虚拟振动测试分析系统的研究
|
摘要
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。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多通道振动测试分析系统虚拟仪器。该系统在计算机上通过软件控制数据采集、进行信号处理分析并显示结果，能满足实际振动测试分析的需要。
论文首先对虚拟仪器以及LabVIEW软件作了简要介绍，然后分析了振动测试分析系统的组成和振动信号分析的理论，最后对开发的软件进行了测试验证。该系统运行于MicrosoftWindows 98环境下，数据采集、存储、处理和显示均采用模块化编程。数据采集包括自由采集和预触发采集两种，分别应用于随机信号和冲击信号的采集。软件的处理功能包括：数字滤波、时域加窗、自相关与互相关处理、均值和方差计算、概率密度和概率分布函数计算；在快速傅立叶变换(FFT)基础上计算自功率谱、互功率谱、频率响应函数、相干函数、倒频谱分析；基于短时傅立叶变换(STFT)的联合时频分析等。
本课题研究开发的测试系统虚拟仪器使用的是基于个人计算机插槽的数据采集卡和LabVIEW开发软件。实践证明，这种方案具有良好的扩展性和较高的性价比，并且易于开发，适合于工程人员使用。
In modern mechanical industry and mechanical engineering, vibration measurement and analysis is an important part. With the development of computer and software technique, virtual instrument become development direction in measurement field, vibration measurement and analysis based on virtual instrument has become the trend of vibration test. So author develop virtual instruments of multichannel vibration measurement and analysis system based on PC as hardware workbench, laboratory virtual instrument workbench (LabVIEW) developed by America National Instruments corporation as development software, essential sensor, signal conditioner and data acquisition card. The system can control data acquisition, processing and display in computer, to meet the demand of vibration measurement and analysis.
First, simple introduction on virtual instruments is made in my thesis. Second, the composition of vibration measurement system and the theory of vibration signal analysis are analyzed. Last, the measurement identification of the developed system is made. This system can run in Microsoft Windows 98, and data acquisition, storage, processing and display adopt modularization program. The data sampling include two kind: free sampling adapted to random signal and pretrigger sampling adapted to impact signal. The signal process function of the software include these function: digital filter, windowing, auto-correlation function and cross-correlation function, mean and variance, probability density function and probability distribution function statistic; auto-power spectrum, cross-power spectrum, frequency response function, coherence function, cepstrum analysis based on FFT(Fast Fourier Transfer); joint time-frequency analysis based on STFT(Short-Time Fourier Transfer).
In this research of vibration measurement and analysis virtual instruments, data acquisition card based on expanding slot of PC and LabVIEW software are applied to the virtual measurement system. The experiment result has proved that the method has good expansibility and high cost performance, easy to develop, be fit for use of engineer.
论文首先对虚拟仪器以及LabVIEW软件作了简要介绍，然后分析了振动测试分析系统的组成和振动信号分析的理论，最后对开发的软件进行了测试验证。该系统运行于MicrosoftWindows 98环境下，数据采集、存储、处理和显示均采用模块化编程。数据采集包括自由采集和预触发采集两种，分别应用于随机信号和冲击信号的采集。软件的处理功能包括：数字滤波、时域加窗、自相关与互相关处理、均值和方差计算、概率密度和概率分布函数计算；在快速傅立叶变换(FFT)基础上计算自功率谱、互功率谱、频率响应函数、相干函数、倒频谱分析；基于短时傅立叶变换(STFT)的联合时频分析等。
本课题研究开发的测试系统虚拟仪器使用的是基于个人计算机插槽的数据采集卡和LabVIEW开发软件。实践证明，这种方案具有良好的扩展性和较高的性价比，并且易于开发，适合于工程人员使用。
In modern mechanical industry and mechanical engineering, vibration measurement and analysis is an important part. With the development of computer and software technique, virtual instrument become development direction in measurement field, vibration measurement and analysis based on virtual instrument has become the trend of vibration test. So author develop virtual instruments of multichannel vibration measurement and analysis system based on PC as hardware workbench, laboratory virtual instrument workbench (LabVIEW) developed by America National Instruments corporation as development software, essential sensor, signal conditioner and data acquisition card. The system can control data acquisition, processing and display in computer, to meet the demand of vibration measurement and analysis.
First, simple introduction on virtual instruments is made in my thesis. Second, the composition of vibration measurement system and the theory of vibration signal analysis are analyzed. Last, the measurement identification of the developed system is made. This system can run in Microsoft Windows 98, and data acquisition, storage, processing and display adopt modularization program. The data sampling include two kind: free sampling adapted to random signal and pretrigger sampling adapted to impact signal. The signal process function of the software include these function: digital filter, windowing, auto-correlation function and cross-correlation function, mean and variance, probability density function and probability distribution function statistic; auto-power spectrum, cross-power spectrum, frequency response function, coherence function, cepstrum analysis based on FFT(Fast Fourier Transfer); joint time-frequency analysis based on STFT(Short-Time Fourier Transfer).
In this research of vibration measurement and analysis virtual instruments, data acquisition card based on expanding slot of PC and LabVIEW software are applied to the virtual measurement system. The experiment result has proved that the method has good expansibility and high cost performance, easy to develop, be fit for use of engineer.
引文
[1] 庄表中，刘明杰．工程振动学．北京：高等教育出版社，1989年3月．7～10
[2] 李德葆，张元润．振动测量与试验分析．北京：机械工业出版社，1992年5月．5～15
[3] 曹树谦，张文德，萧龙翔．振动结构模态分析——理论、实验与应用．天津：天津大学出版社，2001年3月．2～10
[4] 张令弥．振动测试与动态分析．北京：航空工业出版社，1992年11月．161～190
[5] 秦树人，张思复，唐宝平，等．集成测试技术与虚拟式仪器．中国机械工程，1999年1月，第10卷第1期．77～80
[6] National Instruments Corp. LabVIEW Quick Start Guide. Austin, Texas USA. February 1999. 1～28
[7] 唐宝平，何辉，秦树人等．基于PC总线虚拟动态测试分析仪软件的设计．振动、测试与诊断，2000年6月，第20卷第2期．82～86
[8] 李科杰．新编传感器技术手册．北京：国防工业出版社，2002年1月．638～672
[9] Towers D.P., Buckberry, C.H., Stockley B.C., et al. Measurement of complex vibrational modes and surface form - a combined system. Measurement Science & Technology, 1995,6(9). 1242-1249
[10] 黄世霖．工程信号处理．北京：人民交通出版社，1986年10月．18-20
[11] National Instruments Corp. Signal Processing Toolset Reference Manual. Austin, Texas USA. January 1999. 25～85
[12] 樊强，徐运涛．虚拟仪器测试系统简介．现代军事通讯，2001年3月，第9卷第1期．16～19
[13] 高占风，刘展威，燕廷．图形化编程语言LabVIEW及其应用．河北省科学院学报，2000年8月，第17卷第3期．153～156
[14] 刘强，刘莹娜，李强，等．基于LabVIEW平台和GPIB接口的测试系统开发与应用．电子技术应用，2000年9月，第9期．40～42
[15] 陈敏．虚拟仪器软件LabVIEW在仪器控制中的应用．宇航计测技术，1999年2月，第19卷第1期．32～36
[16] 张羽．虚拟仪器的技术研究：[硕士学位论文]．南京：南京航空航天大学，2000年3月．4～20
[17] National Instruments Corp. LabVIEW User Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 27～444
[18] National Instruments Corp. BridgeVIEW and LabVIEW G Programming Reference Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 27～566
[19] National Instruments Corp. HiQ Reference Manual. Austin, Texas USA. April 1998. 27～52
[20] 陈敏，汤晓安．虚拟仪器软件LabVIew与数据采集．小型微型计算机系统，2001年4月，第22卷第4期．501～503
[21] 王化祥，张淑英．传感器原理及应用．天津：天津大学出版社，1988年9月．162～179
[22] 杨明，杨志刚，林祖森．加速度计输出信号的信息组成．华北工学院学报，2000年1月，第21卷第1期．44～46
[23] 张民，徐迅．用LabVIEW和数据采集卡实现信号检测．北方交通大学学报，2000年10月，第24卷第5期．78～81
[24] National Instruments Corp. SC-2040 User Manual (Eight-Channel Simultaneous Sample-and-Hold Accessory) . Austin, Texas USA. September 1994. 1～40
[25] National Instruments Corp. DAQCard E Series User Manual (Multifunction I/O Cards for PCMCIA) . Austin, Texas USA. March 1999. 1～74
[26] 应怀樵．振动测试和分析．北京：中国铁道出版社，1979年．14～24
[27] 卢文祥，杜润生．机械工程测试信息信号分析．武汉：华中理工大学出版社，1990年3月．203～210
[28] 李杰敏．汽车拖拉机试验学．第2版．北京：机械工业出版社，1996年5月．29～119
[29] 曾义方，张彦仲．信号处理名词术语集．北京：航空工业出版社，1992年2月．54～55
[30] 李德葆，陆秋海．实验模态分析及其应用．北京：科学出版社，2002年1月．123～125
[31] 贝达特，皮尔索(美)著，陵福根译．随机数据分析方法．北京：国防工业出版社．1976年12月．325～335
[32] 金一庆，陈越．数值方法．北京：机械工业出版社，2000年2月．132～138
[33] Xu yiqun. Important indexes of window function. Joural of anhui normal university(natural science), Dec. 1997, vol 20,No.4. 313～318
[34] 李慧彬，郑兆昌，应怀樵．利用应变信号对齿轮传动装置进行故障诊断的实验研究．实验力学，1999年6月，第14卷第2期．202～207
[35] National Instruments Corp. Function and VI Reference Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 435～440
[36] 丁康，张晓飞．频谱校正理论的发展．振动工程学报，2000年3月，第13卷第1期．14～19
[37] 吴湘淇．信号、系统与信号处理．北京：电子工业出版社，1996年8月．55～97
[38] 贝达特，皮尔索(美)著，陵福根译．相关分析和谱分析的工程应用．北京：国防工业出版社，1983年5月．1～75
[39] 刘文．概率论与数理统计．天津：南开大学出版社，1990年12月．247～251
[40] 张思．振动测试与分析技术．北京：清华大学出版社，1992年．123～148
[41] 傅志方．振动模态分析与参数辨识．北京：机械工业出版社，1990年．55～103
[42] Futter D.N.. Techniques for condition monitoring of large gearboxes in the power industry. Insight - Non - Destructive Testing and Condition Monitoring, 1995,37(8). 591-594
[43] 何世平，张梅军，熊明忠．现代信号分析在变速箱故障诊断中的应用．振动与冲击，2000年7月，第19卷第4期。71～75
[44] 朱继海．非稳态振动信号分析．振动与冲击，2000年，第19卷第1期．86～87
[45] 张贤达．现代信号处理．北京：清华大学出版社，1995年5月．442～474
[46] 吴淼．现代工程信号处理及应用．北京：中国矿业大学出版社，1997年10月。106～113
[47] 徐敏强，黄文虎，张嘉钟．旋转机械高速启动过程振动信号分析方法的研究．振动工程学报，2000年6月，第13卷第2期．216～218
[48] 朱利民，钟秉林，贾民平．振动信号短时分析方法及在机械故障诊断中的应用。振动工程学报，2000年9月，第13卷第3期．400～405
[49] 史东锋，申凡，鲍明．自适应时频分析在回转机械诊断中的应用研究．振动工程学报，2000年6月，第13卷第2期．271～276
[50] National Instruments Corp. LabVIEW User Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 27～444
[51] 汤华，刘庆明，刘长林．存储测试数据处理软件的设计及应用．华北工学院测试技术学报，2001年1月，第15卷第1期．35～39
[52] 秦叶，陈文戈，原锡光，等．大型机组振动信号的采集与典型故障的诊断．广东工业大学学报，1997年3月，第14卷第1期．71～75
[53] 吴国新，许宝杰，朱春梅．基于LabVIEW的虚拟振动测试系统．北京机械工业学院学报，2000年12月，第15卷第4期．39～43
[54] National Instruments Corp. LabVIEW Data Acquisition Basics Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 19～276
[55] 沈松，应怀樵，雷速华，等．用锤击法和变时基技术进行黄河铁路桥模态试验分析．振动工程学报，2000年9月，第13卷第3期．492～495
[2] 李德葆，张元润．振动测量与试验分析．北京：机械工业出版社，1992年5月．5～15
[3] 曹树谦，张文德，萧龙翔．振动结构模态分析——理论、实验与应用．天津：天津大学出版社，2001年3月．2～10
[4] 张令弥．振动测试与动态分析．北京：航空工业出版社，1992年11月．161～190
[5] 秦树人，张思复，唐宝平，等．集成测试技术与虚拟式仪器．中国机械工程，1999年1月，第10卷第1期．77～80
[6] National Instruments Corp. LabVIEW Quick Start Guide. Austin, Texas USA. February 1999. 1～28
[7] 唐宝平，何辉，秦树人等．基于PC总线虚拟动态测试分析仪软件的设计．振动、测试与诊断，2000年6月，第20卷第2期．82～86
[8] 李科杰．新编传感器技术手册．北京：国防工业出版社，2002年1月．638～672
[9] Towers D.P., Buckberry, C.H., Stockley B.C., et al. Measurement of complex vibrational modes and surface form - a combined system. Measurement Science & Technology, 1995,6(9). 1242-1249
[10] 黄世霖．工程信号处理．北京：人民交通出版社，1986年10月．18-20
[11] National Instruments Corp. Signal Processing Toolset Reference Manual. Austin, Texas USA. January 1999. 25～85
[12] 樊强，徐运涛．虚拟仪器测试系统简介．现代军事通讯，2001年3月，第9卷第1期．16～19
[13] 高占风，刘展威，燕廷．图形化编程语言LabVIEW及其应用．河北省科学院学报，2000年8月，第17卷第3期．153～156
[14] 刘强，刘莹娜，李强，等．基于LabVIEW平台和GPIB接口的测试系统开发与应用．电子技术应用，2000年9月，第9期．40～42
[15] 陈敏．虚拟仪器软件LabVIEW在仪器控制中的应用．宇航计测技术，1999年2月，第19卷第1期．32～36
[16] 张羽．虚拟仪器的技术研究：[硕士学位论文]．南京：南京航空航天大学，2000年3月．4～20
[17] National Instruments Corp. LabVIEW User Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 27～444
[18] National Instruments Corp. BridgeVIEW and LabVIEW G Programming Reference Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 27～566
[19] National Instruments Corp. HiQ Reference Manual. Austin, Texas USA. April 1998. 27～52
[20] 陈敏，汤晓安．虚拟仪器软件LabVIew与数据采集．小型微型计算机系统，2001年4月，第22卷第4期．501～503
[21] 王化祥，张淑英．传感器原理及应用．天津：天津大学出版社，1988年9月．162～179
[22] 杨明，杨志刚，林祖森．加速度计输出信号的信息组成．华北工学院学报，2000年1月，第21卷第1期．44～46
[23] 张民，徐迅．用LabVIEW和数据采集卡实现信号检测．北方交通大学学报，2000年10月，第24卷第5期．78～81
[24] National Instruments Corp. SC-2040 User Manual (Eight-Channel Simultaneous Sample-and-Hold Accessory) . Austin, Texas USA. September 1994. 1～40
[25] National Instruments Corp. DAQCard E Series User Manual (Multifunction I/O Cards for PCMCIA) . Austin, Texas USA. March 1999. 1～74
[26] 应怀樵．振动测试和分析．北京：中国铁道出版社，1979年．14～24
[27] 卢文祥，杜润生．机械工程测试信息信号分析．武汉：华中理工大学出版社，1990年3月．203～210
[28] 李杰敏．汽车拖拉机试验学．第2版．北京：机械工业出版社，1996年5月．29～119
[29] 曾义方，张彦仲．信号处理名词术语集．北京：航空工业出版社，1992年2月．54～55
[30] 李德葆，陆秋海．实验模态分析及其应用．北京：科学出版社，2002年1月．123～125
[31] 贝达特，皮尔索(美)著，陵福根译．随机数据分析方法．北京：国防工业出版社．1976年12月．325～335
[32] 金一庆，陈越．数值方法．北京：机械工业出版社，2000年2月．132～138
[33] Xu yiqun. Important indexes of window function. Joural of anhui normal university(natural science), Dec. 1997, vol 20,No.4. 313～318
[34] 李慧彬，郑兆昌，应怀樵．利用应变信号对齿轮传动装置进行故障诊断的实验研究．实验力学，1999年6月，第14卷第2期．202～207
[35] National Instruments Corp. Function and VI Reference Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 435～440
[36] 丁康，张晓飞．频谱校正理论的发展．振动工程学报，2000年3月，第13卷第1期．14～19
[37] 吴湘淇．信号、系统与信号处理．北京：电子工业出版社，1996年8月．55～97
[38] 贝达特，皮尔索(美)著，陵福根译．相关分析和谱分析的工程应用．北京：国防工业出版社，1983年5月．1～75
[39] 刘文．概率论与数理统计．天津：南开大学出版社，1990年12月．247～251
[40] 张思．振动测试与分析技术．北京：清华大学出版社，1992年．123～148
[41] 傅志方．振动模态分析与参数辨识．北京：机械工业出版社，1990年．55～103
[42] Futter D.N.. Techniques for condition monitoring of large gearboxes in the power industry. Insight - Non - Destructive Testing and Condition Monitoring, 1995,37(8). 591-594
[43] 何世平，张梅军，熊明忠．现代信号分析在变速箱故障诊断中的应用．振动与冲击，2000年7月，第19卷第4期。71～75
[44] 朱继海．非稳态振动信号分析．振动与冲击，2000年，第19卷第1期．86～87
[45] 张贤达．现代信号处理．北京：清华大学出版社，1995年5月．442～474
[46] 吴淼．现代工程信号处理及应用．北京：中国矿业大学出版社，1997年10月。106～113
[47] 徐敏强，黄文虎，张嘉钟．旋转机械高速启动过程振动信号分析方法的研究．振动工程学报，2000年6月，第13卷第2期．216～218
[48] 朱利民，钟秉林，贾民平．振动信号短时分析方法及在机械故障诊断中的应用。振动工程学报，2000年9月，第13卷第3期．400～405
[49] 史东锋，申凡，鲍明．自适应时频分析在回转机械诊断中的应用研究．振动工程学报，2000年6月，第13卷第2期．271～276
[50] National Instruments Corp. LabVIEW User Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 27～444
[51] 汤华，刘庆明，刘长林．存储测试数据处理软件的设计及应用．华北工学院测试技术学报，2001年1月，第15卷第1期．35～39
[52] 秦叶，陈文戈，原锡光，等．大型机组振动信号的采集与典型故障的诊断．广东工业大学学报，1997年3月，第14卷第1期．71～75
[53] 吴国新，许宝杰，朱春梅．基于LabVIEW的虚拟振动测试系统．北京机械工业学院学报，2000年12月，第15卷第4期．39～43
[54] National Instruments Corp. LabVIEW Data Acquisition Basics Manual. Austin, Texas USA. January 1998. 19～276
[55] 沈松，应怀樵，雷速华，等．用锤击法和变时基技术进行黄河铁路桥模态试验分析．振动工程学报，2000年9月，第13卷第3期．492～495