基于PXI總線的振動信號測試系統(tǒng)研究與設(shè)計

張丹+王玉玨

【摘要】 工程技術(shù)領(lǐng)域中，振動信號的測試、處理以及分析是非常重要的組成部分。隨著電子科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，測試儀器也在迅速發(fā)展，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的虛擬儀器，正在逐漸成為測試領(lǐng)域的發(fā)展方向，采用虛擬儀器實現(xiàn)振動測試與分析也成為了振動測試的發(fā)展趨勢。本課題研究開發(fā)的振動測試系統(tǒng)是基于PXI數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW作為開發(fā)平臺來完成系統(tǒng)的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 振動信號 虛擬儀器 PXI總線 LabVIEW

一、測試系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本課題設(shè)計的測試系統(tǒng)選擇PXI總線作為整個系統(tǒng)的硬件采集平臺和LabVIEW作為系統(tǒng)的開發(fā)軟件。系統(tǒng)的構(gòu)成方案如圖1所示。

根據(jù)上述的系統(tǒng)設(shè)計方案，通過利用加速度傳感器對振動信號的加速度信號進(jìn)行采集，然后將調(diào)理過的信號輸送給PXI數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，使用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺，根據(jù)設(shè)計的軟件處理模塊，可以實現(xiàn)對振動信號進(jìn)行信號的預(yù)處理，包括信號采樣、零均值化、消除趨勢項、平滑處理；信號的時域分析；信號的頻域分析；信號的積分這些分析與處理功能。

二、硬件設(shè)計

2.1 加速度傳感器

傳感器（Sensor）作為一種檢測裝置，它不但能感受到被測量的信息，還能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出 [1]。

由于本課題研究的是振動信號的測試，所以選取的是加速度傳感器，它是利用了加速度傳感器可以拾取設(shè)備的振動加速度信號，并且通過積分的方式，在一定的頻率范圍內(nèi)，可以由加速度測得速度信號或位移信號[2]。

2.2 PXI的總線

PXI（PCI eXtensions for Instrument）總線是PCIfalse總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它是在1997年，由NI公司推出的一種全新的開放式、模塊化儀器總線規(guī)范，它將CompactPCI（堅固PCI）規(guī)范定義的PCI（Peripheral Component Interconnect，外部組件互聯(lián)）總線技術(shù)擴(kuò)展為適合于測量、試驗以及數(shù)據(jù)采集場合的電氣、機(jī)械和軟件規(guī)范[3]。

要組建一個PXI的總線測試系統(tǒng)，需要根據(jù)測試系統(tǒng)的測試類型、測試環(huán)境、測試要求等去選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡、PXIe-PCIe轉(zhuǎn)換卡、接線盒和機(jī)箱。

PXI硬件配置過程為，首先將選取的數(shù)據(jù)采集卡PXIe—6356和PXIe8361模塊安裝到NI PXIe-1073機(jī)箱相對應(yīng)的插槽中，然后將PCIe8361模塊安裝到控制主計算機(jī)的對應(yīng)插槽中，最后用高性能屏蔽電纜連接PXIe—6356和PCIe8361模塊，構(gòu)成PXI總線的硬件平臺。

三、軟件設(shè)計

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器集成環(huán)境）作為一種圖形化的編程語言（又稱G語言），它是由美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，是現(xiàn)在發(fā)展速度最快、功能性最強(qiáng)、應(yīng)用最廣泛的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境[5]。

LabVIEW作為一款虛擬儀器設(shè)計平臺的軟件，它的函數(shù)模塊包括了所有傳統(tǒng)儀器的測試內(nèi)容。振動信號的處理，其實就是從實際測量的振動信號中提取、放大所需的信息，消弱干擾和過濾掉非必要的信息的過程。振動加速度信號處理的常用的方法是：通過數(shù)學(xué)方法，首先對振動信號進(jìn)行預(yù)處理，濾除掉雜亂的振動趨勢項，并進(jìn)行平滑處理來去除毛刺；來獲取振動加速度信號的時域、頻域、相關(guān)性特征等；接下來對振動加速度信號進(jìn)行濾波、加窗、積分處理，來獲取振動速度信號；由于積分產(chǎn)生新的趨勢項，對速度信號需要再次進(jìn)行趨勢項消除，繼而可獲取速度信號相關(guān)特征；然后對算得的速度信號再次進(jìn)行積分，最終得到位移信號。

四、系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

構(gòu)建的測試平臺包括提供振動源的電機(jī)電路，加速度傳感器的工作電路，振動信號的調(diào)理電路；接線盒NI SCB-68A、數(shù)據(jù)采集卡NI PXLe-6356、機(jī)箱NI PXIe-1073、PXIe-PCIe8361轉(zhuǎn)接模塊和68針高性能屏蔽電纜；以及實驗所需的測量儀器，如數(shù)字示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、萬用表、直流電源等，外加主控計算機(jī)。

現(xiàn)對課題中測試系統(tǒng)采集到的振動信號進(jìn)行分析。測試系統(tǒng)的振動源是由電機(jī)來提供的，此電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是3000轉(zhuǎn)/分鐘，則頻率應(yīng)該在50Hz左右。那么利用論文中設(shè)計的振動信號采集模塊，采集到的振動加速度信號的時域和頻域圖如圖2所示。

通過對比圖2中的波形圖分析可知：在振動加速度時域波 形圖中無法直接得到信號的頻率信息，而通過觀察振動加速度頻域波形圖，可發(fā)現(xiàn)主頻在48Hz左右。該測試結(jié)果在允許誤差5%范圍以內(nèi)，則說明設(shè)計的測試模塊準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理方案的可行性。

現(xiàn)對振動信號積分處理，經(jīng)處理后得到的積分后的速度和位移波形如圖3所示。

五、結(jié)論

本課題的任務(wù)是基于PXI總線對振動信號測試系統(tǒng)研究與設(shè)計，通過設(shè)計加速度信號采集硬件系統(tǒng)，PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后使用LabVIEW軟件編寫處理模塊，最后得到振動信號分析的結(jié)果。這種設(shè)計方案具有良好的擴(kuò)展性和較高的性價比，且易于開發(fā)和維護(hù)，更適合現(xiàn)代社會的機(jī)械化工業(yè)生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 欒桂冬、張金鐸、金歡陽.傳感器及其應(yīng)用（第二版） [M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[2] 陳福森，高坤江.振動加速度信號處理探討[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2013（36）：50-52.

[3] 張重雄.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計（第2版） [M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] NATIONAL INSTRUMENTS. NI PXI White Papers[J].2016.

[5] 張重雄.現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)（第2版） [M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.