虚拟信号频谱分析仪振动测试虚拟客户端的设计.docx

湖南科技大学课程设计湖 南 科 技 大 学课 程 设 计课程设计名称： 虚拟仪器课程设计 学 生 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专业及班级： 学 号： 指导教师： 毛征宇 郭迎福 2015年 12 月 23 日课 程 设 计 任 务 书机电学院： 测控仪器系 系 主 任： 杨书仪 学生班级：_测控1、2 班 日 期： 2015.12.10 一、 设计目的：在学习和了解虚拟仪器及总线技术与LabVIEW开发平台的基本原理和方法的基础上，使学生理论与实践相结合，深入了解虚拟仪器技术及LabVIEW编程技术在工程常见领域的测量与分析的应用，提高学生将虚拟仪器、测试技术和电子、机械、通讯等多学科的综合应用能力和实际动手能力。二、 学生提交设计期限：在本学期2015年12月14日至2015年12月25日完成，设计必须学生本人交指导老师评阅，指导教师将组织部分学生答辩。三、 本设计参考材料： LabVIEW2010基础教程基于LabVIEW的虚拟仪器设计虚拟仪器虚拟仪器技术分析与应用 测试技术四、 设计题目的选定：参考设计题目附后页，必须选二题（一般信号分析的虚拟仪器设计和工程测试实验教学虚拟仪器各一题）。五、 设计要求：1、查阅相关资料；2、提出整体系统设计方案；3、详细设计虚拟仪器各部分的原理、组成及具体实现过程；4、说明前面板控件布置、流程图（节点和图框）编辑和数据流实现方法；5、运行检测（仿真检测和实测检测。）六、 设计成果及处理说明书主要章节：1 设计成果（包括说明书、前面板窗口设计和程序代码编辑及其程序软件）；2 设计说明书格式及主要章节：a. 封面（参照学院规定标准）；b. 设计任务书（包括选定设计题目与要求）；c. 目录d. 说明书正文；（主要章节包括：系统总体方案分析及确定；虚拟仪器设计步骤详细介绍；程序调试运行与结果分析等）e. 设计总结及体会；f. 参考文献七、 设计所得学分及成绩评定：本设计单独算学分及成绩：占2个学分。考核与评分主要分四个方面：1 学生平时出勤及工作态度；2 虚拟仪器设计正确性及前面板布置实用、美观程度；3 说明书、软件编写规范、调试分析结果及独立工作能力；4 答辩成绩。八、 设计进度与答疑：1、 确定设计题目及查阅资料，并确定方案：12.1412. 15日； 2、 虚拟仪器设计及编程 12.1612.21日；3、 运行调试检测与修改，撰写课程设计报告：12.2212.25日；4、 提交设计报告，学生答辩：12.2612.28日。学生签名： 指导老师签名： 学 号： 日 期： 日 期： 目录上篇 虚拟信号频谱分析仪5第1章 绪论5第2章 系统总体方案分析及确定5 2.1 设计要求及功能描述5 2.2 典型信号及其频谱分析的作用6 2.3 频谱分析的方法及设备6第3章 虚拟仪器设计步骤详细介绍6 3.1 前面板设计6 3.2 流程图设计7第4章 程序调试运行与结果分析8下篇 振动测试虚拟客户端设计9第五章 振动测试虚拟仪器原理105.1 振动测试系统概述105.2 振动测试系统的组成 105.3 信号测试与分析115.4 虚拟振动测试分析系统的硬件配置11 第六章 系统总体方案分析及确定126.1 时域和幅值域分析模块126.2 频域分析模块126.3 时频联合分析模块12第七章 振动测试客户端设计步骤详细介绍137.1 振动测试客户端的前面板的设计和规划13 7.1.1 控件和显示件的确定13 7.1.2 前面板的布置137.2 振动测试客户端的程序框图设计14 7.2.1 程序框图阶段的分析14 7.2.1 程序框图的实现14 第八章 程序调试运行与结果分析16总结与分析18参考文献19上篇 虚拟信号频谱分析仪（正弦波）第一章 绪论 频谱分析仪是测试领域中不可或缺的重要仪器之一，频谱分析仪可以用于信号的分析与处理，这些分析主要包括对时域的分析、对幅值域的分析、对频域的分析、解分析、数字信号滤波等。由于这种仪器加工工艺复杂，生产技术要求高，价格昂贵，传统的频谱分析仪难以适应目前的需求。 根据传统频谱仪的原理对其进行了改进，新的频谱仪主要运用虚拟仪器的技术，结合的相关的硬件设施，利用编好的软件程序来控制和模拟传统的仪器频谱分析，从而实现的一种虚拟的软件频谱分析仪。虚拟仪器就是指个人计算设备来模拟传统仪器设备的分析和处理的新型设备。分析逻辑和展示交互界面组成了虚拟仪器，展示的界面也叫面板，是一个在计算机屏幕上模拟传统仪器输入的控件。用户通过它来进行操作，配合一些硬件设备来进行信号的采样，无论是在实时信号分析，显示，他们也可以是离线存储在收购结果的条件下的各种软件处理。 虚拟分析仪的处理流程和采集设备都可以根据实际的需求来定制它，因此本分析仪可以运用于多种不同的需求和环境下，它具有强大的计算机为基础的分析和处理功能，加上先进的数字信号处理方法，可以通过不断的设计的新的分析程序和软件，来不断增强的虚拟仪器的功能。虚拟仪器的还具有很强的灵活性，可以在已有的硬件设备支持下，通过调整和修改分析程序，就可以变成其他测试分析仪器，例如示波器、毫伏表、虚函数发生器，等等。 本文研究了虚拟频谱分析仪的设计和实现，本项目结合了频谱测量、虚拟仪器和软件编程等多种技术，通过硬件设备将被测信号采集到计算机中，用分析程序对信号进行测量和分析，最终将分析的结果输出到计算机的显示器或报表中。项目的实现是基于LabVIEW软件环境，使用G语言来进行编程。该分析仪具有时域分析、频域分析、处理分析、数据信号的采集、显示等功能。而且该分析仪还有良好的人机交互界面。包括仿真旋钮，示波屏等等。虚拟仪器技术是日益发展的计算机硬件技术、总线技术和软件技术与其他传统工业技术，如仪器技术、测试技术、分析技术等相互融合，共同发展的一项新成果。第2章 系统总体方案分析及确定2.1 设计要求及功能描述 （1）模拟产生一个周期信号（可选择方波、三角波、正弦波等信号）并进行显示。 （2）对产生的周期信号，进行频谱分析并显示。 （3）要求包括正弦波、方波、三角波等三种以上典型信号。 可观察产生波形等经过FFT后的幅值谱，并分析调试结果。2.2 典型信号及其频谱分析的作用正弦波、方波、三角波和白噪声信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。本实验利用labVIEW虚拟仪器平台可以很方便的对上述典型信号作频谱分析。2.3 频谱分析的方法及设备信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析 傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。 信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。 本实验利用labVIEW平台上搭建的频谱分析仪来对信号进行频谱分析。由虚拟信号发生器产生一个典型波形的电压信号，用频谱分析仪对该信号进行频谱分析，得到频谱特性数据。分析结果用图形在计算机上显示出来，也可以通过打印机打印出来。第3章 虚拟仪器设计步骤详细介绍3.1前面板设计 按图1-1构建信号波频谱分析程序前面板。为了显示时域波的频谱，另增加一个图Graph，并标记为“FFT图”。图 1-1 正弦波频谱分析前面板3.2 流程图设计 在流程图中执行“函数信号处理FFT”操作，调入Real FFT.Vi图标。 在流程图中执行“函数编程簇，类与变体捆绑”操作，调入捆绑图标。 为了显示频谱，显示器的横轴必须按照频率进行分度。因此，需要引入一个除法器，完成采样频率除以采样点数得到横轴（频率轴）的分度值。以上操作即可完成流程图的设计，得到如图1-2所示信号波频谱分析的程序框图。图1-2 信号波频谱分析程序框图第4章 程序调试运行与结果分析 对正弦波信号、方波、三角波信号依次（幅值A=1V，频率f=2Hz，初始相位为0）进行FFT，信号采样频率10Hz，采样点数为100。所产生的信号及频谱图如图1-3、1-4、1-5所示。图1-3 正弦波信号调试运行与结果 图1-4 方波信号调试运行与结果图1-5 三角波信号调试运行与结果下篇 振动测试虚拟客户端设计第五章 振动测试虚拟仪器原理5.1 振动测试系统概述信号分析技术被广发的应用于许多科学和领域，诸如：通信、雷达、声呐、地震、遥感、生物医学、机械振动等特别是近代电子技术、数字计算机及微型机的发展和应用，使得信号分析技术得到了迅速的发展，日前，它已经成为信息科学技术中的一种必不可少的手段。在日常生产和科学实验中，机械振动是普遍存在的一种现象，振动测试与分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面，随着科学技术的日益发展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面的要求越来越高，因而发生振动的可能性不断增大。另一方面，人们对机器的工作精度和稳定性的要求有也越来越高，对控制振动的要求越来越迫切。这些都是对机械振动的研究和振动测试的研究提出了更高的要求，振动测试与分析技术的任务就在于帮助人们更清楚认识振动现象。振动测量就是监测振动的变化量，将其转换为与之对应的，便于显示和分析处理的电信号，并从中提出多需要的信息，振动测量的方法一般有机械式测量方法、电测量方法、和光测方法三种。其中最为普通、技术最成熟的是电测法。电测法通常采用测振传感器监测振动的位移、速度和加速度信号而转化为电信号，然后利用分析电路或专用仪器来提取振动信号中的强度和频谱信息。振动系统，是一种一般机器或结构系统的一类抽象数学模型，当研究的目的是关于这个系统的振动性能时，所抽象的系统模型就为振动系统。一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出，该输入通常称为激励，输出称为响应，而输出特性也不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。5.2 振动测试系统的组成 一般来说，振动测试与分析系统由两大部分组成，一部分是传感器测量系统内，它包括各种振动传感器，压力传感器及其有关测量部分，起作用是拾取表征及其状态的各种信号或参数，并使之变成标准的电压或电流信号，另一部分即为测量数据采集、显示、处理及分析系统，其作用是获得信号并进行显示，同时进行进一步的各种分析，处理。一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出，该输入通常称为激励，输出称为响应，而输出特性也不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。在工程技术中，研究振动问题就是在激励、响应和系统特性这三者中知道其中二求其三的问题。在已知激励条件和系统振动特性的情况下，求系统的响应，这就是所谓的振动分析问题，在已知系统激励和系统响应的情况下，求系统的激励状态，这就是所谓的振动预测问题，在已知系统激励和系统响应的情况下，确定系统的振动特性，这就是所谓的振动特性测试或系统识别问题。5.3 信号测试与分析对于绝大多数数据采集和控制系统来说，传感器在连接到数据设备之前所得信号必须被转换为设备所能够识别的信号，所以信号调理非常重要典型的系统一般都要信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器输出接到数据卡上通过信号调理的功能，如信号的放大、隔离、滤波、线性化处理等，提高了数据系统的可靠性等性能。信号分析是振动测试中的一种重要方法，也是今年来测试技术的发展方向，数字信号的测试与模拟信号的测量一样，也是由传感器来完成的，然后将模拟信号进行转化成数字信号、再利用数字信号处理技术进行分析与处理。 5.4 虚拟振动测试分析系统的硬件配置 虚拟振动调试分析系统的硬件主要是由传感器、信号调理器、数据采集卡和计算机来完成。第六章 系统总体方案分析及确定由于条件限制，无法实现网上数据采集与读取，所以设计只采用正弦波模拟信号仿真信号分析模块,及循环函数模拟递减趋势信号来完成一个振动测试客户端。根据振动测试对信号分析处理的要求，主要从时域分析、幅值域分析、频域分析和时频联合分析方面进行程序设计。6.1 时域和幅值域分析模块系统的时域分析模块包括信号发生、自相关分析和互相关分析三个部分。本系统可以根据所选的信号类型及其基本参数，生成响应的时域信号序列，是指变量之间的线性关系，对确定信号来说，两个变量之间可以用函数关系来描述两个随机变量之间不具有这样确定关系，但是，如果这两个变量之间具有某种内在关系，那么，通过大量统计就能发现他们之间存在的虽不精确但却相当对应当表征及其特性类似关系。振动数据处理中，往往需要对两个时域信号进行相关分析，也称时差域分析，包括相关系数，自相关函数和互相关函数等内容的分析。相关分析是利用相关系数或相关函数描述两个信号之间的关系或相似程度，也可以描述同一信号的现在值和过去值得关系，或者根据过去值、现在值来估计未来值，相关函数的性质使它在工程应用中有及其重要的价值，尤其是互相关函数同频相关，不同频不相关的性质为在噪声背景下提取有用的信息提供了一种特别有效的手段，称为相关滤波。幅值域特性分析是每次实验必不可少的一步，该模块程序可以同时观测输入、输出信号的概率密度曲线、概率密度分布曲线，还可以直接求值，尤其是随机信号数字特征的偏态和峰值，可用于故障检测和分析。6.2 频域分析模振动信号的频域分析包括幅值频、功率谱等，通过幅频图，可以大致了解频率成分，而自谱反应信号的频域结构，这一点与幅频谱相似，但是自谱反应的是信号幅值的平方，因此更明显的提现频域结构的特征，具有比幅值谱更为明显的峰值，互谱密度函数有着重要的用途，频谱分析中，能用互普测量结果来识别动力系统的特性以及计算频响函数的幅值比和相位角，能量分布的频率值，常用到的频谱分析方法有FFT分析、功率谱、倒频谱和对数谱。 6.3 时频联合分析模块 在信号分析中除了需要寻找包含在测量信号中的频谱成分，还需要寻找在什么时刻某一频率出现。例如：音乐、地震信号和雷达回波等。古典的傅立叶变换只能部分解决这个问题，因为它不能将时间和频谱直接联系起来，所以人们寻找其他变换来了解信号的特性，短时傅立叶变换和小波变换就是这样的一个变换，能在时间一频率的平面上表示信号。时域信号分析幅值频谱分析模拟正弦信号输 入 输出开始 振动频率加速度振幅计算 图6-1 振动测试模拟客户端工作流程图第七章 振动测试客户端设计步骤详细介绍根据方案设计的总体思想进行振动测试客户端各个部分的设计和实现，程序设计主要分为两个部分：前面板、程序框图。首先根据任务要求进行前面板的设计，再根据前面板编辑程序框图以实现前面板所要的功能。图7-1 振动测试客户端前面板7.2 振动测试客户端的程序框图设计在本设计中，根据设计要求可以确定程序框图所需要的阶段：信号生成、时域信号分析、幅值频谱分析、振动频率计算、加速度振幅计算。图7-2 振动测试客户端程序框图特别的，程序框图中用到了消除趋势项的子VI，是为了消除系统误差。具体说明如下：趋势项是测试系统中某些因素引起的随时间变化的长周期系统误差。本课程设计中构造了一个Detrend VI消除趋势项。Detrend VI调用了最小二乘法拟合直线的Linear Fit VI拟合趋势项，然后在数据中减去趋势项。其程序框图如图7-3所示。图7-3 消除趋势项程序框图第八章 程序调试运行与结果分析运行振动实验客户端，得到如图8-1的波形及结果。在程序框图中改变采样点数、采样周期数1、采样周期数2、采样周期数3、幅值1、幅值2、幅值3，可以改变前面板上的波形。幅值频率波形图中显示出一条成下降趋势的平滑曲线，由于振动频率呈递减的趋势所以振动幅度也是呈递减趋势。加速度振幅和振动频率都有符合实际的输出值。时域信号波形图中显示出三条正弦波分别为加速度、速度、位移，但对比课本245页图10-35的运行结果，可以明显的发现，加速度信号曲线和位移信号曲线发生失真现象，存在部分误差。图8-1 振动测试客户端的调试结果根据查阅相关资料分析，产生误差的原因大致如下：（1） 泄露用计算机对时间信号的采样值进行傅立叶变换时，只能取有限采样点，这相当于用一个高度为1，长度为T=的矩形计权函数（窗）乘以原时间函数。或者说是加个矩形窗，窗口以外的信号均为零，这种有限的截断引起信息损失。这种时域上的截断效应会导致频域内附加一些成份，引起能量泄漏，给傅立叶变换带来误差，称这种误差为泄漏误差，也称为截断误差。泄漏是由于对无限长信号的突然截断造成的。因此，自然想到，如果能改变这种突然截断方式，泄漏会得到改善。选择异于矩形窗的适当窗函数，对所取样本函数进行不等权处理，便是一种有效的措施。从物理概念上看，泄漏是有限长信号样本在采样开始和末尾部分不连续引起的。为了尽可能减小泄漏，采取的主要措施是：A采用具有平滑起始和截止特性的窗函数，也叫时域加权或时域加窗；B增加窗函数的宽度。基于以上分析，对于窗函数的基本要求是：窗谱的主瓣要窄且高，以提高分辨率；旁瓣应小，正负交替接近相等，以减小泄漏或负谱现象。加窗的作用除了减小泄漏以外，在某些场合，还可抑制噪声，提高频率辨识能力。（2） 频率混叠 由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。抽样时频率不够高，抽样出来的点既代表了信号中的低频信号的样本值，也同时代表高频信号样本值，在信号重建的时候，高频信号被低频信号代替，两种波形完全重叠在一起，形成严重失真。 频率混叠是数字信号处理中的一个重要概念，它是数字信号处理中的特有现象，是数字信号中离散采样引起的。凡是等步长离散采样一定会产生频率混叠现象。频率混叠会产生假频率、假信号、会严重的影响测量结果。采样频率小于模拟信号中所要分析的最高分量的频率的2倍，就会发生。 总结与分析通过本次课程设计，对虚拟仪器有了进一步的了解，通过虚拟信号频谱分析仪及振动系统客户端的设计为例的课程设计进行软件设计分析，这使我对运用所学的LABVIEW知识来解决实际问题有了更为深入的认识和了解。虚拟仪器是一种以计算机为载体的自动化测量与控制系统，用来对现实世界的各种物理量进行测量或对物质过程进行控制。典型的虚拟仪器结构常常是为传感器将温度、压力、位移等被测量的物理量转变为电量，由于这个电信号一般比较微弱，并且常常混有噪声，所以需要使用信号调理器对电信号进行放大、滤波等预处理，然后数据采集卡将模拟电信号转换为计算机能够处理的数字信号，应用程序读取数字信号，进行显示、分析、存储和传输。用LABVIEW作为虚拟仪器开发平