基于LabVIEW的土槽車振動(dòng)測(cè)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(dòng)式土槽臺(tái)車自身的機(jī)械振動(dòng)對(duì)被測(cè)部件的影響程度，須要對(duì)土槽試驗(yàn)臺(tái)車的振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試、分析與處理，由于傳統(tǒng)測(cè)試機(jī)械振動(dòng)的方法存在測(cè)試成本高、累積誤差大等缺點(diǎn)，本研究以LabVIEW為基礎(chǔ)，配以壓電式加速度傳感器、IEPE信號(hào)調(diào)理器和數(shù)字示波器等設(shè)計(jì)虛擬機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)土槽試驗(yàn)臺(tái)車的機(jī)械振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明，LabVIEW所分析的時(shí)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(yàn)過程相符合，驗(yàn)證了該振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：土槽試驗(yàn)臺(tái)車；機(jī)械振動(dòng)；測(cè)試系統(tǒng)；開發(fā)應(yīng)用；時(shí)域波形；虛擬測(cè)試；示波器；LabVIEW；工作效率

中圖分類號(hào)： S22文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0386-04

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51465057）。

作者簡(jiǎn)介：曹曉冉（1989—），男，河北唐山人，碩士研究生，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)及動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)及理研究。E-mail：xjh199032@163.com。

近年來，土槽試驗(yàn)臺(tái)車能夠解決農(nóng)業(yè)機(jī)械研究受季節(jié)時(shí)間約束的問題，并且具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)農(nóng)田作業(yè)機(jī)械整機(jī)或部件進(jìn)行試驗(yàn)的有效裝置[1-3]。但是，由于移動(dòng)式土槽臺(tái)車自身的機(jī)械振動(dòng)會(huì)激勵(lì)被側(cè)部件發(fā)生振動(dòng)，影響試驗(yàn)機(jī)具的工作效率，因此需要對(duì)土槽臺(tái)車自身的機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，分析研究移動(dòng)式土槽臺(tái)車自身的機(jī)械振動(dòng)對(duì)被側(cè)部件的影響程度。傳統(tǒng)振動(dòng)分析所需要的儀器種類繁多，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)偏差較大，并且價(jià)格相對(duì)貴[4-5]?；贚abVIEW編程軟件的虛擬振動(dòng)測(cè)試分析方法與其他振動(dòng)測(cè)試分析方法相比，該振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)充分考慮了振動(dòng)測(cè)試的特點(diǎn)，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(hào)調(diào)理器和數(shù)字示波器等設(shè)計(jì)了虛擬機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[7-9]，并對(duì)土槽試驗(yàn)臺(tái)車的機(jī)械振動(dòng)情況進(jìn)行了測(cè)試分析，為研究土槽試驗(yàn)臺(tái)架的機(jī)械振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)機(jī)具工作效率的影響程度打下基礎(chǔ)。

1虛擬振動(dòng)系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

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

1.1加速度傳感器

測(cè)量振動(dòng)與沖擊的核心部件是傳感器，傳統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)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(dòng)源發(fā)出的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)快速轉(zhuǎn)換成微弱電信號(hào)。加速度傳感器采用IEPE壓電式加速度傳感器（簡(jiǎn)稱IEPE，圖1-a），IEPE相比其他類型的加速度傳感器具有測(cè)量線性范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、安裝方便、頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

1.2IEPE信號(hào)調(diào)節(jié)器

IEPE傳感器存在不能直接輸出電壓信號(hào)、混入的雜波太多等缺點(diǎn)，須要在數(shù)據(jù)采集卡與IEPE傳感器之間安裝1個(gè)IEPE信號(hào)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(hào)，并將經(jīng)過放大與濾波后的電信號(hào)輸送到數(shù)據(jù)采集卡中進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.3數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集卡是傳感器與計(jì)算機(jī)連接的一個(gè)橋梁，它采集傳感器輸出的電信號(hào)，并將電信號(hào)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(yàn)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(duì)電信號(hào)進(jìn)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(duì)比。

2虛擬振動(dòng)系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

虛擬儀器的核心內(nèi)容是利用計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)軟件化，以便最大限度地降低振動(dòng)測(cè)試成本，并能增強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)的功能及其靈活性[11]。[JP2]根據(jù)LabVIEW程序設(shè)計(jì)的模塊化思想，針對(duì)土槽試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，編寫振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)分析部分的軟件模塊。為了把各個(gè)模塊集成起來，設(shè)計(jì)主界面來實(shí)現(xiàn)各模塊的調(diào)用。振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)方案（圖2）。

[FK（W13][TPCXR2.tif]

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要是拾取土槽試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)和實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的控制[12]，如對(duì)數(shù)據(jù)采集卡、采集通道的選擇以及采樣率、點(diǎn)數(shù)、段數(shù)的控制等。測(cè)試系統(tǒng)使用的采集卡為一款基于筆記本計(jì)算機(jī)PCMCIA插槽技術(shù)的DAQCARD-AI-16E-4采集卡[13]，信號(hào)調(diào)理卡為SC-2040，可實(shí)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(cè)到的振動(dòng)信號(hào)與采樣信號(hào)分別用X（t）和g（t）表示，輸入的振動(dòng)信號(hào)用X（t）表示，經(jīng)過采樣離散的振動(dòng)信號(hào)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(dá)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(hào)中即存在有用的信息（如試驗(yàn)臺(tái)架最大振幅），也存在很多干擾信號(hào)（如噪聲干擾）[14]，所以數(shù)據(jù)處理的首要任務(wù)是對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。由于土槽試驗(yàn)臺(tái)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(tái)所實(shí)現(xiàn)的濾波器為低通濾波器。

2.2.1時(shí)域分析模塊

時(shí)域分析是指振動(dòng)信號(hào)在時(shí)間域進(jìn)行的方法，此分析模塊主要是顯示振動(dòng)波形、統(tǒng)計(jì)各種特征值[15]。將濾波后的信號(hào)直接顯示在LabVIEW前面板的示波器上，可以直觀地對(duì)振動(dòng)波形進(jìn)行分析，此時(shí)的波形隨時(shí)間變化而變化，在前面板中可以直接觀察信號(hào)的變化情況和曲線的各個(gè)振動(dòng)幅值。

2.2.2頻域分析模塊

根據(jù)分析時(shí)域是很難對(duì)振動(dòng)信號(hào)的特征作出準(zhǔn)確判斷的[15]，所以在分析振動(dòng)信號(hào)的過程中，頻域分析是一項(xiàng)關(guān)鍵的分析技術(shù)，而頻譜分析是在頻率域?qū)π盘?hào)分析的重要技術(shù)[16]。相對(duì)于時(shí)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(gè)頻率成分的幅值分布、頻率成分的能量分布、振動(dòng)信號(hào)的總振級(jí)、振動(dòng)信號(hào)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(jī)具平穩(wěn)性重要的分析技術(shù)。在無(wú)窮多個(gè)隨機(jī)序列中隨機(jī)找出1個(gè)樣本序列，并不能代表這個(gè)隨機(jī)過程。然而無(wú)論選擇哪一個(gè)序列，其自相關(guān)函數(shù)都是一樣的，也就是由某一個(gè)序列計(jì)算出來的自相關(guān)函數(shù)能夠描述整個(gè)過程的本質(zhì)特點(diǎn)。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(hào)X（t）自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，簡(jiǎn)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(shí)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(yàn)臺(tái)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(hào)的平均功率，Px（f）就是信號(hào)的功率密度沿頻率軸的分布，自功率譜密度表示信號(hào)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(duì)振動(dòng)信號(hào)的理論分析與LabVIEW編程軟件的特點(diǎn)，編寫了基于LabVIEW的虛擬軟件系統(tǒng)，圖5為該振動(dòng)分析軟件程序面板。從圖5可以看出，該振動(dòng)分析程序主要采用多個(gè)Case選擇結(jié)構(gòu)與1個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)。Case機(jī)構(gòu)是為了避免多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)運(yùn)行，使之符合實(shí)際測(cè)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(gè)Case結(jié)構(gòu)中，達(dá)到程序結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)使得程序框圖更清晰、明了。采用While-loop便于實(shí)現(xiàn)菜單操作，只有點(diǎn)擊主界面上部菜單后才能運(yùn)行程序，同時(shí)也使得數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)中循環(huán)可以隨時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)用Ⅵ（Open Application Reference）的功能函數(shù)。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的可行性與正確性，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試[17-18]，試驗(yàn)對(duì)象是土槽試驗(yàn)臺(tái)車。在土槽試驗(yàn)臺(tái)車行駛過程中對(duì)土槽車進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集并將所采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成CSV格式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行各種分析與處理。圖6為振動(dòng)信號(hào)采集過程，圖7為土槽試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)時(shí)DS1022C型示波器波形一致，根據(jù)時(shí)域分析顯示波形的振動(dòng)最大幅值為2.053 74 cm。圖7-b為土槽試驗(yàn)臺(tái)車在1.0 m/s車速下土槽車前端振動(dòng)信號(hào)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(dòng)頻率為8.87 Hz。從圖7-c可以看出，在頻率為16 Hz時(shí)振幅達(dá)到最大，為8.8 mm，在8.87 Hz時(shí)功率最大，達(dá)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(duì)土槽試驗(yàn)臺(tái)車振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與實(shí)際情況作比較，發(fā)現(xiàn)該測(cè)試系統(tǒng)符合預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)各程序模塊的合理性與正確性，可見該測(cè)試系統(tǒng)可以廣泛地用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)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(hào)調(diào)節(jié)器與數(shù)字示波器的虛擬振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過對(duì)土槽試驗(yàn)臺(tái)車的振動(dòng)信號(hào)提取、處理與分析得出以下結(jié)論：（1）通過振動(dòng)分析，得出土槽試驗(yàn)臺(tái)車工作過程中的時(shí)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(dòng)最大幅值為2.053 74 cm，最大振動(dòng)頻率為16 Hz，最大功率為8.5 W。（2）通過對(duì)土槽試驗(yàn)臺(tái)車的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，為研究試驗(yàn)機(jī)具在不同工況下的振動(dòng)情況進(jìn)行研究打下良好基礎(chǔ)。

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