基于labview的振动测试系统设计.doc

1、西华大学硕士学位论文基于LabVIEW的振动测试系统设计姓名：朱岩申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：余愚20090501西华大学硕一 l：学位论文基于 LabVIEW 的振动测试系统设计机械电子工程专业研究生朱岩 指导教师余愚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。随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方 向，采用虚拟仪器实现振动测试与分析也成为振动测试的发展趋势。为此，本课题研究开发了以 PC为硬件平台、以美国国家仪器 (NI)公司 开发

2、的 LabVIEW 软件为开发平台，配合必要的传感器、信号调理器和数据采 集卡组成的振动测试分析系统。采用虚拟仪器图形化编程语言 LabVIEW 组建 的振动测试分析系统，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、处理和分析的目的，大大降低了硬件成本。论文首先对虚拟仪器以及 LabVIEW 软件作了简要介绍，然后分析了振动 信号分析与处理技术理论和振动测试分析系统的组成，最后对系统的硬件和软 件编程进行了设计。系统硬件部分设计了一个以单片机为核心的数据采集卡，通过串口通信实 现计算机和数据采集卡的数据传输。软件部分采用了自上而下的模块化程序设 计思想，用户可以在计算机上实现对振

3、动信号的采集、分析处理以及显示分析 结果等操作。软件的处理功能主要有信号预处理、时域分析、频域分析、时频 联合分析四大模块组成。具体内容包括：数字滤波与加窗、时域统计分析、自 相关分析、快速傅立叶变换 (FFT) 、自功率谱分析、短时傅立叶变换 (STFT) 等。本系统集中了振动分析的主要功能，操作简单，具有良好的可扩充性和较两华大学硕十学位论文高的性价比，可以在教学科研或在工程应用中作为分析工具使用。 关键词：振动测试，虚拟仪器，数据采集，信号分析， LabVIEWDesign of Vibration Test System Based OnLabVIEWMaj or Mechatroni

4、cs EngineeringPostgraduate Zhu Yan Supervisor Yu YuIn modern mechanical industry and mechanical engineering ， vibration measurement and analysis is an important part But the mechanical vibration tests need many elaborate test instruments ， which lead to the requiremen to plenty of mall power and mat

5、erial resoure on testing workWith the development of computer and software technique ， virtual instrumentbecomes development direction in measurement field，vibration measurement and analysis based on virtual instrment has become the trend of vibration testSo the svstem for vibration test and analysi

6、s is developed in this thesis ， which based on PC 嬲 hardware platform,laboratory virtual instrument workbench(LabVIEW) developed by National Instruments aLs software development platform,essential sensot,signal regulation circuit and data acquisition card Data acquisition and analysis can be achieve

7、d by the virtual vibration test and analysis system with the graphic programmer language LabVIEW,at the same time the equipment will be reduced and the cost will be deeply decreased First simple introduction Oll virtual instrument is made in my thesis Second ， the theory of vibration signal analysis

8、 and the composition of vibration measurement system are analyzed Last ， hardware and software programming of vibration measurement system are designedDesign a data acquisition based on microcontroller in the hardware systemComplete data tamsoform between computer and data acquisition card OVer scri

9、mPortThe superincumbent modular design is exhibited evidently in the so疗 ware sYstemThe V10ration signal sampling and data analysis are operatedbv svstem mte砌 ce， aLs well as the result are displayed on the computer screen ne maina11alyslS procedure is made up of signal preprocessing， timedomain，舶 q

10、uencydoIIlam a11d joint time and奇 equeney domain The content involvesdigital Filter，wmdowmg ， tlme domain statistical analysis， autoco玎 elation analysis ， as well 嬲Fast Flourier Transfer,auto power spectrum The Shoa time F10urier Transferareincluded in the analysis programn m r m -l f 址 所 n |詈a 舒 O

11、“e 冲 a 僦a M 1 三 删蛳略 跎 耋 圣 盯 曲 吾 雎 耐 d 吼 翱训 ： 峪 r n 哆眦 呜gh 洽 缸托 瞄 嘶 妇l ；兮 k 刚 岛 玎 璐 沿 硫 k 删 U 代m蚴 p厦 嘣 至薹 岫 s 蚕趣 =一 的 n mKey w。rds：vibmti。n test， nual Instrument ， Data acquisition， Signala11alysis，LabVIEWIV西华大学硕士学位论文声 明本人声明所呈交的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。尽我所知，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

12、究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文的成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者签名：尔岩导师签名：69两华大学硕上学位论文西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属

13、于1、保密口，在 年解密后适用本授权书；2、不保密囱，适用本授权书。(请在以上口内划 4)，学位论文作者签名：能 指导教师签名： 会如日期：如口， f c 日期： 哆 2l 7西华大学硕上学位论文1绪论1 1课题研究的背景及意义所谓振动，就是物体或某种状态随着时间往复变化的现象，这类现象有的 源于系统内部相互作用，有的是外界干扰引起的。在现代工程技术领域，存在 着大量的振动问题。例如：电厂中汽轮发电机组及其它辅机设备运行时产生的 振动，车辆自凸凹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；建筑物受地面和阵风扰动所产生的振动等。在极大多数场合， 振动都是有害的，它将影响

14、设备的正常工作和机械的加工精度，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，出现了一门集数学、力学、电子技术、计算机技 术、信息处理、人工智能等多种现代技术于一体的新兴交叉学科 【l】 振动测 试与分析。振动测试有以下主要应用：(1)各种工程机械、建筑结构、车辆船舶、飞机导弹、能源设备、仪器仪 表等系统由于在自身运转过程中质量不平衡等原因而产生振动 (自振 )；或者受 到周围环境的激励而产生受迫振动。对正在设计或大批生产的产品进行各种振 动试验以考核产品承受振动能力己成为很多工厂的常规任务。测试了解机器运 转时振动大小以确定其性能优劣己成为验收往复式、旋转式机械的一

15、个重要环 节。(2)各种利用振动工作的机械如振动给料机、振动打夯机、振动压路机、 振动筛、振动输送机、动平衡机和各种激振设备因其高效率低能耗在国民经济 各部门得到日益广泛的应用。为了研究其工作机理以提高生产效率，必须进行 大量的振动测试。(3)实际系统往往零部件繁多，结合面形状复杂，理论计算 (如有限元 ) 要做大量简化假设，只能建立粗略的力学模型，某些重要参数 (如阻尼系数 ) 至今仍无完善的计算方法。用振动测试可以求得系统的动态特性参数，进而建 立或修正力学模型，为今后的 “响应预估 ”或 “环境预估 (载荷识别 )创造先 决条件。这就是结构动力学中所谓 “系统识别 “或 “参数识别 ”问

16、题。(4)效益巨大但造价昂贵的现代化大型系统 (如海上平台、大型汽轮发电 机组、航天飞机等 )经常在高转速、大负荷、高温、高压或高真空等恶劣条件西华大学硕 J：学位论文下工作，他们的破坏会造成十分严重的后果。国外统计重要产品的故障中有百 分之六十以上来自环境因素 (包括温度、振动、冲击、沙尘等 )，而在各环境因 素中振动引起的故障几乎占百分之三十，利用振动测试手段对运行设备进行在 线的状态监控或故障诊断是保证机组安全、及时消除隐患的重要措施之一。(5)在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降 低劳动效率，甚至产生 “振动病 或 “运动病 ，如常见的晕车、晕船现象就是 由于小

17、于 1Hz的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能 减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市 场上已有用于人体振动测量的传感器和测试仪出售。(6)任何机械振动系统往往同时又是声波辐射源。噪声中很大一部分来自 振动物体。减少振动的同时往往也意味着降低噪声 (相反地也可从噪声分析中 找到振源 )。只要有声电传感器 (如话筒 )和适调放大器，振动分析和声学分析 就可以共用同一分析仪器。振动测试分析仪器则将振动测试与分析技术转化为生产力，它随着振动测 试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增。从最初的机械式测振仪， 发展到今天，各种应用物理学原理制成的传

18、感器、 FFT分析仪、结构动力学分 析软件己在广泛使用。本论文顺应测试仪器的发展趋势，将虚拟仪器技术、计算机技术及数字信 号处理技术结合为一体，构建了以计算机为核心的虚拟仪器系统。系统针对振 动的测试问题，力求克服现行机械振动中所采用的传统测试系统所存在地不足， 以期能推动虚拟仪器技术在振动测试领域中的普及应用。1 2国内外研究现状与发展趋势1 2 1虚拟技术及虚拟仪器的应用与发展现状 虚拟技术、计算机通讯与网络是信息技术最重要的组成部分，他们被称为2l世纪科学技术的三大核心技术 【21 。虚拟技术包括虚拟加工、虚拟测试、虚拟控制等，它是将各种信息如声、光、电同现代计算机技术有机结合，实现各种

19、 环境的模拟、仿真。虚拟技术的出现大大改变了人类现有的思维模式、工作模 式和生活模式。目前，发达国家纷纷斥巨资对它进行研究，期望以后在它的带 动下在信息时代中保持技术上优势。2西华大学硕士学位论文虚拟仪器 (Virtual Instrument) 是虚拟技术的重要组成部分，也是许多发达 国家所重点研究的对象。其中，以美国国家仪器公司 (National Instruments，简 称 NI)，惠普公司 (Hewlett Packard，简称 HP)、 Tektronix 和 Racal等公司的虚 拟仪器比较有影响，他们在近十多年时间里，就占有了世界仪器仪表市场的 10 左右的份额，充分显示了虚

20、拟仪器的强大生命力。其中，以美国国家仪器公司 (NI) 的图形化编程语言 LabVIEWt31 ，和惠普公司 (HP) 的 VEE 最具有代表 性。虚拟仪器技术实现了计算机技术和仪器完美的结合，开辟了现代仪器技术 的新天地。它诞生虽然只有十几年的历史，但它的发展速度是惊人的。目前虚 拟仪器技术己广泛应用与科研生产的许多领域：声学测试、音波测试、汽车测 试、生物医学测试、光纤校准、光学测定及度量、半导体测试、电信测试、振 动测试、工业自动化、实验室自动化、机械监控、石油和天然气处理、药品加 工、过程自动化、统计、过程控制等等。目前在美国，许多大学都有自己的虚拟仪器实验室，不但进行虚拟仪器的 研究

21、与开发，而且还将虚拟仪器作为一门课程向学生传授，为学生提供实验条 件，让学生亲自动手，学习建立自己的虚拟仪器系统。美国国家仪器公司 (NI) 每年在美国各高校的大学生中举办虚拟仪器设计大赛，鼓励和推广虚拟仪器的 使用。据美国权威杂志统计，美国国家仪器公司 (NI) 的 LabVIEW 已占有测 试系统软件市场份额的 39，而惠普 (HP) 公司的 VEE( 与 LabVIEW 相似的 一种图形化编程语言 )也占有市场的 11。由于虚拟仪器具有如此巨大的优越性，国内外已经有许多厂家在使用虚拟 仪器进行测试方面作了一系列有益工作，已开发了一些虚拟测试仪器。挪威 CARDIAC 公司的基与 LabVIEW 平台的测试北海油田石油、大气、水流的 MPFM系统等，清华大学应用虚拟技术构建的用于检侧汽车发动机性能的出厂 检测系统，哈尔滨工业大学也推出自己的 “仪器王 ”虚拟仪器系统，另外上海 仪器仪表所、浙江大学、成都电子科技大学、上海同济大学、上海交通大学等 单位也正在不断进行虚拟仪器的研究和应用。我国传统仪器技术还比较落后，与国外相比，测量精度和可靠性均较低， 且自动化程度较低。当前，各种测试软件、专用集成电路、固化软件的广泛应