淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第I页共34页1引言随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正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。本课题采用的虚拟仪器技术是半今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要的新 技术。它是-种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境。使得课题的研究更简 单快捷。以PC为破件平台、以美国国家仪器（ND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振动测试分析系统。采用虚 拟仪器图形化编程语言LabVIEW组建的振动测试分析系统，减少了测试过程中的硬 件设备，同样实现了对振动信号的采集、处理和分析的H的，大大降低了硬件成本。1. 1课题研究的背景和意义要想紧跟技术的发展，就要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求，同 时测量手段的进步也为技术的进一步发展奠定了基础。虚拟仪器则是提高测量精度和 效率的有效手段。它改变了传统的测量模式，使测量系统由松散结合的、常常不兼容 的独立仪器发展成紧密结合的虚拟测量系统，把计算机技术与仪器技术完美结合起 来。振动是自然界最普遍的现象Z-O这类现彖有的是由其本身固有的原因引起，有 的是外界干扰引起。在运转的设备中，振动信号是最重要的信息来源。旋转机械的振 动信号中包含着大量可反映设备运行状态的有用信息或称为信号特征。振动信号分析 是旋转机械状态监测和故障诊断的重要组成部分，并在设备预测维修小发挥着重要作 用。通过振动特征分析可以找出旋转机械设备70%的故障源，而且可以确保机器运转 的安全性，避免事故的发生，同时结合较好的维修项H管理还可以显著降低机器的运 行成本。在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳动效率, 甚至产生“振动病或“运动病J如常见的晕车、晕船现象就是由于小于1Hz的极低频 振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的座椅、驾驶舱、手 持工具的把手等也必须依赖于振动测试。振动测试分析仪器则将振动测试与分析技术转化为生产力，它随着振动测试技术 理论的发展和生产中对测试需求的与FI俱增。从最初的机械式测振仪，发展到今天，淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第2页共34页各种应用物理学原理制成的传感器、FFT分析仪、结构动力学分析软件己在广泛使用。1. 2振动测试技术发展现状和发展状况振动是各种设备在工作过程中经常发生的现象，振动问题是机械工程领域一个十 分重要的研究课题。但工程实际中复杂的振动现象并非都能通过理论分析得出可靠结 果，此吋往往需要求助于实验手段，而且理论分析结果的正确性也需要通过实践来验 证，这就使振动测试在振动研究中占有重要地位。在过去的三十多年中，无论国际还是国内，振动测试技术都获得了突飞猛进的发 展，各种全新的分析方法如雨后春笋般大量涌现，并在科研、教学特别是工业上获得 了广泛应用。从1967年世界上第一台基于FFT的动态信号分析仪问世以来，振动 信号分析技术已经经历了三次突破性的发展。虚拟仪器在我国的研究和开发有着十分现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助 于提高我国仪器的整体水平，节省仪器开发的人力和费用。我们有理由相信，随着软 件业和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。随 着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增，高质量的测试仪器、设 备和现代化的测试方法不断出现。20世纪20年代，由于汽轮发电机组等设备的发展, 机械式测振仪已不能满足要求，于是磁电式传感器应运而生，实现非电量信号向电信 号转换的电测量。二次大战后出现了压电式传感器，由于它具有体积小、重量轻、频 率范围、动态量程大等特点，且既可测量振动，又可用于冲击测量，直到今天仍在广 泛应用。近些年随着微电子技术的发展，又出现了可在各种恶劣环境下使用的压电传 感器和内装阻抗变换器、放大器、滤波器的集成电路式床电传感器，简化了测试系统, 大大地拓宽了这种传感器的应用范围，提高了抗干扰能力和测量的精度。而压阻传感 器的出现和使用进一步拓宽了低频率的测量范围，与此同时，还陆续发展了各种换能 原理的传感器和配套仪器，如变电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器等。2数据采集理论基础2. 1信号采样2.1.1 原理描述淮阴工学院毕业设计说明书(论文)第3页共34页将连续信号/(/)加到采样开关K的输入端，采样开关以周期T秒闭合一次，闭合 的持续吋问为万秒，在闭合期间，截取被采样的/的幅值，作为采样开关的输出。 在断开期间采样开关的输岀为零。于是在采样开关的输岀端就得到宽度为T的脉冲序 列/*()，如图1所示。(以带表示采样信号。)由于开关闭合的持续时间很短， 远小于采样周期八 即tIT ,可以认为/在了吋间内变化甚微，所以厂可以近 似表示高为/伙门，宽为厂的短形脉冲序列。即f *(0 = /(0)l(r)一 1(/-T) + /(T)l(r-T)-1Q-T-r)=/(27)1( 一 2T) - l(f - 2T - 了) + + f(kT(t 一 kT) - l(r _ 好 _/) + +8=S /伙门1(/ - kT) -1(/-kT-r)(2 1)k=0kT(fcT+r) 图2 kT时刻的矩形波由于在控制系统中，当fvO吋，/(0 = 0 ,所以序列R取从0到+oo o式中l(t-kT) -l(t-kT-t)为两个阶跃函数之差，表示一个在“时刻，高为1、宽为八 面淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第4页共34页积为厂的矩形，如图2所示。山于很小，比采样开关以后系统各部分的吋间常数小 很多，即可认为万T 0 ,则此矩形可近似用发生在7时刻的6函数表示：也_kT_丫）= T 灭_kT）（2-2）式中3（t-kT）为/ =好处的6函数。于是式（2-1）可表示为：+8n 工 MkTp（t-kT）（2-3）&=0山于厂为常数，为了方便，把Z归到采样开关以后的系统中去，贝慄样信号可描述为: 厂二/（）灭-（2-4）0由于2处的/的值就是jkT）,所以式（24）可变换为：OOOOf= / 犯- kT） = .f 工犯-（2 - 5）X）k=Q式中乞冈-kT）称为单位理想脉冲序列，若用$（/）表示，则式（2 5）可变换为：k=Q厂=几）厉（2 6）式（2-6）就是信号采样过程的数学描述。它表示在不同的采样时刻有一个脉冲，脉 冲的幅值由该时刻的/的值决定。图3采样器相当丁幅值调制器淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第5页共34页从物理意义上看，式（2-6）所描述的采样过程对以理解为脉冲调制过程。采样 开关即采样器是一个幅值调制器，输入的连续信号/为调制信号，而单位理想脉冲 序列令则为载波信号，采样器的输出则为一串调幅脉冲序列/*）,如图3所示。在数字控制系统中，数字计算机接受和处理的是量化后代表脉冲强度的数列。即 把幅值连续变化的离散模拟信号用相近的间断的数码（如二进制）来代替，如图4所 示。图中小圆圈表示的是数码可以实现的数値，是量化单位的整数倍数。由于量化单 位是很小的，所以数字控制系统的采样信号f（kT）,仍认为与/成线性关系，仍用 /*（/）表示。2.1.2采样定理要对对象进行控制，通常要把采样信号恢复成原连续信号。（实际上信号经过处 理、运算以后，要恢复的则是原连续信号的函数，为了方便起见，讨论吋仍认为要恢 复的是原信号。）此工作一般是由低通滤波器来完成的。但是信号能否恢复到原来的 形状，主要决定于采样信号是否包含反映原信号的全部信息。实际上这乂与釆样频率有关，因为连续信号经采样后，只能给出采样时刻的数值，不能给出采样时刻之间的 数值，亦即损失掉/的部分信息。由图1可以直观地看出，连续信号变化越缓慢, 采样频率越高，贝慄样信号厂就越能反映原信号巾）的变化规律、即越多地包含 反映原信号的信息。采样定理则是定量地给出采样频率与被采样的连续信号的“变化 快慢”的关系。下面分析采样前后信号频谱的关系。首先将式（2-5）中的务展开成傅氏级数+844(0=工灭-灯)=工5严(2-7)=2矶式中采样角频率；X采样频率；T采样周期；5傅氏级数的系数,2710 = oyr由下式决定5 = y匸；4(为闷山7W1 +齐 ) 51 )l=-CO1 +2%.(2-14) 式中般为连续信号/的最高次谐波的角频率。则采样信号厂就可以无失真地 再恢复为原连续信号/(r)o这就是说，如果选择的采样角频率足够高，使得对连续信 号所含的最高次谐波，能做到在一个周期内采样两次以上的话，那么经采样后所得到 的脉冲序列，就包含了原连续信号的全-部信息。就有可能通过理想滤波器把原信号毫 无失真地恢复出来。否则采样频率过低，信息损失很多，原信号就不能准确复现。需要指出的是，采样定理只是在理论上给岀了信号准确复现的条件。但还有两个 实际问题需耍解决。其一，实际的非周期连续信号的频谱中最高频率是无限的，如图6 S)所示。因 此就不可能选择一个有限采样频率，使信号采样后频谱波形不重复搭接。即不论采样 频率选择多高，采样后信号频谱波形总是重复搭接的，如图6 (b)所示。因此经过滤 波后，信息总是有损失的。为此实际上采用一个折衷的办法：给定一个信息容许损失 的百分数b ,即选择原信号频谱的幅值由|F(0)|降至b|F(O)|吋的频率为最高频率, 按此选择采样频率 = 2。这样可以做到信息损失允许，采样频率又不致太高。图6非周期信号连续采样的频谱2. 2信号复现 根据前面分