基于Labview的振动信号测试系统设计.doc

成 绩 评 定 表学生姓名杨博班级学号1203060418专 业通信工程课程设计题目振动信号测试系统设计评语组长签字：成绩日期 2015 年 7 月13 日课程设计任务书学 院信息科学与工程学院专 业通信工程学生姓名杨博班级学号 1203060418课程设计题目振动信号测试系统设计实践教学要求与任务:1 学习LabVIEW的虚拟仪器原理、设计方法和实现技巧；2 掌握简单LabVIEW程序的编程实现；3 掌握简单通信系统设计和分析方法；4 采用LabVIEW语言，实现振动信号测试系统。（1）通过检索、查资料、调查研究、确定方案、画出组成系统结构方框图；（2）采用LabVIEW实现振动信号测试系统；（3）系统调试与改进，调整系统参数，分析系统运行结果；（4）写出设计总结报告。 工作计划与进度安排:19周（上）:学习LabVIEW虚拟仪器原理、设计方法和实现技巧，掌握简单LabVIEW程序的编程实现，掌握简单通信系统设计和分析方法。19周(下):采用LabVIEW语言，实现振动信号测试，并对系统进行性能分析。指导教师： 2015 年7 月5 日专业负责人：2015 年 7 月5 日学院教学副院长：2015 年7月 5 日 目录1 目的及基本要求12 振动信号测试系统原理2 2.1 振动信号测试原理2 2.2流程图3 2.3设计步骤33 振动信号测试系统设计和仿真3 3.1 总体程序设计3 3.2 各功能模块详细设计4 3.2.1数据采集模块设计4 3.2.2信号预处理模块设计5 3.3.3时域分析模块设计5 3.3.4频域分析模块设计7 4 结果及性能分析11 4.1 运行结果11 4.2 性能分析11参考文献.12 1 目的及基本要求 熟悉LabVIEW开发环境，掌握基于LabVIEW的虚拟仪器原理、设计方法和实现技巧，运用专业课程中的基本理论和实践知识，采用LabVIEW开发工具,实现振动信号测试设计和仿真。基本要求:测量信号在软件的控制下，经由电子测量硬件平台的采集，再经电子计算机的处理，得到最终的测试结果，并以数据、曲线、图形等显示在电子计算机的终端显示屏上。2 振动测试系统原理2.1 振动测试系统原理一般来说，振动测试与分析系统由两大部分组成。一部分为传感器测量系统，它包括各种振动传感器、压力传感器以及其有关测量部分，其左右是拾取表征机器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具体振动值显示，同时进行进一步的各种分析、处理。 激振力发生器 激振对象振动测试分析系统 图1 振动测试系统结构框图 实际的振动测试系统可归纳为图3-1所示的框图，激励力发生器产生具有某种特定的大小和变化规律的力，作用于激振对象，构成它的给定输入。激振对象在此激振力的作用下产生相应的振动输出响应。振动测试系统则对激振对象的输出响应进行测量。 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，输入通常称为激励，输出称为响应；输出特性不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。输入、输出和系统的振动特性这三者之间的关系如图。 系统振动特性 激振 响应 图 2振动系统原理图2.2 流程图主程序开始 创建串口对象并初始化写串口（发送命令）接收单片机发出的数据对数据进行处理关闭串口图3流程图2.3 设计步骤 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的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。典型的系统一般都需要信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器输出接到数据采集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，也是近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试一样，也是由传感器来完成得。然后将模拟信号进行转化成数字信号，在利用数字信号处理技术进行分析与处理。信号处理的基本步骤。 预处理结果显示信号处理器A/D 转换 振动信号 图4 信号处理基本步骤3振动测试系统设计和仿真3.1总体程序设计本次设计的主要任务是在LabVIEW平台上设计一套振动信号采集分析虚拟仪器系统。其主要功能有：数据采集、数据读取和存储、信号分析和处理。由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，因此在设计过程中也是基本遵循这一基本思想，在总体的方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后在进行调试。根据振动测试的需要，本文把整个系统分为以下模块：数据采集、信号预处理、时域分析、频域分析等模块。图5系统前面板设计图 6 系统后面板设计3.2 各功能模块详细设计3.2.1数据采集模块设计 数据采集提供了整个测试分析系统的数据来源，是虚拟仪器的基本组成部分。数据采集部分主要以单片机控制A/D芯片来完成对传感器数据的读取，然后数据通过串口传到PC机。PC机利用LabVIEW软件对收到的数据进行转换处理、分析、显示等。LabVIEW数据采集程序。图7数据采集程序3.2.2信号预处理模块设计 经数据采集卡采集的原始信号常常包含着不利于分析的成分，其中之一是在取得数据时混入各种噪声，这些高频干扰成分可能对最终的分析结果产生很大的影响。因此，在信号处理分析之前需要进行预处理，以提高数据的可靠性和真实性。信号预处理设计主要采用预滤波或抗混叠滤波技术。根据需要选择信号的最高频率，而对高于此频率以上的部分用低通滤波器滤掉，从而降低了信号中的最高频率。 本设计采用了巴特沃斯低通滤波器。这种滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏;振幅对角频率单调下降，并且是唯一的无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。3.2.3时域分析模块设计对信号进行时域统计分析，可以求得信号的均值、方差、均方根值等参数。图8时域统计分析图9时域统计分析结果显示3.2.4 频域分析模块设计FFT变换Power测量相位谱显示幅值谱显示功率谱显示频域分析 图10频域设计原理框图LabVIEW中的FFT频谱（幅度-相位）函数在LabVIEW程序框图中，执行“函数信号处理波形测量FFT频谱（幅度-相位）”选板。图 11 FFT频谱（幅度-相位）函数选板 图12 频谱分析显示LabVIEW8.5中的窗函数重要有以下几种：0矩形2三角4Hamming1Hanning3高斯5Blackman表 13 LabVIEW8.5中的窗函数LabVIEW中的FFT功率谱函数 在LabVIEW程序框图中，执行“函数信号处理波形测量FFT功率谱”选板。图14FFT功率谱函数选板图15功率谱显示4结果及性能分析4.3运行结果图 16运行结果4.2性能分析1、系统采用虚拟仪器的方式，用软件编程替代传统测量仪器的硬件电路，大大降低了成本。系统硬件平台采用PC机为硬件核心，自主研发了以单片机为核心的串口通讯的数据采集卡作为振动信号采集、转换设备。该数据采集卡取代了美国NI公司提供的价格昂贵专用数据采集卡，具有价格低廉、便于携带、即插即用等优点。本文的硬件配置，使系统携带方便，可以用于工程振动测试。软件是虚拟仪器的关键，仪器的功能是由软件算法定义的。在分析了振动测试和分析技术理论的基础上，本文将振动分析算法转换成为虚拟仪器应用程序。2、采用了一种新的开发平台LabVIEW图形化的编程语言，为虚拟仪器的设计提供了一个便捷的设计环境。它以图形化的框图程序取代了传统的文本格式代码，使编程更为简单、方便。独具特色的动画式调试手段，更有利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。同时，LabVIEW还提供了大量美观的前面板控件，使虚拟仪器界面更加友好和便于操作。参考文献1 阮奇桢. 我和LabVIEW.北京航空航天大学出版社，20092 江建军，孙彪. LabVIEW程序设计教程.电子工业出版社，20123 黄松岭,吴静. 虚拟仪器设计基础教程.清华大学出版社，20084 孔岩峰, 张振山, 程广涛. 基于 LabVIEW 的发动机振动测试系统设计J. 仪器仪表用户, 2009, 16(4): 26-28.5 秦展田, 王斌武, 王焱玉. 基于虚拟仪器的振动测试分析系统设计J. 煤矿机械, 2007, 28(10): 96-99.6 赵永