来说，电机振动产生的原因有：1、电磁力：电磁力作用于定子和转子的气隙之中，它的力波在气隙中是脉动或旋转的。力的大小与电磁负荷、电机有效部分的一些结构和计算参数有关。2、轴承：轴承产生的振动的原因很多，比如轴承本身的制造情况、加工精度等。3、转子的机械不平衡：转子的不平衡能产生特别明显的振动。 1.4.2 电机的振动形式1、电机定子绕组引起的振动2、电机定子铁心引起的振动3、电机轴承引起的振动4、电机转子的扭转引起的振动5、电机转子的弯曲引起的振动6、电机机座的引起的振动 第二章 虚拟仪器简介2.

17、1 虚拟仪器 2.1.1 虚拟仪器的定义虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，并结合高效、灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用技术。自它问世以来，世界各国的工程师和科学家，都已将虚拟仪器用于产品设计的各个环节中。这不仅改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，而且还提高了产品开发和生产的效率。6 7 图2-1 虚拟仪器2.1.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器是由仪器硬件平台（简称为硬件平台）和应用软件两大部分构成的。硬件平台则由计算机和I/O接口两部分组成。计算机是虚拟仪器的核心设备，通过软件进行仿真可以实现仪器的功能。在传统仪器中，硬件电路实现的数据分析处理与显示功能，在虚拟仪器中的话，

18、由计算机来执行。所以，计算机是其核心部分。当计算机与I/O接口设备配置完毕后，虚拟仪器的硬件平台就可以被确定了。在此之后，软件就成为虚拟仪器的关键部分。2.1.3 虚拟仪器的分类随着微机的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器它可以分为五大种类型：10 111、PC总线插卡型这种方式的虚拟仪器，借助于数据采集卡与专用的软件，与软件相结合。计算机的总线、机箱、电源及软件得到了充分应用。但是，它受到PC机机箱和总线限制，而且电源功率不足，机箱内部噪声的电平比较高，插槽数目不多、尺寸比较小，机箱内无屏蔽。2、并行口式并行口的虚拟仪器是最新发展的，可连接到计算机的测试装置，它们把仪器硬件集成到一个采集盒里

19、面。仪器软件装在计算机上面，一般可以完成各种测试的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、逻辑分析、仪功率计、频率计、数字万用表、数据记录仪、数据采集器、程控稳压电源。3、GPIB总线方式GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器发展的早期阶段。它的出现，使电子测量从独立的单台手工操作，向大规模自动测试系统方向发展。比较典型的GPIB系统，它由一台PC机、一块GPIB接口卡、若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。GPIB技术可通过计算机来对仪器进行操作、控制，从而替代以前的人工操作方法。这可把特别多仪器组合在一起，自动测量的系统就形成了。GPIB结构、命令十分的简

20、单，它一般情况下应用在台式的仪器上，适用在精确度的要求比较高的地方。4、VXI总线方式VXI总线是高速计算机总线VME在虚拟仪器领域的扩展，它具有非常稳定的电源，特别有力的冷却能力和十分严格的RFI/EMI屏蔽功能。由于它具有标准开放、模块可以重复利用、数据吞吐能力强、定时和同步精确、结构紧凑等等优点，得到了十分广泛的应用。经过许多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便。但是，组建VXI总线要求有机箱、嵌入式控制器、零槽管理器，这使得它的造价很高。5、PXI总线方式PXI总线方式是在PCI总线内部核技术中，增加了成熟的技术规范和要求，增加了多板同步触发总线，以使用在相邻模块的高速通讯中的局

21、总线。因为PXI具有8个扩展槽，通过使用PCIPCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，所以说PXI的具有高度的可扩展性。如果将台式PC机的高性价比和PCI总线的高度扩展性优势结合起来，将形成很好的虚拟仪器平台。2.1.4 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器存在着或多或少的区别。一般来说，传统的仪器是独立的一种装置。从它的外观上看，它有信号的输入端口、检测结果的输出端口、操作面板三个部分。操作的面板上边，一般有按钮、开关以及旋钮等。检测结果，它的输出方式：图形窗口数字、打印输出等。功能方面来说的话，传统的仪器可以分成这些：信号的处理&分析、信号的控制&采集、结果的输出和表达

22、这么三个部分。传统得仪器功能，大多数是用硬件(或者是固化的软件)那样来实现的。此样底框架结构使得它只能靠制造仪器的厂商来定义以及制造，且规格、功能一般是固定的，用户根本无法根据自己的需要改变其结构和功能。5那虚拟仪器又有什么特点呢？虚拟仪器是一种全新的测控仪器系统，它通过应用程序将通用 PC机与功能模块硬件结合起来。用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，完成对被测量数据的采集、显示、分析、判断、存储等测试工作。2虚拟仪器与传统仪器两者的比较，见表2-1。表 2-1 传统仪器和虚拟仪器的对比传统仪器虚拟仪器功能由仪器制造厂家定义功能由使用者自己来定义和其它的仪器设备连接在一起非常地有限可以方便

23、地和网络外边的设施以及许多种的仪器连接开发和维护费用高基于软件体系的结构，可节省开发费技术更新慢技术更新快硬件是关键部分软件是关键部分价格昂贵价格低廉,仅是传统仪器的五至十分之一系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术开放的功能，模块可构成多种仪器数据无法编辑数据可编辑、存储、打印图形界面小，人工读取数据、信息量小用户界面图形化,计算机可以直接读取数据并分析处理数据2.1.5 虚拟仪器的发展从上世纪70年代，提出了智能仪器的概念，到提出虚拟仪器的思想，人们对测试仪器的功能设计和应用的认识，呈现出了不断发展和深化的过程。虚拟仪器从概念的提出，到现在技术的越来越成熟，体现出了计算机技术对传统工

24、业的革命。在虚拟仪器技术发展的过程中，有两个十分突出的标志，第一个是 VXI 总线标准的建立和推广，第二个是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架中，实现了分析与测量的仪器所必须要的总线结构。后者则是从软件编程方面，实现了面向工程师的图形化编程方法，这两种虚拟仪器一起形成了虚拟的仪器滴基础规范。1、硬件发展传统仪器具有可靠性、实时的处理能力，如果要确保虚拟仪器拥有这样的功能，关键的一点是：传输的测量数据的总线结构。在这个虚拟仪器里面，它的分析处理功能是靠计算机来控制、完成，因此，接口和总线得速度以及可靠性是十分关键的。美国NI公司最新推出的 VXI 总线标准，让用户可跟仪器厂家一样，

25、从访问寄存器来设计和安排仪器的功能，这样也使得用户化仪器功能得以实现。当然，采用普通的PC总线，特别是基于工业PCI总线的虚拟仪器也在不断地发展。这类虚拟仪器的出现，主要是面向工业控制，过程监测及实验室应用方面。另外，发展很迅速的还有数据采集卡。具有很高的采样率，高精度的DAQ 板已经面世，抗混叠滤波器、A/D 转换技术、信号调理技术、仪器放大器的快速发展使 DAQ 成为最具有吸引力的 VI 选件之一。这些精度高、性能优越的先进板卡，即是我们构建测控系统的硬件基础。2、软件发展推动虚拟仪器发展的因素，除了有硬件技术外，还有软件技术和国际标准。在GPIB这类接口总线出现后，大家一直关心的问题是：

26、关于程序控制仪器的信息交换协议、句法格式以及共用命令的标准化的相关问题。随着虚拟仪器技术的发展，用户自己来开发仪器驱动器，已经基本成为技术发展的客观要求。以前，仪器厂家专门设计仪器驱动器，没有一定的标准，这让用户用在仪器软件上面的投资无法得到保护。为此，国际有关组织专门地制订了一个标准：VISA标准，这样就建立了与跟许多仪器接口的总线不相关的标准I/O软件，与 LabVIEW软件等一些开发环境比较先进的软件互相适应。3 2.2 LabVIEW语言2.2.1 LabVIEW 语言的简述实验室里面，虚拟仪器的集成环境的简称是LabVIEW，它是目前发展最快、应用最广、功能最强大滴图形化的软件以及开

27、发集成的环境，得到了学术界、工业界的一致好评以及评认可。它可以将相对比较繁琐的语言编程方法简化，将它们变为用菜单或是用图标来提示，选择功能，只用通过线条把各种各样的功能(图形)接起来，这方便了基本没有编写程序经验的使用者，进行编程、纠错以及调试。LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，它能以直观简便的编程方式，为用户构筑自己在工程中所需要的仪器提供了方便。而且与其它计算机语言相比，LabVIEW有一个不同点：其它的计算机语言，大都采用基于文本的语言来产生代码行，但是，LabVIEW 则采用图形化的编程语言G 语言，产生的程序是框图的形式。因为不用去去记住那些复杂、繁琐的代码，所以这个特别容易

28、学习，适合于各类人群，可帮他们在很短时间里，掌握并应用它。5LabVIEW 语言的的功能也十分强大。和其它的计算机语言一个样子，LabVIEW也是通用化的编写程序系统，它拥有功能厉害、种类繁多的函数库，这其中包括串行仪器的控制、数据的采集、数据分析、数据的显示功能、数据的存储功能以及网络功能。除此之外，LabVIEW 语言，它还有十分完美的仿真、调试工具等功能。LabVIEW语言的动态、连续的跟踪方式，也可以连续、动态地来观察一下程序中里面的数据以及它的变化情况，这比其它语言的开发环境更加方便、更加有效。2.2.2 LabVIEW 语言的特点LabVIEW环境中，开发了好一些应用的程序，它的文

29、件名字都用 .VI 作为后缀,用此方法来表示，它是虚拟仪器的意思。一个VI，它有三部分组成的，这包括：图标的连接端口、数据的流框图以及用户的接口。同时，模块化的编程方法也是其特点。用户可以把一个复杂的应用分解成为一系列简单的子任务,为每个子任务建立子VI。最后，把这些子VI组合在一起，就完成了最后一步应用程序。因为每个子VI可以单独执行，所以调试很容易。进一步而论，许多低级子VI可以完成一些常用功能。因此，用户可以开发特定的子VI，以此来适用一般的应用程序。LabVIEW的运行机制，它带有数据流的模式、图形控制流的结构。数据流 得程序设计方法里面规定，所有输入都有效的时候才可以执行。当它的功能

30、完成时，目标才能输出。这也就是说，在这样的数据流的程序概念中，程序执行方式是以数据来驱动的。它不受其他因素的影响。如果是这样的话，被连接的功能的节点，它们中间的数据流，它执行次序被控制，而不像文本程序那样，它受到行执行顺序的约束。因此，我们可以用相互连接起来的功能节点，快速地开发出应用的程序，这样还能实现很多数据通道，一起同步运行这种功能。LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。一个VI一共包括三个部分，第一个程序前面板、第二个框图程序、第三个图表/连接器。程序的前面板是用来观察输出的量、设置输入的数值，以及模拟真实的仪表。在程序的前面板上，输入成为控制量，输出

31、量则被叫做显示。框图程序则是和前面板相对应的。我们用图形化的语言，来编写框图的程序，它可以理解成为源程序代码。这种框图程序的构成是：连线、图框、端口、以及节点。图标/连接器这个部分，它是用来调用子VI的接口。在其它的程序框图中，图标是子VI被调用节点的一种表现形式。而连接器，它是表示着，节点数据之中的输入/输出口，就像是函数的一种参数。操作者必须指定一种连接器端口以及要与前面板的控制、显示保持一一的对应关系。连接器一般情况下是隐含的，除非用户自己选择打开它。2.2.3 LabVIEW语言的应用LabVIEW语言应用非常广泛，具体有以下几个方面：1、测试测量：LabVIEW最初出现，就是为测试测

32、量而设计的。因而LABVIEW最广泛的应用领域也就是测试测量。经过多年的发展，大多数主流的测试仪器、数据采集设备依然使用LabVIEW驱动程序。2、仿真：LabVIEW尤其是适合进行模拟、仿真、原型设计等工作，因为它包含了许多数学运算函数。3、控制：随着虚拟仪器的发展，LabVIEW拓展至控制领域。LabVIEW语言它拥有着这种模块LabVIEWDSC，专门用于控制领域。除这个之外，LabVIEW语言，它的驱动程序还应用在其他的方面，比如：工业控制的领域里面。当我们使用LabVIEW语言的时候，可以很方便地编制出各种各样的程序。4、跨平台：同一个程序，如果它需要运行在须多的硬件设备上面，也可第

33、一个考虑用LabVIEW语言。这是因为，LabVIEW具有十分好的平台的一致性。5、快速开发：因为LabVIEW采用的是图形化的编程语言，所以在开发大型应用软件时，熟练的LabVIEW程序员所需的开发时间，大概只是熟练的C程序员所需要时间的1/5左右。第三章测试分析系统设计的总体方案3.1 平台硬件介绍此次毕业设计，我做的是：三向振动台的计算机测试分析系统设计。在做设计之前，必须选择并搭建合理的硬件平台。设计过程中，所用到的平台硬件包括：三向振动台电气控制箱、三向振动台、压电式传感器、积分电荷放大器、数据采集装置、PC机。硬件平台机构图如图3-1。图3-1 硬件平台机构图1、三向振动台电气控制

34、箱 ：控制三向振动台的振动频率和振动时间。如图3-2。图 3-2 三向振动台电气控制箱 2、三向振动台：收集其产生的振动信号，供设计的软件进行分析。如图3-3。图3-3 三向振动台3、压电式传感器：传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。此实验的传感器即是将采集到三向振动台的振动信号变成电信号，供后面计算机进行分析。见图3-4。图3-4 压电式传感器 4、积分电荷放大器：电荷放大器是一种具有电容反馈的高增益运算放大器，如图3-

35、5所示。其输出电压与压电加速度计两端所产生的电荷成正比。电荷放大器的输出电压仅由压电加速度计两端所产生的电荷和反馈电容决定，而与压电加速度计的固有电容和电缆及等效电容无关。本课题实验所采用的是CA-3型积分电荷放大器，与加速度传感器是配套仪器。将振动产生的电荷进行运算输出对应模拟电压值。图 3-5 积分电荷放大器电荷放大器配接YD-64型压电加速度传感器。将压电加速度传感器所测机械量转变成与其成正比的电压，将高输出阻抗变为低输出阻抗。并可通过仪器面板上档位调节开关调节所测物理量，如：加速度，速度，位移信号，根据所测信号的强弱可进行适当的增益设置，为后级采集电路提供适合的输入信号。 5、数据采集

36、装置：本次毕业设计采用较为普遍的NI公司的数据采集卡，该卡的型号为：NI USB-6008/6009。NI USB-6008/6009数据采集卡具有模拟输入、模拟输出、数字I/O和计数器/计时器功能。提供8个模拟输入通道和2个模拟输出通道，12个数字输入/输出通道和32位USB计数器。见图3-6。6、PC机：利用计算机中的LabVIEW 软件，编写相应的测试程序，用来分析三向振动台的振动数据。见图3-7。图3-6 数据采集装置 图3-7 PC机3.2 测试系统概念模型测试的过程就是获得信号，最后提取所需信息的过程。通常，测试工作的过程包含许多不同功能的环节，例如被测对象、信号的传感与变换、传输

37、与条理、分析与处理、显示与记录等。通常情况下讲，测试系统主要有以下几个过程所组成：整个测试系统的原理为：传感器对振动信号、加速度等被测物理量进行检测，同时将其转换为电量，中间变换装置用硬件电路，对电信号进行分析以及处理。或者是当信号经过AD转换之后，一些软件分析信号。用来显示以及记录的这种装置，它则将测量出来的结果显示，最后提供给一些观察的人员，也提供给其它的一些控制之类的装置。51、被测量被测量即是信号，分为两种：第一种电信号，第二种非电信号，如电信号电压、电流，非电信号位移、加速度、温度、湿度、频率等。2、信号转换信号转换即是将采集到的各种信号测量出来，并转换成电信号(模拟电压或电流)，主

38、要包括信号变换器、传感器以及各种显示仪器。3、信号调理信号调理就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。因为有些工业信号，它是高压，过流，浪涌等，系统不能正确识别它们，所以必须进行信号调理。4、数据采集和控制数据采集(DAQ)，是指从传感器或者其它待测设备的模拟和数字被测单元中，自动采集非电量或者电量信号，采集完之后，送到上位机中进行分析，并进行处理。8 9 5、数据处理信号处理是指将模拟信号变成数字信号，然后由计算机进行处理。数据处理可分为以下三个步骤： (1)预处理：在信号分析前，对信号用数学方法进行的处理叫做预处理。包括以下几种方法：错点剔除、去趋势项和数字滤波

39、等。 (2)数据分析：这是该测试软件的核心功能，主要是对预处理的信号进行特性分析。 (3)结果显示：显示分析处理结果的数据和图形。在显示结果时，为了读数或读图的方便，往往可以利用移动光标定位、选点、标定参数、显示等多种辅助功能，来帮助我们读取结果。3.3 测试分析系统总体设计方案分析三向振动台的振动信号，我这次所用的软件是美国NI公司的软件LabVIEW。用LabVIEW软件编写测试程序，关键就是选择好前面板中的控件和编写好程序框图中的程序。只要能保证这两个不出错，那么三向振动台的数据就能顺利的测试好。本次毕业设计，我主要完成设计的工作是：系统数据采集模块设计、数据文件的存储与读取模块设计、振

40、动信号的分析与处理模块设计。那么在搭建好相关的硬件平台后，我就做出了这一次测试分析系统的总体设计方案。3.3.1系统数据的采集模块 在设计好采集模块之后，即是达到采集三向振动台三个方向振动数据的功能。所以，我在设计采集模块前面板的时候，首先要选择三个通道，分别对应三向振动台的三个方向。同时，设计一个开关按钮，控制是否进行采集数据。然后，对采集来的波形，要进行保存。设计好前面板，程序框图就要完成相应的工作，达到相应的功能。具体的前面板和程序框图见附录1。3.3.2数据文件的存储模块在设计好数据文件的存储模块后，要达到可以保存采集来的信号波形图，同时还要保存经过数据分析和处理的数据。因为保存模块用

41、到的比较多，所以可以把它做成子VI的格式，然后进行调用，这样比较方便，程序也比较简单。保存模块的程序见附录1。3.3.3数据文件的读取模块三向振动台的信号采集完之后，在对这些信号进行分析之前，首先要读取这些信号，所以要设计一个读取模块。读取模块的前面板和程序框图具体见附录1 。3.3.4振动信号的分析与处理模块振动信号的分析与处理模块设计，主要完成的功能有：时域分析和频域分析。具体见附录1。1、时域分析时域分析主要是信号相关分析，包括自相关和互相关分析。当两个随机变量之间具有某种关系时，随着某个变量数值的确定，另一个却可能取许多不同值，但取值有一定的概率统计规律，这时称两个随机变量存在着相关关

42、系。12、频域分析频域分析包括信号的幅频谱、相频谱、单边傅里叶变换、双边傅里叶变换、自功率谱、互功率谱分析。在信号分析过程中，将组成信号的各频率成分找出来，按序排列，得出信号的频谱。若以频率为横坐标、分别以幅值或相位为纵坐标，便得到信号的幅频谱、相频谱。傅里叶变换，它是一种线性的积分变换。之所以用傅里叶的名字来命名，因为它思想，最早是由法国的学者：约瑟夫·傅里叶提出来的。傅里叶变换，它可以将满足条件的函数，用三角函数（正弦函数或着是余弦函数）来表示出来。或者是，我们将它们的积分，通过线性方法组合。傅里叶变换在不同的研究的领域，有不同的形式。此次毕业设计中，因为离散傅里叶变换计算过程比

43、较繁琐，所以我主要用的连续傅里叶变换（单边和双边傅里叶变换），这个能比较快速而又方便的分析振动信号的频域特点。1功率谱是数字信号处理的主要内容之一，主要研究信号在频域中的各种特征，目的是根据有限数据在频域内提取被淹没在噪声中的有用信号。功率谱包括自功率谱和互功率谱。随机信号的自功率谱密度函数（自谱）是该随机信号自相关函数的傅立叶变换。互谱即是两个随机信号互相关函数的傅里叶变换。功率谱密度函数表示信号的功率密度沿频率轴的分布。 第四章 三向振动台振动信号测试4.1 测试系统功能验证4.1.1 数据采集与保存本次毕业设计，设计的虚拟振动测试分析系统，采用的数据采集硬件为多通道的数据卡，可以同时对三

44、个通道进行现场的采集。数据采集子VI主要完成对振动信号从模拟信号到数字信号的高精度转换，从而为后续的各种信号分析与处理提供可靠的原始数据。在进行测试前，首先要对系统进行参数设置，包括采样频率的设定、采样通道的选择、以及连接方式的设定。采集的信号图见图4-1。图4-1 信号采集1、设置采样频率。采样频率是信号处理的重要参数，所以为了使测试软件具有通用性，采样率都由用户自己设置。2、选择采样通道和连接方式。由于是采集振动台三个方向的振动信号，所以要选择3个通道。3、设置振动时间和频率。这个通过电器控制箱来设置。4、开始采样。点击开始按钮后，开始采集振动台三个方向的信号，可以看到波形图上的波形会随着

45、时间而变化。5、保存。在按下保存数据按钮后，采集的信号特征便可保存在指定的位置，以便以后进行信号分析时使用。 6、波形图有显示，说明采集模块是没有问题的。同时，波形可以保存，说明保存模块也是正确的。 4.1.2 数据读取、分析与处理在采集完三向振动台的信号后，开始对采集来的信号进行分析与处理，所用到的是我本次设计的信号分析部分。时域分析中的自相关和互相关波形图见图4-2。图4-2 时域分析1、时域分析 读取波形。单击“读取波形”按钮，即可读取已经采集来的振动信号。 时域分析。当波形读取进来的时候，三个通道的自相关和互相关波形都会出现在对应的波形图中。 保存。数据时域分析好后，就将它进行保存。2

46、、频域分析 读取波形。单击“读取波形”按钮，即可读取已经采集来的振动信号。 频域分析。当波形读取进来的时候，三个振动信号的幅频谱、相频谱、单边傅里叶变换、自功率谱、互功率谱都会出现在对应的波形图中。 保存。数据时域分析好后，就将它进行保存。 每一个波形图显示出来，说明信号读取、处理模块也没有问题。具体的分析，见附录2。4.2 实例分析下面通过对三向振动台的上下电机设置不同振动频率，来分析它的振动情况。三向振动台的上电机振动频率是24 Hz，下电机振动频率是18Hz，采样频率是1000 Hz，采集方式是RSE。第一通道对应三向振动台的Y方向，第二通道对应X方向，第三通道对应 Z通道。分为三种情况

47、进行分析。1、上电机单独振动。利用硬件平台，采集了各个通道的波形图。把各个通道的波形图，分别在三个通道对应的波形图中显示出来（见图4-3），再把三个通道的波形图显示在一个波形图中（见图4-4）。这样可以更直观地看出三个通道波形图的情况。同时，把三个通道的自功率谱的波形图显示出来（见图4-5），以便分析。图4-3 波形图图 4-4 波形图图4-5 自功率谱从两幅波形图中分析，当只有上电机单独振动时，三向振动台的Y方向（第一通道）振动最厉害，X方向振动的幅度最小。这个跟三向振动台的固定方式以及上电机的旋转方式是一致的。在Y方向三向振动台没有完全固定，X方向是被固定住的，所以振动时，振动台的滑板容易

48、向Y方向运动。同时，电机是在Y方向上旋转的。所以，上电机单独振动时，三向振动台的Y方向振幅最大，X方向振幅最小。在波形图上 ，第一通道的波形图幅值最大，第二通道的波形图幅值最小。从自功率谱的波形图上分析，三个通道的波形图，尖峰都是对应在一条线上的。这是因为只有上电机单独振动，振动频率是一样的。从横坐标的频率上看，在误差范围内，频率都是 24的倍数。这是因为上电机单独振动时，设置的振动频率是24Hz。所以振动频率的基频是24 Hz，谐波的频率就都是它的倍数。2、下电机单独振动。利用硬件平台，采集了各个通道的波形图。把各个通道的波形图，分别在三个通道对应的波形图中显示出来（见图4-6），再把三个通

49、道的波形图显示在一个波形图中（见图4-7）。这样可以更直观地看出三个通道波形图的情况。同时，把三个通道的自功率谱的波形图显示出来（见图4-8），以便分析。 图4-6 波形图图4-7 波形图图4-8 自功率谱从两幅波形图中分析，当只有下电机单独振动时，三向振动台的Z方向（第三通道）振动最厉害，Y方向和X方向振动的幅度相差不多。这个跟三向振动台电机的固定情况也是一致的。下电机单独振动时，下电机对三向振动台的影响比较大。所以导致在Z方向，也就是竖直方向，振动幅度比较大。从波形图中也可以看出，Y和X方向波形图上，有波峰异常的高。这并不是我设计的程序有问题，而是因为三向振动台的上垫板在振动时，遭到冲击，

50、相互有碰撞，所以导致在某个时刻或一个时间段内，加速度特别大，所以振动幅度比较大。从自功率谱的波形图上分析，三个通道的波形图，尖峰都是对应在一条线上的。这是因为只有下电机单独振动，振动频率是一样的。从横坐标的频率上看，在误差范围内，频率都是 18的倍数。这是因为下电机单独振动时，设置的振动频率是18Hz。所以振动频率的基频是18 Hz，谐波的频率就都是它的倍数。3、上下电机同时振动。利用硬件平台，采集了各个通道的波形图。把各个通道的波形图，分别在三个通道对应的波形图中显示出来（见图4-9），再把三个通道的波形图显示在一个波形图中（见图4-10）。这样可以更直观地看出三个通道波形图的情况。同时，把

51、三个通道的自功率谱的波形图显示出来（见图4-11），以便分析。图4-9 波形图图4-10 波形图图4-11 自功率谱从两幅波形图中看，在上下电机同时振动时，三向振动台的Y方向振动的最厉害，X和Z方向的振动幅度相差不多。这是因为上电机的振动比下电机的振动对三向振动台的影响大。这个结果跟实际情况是一致的。我把自功率谱的波形图放大，这样可以更直观地观察波形的特点。从图上看，三个通道的波形还是对应在一条竖线上，因为电机是同一个，振动频率是一样的。其次，从横坐标的频率上看，频率都是18和24的倍数（有些许误差）。这是因为有两个电机同时振动，振动频率分别是18Hz、24Hz。 第五章 结论与建议5.1 结

52、论本次毕业设计主要是要运用LabVIEW软件，设计一个程序，对三向振动台的信号进行采集与分析。在这过程中，我翻阅了很多资料，最终设计出来的测试系统程序，达到了对振动信号的采集、处理和分析、存储与读取的功能。该计算机测试分析系统具有如下几个特点：1、测试系统，它用了虚拟仪器这种方法，极大地降低了设计的成本。测试系统所用的硬件平台，采用 PC机为硬件核心。其次，采集信号用了数据采集卡、转换设备等。USB这种接口方式，它有很多有点。它克服了许多缺点，有使用的方便、速度加快、连接灵活、独立供电等优点。2、测试系统的编写，采用了的图形化编程语言LabVIEW，它以图形化的框图程序取代了传统的文本格式代码，使编程更为简单、方便。3、