基于LabVIEW的虚拟振动测试分析系统

前言
在现代工程技术领域,存在着大量的振动问题。例如，车辆在凹凸不平的路面上行驶所引起的振动;旋转机械由于质量不平衡在运行中的振动等。在绝大多数场合,振动都是有害的,它将影响设备的正常工作,引起机器构件的加速磨损,甚至导致急剧断裂而破坏。为了解决工程振动问题,机械振动测试系统随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试的需求与日俱增,并有着广泛的应用领域。但性能优越、成本低廉的测试系统市场很难见到。尤其在工程现场的振动测试,迫切需要低成本、高精度、高效率,同时方便灵活的测量仪器。
因此,笔者基于振动测试的这种需要,设计了一套以数据采集卡、信号调理电路和各类高精度的传感器为硬件，基于LabVIEW虚拟仪器软件开发平台的振动测试分析系统。此系统不但节省了硬件成本，而且容易操作，同时大大缩短了整个测试周期。

系统的硬件
虚拟振动测试分析系统（如图1所示）分硬件和软件两个部分。硬件主要由传感器、信号调理器、数据采集卡和计算机构成，并有如下的关系。

图1 系统的硬件构成

振动信号量经过传感器转变为模拟量（电压、电流等），再经过信号调理器的放大、隔离、滤波等处理进入数据采集卡完成采样和量化，转变成计算机所能识别的数字量。然后经计算机进行进一步的处理，以便得到所需的信息。图1是振动测试系统的硬件结构示意图，在实际的应用中，系统的硬件可根据振动测试要求的不同选择不同的装置。

系统的软件
本系统的程序是在LabVIEW 8.20平台上开发的。在系统的编制过程中采用了结构化和模块化编程的基本思路。程序主要包括两大模块：数据采集和数据保存模块；数据读取和数据处理分析模块。在程序的设计过程中，将每个模块做成一个子VI,然后在主程序中调用，这样就可以加强程序的可读性和可维护性。系统的结构如图2所示。

图2 系统总体结构图

1 数据采集模块的设计
数据采集提供了整个测试系统的数据来源，是虚拟仪器的基本组成部分。数据采集模块主要是实现振动信号的拾取及对各种参数的控制，例如对数据采集卡、采集通道的选择，以及采样频率、点数、段数的控制等。振动信号主要为随机信号和瞬态信号，因此对信号的采集设置了两种采样方式：（1）自由连续采集方式，即设置好采集参数后直接进行连续采集，适用于随机信号的采集；（2）信号触发采集，首先设置好触发条件，包括触发电平、触发沿、触发前预留点数等，图3为信号触发采集模块流程图，其中调用了LabVIEW中Data Acquisition 功能模板下的DAQmx create virtual channel.vi, DAQmx Timing.vi, DAQmx Trigger .vi.DAQmx Read.vi,DAQmx Start Task.vi等子函数。通过 这些模块可以实现采集振动瞬态信号，各子函数模块均可以图标形式放置在程序流程图中，这样不但增加了程序的可维护性，也增加了程序的可读性，使程序流程更加清晰明了。（自由采集方式与之类似，且相对简单，这里就不赘述。）

2 信号分析模块的设计
根据振动测试对信号分析处理的要求，主要从时域分析、幅值域分析、频域分析和时频联合分析方面进行程序设计。

时域和幅值域分析模块：时域分析中主要是自相关分析和互相关分析。自相关用于判断信号的随机程度，也可以检测混在随机信号中的周期信号，互相关则反映了两随机变量的统计依赖关系。幅值域特性分析是每次实验必不可少的一步，该模块程序可以同时观测输入、输出信号的概率密度曲线、概率密度分布曲线，还可以直接求值，尤其是随机信号数字特征的偏态和峰值，可用于故障检测和分析。

图3 信号触发采集模块流程图

图4 数据分析处理模块后面板

频域分析模块：频域分析功能最多，主要有功率谱分析、频响函数分析、倒频谱分析等。时域信号经傅里叶变换、频域转换为复数形式，故在显示分析时有很多的格式，如幅频谱、相频图、实频图、虚频图、奈奎斯特图、波特图、三维瀑布图等。

时频联合分析模块：时频联合分析亦称时频局域化方法，是使用时间和频率的联合函数来表示信号。典型的线性时频表示有：短时傅里叶变换、小波变换和Gabor变换。时频联合分析在实际信号处理中，尤其是振动信号处理中，可以将信号在任意时刻的频域很好的表示出来。短时傅里叶变换是把信号划分为许多小的时间间隔，用傅里叶变换分析每个时间间隔，以便确定该段时间间隔存在的频率。

为了使系统的分析功能更加完善，还设计了可辅助分析功能，如信号标尺输入、数字滤波以及窗函数等。
整个数据分析处理模块程序的前面板由Tab控件来组织，用户可以通过单击Tab的不同页来查看相关的分析结果；后面板主要由一个While循环和2个Case结构组成，程序的后面板主要程序部分如图4所示。

实例验证
为了验证本系统的可行性与实用性，笔者在基于发动机转子动力学实验台上进行了实例验证。
图5为Engine Runup (mic)的Baseband FFT图、Water fall图、Badeplot图和Nyquist图。

图5 Baseband FFT图、Water fall图、Badeplot图和 Nyquist图

图6 短时傅里叶变换前面板

图6所示为短时傅里叶变换分析程序面板，其横坐标表示时间，左边纵坐标表示频率，而右边纵坐标表示在各个时间、频率分量上的幅值（并用颜色表示强弱）。从该分布可以很清楚的看出信号频率强弱程度以及信号随时间变化的情况。

该分析结果与重庆大学研制的测振仪等设备分析出的结果相符。