基于虛擬儀器的低頻振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹申 易肖

摘 要：文章基于LabVIEW軟件，開(kāi)發(fā)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成、振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)和振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試進(jìn)行了分析，可以對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的徑向振動(dòng)位移和功率譜進(jìn)行分析。該平臺(tái)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的阻尼具有很大的實(shí)用價(jià)值，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;低頻振動(dòng);測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的心臟，它為汽車(chē)的正常運(yùn)行提供了動(dòng)力。它關(guān)系到汽車(chē)的動(dòng)力性和環(huán)保性，是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力機(jī)械裝置、車(chē)輛、船舶等運(yùn)輸設(shè)備的核心部件。它在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)中起著至關(guān)重要的作用。市場(chǎng)上的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主要是往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生振動(dòng)，其原因是往復(fù)慣性力及其扭矩、曲柄機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力及其扭矩，使其輸出不均勻。本文構(gòu)建了一個(gè)基于LabVIEW的虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用該平臺(tái)獲取了排放數(shù)據(jù)、主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)等測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的建立

振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的組成包括：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、非接觸式渦流位移傳感器、PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)。在該系統(tǒng)中，使用了3種傳感器，它們分別是非接觸式渦流位移傳感器、速度傳感器和扭矩傳感器。非接觸式渦流位移傳感器是基于高頻磁場(chǎng)作用于金屬表面的“渦流效應(yīng)”，是檢測(cè)和控制機(jī)械振動(dòng)和位移的理想傳感器。非接觸式渦流位移傳感器采用CZF位移、振動(dòng)傳感器。為了進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸垂直安裝了雙向非接觸式渦流位移傳感器來(lái)測(cè)量徑向振動(dòng)。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的脈沖信號(hào)，以監(jiān)測(cè)其轉(zhuǎn)速。扭矩傳感器用于測(cè)量扭矩，將其轉(zhuǎn)換為汽車(chē)工程的輸出功率，信號(hào)調(diào)制電路使傳感器放大、濾波等操作產(chǎn)生模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可以識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。以壓電加速度傳感器、電荷電壓濾波放大器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該測(cè)試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、時(shí)域分析、幅度域分析、頻域分析、時(shí)頻分析等模塊組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)分析、回放測(cè)量和輸出打印等功能，而且具有良好的擴(kuò)展性、高速性、高精度和友好的界面，適用于工程人員和實(shí)驗(yàn)室使用^[1]。

2 基于虛擬儀器的低頻振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)了一套主軸振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，包括必要的傳感器、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集卡報(bào)紙。報(bào)紙基于虛擬儀器圖形編程語(yǔ)言，建立了主軸振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室視圖在測(cè)試中減少了硬件過(guò)程。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和分析，大大降低了硬件成本。減少該系統(tǒng)使測(cè)試工作更加方便快捷，實(shí)時(shí)顯示使測(cè)試更加直觀，該系統(tǒng)主要用于棉、毛、棉紡錘振動(dòng)檢測(cè)等。與此同時(shí)，也對(duì)其他低頻信號(hào)分析有指導(dǎo)意義。與傳統(tǒng)儀器相比，該系統(tǒng)能耗低、性?xún)r(jià)比高、界面簡(jiǎn)單友好、性能穩(wěn)定可靠。針對(duì)單點(diǎn)時(shí)效問(wèn)題，提出了一種基于虛擬儀器的多點(diǎn)VSR控制系統(tǒng)，解決了消除工件大中型殘余應(yīng)力的問(wèn)題。該系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)室視圖為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力釋放參數(shù)的設(shè)定和PC機(jī)工作過(guò)程的自動(dòng)控制。利用USB-6229 BNC數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)實(shí)時(shí)、變頻采樣，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓、頻率脈沖以及加速度采集。同時(shí)，為振動(dòng)應(yīng)力消除效果提供了理論依據(jù)，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，與單點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力消除的開(kāi)發(fā)方法相比，該系統(tǒng)具有時(shí)效周期短等優(yōu)點(diǎn)，消除殘余應(yīng)力等的效果。最大采樣率為500 kS/s，數(shù)據(jù)采集卡有16路模擬輸入，D-子為37引腳，數(shù)據(jù)采集卡的作用是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A_1D轉(zhuǎn)換，然后傳遞給PC機(jī)。PC機(jī)的功能是接收數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，利用安裝在PC機(jī)上的LabVIEW軟件對(duì)振動(dòng)信號(hào)、速度信號(hào)和功率譜數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存和分析。本文基于LabVIEW8.5軟件，利用NI公司的PCI-6024數(shù)據(jù)采集卡，研究了虛擬儀器技術(shù)在振動(dòng)測(cè)試設(shè)計(jì)中的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、信號(hào)檢測(cè)、參數(shù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)分析功能，該系統(tǒng)還可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷警報(bào)。通過(guò)數(shù)據(jù)顯示的設(shè)計(jì)，可以在時(shí)域和頻域進(jìn)行分析，正在處理振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以降低成本，縮短分析時(shí)間，界面直觀，可廣泛應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。利用NI著名產(chǎn)品PCI-MIO-16E-4數(shù)據(jù)采集卡的硬件技術(shù)和LabVIEW 7 Express的軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)試分析虛擬儀器，包括振動(dòng)圖形顯示、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的數(shù)據(jù)記錄和快速傅里葉變換（FFT），并將其應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的底座振動(dòng)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的性能分析和故障診斷提供了方便的條件^[2]。

2.1 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的程序設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，近年來(lái)虛擬儀器技術(shù)有了很大的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹了虛擬儀器，并以LabVIEW為例介紹了信號(hào)采集、處理和分析系統(tǒng)的應(yīng)用。在振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)劃分為各個(gè)功能模塊。一般來(lái)說(shuō)，軟件應(yīng)該包括以下模塊：（l）信號(hào)采集模塊;（2）數(shù)據(jù)讀取模塊;（3）數(shù)據(jù)處理模塊;（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊;（5）結(jié)果顯示模塊。為了將各個(gè)模塊集成在一起，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)主接口來(lái)使用每個(gè)模塊，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的總體軟件設(shè)計(jì)^[3]。

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)一個(gè)模型框架來(lái)預(yù)測(cè)從IPMC振動(dòng)中清除的能量，作為激勵(lì)頻率范圍、IPMC的本構(gòu)和幾何特性以及電力分流負(fù)載的函數(shù)。采用Kirchhoff-Love板理論模擬了IPMC帶材的機(jī)械振動(dòng)。利用Navier-Stokes方程的線(xiàn)性化解描述了包繞流體對(duì)IPMC振動(dòng)的影響，這是原子力顯微鏡懸臂梁建模中的傳統(tǒng)方法。采用Poisson-Nernst-Planck模型描述了IPMC的動(dòng)態(tài)化電響應(yīng)，模型中考慮了主鏈聚合物的機(jī)械變形效應(yīng)。提出了一個(gè)封閉形式的解決方案，通過(guò)IPMC帶電流作為其電極電壓和變形的函數(shù)。使用模態(tài)分析來(lái)建立一個(gè)可處理的表達(dá)式來(lái)表示從振動(dòng)IPMC獲得的功率，并優(yōu)化分流阻抗以獲得最大的能量收集。通過(guò)對(duì)IPMC帶在水環(huán)境中振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論研究結(jié)果。振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)軟件由儀器前面板和流程圖兩部分組成，前面板主要用于數(shù)據(jù)采集、讀取、處理、存儲(chǔ)和顯示，相當(dāng)于人機(jī)界面。流程圖是每個(gè)模塊在測(cè)試軟件中的鏈接，它是軟件的核心部分，軟件的主接口^[4]。

（1）采集速率模塊。該模塊是NI PCI 6221（37引腳）數(shù)據(jù)采集卡（DAQ卡）采集速率的調(diào)整，最大采樣率為 500 kHz，默認(rèn)值為250 kHz^[5]。

（2）設(shè)定速度和實(shí)際速度模塊。模塊功能是設(shè)置汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡加載檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速^[6]。

（3）徑向振動(dòng)位移模塊。模塊功能是采集不同速度、不同檢測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)量，為后續(xù)數(shù)據(jù)的分析和處理提供原始數(shù)據(jù)^[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

基于LabVIEW的振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)可以分析不同速度下的徑向振動(dòng)位移和功率譜，隨著PC機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，基于LabVIEW的測(cè)控技術(shù)可以與傳統(tǒng)的測(cè)控設(shè)備媲美，具有成本低、開(kāi)發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)。

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Design of low frequency vibration test system based on virtual instrument

Cao Shen， Yi Xiao

（Hunan Institute of Foreign Economics， Changsha 410205， China）

Abstract：Based on LabVIEW software， this paper develops an automobile engine vibration test platform， analyzes the structure of the vibration test platform， the software design of the vibration test platform and the test of the vibration test platform， which can analyze the radial vibration displacement and power spectrum at different speeds. It is of great practical value to the damping of automotive engines， and has certain reference value for the design and manufacture of engines.

Key words：virtual instrument; low frequency vibration; test system design

基金項(xiàng)目：湖南省科技廳項(xiàng)目;項(xiàng)目名稱(chēng)：低頻調(diào)制沖擊振動(dòng)諧振傳感器建模仿真與設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法研究;項(xiàng)目編號(hào)：20B334。

作者簡(jiǎn)介：曹申（1982— ），女，湖南長(zhǎng)沙人，講師，碩士;研究的方向：CAD，CAM。