（化工过程机械专业论文）基于labview的连铸结晶器超低频振动测试系统的研究.pdf

ab s t r a c t abs tract t h i s p a p e r h as m a i n l y i n t r o d u c e d t h e p r o c e s s o f r e s e a r c h in g a n d d e s i g n i n g o n l i n e - m o n it o r in g s y s t e m o f u l t r a - l o w fr e q u e n c y o f c o n t i n u o u s c a s t i n g m o u l d . o n t h e b as i s o f a n a l y z i n g d o m e s t i c a n d in t e r n a t i o n a l d e v e l o p m e n t t r e n d , w e h a v e a b s o r b e d s o m e g o o d p o i n t s o f t h e s i m i l a r p r o d u c t s , r e g a r d e d t h e q u a l i ty o f p r o d u c t i o n a n d s e c u r i ty as t h e b as i c p o i n t , r e a l iz e d t h e v i b r a t i o n s t a t e o f o n - t h e - s p o t u lt r a l o w fr e q u e n c y m o n it o r i n g a n d a n a ly z i n g . t h e t h e s i s c o m e s fr o m a c o o p e r a t iv e p r o j e c t w h i c h r e s e a r c h e s a n d d e v e l o p s t h e c ry s t a l l i z a t i o n d e v i c e v i b r a t i o n d e t e c t o r . t h r o u g h r e a d i n g t h e l i t e r a t u r e o f t h e r e s p e c t i v e t h e s i s , f in d i n g o u t t h e d o m e s t i c c u r r e n t s it u a t i o n , t h e l e v e l m e as u r e d i n v i b r a t i o n o f u l t r a l o w fr e q u e n c y i s s t i l l r e l a t i v e l y l o w e r . b e c a u s e o f t h e r e a l p r o j e c t d e m a n d i n g , s o m e u s e r s w i l l p u t f o r w a r d h i g h e r r e q u i r e m e n t t o t h i s as p e c t . f o r e x a m p l e i n t h e m e t a l l u r g i c a l i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n , o n e f a m o u s e n t e r p r i s e d e s i g n s l a r g e - s c a l e c o n t i n u o u s c as t i n g , w h o s e m a i n p r o d u c ts s h a re o f n a t i o n a l e c n o m i c m a r k e t a b o u t 3 0 - 4 0 % , t h e a n n u a l o u t p u t i s u p t o s e v e r a l h u n d r e d m i l l i o n r mb , b u t t h e m e a n s o f t h e m e as u r e m e n t a n d a n a l y s i s i n i t s p r o d u c t i o n p r o c e s s i s i n s u ff i c i e n t , t h e o u t p u t a n d q u a l i ty a r e i n fl u e n c e d m u c h t o t h e p r o d u c t i o n , i t m a y e v e n h a p p e n , f o r e x a m p l e , l e a k t h e p r o d u c t i o n i n c i d e n t o f s t e e l ,e t c . s o t h e y a r e e a g e r t o i m p r o v e a u t o m a t i c l e v e l o f t h e a p p a r a t u s a n d q u a l i ty m o n it o r in g a n d c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y , i n o r d e r t o s o l v e t h i s d i ff i c u l t p r o b l e m . t h e m a i n t a s k o f t h e t h e s i s i s t o s e t u p a s e t o f v i b r a t i o n s i g n a l s a m p l i n g a n d d a t a a n a l y s i s o f u l t r al o w fr e q u e n c y t h a t i s s u i t a b l e f o r t e s t in g o n l i n e s , w h i c h i s b as e d o n s o ft w a r e p l a t f o r m l a b v i e w a n d t h e s l o t o f p c m c i a o f t h e d a t a c o l l e c t i n g c a r d , re al i z e t h e k e y p a rt o f t h e l a r g e - s c a l e c o n t i n u o u s c as t i n g 一一 n - l i n e d v ib r a t i o n t e s t i n g o f m o u l d , w h ic h c a n c o n t r o l t h e p r o d u c t q u a l i ty e ff e c t i v e l y i n s u c c e s s i o n . o n t h e b as i s o f a n al y z in g t h e c o n t i n u o u s c a s t i n g m o u l d v i b r a t i o n d e v ic e , s y n t h e s i z i n g c h a r a c t e r i s t i c a n d r e q u i r e m e n t o f e a c h p a r t o f c r a ft p a r a m e t e r s , w e h a v e s e t u p b as i c m a t h e m a t i c al m o d e l a n d m e t h o d u s e d i n t h e s c e n e , a n d d e s i g n e d , d e b u g g e d a r t i f i c i al p l a t f o r m o f v i b r a t i o n a n d m o n i t o r i n g . ab s t r a c t t h i s t h e s i s h a s i n t r o d u c e d t h e o v e r a l l d e s i g n a n d s o f t w a r e b o l t t a w 1 4 pc 通 讯 地 址 :i t j ,4 斗 . 导 味 4t a : ， ， 万 外 严 犷 ，i 弓 。 ; 二 第一章绪论 第一章绪 论 1 . 1课题的来源与意义 结晶 器m 是连续铸钢中的 铸坯成型设备， 也是连铸机“ 心脏” 设备之一。 它 的功能是将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导出热 量，使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯。并使这种芯 部仍为液态的铸坯，连续不断的从结晶器下口 拉出，为其在以后的二次冷却区 域内完全凝固创造条件。 结晶器振动装置的主要功能是使结晶器按照给定的振幅、频率和波形偏斜 特性沿连铸机外弧线运动，其目的是便于 “ 脱模”，提高钢坯的表面质量并防 止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁粘结，出现粘挂漏钢事故，使从结晶器出来 的铸坯具有一定厚度的均匀坯壳，在机械应力和热应力的综合作用下，既不会 被 拉断， 也 不 致 产 生 歪 扭 变形 和 裂 纹 等质 量 缺陷 12 1 从国内 的情况来看，在实际生产中暴露出 一个很大的问 题，即对实时振动 波形、振幅、频率把握能力差，缺少有效的检测手段，不能对实际生产中出现 的振动偏差做出及时的响应。往往出现实际满载时振幅、频率与设定值或空载 时的振动相差较大，导致拉速提升困难，影响生产效率，甚至发生漏钢事故。 国外自2 0世纪8 0 年代开始重视对振动装置监测系统的研究，由 于结晶 器振动 装置具有频率低、精度高的特点，工作环境高温高 湿，在线检测难度比 较大。 目 前国内 外成功的例子不多。因此有必要开发一套能够为现场操作人员 和技术 人员提供第一手确切振动数据的在线监测系统。 同 时， 对于 超低 频振动 13 1 的 检测乃 至在线监测， 是 工程 技术的 一 个难 题， 同 时也受到工程技术界相当的重视。随着机电一体化和工业自 动化程度的不断提 高， 越来越复杂的振动测试系统己 成为整个工业系统先进设备的生产过程控制， 产品质量控制的研制、开发、应用和教学过程中不可缺少的组成部分。传统的 振动测试分析系统频段覆盖面相对较窄，尤其不能涵盖超低频段的振动;另外， 在线超低频振动分析测试系统尚未在国内见到。 所以，为了适应现代工业技术 日 新月异的发展， 我们必须提出 一套更综合的、多功能的、 在线的和精度更高 的超低频振动分析测试系统以适应我国工业现代化的需要。 第一章绪论 我们期待找到一种可以 取代传统的磁带记录仪和信号分析仪，实现振动信 号的采集和分析，既可以在线监视振动信号的时域和频域波形，又可以 将信号 先记 录再 进 行分析。 虚 拟 仪器l a b v i e w 4 1 满 足了 实 现虚 拟测 试仪器 的 条 件。 它 充分考虑了 振动测试的 特点。 与 众多的 编程软件相比， 采用l a b v i e w具有更强 的相通性、开放性、专用性。尤其对实验室教学领域，开发周期短、成本低、 质量高。在工业生产中， 它也将会大大地提高自 动化程度。 现在， v i 技术15 1 在发 达国家的应用己非常普及，在我国 也正处于迅速发展 的阶段。从引进国外先进的v i 技术和产品入手，大力推广v i 的应用，对加速 发展我国自己的电子仪器工业，提高我们的测试水平都是十分有益的。虚拟仪 器 的 用 户自 定 义仪 器 和“ 软 件 就 是 仪 器” t i 的 概 念， 以 及l a b v i e w的 图 形 化编 程软件，使开发虚拟测试仪器对工程师们来说，提供了 一个广阔的前景。随着 计算机技术和软件技术的发展，虚拟仪器技术在各个测试领域必将会得到飞速 发展。 这正是本课题 “ 基于l a b v i e w的连铸结晶器超低频振动测试系统的研究” 的用意，监测整个结晶器设备超低频振动的运行状态，以保证其正常工作，并 提出对相应的优化方案，为实际的生产提供参考。 1 . 2本课题研究的主 要内容 针对整个连铸结晶器振动设备的分析，为了解决目前存在的种种问题，我 们推出了本套结晶器振动装置的检测平台。 由于超低频振动信号难以拾取，特别是在恶劣的工况环境下，我们在硬件 的选取中采用电路补偿技术，运用模拟校正电路，对传感器的传递函数进行补 偿、校正。并运用虚拟仪器的设计思想， 提高测试效率、降低测试成本。因此 本论文针对连铸结晶器振动虚拟测试分析系统的基本结构、测试功能特点以及 数字化测试一般实现技术等因素，采用面向对象技术，建立系统的信息模型、 动态模型和功能模型，并选择了n i 公司的l a b v i e w开发平台进行了软件模块 和测试程序的研究，为振动量的虚拟测试分析系统深入研究和应用开发奠定基 础。 本课题研究中对连铸结晶器振动测试系统采用虚拟仪器思想设计进行了一 次有效的尝试，对虚拟测试系统应用软件的模块化、系列化、通用化以及软件 第一章绪论 的合成作了一定工作。通过软、硬件技术组合，实现了对各种模拟量信号的采 集和处理7 1 ， 充分发挥了 虚拟仪器的 优势， 该系统可以 满足仪器测量任务多样化 的需求。 本课题的主要任务是以虚拟仪器软件平台l a b v i e w和基于计算机p c mc i a 插槽的数据采集卡及相应硬件为基础，建立一套便携式适用于振动测试的数据 采集与分析系统。 从实践中探讨l a b v i e w软件包的使用方法和编程方式。 本系 统所使用的仪器设备包括:压电加速度传感器、电荷放大器、多功能信号发生 器、 功 率 放 大 器 、 数 据 采 集 卡 ( d a q c a r d ) 1 9 1 ， 多 通 道 信 号 同 步 采 样 保 持 卡 、 计 算机，开发软件使用n i 公司的l a b v i e w. 1 . 3课题的工作重点 本课题来自 于与某公司合作研发结晶器振动检测仪项目。本课题的研究对 象是连铸结晶器的振动参数，要求根据当前钢厂连铸生产中存在的各种影响产 品 产量和质量的问 题， 设 计并开 发出 一套实 时 在 线监测 系 统 1 0 1 因此，我们把课题的工作重点放在超低频振动信号的拾取;结晶器振动测 试分析系统的系统硬件和分析软件的设计;并通过在线监测系统对连铸结晶器 振动参数的实时监测，从而减少连铸生产中各种安全隐患的存在，提高钢厂的 生产产量。 第二章 虚拟仪器技术与虚拟测试 第二章虚拟仪器技术与虚拟测试 2 . 1测试系统的发展阶段 电子测量仪器发展至今，大体可以分为四代:模拟仪器、数字化仪器、智 能仪器 和虚拟 仪器 1 1 , 12 。目 前 在发 动机 测 试领域应 用比 较广泛的是 前两 种仪器， 智能化仪器在某些测试场合和测 试参数中 有所应用。 第一代是模拟仪器、仪表，目 前在现役飞机的座舱仪表以及某些发动机试 车台上仍然是主要的测试工具。它们的基本结构是电磁机械式，借助指针来显 示最终结果。 第二代是数字化仪器，主要是借助于单片机设计的专用化仪器仪表。目 前 相当普及，如数字化转速表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化 为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，使用于快速响应和较高准确度 的测量。 第三代是智能仪器，这类仪器内置徽处理器，既能进行自 动测试又具有一 定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。目前 应用在 不同场合的发动机振动分析仪、试车分析仪等都属于此类仪器。由于它的功能 块全部都是以 硬件( 或固化的 软件) 的形式存在， 无论是开发还是应用， 都缺 乏灵 活性。 第四代是虚拟仪器， 它是现代计算机技术、 通信技术和测试技术相结合的 产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展的重要方向。 2 . 2虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i rt u a l i n s t r u m e n t s ， 简称v i ) 的 概念， 是美国国 家仪器公司 ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p ， 简 称n d 在1 9 8 6 年 提出 的 。 虚 拟 仪器 是由 计 算 机 硬 件资 源、 模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的 测控 系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。 它是在通用计算机环境中， 依 托功能强大的处理单元和高速的数据总线， 利用l a b v i e w等虚拟仪器软件平台， 在显示器屏幕上构建与真实仪器类似的可 视化软面板， 通过软面板上的 虚拟控 制件控制底层硬件， 用功能强大的软件来完 成信号的采集、 ( 实时或事后) 分析、 第二章虚拟仪器技术与虚拟测试 标 表 示 ) ， 并 用 线 将 它 们 连 接 起 来以 便 数 据 传 递 。 功 能 模 块 上 的 对 象 包 括 简 单 的 数学运算、高级数据采集和分析方法、以及网络和文件输入输出操作。 ( 4 ) 数 据流 程序设 计: l a b v i e w用一 种精巧 的数 据 流 程序设 计 模 式把用 户从 文本式语言的 线性化方式构建程序的办法中 解脱出 来。 因为在l a b v i e w软件中 程序的执行顺序由各方块中的数据流决定。 这样就可以建立同步操作的流程图。 l a b v i e w软件是一个多任务系统具有多线程功能并 运行多 个虚拟仪器。 ( 5 ) 模块化和层次: l a b v i e w虚拟仪器实行模块化设计， 因而任何虚拟仪器 既能独立运行，又能被其它虚拟仪器调用。用户甚至可以创建自己的虚拟仪器 图标，因而可以设计由虚拟仪器构建的多层次系统，并可以改变它，同其它虚 拟仪器交换和连接以满足不断变化的应用场合。 ( 6 ) 图形编辑器: 在许多场合， 程序运行速度都是很关键的。 l a b v i e w软件 是一的带有编辑器的图形化编程环境、它可以产生最优化的代码，其运行速度 与编译 c的速度相当。利用内置的绘图器， 用户甚至能够对与时间很关键的代 码部分进行分析和优化。因而，l a b v i e w不会因为图形化编程提高了效率而影 响运行速度。 2 . 4传统仪器与虚拟仪器比较 与 传 统 仪 器 相比 ， 虚 拟仪 器 有以 下 优点 1 19 1+ ( 1 ) 融合了 计算机强大的 硬件资 源， 突破了 传统仪器在数据处理、 显示、存 储等方面的限 制，大大增强了传统仪器的功能. ( 2 ) 利用了 计算机丰富的软件资源， 一方面， 实现了部分仪器硬件的 软件化， 节省了物资资源， 增加了系统灵活性;另一方面，通过软件技术和数值算法， 实时、 直接地对测试数据进行了各种分析与处理: 再是通过图形用户界面 ( g u i ) 技术，真正做到了界面友好、人机交互。 ( 3 ) 基于 计算 机总 线和模 块化总线， 传统仪器硬 件实 现了 模块化、 系列化、 大大缩小了 系统尺寸，可方便地构建模块化仪器 ( i n s t r u m e n t o n a c a r d ) . ( 4 ) 基于 计算机网络技术和接口 技术， v i系统具有方便、灵活的 互联能力 ( c o n n e c t iv it y ) ， 广泛支持诸 如c a n , f ie ld b u s , p r o f i b u s 等各 种行 业总 线标准. 因 此， 利 用v i 技 术 可 方 便 地 构 建自 动 测 试系 统 ( a t s , a u t o m a t i c s t e s t s y s t e m ) ， 实 现测量、控制过程的网络化。 第二章虚拟仪器技术与虚拟测试 ( 5 ) 基于 计算机的开放式标准体系结构， 虚拟仪器的硬件、软件都具有开 放 性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要， 选 用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建 时间。 总结起来，虚拟仪器与传统仪器的比较见下表2 . 1 : 表2 . 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 开放性、 灵活， 可与计算机技术保持同 步发展 封闭性、仪器间相互配合较差 关键是软件， 系统性能升级方便， 通过 网络下载升级软件即可 关键是硬件， 升级成本较高， 且升级必 须上门服务 价格低廉。 仪器间资源可重复利用率高 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接 功能单一，只能连接有限的独立设备 开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更 新周期短 ( 1 - 2 年)技术更新周期长 ( 5 - 1 0 年) 虚拟仪器所拥有的优势使得虚拟技术的发展越来越快，而计算机技术的发 展又辅助了虚拟仪器进一步发展的潜力。虚拟仪器正取代传统仪器成为测试领 域的新兴发展力量。 虚拟仪器的结构从功能分类可以概括为三个模块，面板界面，功能模块和 硬件接口。面板界面用来表示传统仪器的面板，由各种各样的表示开关、信号 灯和数字显示器等仪器部件的图形符号组成。 功能模块则是虚拟仪器技术的 核 心部分，是虚拟仪器技术充分利用计算机的体现，其内容很丰富，从数学工具、 数据处理到自 动控制算法，甚至人工智能等，可以 把计算机技术的最新发展都 应用到所设计的仪器当中去。 硬件接口 的作用是把虚拟仪器的全部功能 通过执 行机构发挥出来。 第二章虚拟仪器技术与虚拟测试 图2 . 2 虚拟仪器构成的基本框图 2 . 5虚拟仪器的 硬件 虚拟仪器的硬 件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能平台。其中计算 机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工 作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的 硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面 的迅速发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展. 按 照 测 控 功 能 硬 件 的 不 同 ， 虚 拟 仪 器 可 分 为g p i b , v x i , p x i 和d a q 2 0 2 12 2 1 四种标准体系结构，用来进行信号采集、传输、控制。 2 .6虚拟仪器的软件 虚拟仪器技术的核心思想，就是利用计算机的 硬/ 软件资源，使本来需要硬 件实现在的动手术软件化 ( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本， 增强系统 的 功能与灵活性。 基于软件在v i 系 统中的重要作用， n i 提出了“ 软 件就是仪 器 ( t h e s o ft w a re i s t h e in s t r u m e n t )” 的口 号。 v p p 系统联盟提出了 系统框架、 驱动程序、 v i s a 、 软面板、 部件知识库等一系列v p p 软 件标准， 推动了 软 件标 准化的进程。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层， 包括三部分: v i s a库、 仪器驱动程序、 应用软件2 3 1 第二章 虚拟仪器技术与虚拟测试 2 . 7虚拟仪器的应用与发展现状 虚拟技术、计算机通讯与网络是信息技术最重要的组成部分，他们被称为 2 1 世 纪科 学 技术的 三大 核心 技术 + 1 。 虚 拟技 术包括虚 拟加工、 虚 拟 测试、 虚 拟 控制等， 它是将各种信息如声、光、电同 现代计算机技术有机结合，实 现各种 环境的 模拟、仿真.虚拟技术的出现大大改变了 人类现有的思维模式、 工作模 式和生活模式。目前，发达国家纷纷斥巨资对它进行研究，期望以后在它的带 动下在信息时代中保持技术上优势。 虚拟仪器技术实现了计算机技术和仪器完美的结合，开辟了 现代仪器技术 的新天地。 它诞生虽然只有十几年的历史，但它的发展速度是惊人的。目前虚 拟仪器技术己广泛应用与 科研生产的许多领域:声学测试、音波测试、汽车测 试、生物医学测试、光纤校准、光学测定及度量、半导体测试、电信测试、振 动测试、工业自 动化、实验室自 动化、机械监控、石油和天然气处理、药品加 工、 过程自 动化、统计、过程控制等等。 目前在美国，许多大学都有自己的虚拟仪器实验室，不但进行虚拟仪器的 研究与开发，而且还将虚拟仪器作为一门课程向学生传授，为学生提供实验条 件，让学生亲自 动手，学习建立自己的虚拟仪器系统。美国国家仪器公司 困d 每年在美国各高校的大学生中举办虚拟仪器设计大赛，鼓励和推广虚拟仪器的 使 用。 据 美国 权威 杂志 统计，美国 国 家 仪器公司 (n i ) 的l a b v i e w己占 有 测试系 统软件市场份额的3 9 % ，而惠普( h p ) 公司的v e e与l a b v i e w相似的 一种图形 化 编 程语言 ) 也占 有市场的1 1 % 0 , 凡 ( r _+0 0 ) _+p % 。 互相关函数 互相关函数在工程中有重要的应用，它是在噪声背景下提取有用信息的一 个非常有效的手段。如果对某个线性系统 ( 如某个部件、结构或某台机床) 激 振，那么所得到的振动信号中常常含有大量的噪声干扰。根据线性系统的频率 保持特性，只有和激振频率相同的成分才可能是由激振而引起的响应，其他成 分均是干扰。因此只要将激振信号和响应信号进行互相关处理，就可以 得到由 激振引起的响应幅值和相位差。这样，就可以得到所研究的对象在该激振频率 下从激振点到测量点间的幅、相传输特性。如果改变激振频率，就可以得到相 应的频率响应函数。 图5 . 1 8 双通道下的自 相关与互相关分析 5 .6功率谱分析 一个信号可以从时域描述，也可以 从频域来描述， 这两种描述是相互唯一对 应的。功率谱分析能够提供信号的频域信息，是研究平稳随机过程的重要方法。 第五章虚拟仪器的软件设计和测试 5 . 7加窗处理 计算机只能处理有限 长度的信号，原信号x ( t ) 要以t ( 采样时间或采样长度) 截断，即有限化。有限化也称为加“ 矩形窗” 或 “ 不加窗” 。矩形窗将信号突然 截断， 这在频域造成很宽的附加频率成分， 这些附加频率成分 在原信号x ( t ) 中其 实是不存在的。一般将这一问题称为有限化带来的泄露问题。泄露使得原来集 中在 f o 上的能量分散到全部频率轴上。 泄露带来许多问 题:如 使频率曲 线产 生许 多“ 皱 纹” ( r i p p l e ) ， 较大的 皱 纹 可能与 小 的 共 振 峰 值 混 淆; 如 信号 为 两幅值一大一小频率很接近的正弦波合成，幅值较小的一个信号可能被淹没。 . f o 附 近曲 线 过 于 平 缓 ， 无 法 准 确 确 定f o 的 值 5 9 ,6 2 1 为了 减少泄露，人们尝试用过渡较为缓慢的、非矩形的窗口函数。常用的 窗函数如下表所示。 表5 . 1 常用窗函数 窗定义应 用 矩形窗 ( 无窗)w n = 1 .0 区分频域和振幅接近的信号瞬时 信号宽度小于窗 指数形窗 w n = e x p n * l n f / n - 1 卜终值 瞬时信号宽度大于 窗 海宁窗 w n = 0 .5 c o s ( 2 n n / n ) 瞬时信号宽度大于窗普通目的的 应用 海明窗 w n = 0 . 5 4 - 0 . 4 6 c o s ( 2 n n / n ) 声音处理 平顶窗 w n = 0 .2 8 1 0 6 3 9 - 0 . 5 2 0 8 9 7 2 c o s ( 2 n a / n ) + 0 . 1 9 8 0 3 9 9 c o s ( 2 n n / n ) 分析无精确参照物且要求精确测 量的信号 k a i s e r - b e s s e 窗 w n = i 0 ( 3 ) 区分频率接近而形状不同的信号 二角形窗w n = 1 - i ( 2 n - iv ) / .v i无特殊应用 在实际应用中如何选择窗函数一般说来是要仔细分析信号的特征以及最终 你希望达到的目 的， 并经反 复调试。 窗函 数有利有弊， 使用不当 还会带来坏处6 0 1 使用窗函数的原因很多， 例如: . 规定测量的持续时间口 . 减少频谱泄漏。 . 从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。 5 . 8数字滤波器 滤波器的作用是对信号进行筛选，只让特定频段的 信号 通过 6 1 1 4 0 第五章虚拟仪器的软件设计和测试 频域分析 v t 类型 逛9 v 1 一 。 杂 主 卜 臼 一 气 人一 笙 勺 1 1 图5 . 2 8 频谱分析选择模块程序框图 黯 曰 掳波 口 加份 j 泌波且加窗 无口 黯 u se ih is -vst k 3 函数it择 孟列 图 5 . 2 9 分析模块框图 程序 第七章结论 第七章结 论 7 . 1总结 本文围 绕检测连铸结晶器超低频振动的问 题，通过分析其各部分工艺参数 的特点和要求，全面介绍了系统的总体设计及各模块的结构和具体细节，实现 了 振动状态监测与计算机技术的有机结合。 将信号采集技术、仪器驱动技术、 数字信号处理技术等集成到虚拟仪器开发平台上，设计了一套高性能的振动监 测系统，并经过了软硬件测试， 其功能和性能都达到了 预期的要求。 对本系统的设计，主要做了以下工作: 1 . 通过对本系统的 研究， 在国内 首先实现对连铸设备结晶 器的 振动在线监 测。并针对大型连铸设备，进行了结晶器的 超低频振动检测系统的软硬件设计: 2 .通过硬件系统设计，对垂直、横向及侧向的超低频振动信号的监测，并 得出结晶器振动装置的运动状态与性能; 3 .采用信号调理模块， 及补偿电 路的方法对超低频振动信号 进行了处 理， 并加入了二次积分环节，使之可被用于输入计算机进行进一步的处理; 4 .本系 统基于l a b v i e w虚拟技术，设 计了 数据采集、信号分析处理、数 据存储与读取和信号回放等模块，它使软件开发的时间大大缩短。 本系统具有以下特点: 1 ，实 现了对大型连铸设备的在线检测; 2 .使用电路补偿等方法，来实现超低频振动的检测; 3 . 利用l a b v i e w软件以 虚拟的 方式实 现信号的处理与分析; 4 .完成了一整套完整的大型连铸设备的振动分析系统。 7 . 2展望 本结晶器振动装置在线监测系统，可以在线监测连铸设备的运行状况， 控 制和提高产品质量，避免安全事故和经济损失。在一定程度上，保证企业的生 产安全和提高生产效率。 在后续的研究中，还可以 在以 下几个方面进行扩展 研究: 1 ，根据系统 记录的数据， 提供系统故障预 报机制，加强治理预防 方面的工 第七章结论 作，使该系统向更高 层次发展. 2 . 在超低频振动拾取方面， 我们仍可以 采取更精确的补偿技术，比 如:电 路补 偿技术、 模糊补 偿技术等， 在后续的 研究中，作出 更合理的方案。 3 .由于 虚拟仪器是一 种利用微型计算机、数据采样及调理卡和软件实 现的 信号处理与分析仪器，具有功能组合多样随意，更改、调整、补充灵活和实现 成本底等特点，从而使 “ 仪器” 获得很高的灵活性与适应性。因此，使用虚拟 将给我们带来极大的方便， 大大缩短开发周期。可以 预见， 基于虚拟仪器概念 的监测与诊断系统具有极好的应用前景。 致 谢 致谢 本论文是在谭志洪教授的亲切关怀和悉心指导下完成的.恩师 谭志洪教授 的远见卓识、 精深广博的 才华学识、 严谨治学的 科研作风， 特别在科研工作中 强调创造性的 教导， 使本人终身受益.在读研究生期间 谭老师在本人的学习 和 生活上都给以了 亲切的关怀和支持，在论文完成之际，谨向 恩师致以 崇高的 敬 意 和衷心的感谢! 感谢李鸣 教授对本人生活和学习 无微不至的 关怀! 感谢胡兆吉 教授对本人生活和学习 无微不至的 关怀! 感谢周国发教授在本人学习 和做课题给予的辛勤的指导! 感谢黄 模佳、衷卫声、 邓一波、杨大勇、屈娅嘉等老师，他们在我课题完 成过程当中，提供了 极大的帮助和支持.师妹谭映也提供了 很多帮助，在此向 他们表示衷心的感谢! 感谢实 验室所有同门 在课 题和学业中 给予的帮助! 感谢所有帮助 和鼓励支持我的同学和朋友! 还要感谢我的家人， 是他们的支持与 鼓励才使得我安心求学，顺利完成论 文工作. 参考文献 参考文献 i 朱 立光，王 硕明， 张彩 军等 现代连铸工艺与实践 m l . 河北 . 河北科学技 术出 版社， 2 0 0 0 : 1 6 1 - 1 6 5 2 l 傅 悼 伟 连 铸结 晶 器 运 行工 艺 参 数 监 测 优 化 系 统 的 研究 d 杭 州 .浙 江 大 学 仪 器 科 学 与 一 l 程学系， 2 0 0 4 . 2 3 1 朱 林生一种超低 频绝对振动 信号参 数检侧的 实现方法1 .11 . 计 算机测量与 控制 . 2 0 0 4 . 1 2 ( 2 ) 4 1 n a t io n a l i n s t r u m e n t c o r p . l a b v i e w u s e r m a n u a l . a u s t i n , t e x a s u s a j a n u a ry 1 9 9 8 5 1 赵勇 . 虚拟仪器软 件平 台技术 现状 和发 展趋势. 国外电子 测量技术， 2 0 0 2 ( 1 ) : 2 -4 6 1 n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p . l a b v i e w q u ic k s t a rt g u i d e . a u s t i n , t e x a s u s a . f e b r u a ry 1 9 9 9 . 卜2 8 7 1 干建 群， 南 金瑞，孙逢春，付立鼎. 基于l a b v i e w的 数据采集系统的实 现p i 一 计算机 工程与 应甩2 0 0 3 ( 2 1 ) 8 1 d a t a a c q u i s i t io n b a s i c s m a n u a l , u s a : n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p o r a t io n , ( 1 9 9 9 ) , 6 - 2 9 1 张兢 ， 卢风兰 ， 余成波. 基于d a q数 据采集卡 的虚拟仪器 通用 硬件平台设 计 j 重 庆工 学院 学报， 2 0 0 1 ( 0 2 ) 1 1 0 1陈志 新， 阎瑾， 赵友军， 王亚慧. 板 坯结晶 器振动状态 在线监测系统设计与 实现 j 北 京: 冶金自 动化， 2 0 0 1 ( 2 ) : 2 0 - 2 4 i i i 刘 洋 . 虚 拟 仪 器 技 术 及 其 发 展 趋 势 明 一 仪 表 技 术 , 2 0 0 4 ,( 0 5 ) ( 1 2 1 s .s u m a t h i , p .s u re k h a . l a b v i e w b a s e d a d v a n c e d i n s t r u m e n t a t i o n s y s t e m s . s p r in g e r b e r l i n h e i d e l b e r g . 2 0 0 7 l 3 c h a n c e e l li o t t , v i p in v ij a y a k u m a r , w e s l e y z i n k a n d r i c h a r d h a n s e n . n a t i o n a l i n s t r u me n t s l a b v i e w: a p r o g r a m m in g e n v i r o n m e n t f o r l a b o r a t o ry a u t o m a t i o n a n d m e a s u r e m e n t . j o u rn a l o f t h e a s s o c ia t io n f o r l a b o r a t o ry a u t o m a t i o n , v o l u m e 1 2 , i s s u e 1 , f e b r u a r y 加0 7 , p a g e s 1 7 - 2 4 1 4 1 樊 强 ， 徐 运 涛 . 虚 拟 仪 器 测 试 系 统 简 介 ， 现 代 军 事 通 讯 ， 2 0 0 1 年3 月 ， 第9 卷 第i 期 . 1 6 1 9 1 5 石 博 强 ， 赵 德 永 ， 李 畅， 雷 振 山 . l a b v i e w 6 . 1 编 程 技术 实 用 教 程 m . 北 京 : 中 国 铁道出版社，2 0 0 2 . 1 6 r o b e r t h b . l a b v ie w 6 i 实 用 教 程 ( l a b v ie w s t u d e n t e d i t i o n 6 i) e m 3 . 北 京 : 电 子l 业 出版社，2 0 0 3 . 1 7 1 张 羽 . 虚 拟 仪器 的 技 术 研究 : 硕 士 学 位 论 文 . 南 京 : 南 京 航 空 航 天 大 学 2 0 0 0 年3 月 .4 - 2 0 1 8 1 r i c h a r d a . y o u n g . l a b v i e w : a m o d e m d a t a a c q u i s it i o n s y s t e m in a n i n t r o d u c to ry m e c h a n i c s l a b o r a t o ry .c o m p u t e r s t a n d a r d s &i n t e r f a c e s , v o l u m e 2 1 , i s s u e 2 , 1 5 j u n e 1 9 9 9 , p a g e 1 2 4 1 9 1 路林吉， 饶家明， 虚拟仪器概述，电 子技术， 2 0 0 0 ( 1 ) 2 0 1 na t io n a l i n s t r u m e n t s c o r p . v x l b u s s e m i n a r . a u s t i n , t e x a s u s a . j a n u a ry 1 9 9 8 . 4 0 - 5 4 参考文献 2 1 n a t i o n al i n s t r u m e n t s c o r p . p x i e s e r i e s u s e r m a n u a l . a u s t i n , t e x a s u s a . j a n u a ry 1 9 9 8 . 1 4 2 8 2 2 1 n a t i o n al i n s t r u m e n t s c o r p . p c i e s e r ie s u s e r m a n u al . a u s t i n , t e x a s u s a . j a n u a ry 1 9 9 8 2 4 - 3 0 2 3 1 n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p . b r i d g e v i e w a n d l a b v i e w g p ro g r a m m i n g r e f e r e n c e m a n u a l . a u s t in , t e x a s u s a . j a n u a ry 1 9 9 8 . 2 7 - 5 6 6 2 4 程 顺. 虚拟仪器技术发展 趋势j . 肇庆学院学报 ， 2 0 0 4 , ( 0 5 ) 2 习 赵 永立， 张玉红， 杨建成. 虚 拟仪器一 测试 技术的 新领域 a 天津市自 动化学会第十四 届学 术年会论文集【 c ,2 0 0 5 . 2 6 1 gw. c h a n g , gc . a n , s . y c h e n a n d x.d . y u e . r e s e a r c h o n t h e f o r m a t io n m e c h a n is m o f i n te rn a l c r a c k in t h e c o n t i n u o u s c a s t i n g s l a b .a c t a me ta ll u r g i c a s i n i c a ( e n g l i s h l e t te r s ) , v o l u m e 2 0 , i s s u e 1 , f e b r u a r y 2 0 0 7 , p a g e s 3 5 - 3 9 2 刀y al e z h a n g a n d m i c h a e l s . d u d z ic . o n l in e m o n i t o r in g o f s te e l c a s t i n g p r o c e s s e s