基于DRVI平臺的軸心軌跡與噪聲測量實驗設計

韓德東

摘? 要：基于DRVI （Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument） 可重組虛擬儀器平臺，設計開發了軸心軌跡測量與噪聲測量實驗。所設計實驗及平臺可有效測量轉動裝置軸心軌跡，并可根據測得的軸心軌跡判斷轉動機械裝置的運轉狀態。在裝置運轉過程中，根據實驗測得的噪聲大小及來源可判斷轉動裝置所發生故障的形式以及故障發生的具體位置。設計實驗與工程實踐聯系密切，開發成果可應用到實際教學中，豐富了教學實驗內容。

關鍵詞：可重組虛擬儀器平臺;軸心軌跡;噪聲;轉動裝置

中圖分類號：TM937.4? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著計算機技術的高速發展，虛擬儀器技術應運而生。這項概念是由美國國家儀器公司率先提出的，它是用一種運用計算機通信技術對測試、測量相關領域進行輔助運算的新概念技術。虛擬儀器的誕生標志著測試技術領域進入了一個新時代，同時也改變了儀器行業的發展方向。

虛擬儀器技術分為硬件與軟件2部分，該技術除了具有便捷的圖形環境，還具有完善的接口通信功能。基于這2項功能，用戶可以通過建立虛擬儀器面板，實現由軟件對硬件的控制。這套控制流程不僅完全代替了傳統實驗系統，還體現出很多優點：虛擬儀器大大縮小了實驗設施的規模，小巧便捷;“控件軟化”使得設備易于后期維護與升級;用戶采用不同的軟硬件組合方式，自行定義儀器的功能使得整個系統的可重組性、容錯性大大提高，進而提高實驗效率。根據專業的統計估算顯示，虛擬儀器所占的市場份額預計在21世紀50年代將上升到整個電子測量儀器的50%，這意味著虛擬儀器將逐漸發展為測試領域的主流技術方式。

1 DRVI平臺構成及功能

該文采用的DRVI可重構虛擬儀器實驗平臺操作簡單方便，十分適合課程教學。從設計思路上來說，DRVI將汽車和PC機的裝配模式運用到自身的裝配形式上，使其具有獨樹一幟的結構形式。它將測試系統的計算機部分具體地分為總安裝底盤和可以實現不同功能的模塊，將二者組裝起來就可以形成虛擬儀器測試實驗系統。至于該平臺的自定義測試功能，將不同的功能模塊按需組合就可以自身的實際需求定義不同的虛擬儀器功能。

DRVI實驗平臺采用的是軟件總線和軟件芯片連接搭配的構造形式。它的主體是一個帶有軟件控制線和數據線的軟主板，可實現2方面的連接。一方面可插接軟儀表盤、軟信號發生器、軟信號處理電路、軟波形顯示芯片等軟件芯片組;另一方面能與A/D卡、I/O卡等硬件設備進行連接。其中軟件總線具有的開放性以及COM/DCOM組件具有的即插即用特性使整個實驗系統擁有了開源化，可重組化的特點。在DRVI平臺上進行二次實驗開發的過程中，無須擔心編譯、鏈接等環節，實驗搭建過程易掌握，可實時根據自身的實際需求定義不同的虛擬儀器功能。實驗者可直接在操作面板上通過簡單地放置和刪除軟件芯片并進行連線，就能夠搭建出具有自定義功能的測試實驗平臺。

2 軸心軌跡與噪聲測量實驗設計

2.1 實驗設計方法

利用選定的傳感器將采集到的外部信號通過平臺的通信接口（轉子實驗臺模塊、數據采集儀）傳輸到計算機中，計算機端需要進行數據的處理與分析。因此對于該實驗的控件選用，分析如下。首先，為了將數據采集進來，選擇一個“USB采集卡”芯片;再選擇一個二狀態的“啟/停按鈕”芯片來啟閉“USB采集卡”芯片，進而控制數據采集儀的啟閉;另外，可以插入2個“數字濾波”芯片，分別負責x與y 2個方向的濾波，用來避免用電渦流傳感器獲取微小位移信號的時候受到的高頻信號的干擾;再選擇一個“FFT頻譜運算”芯片來計算聲傳感器噪聲信號的頻譜，后續會進行倍頻程的計算;選擇2個“VBScript子程序”芯片，在其中編寫VBScript代碼進行數據的處理與運算;選擇1個“矩形表頭”芯片，做成一個轉速表;選擇1個“倍頻程分析”芯片，其作用是采用FFT算法計算聲音輸入的噪聲信號的倍頻程譜;選擇文字顯示芯片來顯示必要的提示信息，選擇裝飾芯片來繪制界面邊框。以上是搭建軸心軌跡測量與噪聲測量實驗平臺時的控件選用分析，在DRVI3.0的空白界面上插入上述芯片即可。最后通過設置不同 IC芯片特性窗中的參數以及調節特性窗中的線號值就可以完成軸心軌跡測量與噪聲測量實驗的設計與搭建。

2.2 實驗過程及結果分析

該實驗的內容分為2部分，主要部分是軸心軌跡的測量與觀察，由于實驗平臺的轉子試驗臺不會出現故障或其他嚴重的磨損情況，無法觀察到故障時的軸心軌跡圖，因此該實驗的操作是調節電機轉速，隨著轉速的變化，記錄軸心軌跡曲線的變化情況，并分析實驗結果。次要部分是跟隨上述主要部分的操作來記錄聲壓級，需要測量2種噪聲。1） 啟動轉子試驗臺之前的初始背景噪音聲壓級。2） 在不同轉速下裝置運轉的噪音聲壓級。

2.2.1 軸心軌跡測量分析

在轉子試驗臺的配重盤上加一小重量2.8 g的螺釘作為不平衡重，軸心軌跡圖會逐漸呈現橢圓形狀，隨轉速升高軌跡變化的具體過程如下所述。

100轉速級：轉速為99.601 rpm時的軸心軌跡是不封閉的弧形曲線，弧型短，不光滑。200轉速級：轉速為212.84 rpm時的軸心軌跡是不封閉的弧形曲線，弧形變長，不光滑。300轉速級：轉速為298.88 rpm時的軸心軌跡是封閉的多重橢圓交錯線，外包絡線近似為橢圓，不光滑。400轉速級：轉速為409.72 rpm時的軸心軌跡是封閉的跳躍曲線，跳躍程度大大降低，外輪廓向橢圓過渡，不光滑。450轉速級：轉速為454.90 rpm時的軸心軌跡是封閉的不光滑曲線，不光滑形式為凸起和凹陷，說明有不對中的情況。外輪廓繼續向橢圓過渡。500轉速級：轉速為500 rpm時的軸心軌跡是外輪廓近似為橢圓的封閉曲線。有很少的凸起與凹陷，不對中。略顯光滑。

2.2.2 噪聲測量分析

轉子試驗臺不運轉時，為了得到準確的裝置運轉噪聲，必須分析環境噪聲。轉速為0時的分貝值為29 dB，即環境背景噪聲為29 dB。而裝置開始運轉后的最低分貝是60 dB，兩者之差遠遠大于10 dB。根據實驗原理中環境噪聲和被測聲源之間的計算關系，此種情況可以忽略背景噪聲對實際噪聲的影響。

轉子試驗臺不運轉時，噪音聲壓級隨著轉速的升高整體上呈現增大的趨勢，但具體會隨著機器運轉的平穩情況進行波動，例如在轉速為298.88 rpm與1 293.1 rpn時，噪音聲壓級出現極大值，機器運轉不平穩。

3 結語

該文介紹了軸心軌跡測量與噪聲測量實驗的設計過程，從理論分析入手，詳細闡述了該實驗的設計目的、設計方法、傳感器的選用以及測試型實驗的數據處理與結果分析。其中實驗設計方法中涉及的具體內容包括實驗設計思路、實驗界面、系統線號值設定、軸心軌跡測量與噪聲測量實驗的設計原理圖、軸心軌跡測量與噪聲測量實驗的流程框圖。綜上所述，所設計實驗及平臺可以作為實驗指導教程的具體內容。

參考文獻

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