基于LabVIEW的土槽車振動測試系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

曹曉冉++謝建華++楊業(yè)龍++孫超偉++王坤

摘要：為了研究移動式土槽臺車自身的機械振動對被測部件的影響程度，須要對土槽試驗臺車的振動情況進行測試、分析與處理，由于傳統(tǒng)測試機械振動的方法存在測試成本高、累積誤差大等缺點，本研究以LabVIEW為基礎(chǔ)，配以壓電式加速度傳感器、IEPE信號調(diào)理器和數(shù)字示波器等設(shè)計虛擬機械振動測試系統(tǒng)，并對土槽試驗臺車的機械振動情況進行測試分析。結(jié)果表明，LabVIEW所分析的時域波形與示波器所顯示的波形一致，經(jīng)過快速傅里葉變換后所得到的頻域波形與試驗過程相符合，驗證了該振動測試分析系統(tǒng)的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：土槽試驗臺車；機械振動；測試系統(tǒng)；開發(fā)應(yīng)用；時域波形；虛擬測試；示波器；LabVIEW；工作效率

中圖分類號： S22文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0386-04

收稿日期：2015-11-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：51465057）。

作者簡介：曹曉冉（1989—），男，河北唐山人，碩士研究生，主要從事機械結(jié)構(gòu)及動力學(xué)研究。E-mail：ranhouyixue@163.com。

通信作者：謝建華，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機械設(shè)計及理研究。E-mail：xjh199032@163.com。

近年來，土槽試驗臺車能夠解決農(nóng)業(yè)機械研究受季節(jié)時間約束的問題，并且具有結(jié)構(gòu)相對簡單、造價低等優(yōu)點，是對農(nóng)田作業(yè)機械整機或部件進行試驗的有效裝置[1-3]。但是，由于移動式土槽臺車自身的機械振動會激勵被側(cè)部件發(fā)生振動，影響試驗機具的工作效率，因此需要對土槽臺車自身的機械振動進行測試，分析研究移動式土槽臺車自身的機械振動對被側(cè)部件的影響程度。傳統(tǒng)振動分析所需要的儀器種類繁多，得到的試驗數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)偏差較大，并且價格相對貴[4-5]。基于LabVIEW編程軟件的虛擬振動測試分析方法與其他振動測試分析方法相比，該振動測試系統(tǒng)充分考慮了振動測試的特點，所編寫的程序具有多元化和開放性[6-7]。本研究以LabVIEW為基礎(chǔ)，配以壓電式加速度傳感器、IEPE信號調(diào)理器和數(shù)字示波器等設(shè)計了虛擬機械振動測試系統(tǒng)[7-9]，并對土槽試驗臺車的機械振動情況進行了測試分析，為研究土槽試驗臺架的機械振動對試驗機具工作效率的影響程度打下基礎(chǔ)。

1虛擬振動系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

如圖1所示，本振動分析系統(tǒng)硬件部分由加速度傳感器、信號調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集卡及計算機組成[10]，其作用是將被測部件機械振動的物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由振動系統(tǒng)軟件部分進行分析研究。

1.1加速度傳感器

測量振動與沖擊的核心部件是傳感器，傳統(tǒng)測量振動最常用的傳感器是加速度傳感器，加速度傳感器可以將振動源發(fā)出的機械振動信號快速轉(zhuǎn)換成微弱電信號。加速度傳感器采用IEPE壓電式加速度傳感器（簡稱IEPE，圖1-a），IEPE相比其他類型的加速度傳感器具有測量線性范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、抗干擾能力強、安裝方便、頻率范圍寬等優(yōu)點。

1.2IEPE信號調(diào)節(jié)器

IEPE傳感器存在不能直接輸出電壓信號、混入的雜波太多等缺點，須要在數(shù)據(jù)采集卡與IEPE傳感器之間安裝1個IEPE信號調(diào)節(jié)器（圖1-b），其主要目的是為IEPE傳感器提供電能與放大IEPE傳感器輸出的微弱電壓信號，并將經(jīng)過放大與濾波后的電信號輸送到數(shù)據(jù)采集卡中進行存儲。

1.3數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集卡是傳感器與計算機連接的一個橋梁，它采集傳感器輸出的電信號，并將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式保存為SCV格式文件，以便于后續(xù)分析與仿真。本試驗系統(tǒng)采用DS1022C數(shù)字示波器（圖1-c）來代替數(shù)據(jù)采集卡對電信號進行采集與轉(zhuǎn)換，并能把所采集的波形直接顯示在示波器的顯示屏上，以便于作波形對比。

2虛擬振動系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

虛擬儀器的核心內(nèi)容是利用計算機軟硬件系統(tǒng)將需要大量硬件才能完成的功能用軟件來虛擬代替實現(xiàn)硬件系統(tǒng)軟件化，以便最大限度地降低振動測試成本，并能增強測試系統(tǒng)的功能及其靈活性[11]。[JP2]根據(jù)LabVIEW程序設(shè)計的模塊化思想，針對土槽試驗臺振動信號的特點，編寫振動測試系統(tǒng)分析部分的軟件模塊。為了把各個模塊集成起來，設(shè)計主界面來實現(xiàn)各模塊的調(diào)用。振動測試分析系統(tǒng)總的設(shè)計方案（圖2）。

[FK（W13][TPCXR2.tif]

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

振動測試系統(tǒng)主要是拾取土槽試驗臺的振動信號和實現(xiàn)對各種參數(shù)的控制[12]，如對數(shù)據(jù)采集卡、采集通道的選擇以及采樣率、點數(shù)、段數(shù)的控制等。測試系統(tǒng)使用的采集卡為一款基于筆記本計算機PCMCIA插槽技術(shù)的DAQCARD-AI-16E-4采集卡[13]，信號調(diào)理卡為SC-2040，可實現(xiàn)8通道同步采樣和保持，而且各通道可以選擇不同的增益。

假設(shè)傳感器檢測到的振動信號與采樣信號分別用X（t）和g（t）表示，輸入的振動信號用X（t）表示，經(jīng)過采樣離散的振動信號用X（nTs）來表示，采樣的脈沖序列周期用Ts來表示，則采樣的表達式如下：

Xs（nTs）=X（t）∑[DD（]+∞n=-∞[DD）]δ（t-nTs）=∑[DD（]+∞n=-∞[DD）]X（nTs）δ（t-nTs）。[JY]（1）

其中：δ（t）是單位脈沖序列，即采樣函數(shù)，圖3為數(shù)據(jù)采集模塊采樣過程。

2.2數(shù)據(jù)處理模塊

采集的信號中即存在有用的信息（如試驗臺架最大振幅），也存在很多干擾信號（如噪聲干擾）[14]，所以數(shù)據(jù)處理的首要任務(wù)是對所采集信號進行數(shù)字濾波處理。由于土槽試驗臺車的工作頻率在0～25 Hz，所以本系統(tǒng)在虛擬儀器軟件平臺所實現(xiàn)的濾波器為低通濾波器。

2.2.1時域分析模塊

時域分析是指振動信號在時間域進行的方法，此分析模塊主要是顯示振動波形、統(tǒng)計各種特征值[15]。將濾波后的信號直接顯示在LabVIEW前面板的示波器上，可以直觀地對振動波形進行分析，此時的波形隨時間變化而變化，在前面板中可以直接觀察信號的變化情況和曲線的各個振動幅值。

2.2.2頻域分析模塊

根據(jù)分析時域是很難對振動信號的特征作出準(zhǔn)確判斷的[15]，所以在分析振動信號的過程中，頻域分析是一項關(guān)鍵的分析技術(shù)，而頻譜分析是在頻率域?qū)π盘柗治龅闹匾夹g(shù)[16]。相對于時域分析技術(shù)而言，頻譜分析技術(shù)能夠獲得更多的有用信息，如各個頻率成分的幅值分布、頻率成分的能量分布、振動信號的總振級、振動信號的最大值頻率、最大幅度值等。

2.2.3功率譜分析

功率譜分析是由功率的形式分析頻譜圖幅值，是研究機具平穩(wěn)性重要的分析技術(shù)。在無窮多個隨機序列中隨機找出1個樣本序列，并不能代表這個隨機過程。然而無論選擇哪一個序列，其自相關(guān)函數(shù)都是一樣的，也就是由某一個序列計算出來的自相關(guān)函數(shù)能夠描述整個過程的本質(zhì)特點。因此，功率譜問題可以從自相關(guān)函數(shù)入手分析。

自功率譜密度是信號X（t）自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，簡稱自功率譜。設(shè)X（t）自相關(guān)函數(shù)是RX（τ），則X（t）的自功率譜密度為：

[JZ（]Px（f）=∫+∞[KG-*2]-∞Rx（τ）e-f2πftdτ。[JZ）][JY]（2）

同時功率譜函數(shù)P（τ）為：

[JZ（]Px（τ）=∫+∞[KG-*2]-∞Rx（f）ej2πftdf。[JZ）][JY]（3）

若τ=0，可得：

[JZ（]Rx（τ）=lim[DD（X]T→∞[DD）][SX（]12T[SX）]∫+T[KG-*2]-TX2（t）dt=∫+∞[KG-*2]-∞Px（f）df。[JZ）][JY]（4）

組土槽試驗臺車的自功率譜密度函數(shù)：

[JZ（]Rx（0）=∫+∞[KG-*2]-∞Px（f）df=Pav。[JZ）][JY]（5）

即Px（f）曲線下和頻率所包圍的面積就是信號的平均功率，Px（f）就是信號的功率密度沿頻率軸的分布，自功率譜密度表示信號的功率隨頻率的分布情況[17]。圖4為功率譜分析程序框與功率譜密度程序框。

[FK（W+95mm][TPCXR4.tif]

根據(jù)以上對振動信號的理論分析與LabVIEW編程軟件的特點，編寫了基于LabVIEW的虛擬軟件系統(tǒng)，圖5為該振動分析軟件程序面板。從圖5可以看出，該振動分析程序主要采用多個Case選擇結(jié)構(gòu)與1個While循環(huán)結(jié)構(gòu)。Case機構(gòu)是為了避免多個應(yīng)用程序同時運行，使之符合實際測試中的需要；采用Case結(jié)構(gòu)的目的是使用相同數(shù)據(jù)的Ⅵ在同一個Case結(jié)構(gòu)中，達到程序結(jié)構(gòu)化設(shè)計使得程序框圖更清晰、明了。采用While-loop便于實現(xiàn)菜單操作，只有點擊主界面上部菜單后才能運行程序，同時也使得數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)中循環(huán)可以隨時使用。另外，本程序主要使用了應(yīng)用程序控制子模塊中的動態(tài)調(diào)用Ⅵ（Open Application Reference）的功能函數(shù)。

3試驗驗證

為了驗證本振動測試系統(tǒng)的可行性與正確性，對該系統(tǒng)進行試驗和測試[17-18]，試驗對象是土槽試驗臺車。在土槽試驗臺車行駛過程中對土槽車進行振動信號的采集并將所采集的信號轉(zhuǎn)換成CSV格式的數(shù)據(jù)存儲起來，導(dǎo)入到計算機中對振動信號進行各種分析與處理。圖6為振動信號采集過程，圖7為土槽試驗臺車在1.0 m/s車速下土槽車的波形圖。

圖7-a所示，波形圖方框內(nèi)的圖形與試驗時DS1022C型示波器波形一致，根據(jù)時域分析顯示波形的振動最大幅值為2.053 74 cm。圖7-b為土槽試驗臺車在1.0 m/s車速下土槽車前端振動信號的經(jīng)過快速傅里葉變換后的頻譜圖。土槽車前端的自功率譜可以顯示出土槽車前端的振動頻率為8.87 Hz。從圖7-c可以看出，在頻率為16 Hz時振幅達到最大，為8.8 mm，在8.87 Hz時功率最大，達到8.5 W，這與上述給定的土槽車前端固有頻率基本吻合。將以上對土槽試驗臺車振動數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與實際情況作比較，發(fā)現(xiàn)該測試系統(tǒng)符合預(yù)期的試驗結(jié)果，驗證了該測試系統(tǒng)各程序模塊的合理性與正確性，可見該測試系統(tǒng)可以廣泛地用于農(nóng)業(yè)機械的振動測試。

[FK（W9][TPCXR6.tif]

[FK（W10][TPCXR7.tif；S+3mm]

4結(jié)論

基于LabVIEW編程軟件配以壓電式加速度傳感器、IEPE信號調(diào)節(jié)器與數(shù)字示波器的虛擬振動測試分析系統(tǒng)的設(shè)計，并通過對土槽試驗臺車的振動信號提取、處理與分析得出以下結(jié)論：（1）通過振動分析，得出土槽試驗臺車工作過程中的時域波形、頻域波形以及頻譜分析波形。通過LabVIEW仿真分析，可得振動最大幅值為2.053 74 cm，最大振動頻率為16 Hz，最大功率為8.5 W。（2）通過對土槽試驗臺車的振動信號進行分析處理，為研究試驗機具在不同工況下的振動情況進行研究打下良好基礎(chǔ)。

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