基于Labview的振動沖擊測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆 磊 楊曉偉 劉 鑫 朱 剛 焦鑫鑫

(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100076)

基于Labview的振動沖擊測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆 磊 楊曉偉 劉 鑫 朱 剛 焦鑫鑫

(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100076)

根據(jù)振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備測試要求，設(shè)計(jì)并研制一套測量系統(tǒng)。系統(tǒng)基于虛擬儀器測量技術(shù)設(shè)計(jì)，通過采集振動沖擊所產(chǎn)生加速度信號的頻率和幅值，運(yùn)用FFT技術(shù)進(jìn)行信號處理和分析，完成對振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備的測量。實(shí)驗(yàn)效果表明，該系統(tǒng)具有測量功能完善、測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠、軟件操作簡單等特點(diǎn)，能夠滿足目前在用的所有振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備的測量需求，在實(shí)踐中已得到應(yīng)用。

振動 沖擊 測量 虛擬儀器

1 引 言

振動沖擊試驗(yàn)是航天器可靠性試驗(yàn)的重要組成部分，可以模擬航天器實(shí)際運(yùn)輸、發(fā)射、飛行及著陸過程中惡劣的力學(xué)環(huán)境，對航天器是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的性能指標(biāo)進(jìn)行考核。因此，對振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、快速、有效的測量具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的振動沖擊測量設(shè)備包括加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)字電壓表、頻率計(jì)、示波器、失真度測量儀等。這些計(jì)量設(shè)備功能單一、有限且不具備可開發(fā)性，測量方法落后。由于測量過程中使用儀器設(shè)備較多，引入測量不確定度分量增多，導(dǎo)致測量誤差增大，對試驗(yàn)設(shè)備測量結(jié)果的判定帶來影響。隨著自動化測試技術(shù)的發(fā)展，采用虛擬儀器技術(shù)通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能模塊結(jié)合，在電子測量、自動化檢測系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。本文介紹的振動沖擊測量系統(tǒng)基于LabVIEW設(shè)計(jì)完成，通過建立一個(gè)虛擬儀器自動化測試系統(tǒng)，將測量信號采集、儀器儀表控制、數(shù)據(jù)處理分析等功能集為一體，并可根據(jù)使用需求進(jìn)行軟件功能擴(kuò)展和二次開發(fā)，在節(jié)約成本的同時(shí)，可以最大限度提升測試設(shè)備的功能性，有效地提高振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備測量的準(zhǔn)確性和便捷性。

2 系統(tǒng)總體方案及工作原理

2.1 系統(tǒng)總體方案

振動沖擊測量系統(tǒng)以現(xiàn)行的檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，充分利用虛擬儀器測量技術(shù)、高速數(shù)據(jù)運(yùn)算處理技術(shù)及海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，以多通道信號同步采集、測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲處理以及測量結(jié)果直接判定等功能為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備的多樣性特點(diǎn)，要求校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件技術(shù)指標(biāo)，如測量頻率范圍、加速度量程等應(yīng)盡可能覆蓋試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)，軟件設(shè)計(jì)要求具有振動沖擊信號采集、時(shí)域信號分析、頻域信號分析、原始數(shù)據(jù)保存、原始數(shù)據(jù)回放及實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動生成等功能。

系統(tǒng)采用振動沖擊傳感器和便攜式動態(tài)信號采集卡搭建系統(tǒng)硬件部分，基于LabVIEW開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)正弦振動測量、隨機(jī)振動測量及經(jīng)典沖擊測量功能的虛擬儀器軟件開發(fā)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 工作原理

數(shù)字式電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)是目前使用最多振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備，可用來產(chǎn)生正弦、隨機(jī)、正弦加寬帶隨機(jī)、窄帶隨機(jī)加寬帶隨機(jī)等振動激勵(lì)和半正弦波、后峰鋸齒波、梯形波等沖擊激勵(lì)，具有試驗(yàn)參數(shù)多、實(shí)現(xiàn)功能全、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。以數(shù)字式電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)測量為例，對本系統(tǒng)工作原理進(jìn)行說明：

(1)根據(jù)檢定規(guī)程要求，將多支傳感器分別安裝在振動試驗(yàn)臺工作臺面上，與臺面剛性連接，利用傳感器將振動試驗(yàn)臺的振動沖擊信號轉(zhuǎn)換為電信號；

(2)將動態(tài)信號采集卡與傳感器連接，利用動態(tài)信號采集卡采集傳感器輸出的電信號，通過FFT分析和處理，將采集的電信號轉(zhuǎn)換為振動沖擊信號，實(shí)現(xiàn)對振動試驗(yàn)臺的加速度、頻率、功率譜密度等參數(shù)的測量；

(3)參照規(guī)程中檢定項(xiàng)目及檢定方法要求，利用校準(zhǔn)軟件對所測量的振動沖擊信號參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到振動試驗(yàn)臺示值誤差、失真度、橫向振動比、動態(tài)范圍等技術(shù)指標(biāo)，對振動試驗(yàn)臺的測量結(jié)果進(jìn)行判定。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)備

系統(tǒng)硬件設(shè)備由計(jì)算機(jī)、動態(tài)信號采集卡及加速度傳感器組成。對照被測試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及相應(yīng)規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 被測試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)選用美國PCB公司生產(chǎn)的339M37型三軸振動加速度傳感器，加速度量程上限500g；353B04型振動加速度傳感器，加速度量程上限500g；美國PCB公司生產(chǎn)的350B03型沖擊加速度傳感器，加速度量程上限可達(dá)10 000g；動態(tài)信號采集卡選用美國NI公司生產(chǎn)的USB-4432型便攜式動態(tài)信號采集卡，采樣率102.4kS/s，測量動態(tài)范圍可達(dá)102dB。以上設(shè)備技術(shù)參數(shù)均可滿足振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備測量需求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)，結(jié)合振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備測量需求，設(shè)計(jì)便捷的人機(jī)交互界面，可實(shí)現(xiàn)振動沖擊信號采集、時(shí)域信號分析處理、頻域信號分析處理、原始數(shù)據(jù)的保存與回看、實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動生成等功能，具有測量準(zhǔn)確度高、測量功能完善、操作簡單、實(shí)用高效等特點(diǎn)。圖2所示為本系統(tǒng)軟件主界面圖。

系統(tǒng)軟件主要參考JJG948-1999《數(shù)字式電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》、JJG541-2005《落體式?jīng)_擊試驗(yàn)臺檢定規(guī)程》等現(xiàn)行振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備檢定規(guī)程中的相關(guān)要求[3,4]，對系統(tǒng)軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，軟件流程圖如圖3所示。利用模塊化的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，其主要模塊包括：正弦定頻、正弦掃頻、隨機(jī)40dB、隨機(jī)RMS、隨機(jī)加隨機(jī)、隨機(jī)加正弦、經(jīng)典沖擊、采樣通道設(shè)置等。

4.1 正弦定頻模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)正弦定頻信號的測試功能。利用動態(tài)信號采集卡采集不同頻率、不同幅值的正弦信號，通過FFT分析和處理，對采集到的正弦信號加速度、速度、位移幅值和頻率進(jìn)行測量，計(jì)算幅值、頻率示值誤差和失真度，圖4所示為正弦定頻模塊數(shù)據(jù)顯示窗口。

4.2 正弦掃頻模塊

該模塊通過對正弦掃頻信號的測量，實(shí)現(xiàn)對振動臺橫向振動比、臺面加速度幅值均勻度、失真度及掃頻速率等技術(shù)指標(biāo)的考核。圖5所示為正弦掃頻模塊界面。

進(jìn)行正弦掃頻測量時(shí)，將傳感器按圖6所示位置放置。三軸傳感器放置在O點(diǎn)位置，單軸傳感器放置在A、B、C、D點(diǎn)位置，將傳感器分別連接到動態(tài)信號采集卡相對應(yīng)的通道，軟件根據(jù)不同位置傳感器的輸出計(jì)算得出振動臺橫向振動比、臺面加速度幅值均勻度、失真度及掃頻速率等。

4.3 隨機(jī)40dB模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)振動臺動態(tài)范圍測量。利用動態(tài)信號采集卡采集隨機(jī)信號，通過FFT分析和處理，計(jì)算得出振動臺的動態(tài)范圍。

4.4 隨機(jī)RMS模塊

該模塊用于對隨機(jī)信號進(jìn)行測量，通過對隨機(jī)信號的FFT分析和處理，計(jì)算得出振動臺加速度總均方根值示值誤差、加速度功率譜密度示值誤差、加速度總均方根值控制精度和加速度功率譜密度控制精度。圖7所示為隨機(jī)RMS模塊界面。

4.5 隨機(jī)加隨機(jī)模塊

該模塊用于對隨機(jī)加隨機(jī)信號進(jìn)行測量，通過對信號的FFT分析和處理，計(jì)算得出寬帶隨機(jī)信號及窄帶隨機(jī)信號的加速度總均方根值示值誤差、加速度功率譜密度示值誤差、加速度總均方根值控制精度和加速度功率譜密度控制精度。

4.6 隨機(jī)加正弦模塊

該模塊用于對隨機(jī)加正弦信號進(jìn)行測量，通過對信號的FFT分析和處理，計(jì)算得出寬帶隨機(jī)信號加速度總均方根值示值誤差、加速度功率譜密度示值誤差、加速度總均方根值控制精度和加速度功率譜密度控制精度及正弦疊加信號的幅值、頻率示值誤差。

4.7 經(jīng)典沖擊模塊

經(jīng)典沖擊波形包含半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波。該模塊通過對經(jīng)典沖擊信號的測量，實(shí)現(xiàn)對沖擊峰值、沖擊脈寬、臺面橫向運(yùn)動比、臺面峰值加速度幅值不均勻度等技術(shù)指標(biāo)的考核。圖8所示為經(jīng)典沖擊模塊數(shù)據(jù)顯示窗口。

4.8 采樣通道設(shè)置模塊

該模塊用于對動態(tài)信號采集卡通道及采樣信息進(jìn)行設(shè)置。圖9所示為采樣通道設(shè)置模塊界面圖。

通道信息設(shè)置包括通道選擇、靈敏度、最大輸入電壓、傳感器輸入類型、傳感器放置位置等；采樣信息設(shè)置包括采樣頻率和采樣數(shù)等。

5 測試驗(yàn)證

5.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)測試

參考JJG233-2008 《壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程》、JJG834-2006 《動態(tài)信號分析儀檢定規(guī)程》，分別對振動沖擊測量系統(tǒng)的加速度傳感器和動態(tài)信號采集卡進(jìn)行測量。如表2～表4所示，系統(tǒng)硬件設(shè)備技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)程要求。

表2 振動加速度傳感器測量結(jié)果

表3 沖擊加速度傳感器測量結(jié)果

5.2 軟件功能測試

參照J(rèn)JG948-1999 《數(shù)字式電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》要求，利用振動控制儀自閉環(huán)生成控制譜，對系統(tǒng)軟件測量功能進(jìn)行測試。運(yùn)行系統(tǒng)軟件，依次選擇每一個(gè)測試模塊，設(shè)置采樣頻率、采樣數(shù)、靈敏度等參數(shù)，點(diǎn)擊“采集”按鍵開始進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)對校準(zhǔn)系統(tǒng)各個(gè)模塊功能的測試，圖10～圖13所示為測試參考圖譜與各模塊實(shí)際測量圖譜。

表4 動態(tài)信號采集卡測量結(jié)果

通過對軟件功能的測試，系統(tǒng)模塊功能運(yùn)行平穩(wěn)，測量數(shù)據(jù)采集處理功能正常，各模塊測量信號與參考信號圖譜一致，能夠滿足規(guī)程要求的檢測項(xiàng)目要求。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的便攜式振動沖擊測量系統(tǒng)在節(jié)省成本的同時(shí)，最大限度開發(fā)了使用功能，可直接對測量結(jié)果進(jìn)行判定，滿足對振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備測量的功能及技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了“背包式”測量。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)測量功能完善、測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠、軟件操作簡單、測量范圍可覆蓋目前在用的所有振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備。目前已多次為航天、兵器、汽車、電子、電力等行業(yè)提供振動沖擊試驗(yàn)設(shè)備測量服務(wù)。

系統(tǒng)基于LabVIEW平臺開發(fā)，軟件采用模塊化功能設(shè)計(jì)，通過配接不同參量的傳感器，結(jié)合相應(yīng)規(guī)程、規(guī)范的要求進(jìn)行二次開發(fā)，可將本系統(tǒng)用于壓力、應(yīng)變、溫度及角度等其他參數(shù)的現(xiàn)場計(jì)量，在保證測量準(zhǔn)確度的前提下，提高了計(jì)量設(shè)備的多功能性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 方棉佳，甄蜀春，張永順.虛擬儀器技術(shù)的概念與實(shí)現(xiàn)[J]．宇航計(jì)測技術(shù)，2003(1)：58～61.

[2] 振動與沖擊測試手冊(第二卷)[M]．北京：國防工業(yè)出版社．

[3] JJG948-1999數(shù)字式電動振動試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程[S]．北京：中國計(jì)量出版社，1999．

[4] JJG541-2005落體式?jīng)_擊試驗(yàn)臺檢定規(guī)程[S]．北京：中國計(jì)量出版社，2005．

Design for a Measurement System of Vibration and Shock Basedon Labview

YAN Lei YANG Xiao-wei LIU Xin ZHU Gang JIAO Xin-xin

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing 100076, China)

In order to meet the demands of measuring vibration and shock testing machines, the measurement system is developed. The system is designed by measuring technology of virtual instrument. The system can measure the frequency and amplitude of the acceleration signal, analyse the signal by FFT and realize the measurement. The experimental results demonstrate that the system has several characters ，such as perfect testing functions, accurate testing result and simple operation. The system can be used to calibrate all existing vibration and shock testing machines. This system had been used in practice.

Vibration Shock Measurement Virtual instrument

2016-07-07，

2016-10-26

閆磊(1980-)，男，高級工程師，主要研究方向：振動、沖擊、空氣聲計(jì)量。

1000-7202(2017) 02-0036-07

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.08

TH825

A