基于Labview的汽车平顺性道路试验系统模拟分析_图文

1、目录摘要. III 1 绪论. (11.1 课题的研究背景 (11.2 国内外汽车平顺性试验技术研究现状 (11.2.1 国外汽车平顺性试验技术研究现状 (11.2.2 我国汽车平顺性试验技术研究现状 (11.3 课题的研究目的及意义 (21.3.1 课题的研究目的 (21.3.2 课题的研究意义 (21.4 本设计的主要内容 (22 汽车平顺性评价方法及试验的介绍 (32.1 人体对振动的反应 . 错误!未定义书签。2.2 平顺性的评价方法 (32.2.1 基本评价方法 (32.2.2 辅助评价方法 (62.3 试验系统的结构. 错误!未定义书签。2.4 试验系统的工作原理. 错误!未定义书

2、签。2.5 试验系统功能 . 错误!未定义书签。2.5.1 汽车加速度的测试 . 错误!未定义书签。2.5.2 汽车加速度评价指标的计算. 错误!未定义书签。2.5.3 汽车平顺性的评价 . 错误!未定义书签。2.5.4 试验数据的保存. 错误!未定义书签。2.6 实验系统设计原则和所需测量的参数. 错误!未定义书签。2.6.1 实验系统的设计原则. 错误!未定义书签。2.6.2 测量的参数. 错误!未定义书签。3 试验系统硬件设计. 错误!未定义书签。3.1 加速度传感器 . 错误!未定义书签。3.2 数据采集卡. 错误!未定义书签。3.3 计算机 . 错误!未定义书签。3.4 汽车平顺性试

3、验理论接线图. 错误!未定义书签。4 试验系统软件开发 (74.1 虚拟仪器相关概述 (74.1.1 虚拟仪器的定义 (74.1.2 虚拟仪器的特点与优势 (74.2 Labview简介 (74.3 系统的软件结构设计 (104.3.1 软件模块划分 (104.3.2 软件的总体框图 (104.3.3 系统总体流程图 (114.4 试验系统总程序的设计 (124.5标定模块的设计 (144.5.1 标定的前面板设计 (144.5.2 标定的程序设计 (154.6 平顺性试验和评价软件的设计 (184.6.1 试验系统的前面板设计 (184.6.2 平顺性的评价系统前面板设计 (194.6.3

4、试验系统的程序设计 (194.6.4 平顺性评价系统的程序设计 (224.6.5 数据保存的程序设计 (245 试验系统调试和结果分析 (265.1 系统调试过程和步骤 (265.2 部分实验结果分析 (265.2.1 X轴加速度为g时 (265.2.2 Y轴加速度为g时 (285.2.3 Z轴加速度为g时 (295.2.4 汽车行驶在相对平缓的路面 (315.2.5汽车行驶在较差的路面 (325.3 实验总结 (346 总结与展望 (356.1 总结 (356.2 展望 (35致谢语 (36参考文献 (37基于Labview的汽车平顺性道路试验系统模拟分析陈沛锋三明学院2012级机械设计制造

5、及其自动化专业福建三明365004摘要:本文利用虚拟仪器技术,通过LabVIEW平台开发一套汽车平顺性试验系统,再利用模拟车速及路面不平度输入进行模拟试验。通过模拟加速度传感器信号输出到数据采集卡,再用导线连接把输出的信号通过数据采集卡采集到电脑里,根据汽车平顺性评价方法,对加速度信号进行相应的处理,最终得到汽车平顺性评价参数。结合平顺性试验系统的逻辑要求利用LabVIEW编写相应的试验程序,再根据汽车平顺性的试验方法进行实车试验。试验结果表明,该套试验系统能很好的完成汽车平顺性试验,并且精度满足国家标准相关要求。关键词:LabVIEW;汽车平顺性;试验系统;加速度2014届机械设计制造及其自

6、动化专业毕业论文(设计1 绪论随着经济发展和社会文明进步,汽车成为大多数人生活中必不可少的代步工具,不管从提高工作效率还是降低事故发生率的要求出发,汽车的乘坐及工作环境必须具有一定的舒适性。汽车平顺性直接影响乘坐舒适性,舒适性只要由乘员主观感觉来评价1。1.1 课题的研究背景我国汽车业发展迅速,对汽车的平顺性试验和试验所需的相关设备提出了新的要求。我国在1996年颁布了平顺性试验法规GB/T4970996汽车平顺性随机输人行驶试验方法2,该法规和世界法规ISO 26311:1997(E的一些规定有相似。但我国汽车平顺性试验技术相对国外来说较落后,面对车种繁多,人们对现代汽车的平顺性要求越来越高

7、的挑战,传统的检测手段对汽车平顺性能的检测以慢慢难以满足要求,而且传统试验设备检测费用昂贵,操作也不方便。由于汽车试验设备都很昂贵,要进行汽车平顺性试验系统开发,先通过模拟试验来进行试验,是试验系统达到最优化,这样不仅节省了成本,对试验的教学也起到推动作用。1.2 国内外汽车平顺性试验技术研究现状对汽车行驶平顺性的研究所涉及的范围很广,而对其试验评价方法的研究是对汽车平顺性试验的研究的关键,其中包括汽车行驶平顺性评价方法及评价指标两个方面内容的研究34。换言之,对汽车平顺性试验方法的研究问题就是对其评价方法和评价指标研究的问题。由于对汽车行驶平顺性的评价涉及到人的主观感觉,而人的主观感觉又是一

8、个主观因素,所以评价起来就非常复杂56。1.2.1 国外汽车平顺性试验技术研究现状早在1931年,Reiher和Meiste两位科学家通过十名自愿者在振动台上的振动试验,来实现对汽车行驶平顺性评价方法的初步研究47。后来,Dieckman和Janeway等也做了很多的试验,此中相对有影响力的是Dieckman的K系数法和Janeway准则5。1968年,Pradko等人通过试验得出以下结论:在0-60Hz内,当输入力为0-320N时,身体变形为0-10.16mm,此时,可近似将人体视为一线性系统,并由此提出了吸收功率法错误!未定义书签。10。1974年国际标准化组织制定了IS02631国际标准

9、311,并于1978年修订后重新发表,该标准推荐的两种评价方法-1/3倍频带分别评价方法、总加权值评价方法及其评价指标,适用于1 -80Hz频率范围内对人体承受的全身振动的评价312。1997年,经过几次修改和补充,ISO公布了对于评价长时间作用的随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影响时,能更好地和主观感觉一致3的IS02631-1:1997(E 人体承受全身振动评价第一部分:一般要求6。1.2.2 我国汽车平顺性试验技术研究现状目前我国国内国家级的试验场地有四个:海南汽车试验场、襄樊汽车试验场、定远汽车试验场、北京通州汽车试验场。在这些试验场中,几乎所有的汽车试验场都能按GB/T497

10、0-1996汽车平顺性随机输人行驶试验方法和GB/T5902-86汽车平顺性脉输入行驶试验方法标准规定的条件进行试验错误!未定义书签。由于人体对振动的反映的评价和衡量是非常困难和复杂的问题,尽管目前公认的IS02631评价法己经得到不断的补充和扩展,我国普遍采用的标准也在不断完善,但是还不是理想的评价指标和界限,确实需待进一步的完善34。1.3 课题的研究目的及意义1.3.1 课题的研究目的汽车行驶平顺性试验是当代新车研制或现有车辆改装过程当中的一个极其关键的环节3。因此,本文旨在利用虚拟仪器技术,通过LabVIEW平台开发一套汽车平顺性道路试验系统。该系统能模拟汽车行驶过程中相应位置上的各轴

11、向的加速度信号进行采集,并根据平顺性评价方法计算得到相应的评价指标,以达到评价汽车行驶平顺性的目的4。1.3.2 课题的研究意义对汽车的平顺性试验显得尤为重要。因此本次我选择汽车平顺性试验系统设计作为毕业设计课题,采用当代较为先进的试验方法和设计思想,将虚拟仪器和LabVIEW软件引入到汽车平顺性试验系统中来,减少汽车平顺性试验时所需的仪器,简化平顺性试验系统,使得汽车平顺性试验系统简单可靠16,对提高汽车平顺性试验能力有着重要的意义1。1.4 本设计的主要内容本文是基于LabVIEW的汽车平顺性道路试验系统开发,使用虚拟仪器开发软件LabVIEW编写相应的试验程序,再根据汽车平顺性的试验方法

12、进行模拟试验,并计算出相应的评价指标。本文的主要内容可分为:(1根据编程需要,通过阅读相关书籍和观看视频,学习图形化编程软件Labview的相关理论知识,熟练掌握LabVIEW的编程方法;(2学习汽车平顺性的相关理论知识,掌握汽车平顺性评价方法及试验方法;(3利用虚拟仪器技术,通过图形化虚拟编程软件LabVIEW进行编程,对所模拟的信号数据进行处理16。根据汽车理论知识,编程计算出加权加速度均方根值和加权振级,并且通过与理论相比较,以评价出汽车行驶平顺性的好坏;(4对模拟试验所得的数据进行分析。通过Labview平台开发的平顺性试验系统,可以得到所需的平顺性评价指标,并且可以通过电子表格的形式

13、保存数据,方便试验结束后对汽车行驶平顺性的好坏进行综合分析。2 汽车平顺性评价方法及试验的介绍汽车平顺性的好坏主要体现在人体对振动的敏感程度,所以在研究汽车平顺性之前,我们应该先通过人体对振动的敏感程度进行讨论,然后才好确定汽车平顺性的评价方法、评价指标的计算方法以及系统的整体设计。 2.1 平顺性的评价方法 2.1.1 基本评价方法ISO2631-1:1997(E 标准规定,当振动波形峰值系数<9(峰值系数是加权加速度时间历程(t a w 的峰值与加权加速度均方根值w a 的比值时错误!未定义书签。,用基本评价方法加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响627。本次设计的测试

14、系统就是建立在基本评价方法上。(1用基本的评价方法来评价平顺性时,先计算各轴向加权加速度均方根值。具体有两种计算方法41对记录的加速度时间历程(t a ,通过相应的频率加权函数(f w 的滤波网络得到加权加速度时间历程(t a w ,按下式计算加权加速度均方根值错误!未定义书签。2102(1=T t w w d t a T a(2-1式中T 为振动分析时间,一般取120s 。由于通过相应的频率加权函数(f w 的滤波网络得到加权加速度时间历程(t a w 较困难,本次测试系统在计算加权加速均方根值时,没有采用该种方法2。2对记录的加速度时间历程(t a 进行频谱分析得到功率谱密度函数(f G

15、a ,按下式计算加权加速度错误!未定义书签。21805.02(=df f G f W a a w (2-2频率加权函数(f w (渐近线可用以下公式表示,式中频率f 单位为Hz 。<<<<<<<<=805.12(5.125.124(142(425.0(5.0(f f f f f f f w k<<<<=802(225.0(1(f f f f w d<<<<=808(885.0(1(f ff f w c<<<<=801(115.0(1(f ff f w e(2当同时考虑椅面s

16、x 、s y 、s z 这三个轴向振动时,三个轴向的总加权加速度均方根值按下面公式计算2(212224.1(4.1zw yw xw v aa a a +=(2-3(3有些“人体振动测量仪”采用加权振级aw L 进行评价,它与加权加速度均方根值w a 换算,按下面公式换算2错误!未定义书签。lg(200a a L w aw =(2-4式中的0a 为参考加速度均方根值,26010-=s m a表2-2给出了加权振级aw L 和加权加速度均方根值w a 与人的主观感觉之间的关系错误!未定义书签。表2-2aw L 和w a 与人的主观感觉之间的关系 当得到加权加速度w a 时,可以根据公式2-4求取a

17、w L 的值,所以在本次实验系统设计时,采用总的加权加速度v a 来评论,在上表2-2中,在人体舒适程度中有一定的重合,主要是考虑人对汽车振动舒适性的感觉会有所不同,由于考虑评价系统的实际的方便,本次设计对该表进行了一定得改变,取用下限,修改后的加权振级和加权加速度均方根值与人的主观感觉之间的关系见下表2-3所示错误!未定义书签。表2-3 修改后的aw L 和w a 与人的主观感觉之间的关系 (4功率谱的计算原理功率谱密度函数(f G a 是通过对记录的加速度时间历程(t a 进行频谱分析而得到的,但在对加速度时间历程(t a 进行频谱分析求功率谱密度函数(f G a 时,我们需要利用傅里叶变

18、换这一工具。由于加速的的时间历程函数(t a 不满足式(<-dt t x (绝对可积(2-5所以无法利用原加速度时间历程函数直接进行傅里叶变换,但当时间t 时,加速度时间历程的相关函数(0=a R ,满足上式2-5 ,因此我们可以从(a R 来研究原时间历程函数的频率结构。自相关函数(a R 的傅里叶变换的计算如下:(+=Ta dt t a t a TR 01lim(2-6由于(a R 是偶函数,所以上式可化为:(-+=TTa dt t a t a TR 21lim(2-7所以(a R 的傅里叶变换为:(d e R R F jf a a -=(2-8将2-7式代入到2-8式通过化简可得到

19、:(221limf F TR F T a a =(2-9上式中,(a F 表示(t a 在T -到T 的时间范围内的傅里叶变换,在T -到T 范围内(t a 可积,因而a F 存在。(-=df e f F TR jf T a a 221lim21 (2-10所以 (21lim2f G f F a T a T = (2-11令 (df e f G R jf a a -=21(2-12于是由巴塞伐(parseval 公式:(-=df f F dt t f 2221(2-13用(t a 代替(t f 上式可写为:(-=df f F dt t a 2221(2-14由于上式中(dt t a 2-是无限

20、的,不能积分。因此我们引进截尾函数:(>=T t T t t a t a T 0(2-15显然(t x T 满足式2-5。令截尾函数自相关为(T R ,傅里叶变换为(f T F ,由2-13可得:(-=df f F dt t a T T 2221(2-16上式等号左右各除以T 2,并令T 可得:(df f F Tdt t a T T T TT 2221lim 2121lim -= (2-17当T 时,(t a t a T ,(f F F f T ,所以可得:(df f F T dt t a Ta T T T 2221lim 2121lim -=(2-18一般情况下,(-T T T dt

21、t a T 221lim是存在的,有限的因而若将(t a 看成振动的振幅,则(t a2则表示能量,(-T TT dt t a T 221lim 则表示(t a 在(+-, 上的平均功率。因而由式2-18可知,(221lim (f F Tf G T a T a =代表单T 位频带上所具有的平均功率,即平均功率密度。(f G a 又是f的函数,我们称它为自功率谱密度函数,简称自谱密度、自谱密度、或自谱。一个平稳历程是由n 个样本函数构成的,这时计算自谱密度应算出每个样本函数的自谱密度,然后求其均值,即(221limf F E Tf G T a T a = (2-19如果是各态历经过程,则取过程的一

22、个样本函数,将其分成几段,分别算出每段的自谱,然后算出其均值,其自谱密度为:(221f F E T f G T a na =(2-20其中n T 为每一段时间长度。在本次试验系统设计中,采用LabVIEW 编程时,有求取功率谱的控件,只需输入采样的时间间隔dt 即采样频率f 的倒数,和采样加速度样本(t a 就可以自动按着该原理求得功率谱(f G a 和相应的频率间隔。 2.1.2 辅助评价方法当峰值系数>9时,ISO 26311:1997(E 标准规定用4次方和根值的方法来评价,它能更好地估计偶尔遇到过大的脉冲引起的高峰值系数振动对人体的影响,此时采用辅助评价方法振动剂量值为错误!未定

23、义书签。错误!未定义书签。:(75.14104/-=ms dt t a VDV Tw(2-213 试验系统软件开发软件是虚拟仪器的关键。在虚拟仪器系统中,当系统的硬件确定后,可以通过软件设计,实现各种不同的仪器功能,以达到不同的测试目的。本次设计的主要目的是要设计一套汽车平顺性试验测试系统,在汽车平顺性试验中主要就是对汽车行使加速度的采集和处理计算,该系统是通过数据采集卡采集汽车行驶时传感器产生的加速度信号,利用计算机进行处理、计算、分析、显示,并且通过与理论值进行比较来实现汽车平顺性的评价。对试验系统软件设计是本次设计课题的主要内容。3.1 虚拟仪器相关概述3.1.1 虚拟仪器的定义在当代社

24、会中,计算机技术迅猛发展并广泛普及。与这个趋势相对应,在测量仪器的领域里,由于采用计算机技术进行测试、测量,因而出现了一种新的测试仪器虚拟仪器。虚拟仪器技术从根本上改变了测量仪器的概念,代表着测量仪器发展的最新方向29。所谓虚拟仪器技术是为了完成使用高性能的模块化硬件与软件的有效和灵活的组合并进行试验、测量、自动化的应用30。确切的说虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器控制面板组成31。3.1.2 虚拟仪器的特点与优势与传统仪器相比,虚拟仪器有如下特点:(1软件是虚拟仪器的核心。确定后的虚拟仪器硬件,其主要功能是通过软件来实现,该软件在虚拟仪器中占重要地位32。(2虚拟仪器的性价比

25、高;(3虚拟仪器的出现,缩小了仪器厂商与用户之间的距离32;(4虚拟仪器具有良好的人机界面;(5基于PC的网络技术和接口技术,虚拟仪器系统提供方便灵活的互联功能对各种行业标准都广泛支持;(6虚拟仪器可靠性高。由于虚拟仪器硬件平台是一个在稳定,可靠,准确,标准化等方面已经达到了相当的高度的PC机或工控机;(7基于PC的开放式标准架构,虚拟仪器硬件和软件都具有可开发,模块化,可重用和可更换的功能;(8虚拟仪器维护、维修方便33。3.2 Labview简介LabVIEW软件编写的程序是由图标/连接器、前面板、后面板(程序框图三部分构成的,图标/连接器主要用于程序识别;前面板用于程序控制;后面板也就是

26、程序框图是程序的组成模块。具体描述如下:图标/连接器:LabVIEW编写的程序成为一个VI,各个VI之间是可以相互套用的,被套用的VI被称作子VI,而图标/连接器的作用在于区分各个之VI,方便功能区分和套用操作;如图4.1所示。 图3.1 图标/连接器前面板:是操作者直接操作的界面,在虚拟仪器中视为仪器的控制面板,在这个面板上有可以进行操作的部分,这部分称作输入控件,还有另一部控件是不可以通过操作改变程序内容的,这类控件被称作显示控件。是操作者直接操作的界面,在虚拟仪器中视为仪器的控制面板,在这个面板上有可以进行操作的部分,这部分称作输入控件,还有另一部控件是不可以通过操作改变程序内容的,这类

27、控件被称作显示控件,是操作者直接操作的界面,在虚拟仪器中视为仪器的控制面板,在这个面板上有可以进行操作的部分,这部分称作输入控件,还有另一部控件是不可以通过操作改变程序内容的,这类控件被称作显示控件是操作者直接操作的界面,在虚拟仪器中视为仪器的控制面板,在这个面板上有可以进行操作的部分,这部分称作输入控件,还有另一部控件是不可以通过操作改变程序内容的,这类控件被称作显示控件,是操作者直接操作的界面,在虚拟仪器中视为仪器的控制面板,在这个面板上有可以进行操作的部分,这部分称作输入控件,还有另一部控件是不可以通过操作改变程序内容的,这类控件被称作显示控件是操作者直接操作的界面,在虚拟仪器中视为仪器

28、的控制面板,在这个面板上有可以进行操作的部分,这部分称作输入控件,还有另一部控件是不可以通过操作改变程序内容的,这类控件被称作显示控件,如图4.2所示。 图3.2 前面板后面板(程序框图:提供编写程序所要求的各种函数模,每个函数模块都有各自的功能,这些模块在程序里称作函数节点,节点和节点之间通过连线在接线端子上连接,从而实现各节点的功能组合;如图4.3所示。 图3.3 程序框图3.3 系统的软件结构设计3.3.1 软件模块划分大部分设计良好的软件系统都是模块化结构,任何一个大的程序系统都是由若干个功能相对独立的模块组成,根据实际情况,本试验系统的软件也是由几个相对独立的模块组成,系统的模块划分

29、见图4.4。 图3.4 实验系统软件模块划分为了使得试验者更好的使用,让汽车的平顺性的试验更为直观,在试验时,除了得到各评价指标外和参数外,还要能实时显示加速度曲线、功率谱曲线、x、y、z三轴的加权加速度、总加权加速度以及汽车平顺性的评价显示,并且能够对所测量和得到的数据按一定的格式进行保存。3.3.2 软件的总体框图 图3.5 实验系统的总框图从上图3.5,我们大概可以看出软件的总体框图和试验系统所能实现的功能。在试验系统开始运行时,首先进入的是主程序界面,在主程序界面里有许多的控件,以让试验者可以根据自己的需要进行试验,还是退出实验或是停止试验。在数据采集和进行汽车平顺性试验之前,由于传感

30、器所采集的是模拟电压信号,所以我们需要进行标定。当选择开始试验时,程序将进入标定程序,标定时,为了使标定更直观和判断标定的正确与否,标定时的部分数据还需实时显示。标定后的数据输入到数据采集处理模块,以便进行处理。最后存储所需要数据。在主程序、标定、采集模块中都有退出试验和停止试验的命令,以使得实验者根据需要在试验过程中退出或中止试验。3.3.3 系统总体流程图 图3.6 系统总体流程图由上图3.6可以看出当程序开始运行时,首先进入的是主程序界面,在主程序界面里用户可以确定是否准备完成,以选择是继续试验、停止试验或者退出试验系统,当用户选择继续试验后系统将进入传感器标定。系统进入标定界面后,可以

31、选择相应的功能控件,以决定选用默认标定值或是进行标定,随后进入下一个数据采集和数据处理计算计算界面。也可以选择退出实验或停止试验。当系统进入数据采集界面后,也就是试验的主要界面。进入该界面在试验前需要设置参数,或者选用默认参数,点击开始试验后,系统开始采集数据,并对数据进行一定处理显示。每次读取的数据数目由设定的参数决定,在试验过程中,系统将实时显示各参数,包括计算后的数据。其中有图形和数据显示。在试验过程中,用户可以选择停止或退出试验。当用户完成试验后,单击试验完成保存数据,将进入试验数据保存,根据试验数据的特点本次设计的实验系统的数据以电子表格的形式保存。保存文件的文件夹将以该次试验时间作

32、为文件名。以上只是大概对程序的总体流程进行了介绍,对于各个实验界面的具体的功能见后面的具体程序说明。3.4 试验系统总程序的设计当硬件设备连接完成,进入登陆界面,如下图4.7所示,输入用户名和密码,运行试验程序,将进入主程序界面。在试验之前需要确定硬件设备是否连接正常,实验准备是否充分,所以需要一定得缓冲时间,因此在试验主界面应该有让用户选择的功能,以确定是否真的进入试验。下图 4.8就是系统主程序的运行时的运行界面。 图3.7 试验系统登录界面 图3.8 主程序运行图主程序界面的设计,应该尽量使得界面美观,操作的控件显示直观,界面的美化可以通过软件提供的功能实现。LabVIEW提供了Cont

33、rols 界面装饰模版,可以对程序界面进行装饰,其中装饰有各种形状的,还有箭头装饰。除了上述的装饰外,该软件还允许外部图像插入前面板,其具体方法是从菜单栏中选择编辑,在弹出的下拉菜单中选择导入图片至剪贴板,然后从跳出的对话框中选择所需的图片,单击确定,此时文件已被复制到剪贴板中了,然后在前面板需要插入图片的位置处,单击鼠标,然后按“Ctrl+V”,图片就被导入前面板中了。可以重复导入相应图片对界面进行装饰,它还可以导入gif动态图片,使界面更为美观。在试验者进入主界面时根据实际情况,若所有的设备连接都正确,试验准备工作都已经完成,试验的时机合适,就可以单击开始试验,程序就将进入传感器标定界面;

34、若是设备连接未对或者准备工作没完成可以选择停止试验;若是试验者因为某些原因不得不退出实验,也可以选着退出试验系统,系统可以退出系统并且关闭所有程序窗口。下图3.9是主程序的程序框图。 图3.9 主程序框图如上图所示,当进入主界面时,系统将进入一个While循环中的While循环,只有当试验者单击选项时系统才会退出循环,根据试验者的选择,进入下一个结构,执行下一步。若试验者单击开始试验时,系统退出循环进入下一个主结构,调用标定的子VI ,运行标定界面,当标定完成后,系统进入再后一个结构调用数据采集、计算、和评价的子VI ,进入采集和评价的界面,直至实验完成;若试验者在单击停止试验或退出实验时,系

35、统会弹出提示对话框,以供试验者选择是否确认停止试验或退出实验系统,以避免试验者操作失误而停止或退出实验。当试验全部结束时,试验者可点击退出系统按钮,关闭所有窗口。程序采用了LabVIEW 提供的顺序结构和循环结构实现,结构较简单,不易出错。另外,LabVIEW 也提供了一些控制控件,使得程序很容易实现停止试验或者退出实验。3.5标定模块的设计标定是保证试验精度的前提,所以标定也是平顺性系统中重要的一部分。由于传感器是将要测量的信号转换成电信号输入数据采集卡,数据采集卡所获得的是模拟电压信号,在试验时我们要得到加速度信号,所以我们需要对传感器进行标定,以将所获得模拟电压信号转化为加速度信号,其换

36、算公式如下式4-1所示 8.90-=G v v v a (3-1其中v 是所测得的模拟电压信号值的大小,0v 是传感器加速度为0时的模拟电压信号值的大小,G v 是传感器的加速度的值是一个g 时的电压信号值的大小标定传感器就是要获得传感器各个轴计算加速度时所需要的各值,因为加速度有正负之分,因此为了得到G v 我们需要得到传感器加速度度为g +和加速度为g -时的模拟电压值按4-2式计算得到 2gg G v v v -= (3-2所以我们所需要得到的标定值有当加速度为0时的三个轴向的模拟电压信号值X0、Y0、Z0,当各轴向加速度值为g +时的三轴的模拟电压信号值Xg 、Yg 、Zg 以及当各轴

37、向加速度为g -时的三轴的模拟电压信号值X-g 、Y-g 、Z-g 。3.5.1 标定的前面板设计在标定前,我们需要对参数进行设定,标定时只需要一个通道,可以对每个轴分开进行标定,标定完一轴后再对下一个轴进行标定,因此在前面板参数设置中应有通道选择和标定轴的以及标定项目的选择。标定时,考虑外界的影响,在采样进行标定时,不能只选取采取一个数据,应该根据需要和情况对采样数目进行设置,除此之外,在前面板还应可以对采样频率、采样方式、采样最值等进行设置。标定的前面板的具体界面见上图4.10所示。 图3.10 标定的运行界面除了设置之外还应该有数据显示,对各个标定值进行显示,还能够实时显示标定时的部分采

38、样数据,以观察是否相差不大,若相差太大,应进行重新标定。一般情况下每次试验前必须进行标定,但是有时也可以根据需要和实际情况不进行标定而是采用默认的标定值,因此在前面板也应有默认值选取的选择控件。标定过程中,若是遇到问题需停止标定过程,因此前面板设有停止标定的选择按钮。3.5.2 标定的程序设计当进入标定模块时,程序将进入循环,当试验者根据需要或是实际情况,想选择默认数据时,单击选择默认数据的按钮,程序将会将默认的标定数据赋给个标定项目。所有的默认数据是在试验室内进行试验所得标定数据,采集该默认数据时,频率设置为200Hz,采样个数为200。若选择了默认数据后,系统会弹出确认对话框,以确定试验者

39、是否真的选择默认数据,若单击确定按钮,系统会终止循环而进入下一个试验数据采集和平顺性评价系统界面。默认数据的选择采用了软件中的case结构实现,对各标定项目的赋值都采用了局部变量,使得程序结构更为简单。标定默认标定数据部分的程序代码如图3.11 所示。 图3.11 标定默认标定数据部分的程序代码当装了数据采集卡的驱动后,LabVIEW 的函数模板下的测量I/O的子模版中就会多一个DAQmx-数据采集函数项目,具体见下图3.12。在标定时,需要利用传感器采取数据,输入到数据采集卡,然后从采集卡读取所采集的数据,以获得所需要的数据。数据采集的程序主要见下图3.13所示,我们所采用的是函数来读取数据

40、,从数据采集卡读取数据需要创建通道,在创建读取通道之前,我们利用DAQmx 平化通道字符串函数,来对通道进行转化,若是有多个通道时,利用该函数不易出错。在对通道进行转化后就可以使用创建通道的函数创建通道,在创建通道的函数中有许多可以设置的选项,有采样的最大值、最小值的节点,以及对采样的具体连接方法的选择节点,是接地还是其他方式,在创建通道后使用DAQmx定时(采样时钟函数,该函数有许多的方式选择,选择采样时钟函数,可以利用该函数设置采样频率和每个通道每次读取数据的数目,同时可以选择采样方式是连续或是非连续等。在读取数据前需要将数据放在缓冲区,这样会缓冲硬件压力,程序运行会更可靠,数据读取前采用

41、DAQmx配置输入缓冲区函数来设定缓冲的样本数据的容量的大小,本实验系统设置为1000000,在该函数后面使用DAQmx开始任务函数。在通道创建后,由于需要连续采样,采样数目是由试验者确定的,所以本次读取数据的次数也是确定值,所以采用For 循环来读取数据,使用DAQmx读取函数来读取数据,该函数可以读取许多种不同类型的数据,根据实际情况,标定时每次只从一个通道读取数据,所以选择单通道读取1维双精度数据的数组模拟信号的模拟DBL 1通道1采样类型的读取方式的函数读取。该函数输出的数据为一维数组。在使用DAQ 函数读取数据时,在读取数据完成后,还需要将读取任务停止并关闭所创建的通道,所以采用清除

42、任务函数来停止任务、清理内存并关闭通道。在清除任务后后,连接简易错误处理器函数,当程序出错时用以提示试验者。 图3.12 调用DAQ编程读取数据当通过传感器和数据采集卡以及程序获得标定所需的数据,为了使得标定更加准确,每个标定项目都采集了一定数目的数据,最后求其平均值,默认的采集数目是200。对于其具体计算程序和标定的主要程序见下图3.13所示。 图3.13 标定的主要程序代码当读取一定数目的数据后,以数组的形式保存在缓存中,使用数组求和函数,当数组输入后,该函数会直接计算求出数组所有元素的和值。再利用求数组大小的函数,当输入数组后,会自动计算出数组的大小,用数组的和值除以数组的大小值就可以获

43、得所需要的标定数据,由于标定的项目有很多,每个轴有三个标定值,有三个轴需要标定,所以在标定后面利用了两个case 结构来实现标定轴和标定项目的选择,当选择了x轴,标定项目选择了0或G时,试验者需将传感器摆放成刚好使得x轴的加速度为0或者G,然后点标定时,程序将标定x轴加速度为0或为G时的电压值。并且输入到X0或Xg的显示框内。当在标定过程中,因为某些原因,需要停止标定时,试验者可以点停止标定按钮,以停止标定,系统会弹出提示框以提示试验者是否确定停止标定。当试验者将所有标定项目都标定完成后,单击标定全部完成进入试验系统按钮,系统将进入平顺性是试验和评价界面。4.6 平顺性试验和评价软件的设计平顺

44、性试验和评价在一个试验界面上,当传感器标定完成后,试验系统将进入到平顺性数据采集试验系统和评价系统界面,在进行平顺性数据采集时需要有许多的控件供试验者选择以根据试验者的需要进行下一步骤试验。所以平顺性的试验评价系统的界面和程序是整个试验系统的核心,也是最复杂一块。设计平顺性实验系统和评价系统的试验界面时,在保证各项要求和需要之后,力求使得界面美观操作简单可靠。4.6.1 试验系统的前面板设计 图3.14 汽车平顺性试验系统的所需设置的参数的前面板图图3.14是汽车平顺性试验系统的所需设置的参数的前面板图,在进行平顺性数据采集前,需要对一些参数进行设定,以保证获得所需要的数据,所以前面板应有试验

45、参数设置的控件,其所需要设定的参数和标定时所需要设定的参数有采样频率、物理通道、采样最值、和每通道采样。采样频率根据要求应该是实际的频率的两倍以上,汽车行驶的频率一般在0.5-80Hz,所以采样频率应该要大于160Hz,默认的值是200Hz,在汽车平顺性实验时,所需采集的数据是连续的,采样方式应该选择连续采样,采样最值一般设为-10和+10,一般的采样数据值的大小都在该范围内,每通道采样数一般要大于10以方便求取功率谱值,但也不能设置的太大,否则实验时,计算机处理会困难,而引起系统运行较卡。在试验参数设定前,还应该有通道的选择,试验时,需采集三个方向的加速度,因此应该有三个通道的选择,在试验前

46、应该正确的选择各个通道。为了使得试验者更了解标定,在试验系统的前面板有标定的各项目的值的显示。前面板有试验控件的选择,进入平顺性试验时,试验者可以根据自己的需要选择下一步。若试验设置完成,各项准备工作完成后,试验者可以单击试验设置完成开始实验,当实验数据采集足够了,试验者可以单击试验完成保存数据,以结束试验并保存试验数据。若试验者需要停止试验或是退出试验时,试验者可以单击相应控件,以结束试验或是退出试验系统,同时实验系统会弹出相应的提示对话框以提示试验者是否确认停止试验或是退出试验系统,其控件的前面板见下图 4.15所示。 图3.15 试验控件试验系统在采集数据时,当对所采集的模拟电压信号进行

47、处理后,所获得的是加速度信号,为了更形象的说明汽车行驶时的情况,需要对加速度进行实时显示,LabVIEW 软件中提供了许多图形显示控件,利用波形图表(Waveform Chart 来实时显示采集的加速度。该控件可以实时显示当前汽车行驶时的加速的大小和加速度变化情况。当数据进行处理后,可以求出当前采集加速度的的功率谱密度,为了能够形象的反应当前加速度的功率谱密度情况,本试验系统使用软件提供的波形图(Waveform Graph 控件来显示频率和功率谱的关系图,以更形象的说明汽车行驶时的功率谱情况。其具体显示前面板见上图3.14。3.6.2 平顺性的评价系统前面板设计当数据采集后,通过前面的处理计

48、算方法处理计算后就可以得到平顺性的各个评价指标的值,利用基本的评价方法来对汽车进行行驶平顺性的评价。汽车平顺性的评价指标有三个轴向加速度加权加速度wx a 、wy a 、wz a ,总的加权加速度w a 以及加权振级aw L ,在平顺性的评价的前面板中有各个指标的实时显示。同时为了使得平顺性的评价显示更为直观,本次试验系统使用仪表控件来动态显示汽车行驶平顺性的好坏情况。其具体显示前面板见上图3.14。3.6.3 试验系统的程序设计(1试验控件的程序编写在进入试验系统后,试验者应该可以根据实际情况,能在试验开始时选择停止试验或退出试验系统,或是在试验进行时,停止试验和退出试验系统。其实验控件的程

49、序代码如下图4.16和图4.17所示。 图3.16 试验系统控件程序代码1 图3.17 试验系统控件程序代码2如上图3.16所示,当进入试验系统界面后,系统将进入一个While 循环,一直等到试验者选择相应操作,系统才会终止循环进入下一步。若试验者单击了停止试验或退出实验时,系统会弹出提示对话框,以提醒试验者是否确定停止试验或者退出实验系统。当试验者单击开始试验后,系统进入试验数据采集,若此时因为某些原因需要停止试验或退出试验系统时,试验者可以单击停止试验或退出实验系统,系统将弹出对话框,以提醒试验者是否确定中途停止试验或停止试验。开始、中途停止和退出试验都是用一个控件来实现,在程序中,是利用

50、局部变量来实现该功能,停止试验和退出试验的控件在程序中都是局部变量,因此在试验开始前,一定要确定这两个控件的布尔值是默认值,即控件颜色是灰色。否则在试验时,系统将会出现错误。(2数据读取程序编写试验时数据采集程序的编写和标定的数据采集程序基本上相同,只是试验时,需要同时采集x、y、z三个轴向的加速度,因此它需要同时创建三个通道输入,本试验系统采用建立数组的VI函数建立三个通道。由于后面计算程序需要采样的时间间隔dt,所以在数据采集时,需对采样频率进行1以求取dt,在试验系统时,一次读取的数据数目一般在10个以上,以方便后面的功率求倒数f谱的求取,所以读取数目需要输入到DAQ读取VI函数节点。数

51、据读取的程序代码具体见下图4.18所示。在试验系统中,由于需要一次读取三个方向的加速度信号,因此DAQ读取函数需采用读取二维模拟信号数组的DAQ读取函数。其他的参数设置和标定是相同的,具体说明见标定程序设计说明。 图3.18 试验时数据读取时的部分程序代码(3加速度及功率谱计算程序图3.19所示为加速度及功率谱计算程序程序代码,由于加速度传感器采集输入数据采集卡的模拟电压信号,因此我们需要对该模拟电压信号进行计算转化,以得到加速度信号值,其具体计算方法见公式4-1。数据读取时将所采集的三个方向模拟电压值以二维数组的形式输出,因此在分别计算三个轴向加速度时,需要读取每个轴向的加速度模拟电压值,以

52、分别进行计算。根据数据输出的特点即每个通道的数据都以数组中的一行进行输出,利用数组中的索引数组函数分别取出数组中每一行,然后按公式3-1计算,软件中提供的数学运算,都是对数组的每个元素进行计算。由于,标v值是按3-2式求取所得,在试验调试时发现加速度方向刚好和实际的相反,因此在编定时求取的G程时,为了使得调试简单,将4-1式中的乘以9.8改成了-9.8以修正加速的方向。 图3.19 加速度和功率谱计算程序从上图3.16可看出,当计算得到采集的三个轴向的加速度,在计算加权加速度值时需要求取各个轴向加速度的功率谱值,该软件提供了求数组的功率谱的函数,其计算原理见第二章功率谱计算方法说明。该VI函数

53、输入节点为采样的时间间隔dt和计算所得到的加速度值数组,该函数会计算出采样的功率谱,输出功率谱值和相应的采样频率间隔df值。求得加速度和功率谱后,为了使得试验时能实时显示试验结果,加速度和功率谱都采用图形显示框显示。由于功率谱显示是功率谱和频率的关系图,因此在图像显示控件前,采用了捆绑函数对图像的X轴和Y轴进行了定义,并对图像输出控件进行了初始化。3.6.4 平顺性评价系统的程序设计当通过采集和计算得到了加速度值和功率谱值以及采样的频率间隔值,要进行平顺性的评价需要计算各个评价指标的值,三个轴向的加权加速度值、总的加权加速度值以及加权振级。(1X、Y轴的加权加速的计算为了使得程序简单,在计算各轴的加权加速度值都采用了子程序。x、y轴的加权加速的计算程序代码见下图3.20所示。 图3.20 x、y轴的加权加速的计算程序代码上图中的N 是功率谱数组的大小,它是在求的功率谱值后,利用数组大小函数求得,当输入求得的功率谱值数组后,该函数会求得数组大小。利用公式2-2计算加权加速度值的大小,由于x 、y 的频率加权函数为d 所以计算时,公式中的(f W 取(f w d 。(f w d 的值的大小