（化工过程机械专业论文）基于虚拟仪器的现场动平衡测试仪的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 v 互2 3 5 7 7 ，摘要 f 研究表明，旋转机械的振动主要是由不平衡引起的。因此，对于各类旋转 机械，在制造和使用时都要对转子或整机进行严格的动平衡。现场动平衡技术 以其方便，高效，低廉的特点取得了越来越广泛的应用。 目前所用的大部分动平衡仪器，仍属传统仪器范畴，虽然已取得了良好的 效果，但仍存在某些不足。例如单片机类型的动平衡仪器，因其主芯片性能和 存储器容量的限制，对于信号处理的大量数字运算能力不强，小振动信号的测 试性能不佳，系统功能的可扩展性有限。 现在，计算机技术和仪器仪表技术的结合，产生了虚拟仪器基于计算 机的采集测试和分析技术，仪器逐渐进入虚拟仪器时代。广a 一一 为适应现代动平衡的需要，提高测试精度，本文将虚拟仪器技术( v i ) ，数 字信号处理技术与现场动平衡技术结合起来，利用图形化编程软件l a b v i e w ， 组建开发了基于虚拟仪器技术的现场动平衡测试系统，将动平衡测试技术f ；f 勺开 发重点由过去的硬件设计转向数字化测量的软件设计。 与传统动平衡仪相比，本仪器面板更加友好，使用更加方便；可通过采集 卡，串口通信两种方式进行数据采集；利用相关原理对采集到的数字信号进行 分析处理，提高了测试结果精确度和稳定性，并用软件方法解决了因漏采信号， 引起的对信号处理的不良影响；包含多种平衡方法；具有一定的故障诊断能力， 可扩展性好：并利用d l l 技术实现了l a b v i e w 应用程序与c + + b u i l d e r 数据库 功能的相结合。 经过对风机的单校正面平衡和对取盘单牟自转子的双校正平衡实验证明，该 仪器平衡效果显著，已达到仪器产品要求。 关键词：现场动平衡虚拟仪器图形化编程数字信号处理相关分析 浙江大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t i th a sb e e n p r o v e dt h a tu n b a l a n c e d e f e c to f r o t o ri so n eo f t h em a i nr e a s o n st h a t c a u s et h ev i b r a t i o no f r o t a t i n gm a c h i n e r y s ot h es t r i c td y n a m i cb a l a n c e o nt h er o t o r i sn e e d e di ni t sm a n u f a c t o r ya n du s e t h ef i e l dw h o l e m a c h i n eb a l a n c i n gm e t h o di s p m c t i c a l l yb e e na p p l y i n gm o r e a n dm o r e w i d e l yb e c a u s eo f i t sh i g hp r e c i s i o n ，l o w c o s t ，a n df a s te r i e c t a t p r e s e n t ，a l t h o u g hh a v eg o tg o o de f f e c t , t h em o s tb a l a n c i n g i n s t r u m e n t s p r a c t i c a l l ya p p l i e ds t i l lb e l o n gt ot h ec a t e g o r yo f t r a d i t i o n a li n s t n t m e n l s ，a n dh a v e s o m ed i s a d v a n t a g e s f o r e x a m p l e ，b e c a l l s e o ft h el i m i to ft h e i rc m o sc h i p p e r f o r m a n c e s a n dt h e c a p a b i l i t y o ft h e i r m e m o r i z e r s ，t h i s k i n do fb a l a n c i n g i n s t r u m e n t sb a s e do ns i n g l e c h i pm a c h i n ea r en o tf i tf o rl a r g ed i g i t a lo p e r a t i o n si n s i g n a lp r o c e s s i n g ，a n d h a v ed i f f i c u l ti nt e s tf a i n t s i g n a l o fv i b r a t i o n ，a n dt h e i r e x p a n s i b i l i t y a r en o t g o o d n o w , w i t hc o m p u t e r sb e i n gi n t r o d u c e di n t oe l e c 廿o m cm e a s u r e m e n tf i e l d ，t h e v i r t u a li n s t r u m e n t s ( ) ，c o m p u t e r a c q u i s i t i o nt e s ta n a l y s i si n s t r u m e n t s ，w a sb o m i no r d e rt of i tt h ed e m a n do f d y n a m i cb a l a n c ea n di m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h e m e a s u r e r e s d t ，t h i sp a p e rc o m b i n e d t h et h et e c h n i q u eo f v i r t u a ii n s t r u m e n t sw i t ht h a t o ff i e l dw h o l e - m a c h i n e d y n a m i cb a l a n c i n g , a n da s e to fd y n a m i c - b a l a n c i n g m e a s u r i n g a n dt e s ti n s t r u m e n t so n t e c h n i q u eo f v l w a s d e v e l o p e db yl a b v i e w c o m p a r e d 协t h e t r a d i t i o n a ld y n a m i c b a l a n c i n gi n s t r u m e n t s ，t h i si n s t r u m e n t sh a s t h em o r ef r i e n d l ys o f tp a n e l ，a n dc a nb eu s e dm o r ec o n v e n i e n t l y ；h a st w om o d et o g e td i g i t a ls i g n a l ，o n ei sb ya c q u i s i t i o nc l i pa n dt h eo t h e rb ys e r i e sc o m m u n i c a t i o n ； u s ec r o s s c o r r e l a t i o na n a l y s i st oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r er e s u l t s ；u s e s o f t w a r em e t h o dt oe l i m i n a t et h eb a di n f l u e n c ec a u s e db ym i s s i n gs i g n a l s ；h a v e m u l t i p l em e t h o d so fd y n a m i cb a l a n c e ；h a v es o m ef u n c t i o n so ff a u l t - d i a g n o s i s ；a n d c o m b i n e dl a b v i e w p r o g r a m w i t hd a t a b a s e u s i n gd l l i th a sb e e np r o v e dt h a tt h e b a l a n c i n g i n s t r u m e n tc a nb eu s e dm o r e c o n v e n i e n t l y , h a sc o m p l e t ef u n c t i o n sa n dc a no b t a i ns a t i s f y i n gr e s u l t s oi tw i l lb ean e w p r o d u c t s 0 0 n k e y w o r d s ：f i e l dd y n a m i cb a l a n c e ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，g r a p h i c a lp r o g r a m m i n g ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g , c r o s s e o r r e l a t o n 浙江大学硕士学位论文第1 页 1 1 动平衡技术概述 第一章绪论 1 1 1 平衡的原因 旋转机械是现代工业生产中的一类重要设备，由其失效引发的事故不仅影响 正常生产，造成经济损失，而且会危及人身，导致重大安全事故。 由于设计和结构方面的因素，材质不均匀以及制造安装误差等原因，所有实 际转子的中心惯性主轴都或多或少的偏离其旋转轴线。这样，当转子转动时，转 子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系。这种情况称为转子 具有不平衡或失衡“。研究表明，旋转机械的振动主要是由不平衡引起的。尤其 在高速旋转机械中此类原因表现得更为显著。因此，对于各类旋转机械，在制造 和使用时都要对转子或整机进行严格的、符合标准要求的动平衡。 所谓平衡“1 ，是根据转子一支承系统的动力学特性，并通过测量转子一支承系 统有关测点振动与转速同频分量的幅值大小和相位信息来判断不平衡的大小和 位置。平衡的具体目标“3 是减少转子的挠曲、减少机器的振动以及减少轴承动反 力。这三个目标有时是一致的，有时是矛盾的，但它们必须统一于平衡的最终目 标：保证机器平稳、安全、可靠地运行。 1 1 2 动平衡技术的进展 平衡技术是随着旋转机械的发展而发展起来的，并且随着机器工作转速的不 断提高，对平衡的要求也目益严格。 在旋转机械发展初期由于机器的工作转速低，对平衡精度要求不高，只需 对转子进行静平衡即可。随着机器工作转速的不断提高，静平衡已不再适应工业 发展的需要，动平衡技术在此时开始产生、发展并日益成熟起来。 到目前为止，动平衡技术大致可分为三类：工艺平衡法，现场整机动平衡法 及自动在线平衡法。前两种方法均限于不平衡量不经常变化的转子，后一种方法 则针对运转时随时可能发生不平衡状况变化的转子。 工艺平衡法“是指在机器安装前将转子放在专用的动平衡机上进行平衡， 然后再将转子安装在整机上，该法特别适于对生产过程中的旋转机械零件做单体 平衡。虽然随着科技的发展，动平衡机的功能日益多样，结构更加完善，在动平 衡领域发抨着相当重要的作用但是该方法有其固有的局限性，即它不能解决在 装配中产生的新不平衡。为了解决这一问题，人们开始研究整机动平衡技术。 浙江大学硕士学位论文 第2 页 所谓整机动平衡技术呤“就是在工作转速下直接对装在整机上的转子进行平 衡，由于不需要动平衡机，只需一套价格低廉的测试系统，因而较为经济。甲在 2 0 世纪5 0 年代，就有人对挠性转子的整机现场动平衡做过尝试”，当时由于电 测水平低，平衡效果不令人满意。到了8 0 年代，电测技术有了较大的发展，这 给整机现场动平衡技术的研究和应用提供了有利条件。1 9 8 0 年日本的明日和彦”1 提出现场动平衡法的概论。由于此法不需要昂贵的动平衡机等设备，并能达到较 高的平衡精度，从而引起了人们的重视。1 9 8 8 年王汉英在其著作“。中对现场平衡 作了较为详尽的论述。差不多在同一时期，浙江大学化机研究所在周保堂教授的 带领下成功的发明了碟式分离机的整机动平衡技术，并获得了国家发明奖。由于 此技术已推广应用于风机和各类离心机以及其他旋转机械，产生了十分明显的经 济和社会效益，而成为国家“八五”科技成果重点推广项目。目前，整机平衡技术 在我国工业生产中已得到了越来越广泛的应用。 自动在线平衡是指在转子运转过程中，在不影响转子正常工作的平衡技术。 由于在线自动平衡装置结构复杂、成本高，故只适用于特大型帆组或精度要求特 别高的旋转机械设备上，以及无备用机和长期连续运转的机组上。 本课题主要是讨论整机动平衡技术的实现和应用。 1 1 3 整机平衡 对回转机器做整机动平衡，根据转子的类型，有不同的动平衡方法。 根据转子系统的工作状态和力学特性，常把转子分为两类：即刚性转子和挠 性转子。在国际标准化组织制定的“平衡词汇”标准1 s 0 1 9 2 5 1 9 8 1 和我国“试 验机名词术语”z b y 0 3 3 8 2 中，刚性转子被更确切地定义为“可以在一个或任意 选定的两个校正面上，以低于转予工作转速的任意转速进行平衡校正，且校正之 后，在最高工作转速及低于工作转速的任意转速和接近实际的工作条件下，其不 平衡量均不明显超过所规定的平衡要求”的转子。凡是不满足刚性转于定义的转 子均视为挠性转子。1 这两种转子的平衡方法是完全不同的。 1 1 3 1 刚性转子的平衡 刚性转子因其动刚度相当大，由不平衡离心力引起转子的挠曲在转子工作和 平衡中可以忽略，因此可以用刚体力学的办法来处理其平衡问题，这时平衡转速 一般选的远低于第一临界转速。故又称为低速平衡。因此平衡剐性转子的不平衡 力与不平衡力矩仅需一个或两个校正面即可。 影响系数法是刚性转子主要的整机平衡方法。 浙江大学硕士学位论文第3 页 1 1 3 2 挠性转子的平衡 挠性转子的平衡必须考虑在不平衡离心力下转子产生的挠曲变形。在不同转 速下，离心力的大小是不一样的，困之转子有不同挠曲变形，轴承的振动和动反 力亦不同。即挠性转子的不平衡状态是随着转速而变化的。因此，挠性转子的平 衡应满足以下两个要求。“： 1 ) 施加的平衡质量，应能消除其在工作转速下的轴承动反力。 2 ) 旌加的平衡质量，应使沿着转子轴向长度的弯矩值为最小。 挠性转子的平衡方法总体上有两种：振型平衡法，影响系数法。 1 1 3 3 振型平衡法 根据振动理论，可以把转子的不平衡量按主振型分解成许多层次的不平衡 分量，没一分量只能激起转子相应的一个主振型。如果由低到高，逐阶平衡好这 些分量，则转子在整个转速范围内可达到平衡。这就是振型平衡法的基本思想。 1 1 3 4 影响系数法 影响系数法“是基于系统为线性的假设前提下，利用力学巾影响系数的概 念和一些数据处理技术，求得选定校正面上的最佳校正量。该平衡方法的基本手 段是引入一个试重来测出一个具体的转子一轴承系统的不平衡振动的影响系数。 通常在转子每一个设置的平衡校正面内，依次加上一个试重，根据加重前后转子 或轴承座的不平衡振动响应的变化，求得影响系数a i j ，待影响系数 m 订求得后， 由转子或轴承座的初始不平衡振动求解得初始不平衡量 u i 或相应的平衡校正 量【u j + 】= 一 u j 】。 本文即采用影响系数法。 影响系数法是现场动平衡中应用的较为广泛且较为成功的技术，但是在实际 的多校正面转子的平衡中，由于方法的内核涉及复数方程组的求解，当影响系数 矩阵存在病态时，容易得出不合理的平衡结果。转子平衡面的选择对系数矩阵的 性质有着决定性的作用，相关平衡面的存在是导致影响系数矩阵出现病态的主要 原因。因此，如何避免相关平衡面的出现，诊断出相关平衡面的存在和消除相关 平衡面的影响是多转子平衡和轴系平衡的关键技术“。 1 2 动平衡测试技术 转子系统的动平衡测试技术主要指通过转子系统的振动信号峰值与相位，从 而获取转子系统不平衡量的大小和相位信息的技术。如图卜l 所示： 测振传感器卜一测量预处理电路卜一信号分析 _ 一结果输出i l_-_-。_。_一。11。_。_-。一 图卜l动平衡测试简图 渐江大学硕士学位论文第4 页 1 2 1 振动测试 利用振动测量传感器可以把被测对象的机械振动量( 位移、速度、加速度) 转换为与之相对应的电量( 如电流、电压、电荷) 。“。按所选坐标系的不周， 振动测量传感器可分为相对式和绝对式两大类。相对式传感器测出的是被测对象 相对于某一参考系的运动。绝对式测振传感器本身紧固于被测对象上，并与之一 起振动，从而测得的是绝对振动。目前，应用于振动测量的传感器有磁电式速度 传感器电涡流式位移传感器，电涡流式位移传感器等几种。 1 2 2 基准信号的获取 旋转机械的振动测量中。经常为测量转速及求取振动信号的相位而需要在设 蚤一个基准，使得转轴在旋转一周中能得到一个基准脉冲信号。常用的基准捕获 方法有两种：其一，在转轴上贴一片薄铁片，利用电涡流传感器感应出电脉冲； 其二，在转轴上贴反光材料，利用光电传感器感应出电脉冲，如图卜2 所示。 吲1 2反射式光电传感器测试图 1 2 3 信号的预处理 从传感器得到的信号，有些为电荷量，有些为频率变化量，因此必须经过转 换电路将它们转变为电压信号，然后进行后续处理。这主要由传感器自己的前置 处理器来完成。转换电路根据被转换量的不同，有许多种形式，如高频振荡器、 鉴频鉴相器、电荷放大器、积分器、电流一电压转换器及频率一电压转换器等。同 时输入的信号有强有弱，还需要一放大电路来控制输入到下一级处理的信号的幅 度。一般振动信号的放大由集成运放组成的线性放大器来实现。再者，由振动传 感器得到的信号包含着多种频率成分，对于动平衡测量，仅需要工频信号，故应 将其它频率的信号滤除。一般采用带通滤波电路实现，其可由运放、电容、电阻 组成。也可由专用的带通滤波集成芯片组成。这些电量转换、放大及滤波等电路 构成了信号的预处理电路。 1 2 4 信号的处理与分析 一般来说，在转子系统整机动平衡过程中，测得的振动信号及基准信号经过 预处理后，不会是纯粹的正弦波，而是各种频率成分的合成波形。还要通过仪器 浙江大学硕士学位论文第5 页 的硬件或软件做进一步的处理，如傅氏变换、频谱分析以及大量的数值运算等等。 最后获得不平衡量的大小、相位等最终结果。 1 24 l 基频检测 振动波形除转速的基频成分外，可能还有2 ，3 ，4 等倍频，1 2 的亚倍频成 分，随机振动成分等等。其中，由不平衡质量引起的振动是基频振动。因此， 在做动平衡时，需要从合成波形中检测出基频信号，并准确的测定其幅值与相位。 基频检测是整个动平衡测试系统的核心。 1 2 4 2 频谱分析 回转机械的故障有很多种，并不是所有的振动都是由不平衡引起的，这时， 即使对旋转机械进行动平衡校核，也不能排除故障。所以，在做动平衡之前，通 过一定的故障诊断方法，确定故障的原因所在，是非常必要的。频谱分析功能是 仪器必备的基本功能之一。 长期以来，频谱分析就是一种分析和预测振动故障的重要手段。这是因为， 机器出现不同类型的故障时，其振动频率的组成是不相同的。根据频率成分的幅 值大小和分布情况，可以判断故障的类型。从动平衡的角度来看，如果频谱中基 频的成分相对较大，即可说明振动故障主要是由不平衡量引起的，可通过动平衡 的方法予以排除。否则，动平衡方法则不适用。 1 2 5 动平衡测试仪器 做动平衡，不但要有完善的动平衡理论，还必须要借助于一定的动平衡仪器。 动平衡仪器的好坏，直接影响到动平衡的效果。 1 2 5 1 仪器的发展 从测量仪器技术的发展阶段来看，现场动平衡测试仪器发展至今，大体也可 分为四代：模拟类仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。”。 第一代模拟类仪器。主要由光电矢量瓦特计和测振仪等组成，其基本特点是 电磁机械式，要借助指针或光点来显示测试结果： 第二代数字化仪器。这类闪频式动平衡仪可以将模拟信号测量转化为数字信 号量，并以数字方式输出测量结果： 第三代智能仪器。如本所自行研制开发的x i ) - 4 屏显式现场动平衡仪，内置 数字信号处理单片机，集测试、输入、计算和图形显示等功能于一体。既能自动 跟踪测试又具有一定的数据处理能力，且拥有简单的频谱分析等功能，具备了智 能仪器的最初特点； 进二十年以来，随着电子技术，信息技术，计算机技术的迅猛发展，高速发 展的计算机技术和仪器仪表技术已紧密的结合在一起，产生了虚拟仪器基于 计算机的测试和自动化技术。而且，其发展之快已把传统仪器远远抛在了后面。 浙江大学硕士学位论文第6 页 由此，仪器已经逐步进入了第四代虚拟仪器时代。 与测试仪器的发展同步，我们将此虚拟仪器技术引入新一代智能化回转机械 整机动平衡仪的开发。 1 3 虚拟仪器概述 1 3 1 虚拟仪器概念 在计算机领域中，以“虚拟”开头的名词很多，例如“虚拟现实”，“虚拟主 机”，“虚拟内存”，“虚拟光驱”等等。本文讨论的是近年来在电子测量技术领域 引起广泛关注的虚拟仪器技术。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) ，又称卡式仪器，卡泰仪器 ( c a i t a i ) 即计算机采集测试分析仪器m 1 。虚拟仪器通过应用程序将计算机与功 能模块硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作计算机，就象操作自己 定义、设计的测试仪器，从而完成被测试量的采集，分析，判断，显示，数据处 理。 虚拟仪器的思想，可以先从仪器的基本功能入手进行分析。 所有的测量仪器的的功能可由“数据采集”，“数据分析”，“结果输出显示” 三大部分组成。在这三大功能中，数据分析和结果显示完全可由基于计算机的软 件完成只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成由计算机组成的测量仪器。 由此可以看到虚拟仪器与传统仪器的基本区别：传统仪器的这些功能都是以硬件 或者固化的软件的形式存在的，而虚拟仪器的功能则是用软件完成的。所以说， 软件是虚拟仪器的核心。 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q 板) 和可重复使用的原代 码库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原代码库 函数为用户构造自己的v i 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开放 性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地由 用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样 当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的v i 系统而不丢弃 已有的硬件和软件资源。十多年前，美国n i 公司提出的“软件就是仪器”的口 号形象地概述了软件在v i 中的重要作用。 虚拟仪器这一思想的实现，得益于以下科学技术基础：”。 ( 1 ) 微处理器技术的快速进步，使的计算机的处理能力一直按指数率提 高；其性能价格比的不断上升，使微机应用得到普及。 ( 2 ) 数字信号处理技术( d g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 的不断 浙江大学硕士学位论文第7 页 进步和完善，原先许多由硬件完成的功能可以依靠软件实现。 ( 3 ) 面向对象技术，可视化程序开发语言在软件利用为更多易于使用功 能强大的软件开发提供了可能性。 总的来说，虚拟仪器就是基于计算机的全数字化测量分析仪器，是现代计算 机系统，d s p 技术和仪器系统技术相结合的产物。是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化( 智能化) 、模块化、虚拟 化、网络化的方向发展。v i 技术研究现己 成为电子测量和计算机测试控制的前沿课 题“1 。 1 3 2 虚拟仪器的组成 从构成要素上讲，y i 系统的基本构成 如图卜3 所示3 ”： ( 1 ) 功能软件：用于编程，测试和 分析。 ( 2 ) 计算机及其附件： 图卜3 虚拟仪器基本组成 各种类型的高性能计算机，如p c 机，笔记本，工控机等，是v i 系 统的心脏和动力。 ( 3 ) 数据采集硬件： 具有高性能的a d 转换、d a 转换性能。 ( 4 ) 传感器及前置抗混滤波调制放大器： 是测试系统获取信息的基础。 所以，虚拟系统用一个更简单的基本公式来表达就是： 虚拟仪器= 计算机及其附件+ 软件+ 必要的硬件。 1 3 3 虚拟仪器种类 按照虚拟仪器的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器可分为以d a q 板和信 号调理为仪器硬件而组成的p c d a o 测试系统，以g p i b 、v x i 、s e r i a l 和f i e l d b u s 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、v x i 系统、串口系统和现场总线系统 等多种形式”“1 “。 ( 1 ) p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件( 如 l a b v i e w ) 相结合，完成测试任务。它充分利用了计算机的总线，机箱， 电源及软件的便利。它的关键取决于 o 转换技术。 插卡式价格便宜，因个人计算机数量庞大，用途广泛，特别适合于教 浙江大学硕士学位论文第8 页 学部门和各种实验室使用。 ( 2 ) 并行口式的虚拟仪器。 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，他们把硬件集 成在一个采集盒或一个探头上。软件装在计算机上，通常可以完成各 种虚拟仪器的功能。它最大的好处是可以与笔记本电脑相连，方便现 场操作，又可与台式p c 机相连。 ( 3 ) g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 总线是i e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。他的出现使电 子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的 g p i b 系统是由一台p c 机，一块g p i b 接口卡和多台g p i b 形式的仪器 通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下，一块g p i b 接口卡可带1 4 台 仪器，电缆长达2 0 米。 ( 4 ) v x i 总线方式的虚拟仪器 y x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在v i 领域的扩展，他具有稳 定的电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它具有标 准开放，结构紧凑，数据吞吐能力强，定时和同步精确，稳定可重复 利用，得到广泛应用，但是造价比较高。 ( 5 ) p x i 总线方式的虚拟仪器 p x i 总线是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成 的，增加了多板同步出发总线的参考时钟。用于精确定时的星形触发 总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局部总线。p x i 具有高度可扩 展性，具有8 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接技术可扩展到2 5 6 个扩展槽，台式机的性价比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合 起来，将形成未来主要的虚拟仪器平台。 总上所述，g p i b - v x i 一 p x i 总线方式，适合大型高精度集成系统。而p c 插卡式一 并行口式一 串口u s b 方式，适合普及型的廉价系统，有广阔的应用发展 前景。 无论哪种v i 系统，都是将仪器硬件搭载到笔记木电脑、台式p c 或工作站等 各种计算机平台加上应用软件而构成的，实现使用计算机的全数字化的采集测试 分析。 1 3 4 虚拟仪器的规范化 为了v x i 总线的易用性和高性能，保证在系统级上众多厂商的产品具有真 正的开放性和长期兼容性，最大限度稿q 提供多平台能力和可扩展性，提高软件的 可重用性及进一步标准化，1 9 9 3 年9 月2 2 日，t e k t r o n i x 公司等五大v x i 技术 浙江丈学硕士学位论文第9 页 厂商成立了v x l 总线即插即用联盟( v x i p l u g & p l a y s y s t e m s a l l i a n c e ) 。1 9 9 4 年又接 纳k i p 公司为其成员。v x 总线即插即用联盟对虚拟仪器的设计提出了一套统一 设计的方法和规范，被称为v p p ( v x ip l u g & p l a y ) 规范。为便于组织管理，联 盟对每一类规范赋予一个序号和一个名字，共分1 0 个章节p 3 表1 1v p p 规范 标准代号标准名称 v p p - 1 v p p 系统联盟章程 v p p - 2 v p p 系统框架技术规范 v p p 3 仪器驱动程序技术规范 v p p - 4 标准的软件输入输出接口技术规范 v p p - 5 v x l 组件知识库技术规范 v p p - 6 包装和安装技术规范 v p p - 7 软面板技术规范 v p p - 8 v x l 模块主机机械技术规范 v p p - 9 仪器制造商缩写规则 v p p - 1 0 v x i p & pl o g o 技术规范和组件注册 v p p 规范的制定，使得虚拟仪器系统有了标准化，通用化，系列化，模块化， 开放式的体系结构，更加便于虚拟仪器的系统集成和终端用户的操作使用。 1 3 5 虚拟仪器软件的组成 根据v p p 规范，虚拟仪器系统 的软件结构应包含以下三部分”： i 0 接口软件： 存在于硬件和驱动程序之 闯，是最接近硬件的软件层，完 成对硬件内部寄存器单元进行 图1 - 4 虚拟仪器软件组成 直接存取数据操作，为硬件和驱动程序提供信息传递的低层软件层，是实现 开放的统一的虚拟仪器系统的基础。 驱动程序层： 驱动程序的实质是为用户提供一个用于仪器操作的较为抽象的操作函 数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。 对于应用程序设计人员来说，有了驱动程序，即使是在不太很了解仪器内部 操作的情况下，也可以进行虚拟仪器系统的设计工作。 应用程序开发环境： 应用程序开发环境是用于编写应用开发程序的编程工具，与仪器的硬件 浙江大学硕士学位论文第1 0 页 系统无关可因开发人员的喜好而选择，但最终都必须提供给用户一个界面友 好，功能强大的应用程序。 1 3 6 虚拟仪器的编程软件 按照铡试的要求在计算机上定义一台虚拟仪器，必须要有功能强大的编程软 件。现在可用于虚拟仪器编程的软件较多，按编程方式来说，可分为文本式和图 形化两种。一种是基于传统的文本式语言的开发平台，包括微软的v i s u a lc + + ， b o r l a n d 公司的c + + b u il d e r ，d e l p h i ，n i 公司的l a b w i n d o w s 等；一种是基于 图形化编程语言的平台，包括n i 公司的l a b v i e w ，h p 公司的v e e 等。 在过去，一个测量系统的软件通常用v c + + ，v b 等工具编写，做为通用的编程 软件，它们功能强大，灵活，可以从系统低层编起，然而，同样对开发人员的编 程能力和对仪器硬件的掌握要求较高，而且开发周期长。 现在虚拟仪器软件最流行的趋势之一是图形化编程环境。最早应用图形化编 程技术开发v i 始于n i 公司1 9 8 6 年推出的l a b v l e w 软件包。根据n i 公司2 0 0 1 年度的市场调查，在虚拟仪器的编程领域，l a b v i e w 的使用人数超过了包括v c 在内的其他语言，排在第一位，并且还在呈不断上升的趋势。 1 3 7 面向仪器与测控过程的图形化开发平台l a b v i e w l a b v l e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验 室虚拟仪器工程平台) 是美国国家仪器( n i ) 公司开发的一种基于g 语言 ( g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ) 的可视化开发平台“。 1 3 7 1g 语言编程 l a b v l e w 是为替代常规的b a s i c ，c 等常规语言设计的，除了编程方式不 同以外，具有语言的所有特性，所以，l a b v i e w 不仅仅是一个功能比较完整的软 件开发环境，而是一种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式所以又 被称为g 语言。 如图卜5 所示，l a b v i e w 的编程环境包括两个面板，图中左面的是前面板 ( p a n e l ) ，用于编制虚拟仪器的软面板：右边的为程序面板( d i a g r a m ) ，用于编 写图形化的g 语言程序源代码。与c c + + 等传统的文本式编程不同，l a b v i e w 的 g 语言是把繁琐、费时的代码编写输入，简化为使用菜单图标提示的方法选择功 能，并用线条把各种功能连接起来的简单图形编程方式。比如，要进行f f t 运算， 只需要从函数库中，调出f f t 子v i ( 相当于c 语言的子程序) 模块，然后用连 接线与输入控制和输出显示的控件连接起来即可。降低了对编程者编程经验和熟 练程度的要求，易于学习和使用，大大提高了编程效率。被誉为“工程师和科学 家的语言”。” 浙江大学硕士学位论文 第1 1 页 图卜5l a b v i e w 的编程环境 1 3 7 2l a b v i e w 的特点 l a b v i e w 软件的特点可以归纳为以下几点n 4 3 4 0 3 “： 图形化的仪器编程环境： 使用“所件即所得”的可视化技术建立人机界面，针对测试，测量，以及 过程控制等领域。l a b v i e w 提供了面板上所必须的许多显示和控制对象，具有 与实际仪器相似的旋钮，开关，指示灯，图表等。用户还可以方便的将现有控 制对象改成自己需要的形式。 内置的程序编译器： l a b v i e w 采用编译方式运行32 位应用程序，解决了其他按解释方式工作 的图形编程平台速度慢的问题，其速度与c 语言的编译速度相当。 并行机制： l a b v i e w 运行机制是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序框架从 宏观上讲是一种多任务并行机制，而不是c 等传统语言的顺序结构。 灵活的程序调试手段： 用户可以在源代码中设置断点，单步执行代码，在代码的数据流上设置探 针，在程序运行中观察数据流的变化。 功能强大的函数库： l a b v i e w 提供了大量现成函数供用户直接调用，从底层v x i ，g p i b ，串口 及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序从基本功能函数到高级分 析库，覆盖了仪器设计中几乎所需要的函数。 浙江大学硕士学位论文第1 2 页 支持多种系统平台： l a b v i e w 支持多种系统平台，在w i n d o w sn t 9 x 3 x ，m a c i n t o s h 。h p ，s u n s p a r c 等系统平台上，都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程 序可直接进行移植。 开放式的开发平台： l a b v i e w 提供了d l l 接口和c i n 接口，使用户在l a b v i e w 平台上能调用其 他软件平台编译的模块，提供对o l e 的支持。 网络功能： l a b v i e w 支持t c p i p ，d d e ，i a c 等功能。 1 3 7 3l a b v i e w 的可视化 l a b v i e w 的可视化，包含了两层含义，一层含义是指它的编程方式是可视化 编程，另一层含义是指可视化信号分析处理。 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) ，即科学计算可视化的简称”。科学计算，足继 实验方法，理论方法之后的第三种科学手段，这三种手段在科学研究上既相辅相 成，又相互独立，既相互补充替代，又彼此不可缺少。科学计算可视化是科学计 算中不可缺少的一个组成部分。科学计算可视化是对计算及数据进行探索，以获 得对数据的理解和洞察。具体来说，就是把计算中涉及的和产生的数字信息转变 为直观的，图象或图形形式表示的，随时间等参数的变化而变化的物理现象或物 理量呈现在研究人员面前，使他们可以觉察到模拟和计算，既看到传统意义上不 可见的事物和现象，同时还提供与模拟和计算的视觉交互手段。 总的来说，科学计算可视化的目的，就是依靠人们强大的视觉能力，促进对 考察数据更深一层的理解，洞察其中的潜在过程。“。 科学计算可视化的应用已经不断扩展到物理学，地球科学，气象学，海洋， 流体动力学等众多科学领域，而l a b v i e w 则是将科学计算可视化应用到信号分析 中的一种体现。对一个存在各种干扰的非理想信号进行分析，获取包含在其中的 有用信息，是一项困难的工作，需要扎实的理论基础和丰富的实践经验。l a b v i e w 的前面板上提供的大量形式多样，功能强大的c h a r t ，g r a p h 等控件，可大大加快 加深研究人员对未知信号的认识，发现抽象思维中不易发现的现象，获得启发和 灵感，提出新的分析思路；后面板上快捷的g 语言编程，和功能强大的函数库， 使得研究人员可以迅速组建自己的分析系统，便于新的分析思路的验证和改进， 以往信号分析人员往往将大量的时间化在编程实现上，甚至因为具体的编程失误 后难以实现导致分析思路得不到有效的验证。 1 3 8 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器的比较如下表卜2 。： 浙江大学硕士学位论文第1 3 页 表卜2 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 关键是硬件关键是软件 开发维护费用岛开发与维护的费用底 技术更新周期长技术更新周期短 价格高价格低，并且可重用性和可配置性强 厂商定义仪器功能用户定义功能 系统封闭，固定系统开放，灵活，与计算机的进步同步 不易与其他设备连接与其他设备极易相连 总的来说，虚拟仪器具有灵活性，再扩展性，易维护性，高性价比，易组建， 高可靠性的特点，能够更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。 1 4 本课题目的和意义 v i 技术经过十余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬软件的模 块化，以及编程平台的图形化和硬件模块的即插即用( p l u g 曲。l a y ) 化等方向发展。 现在，虚拟仪器在国外已经开始广泛应用于航天航空，军事工程电力工程，机 械工程，建筑工程，生物医疗，教学及科研等各种部门的电子测量，振动分析， 声学分析，故障诊断等诸多领域，对科学技术的发展和生产将产生不可估量的影 响。 虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大，具有广阔的发展前景。而 我国的虚拟仪器技术研究基本上还处于b i i b i l 起步的阶段。总结文献发现，我国虚 拟仪器的应用中，实验室研究，教学仍占较大比重，应用深度还很不够，往往只 是利用了一些现有模块来实现一些功能较为简单的应用例如功率谱分析，虚拟 示波器等。针对某些具体的复杂工业过程而开发的虚拟仪器系统，则并不多见。 目前为止，我国动平衡测试仪器仍以模拟类和单片机类为主，尚未见有关于利用 v i 技术实现高精度的现场动平衡校核的虚拟仪器系统的报道。 单片机类型的动平衡仪，成木相对较低，便携性好，对工况要求也较低，但 是由于其主芯片( 如m c s 一5 1 ，8 0 9 8 系列) 性能和存储器容量的限制，对于信号 处理的大量数字运算能力不强，系统功能的可扩展性有限。而且其开发周期较长， 难度相对较大。而v i 仪器就不会有这些问题，而且随着硬件性价比的不断提高， 虚拟仪器在一些领域，已经正在逐步取代传统仪器，象振动分析测试这样需要大 量信号分析处理的领域，更不会是例外。 因此，为适应现代动平衡测试的需要，本文计划将虚拟仪器技术( ) ，数 浙江大学硕士学位论文第1 4 页 字信号处理技术( d s p ) 与现场动平衡技术结台起来，充分利用现代高性能微型 计算机的硬件，软件功能，紧随现代测试仪器技术的发展，组建高精度，多功能 的现场动平衡测试仪器系统。 目前，本系统设计方向为便携式的现场动平衡测试仪器，目的是可以对回转 机械进行定时或不定时的巡检，不仅对量大面广的中小型机器来说具有极大的优 势，即使是大型机组，也是适用的。结合我国国情，考虑到我国大中小企业的回 转机械的使用情况及购买能力，发展相应的便携式测试系统还是十分必要的。 浙江大学硕士学位论文第1 5 页 第二章系统总体设计 2 1 系统要求 在绪论中，本文已经详细阐述了机械振动的危害性和对转子进行动平衡的重 要性。实践证明，开发具有整机动平衡校核功能的高级测试仪器系统，是十分必 要的。过去，本研究所在周保堂教授的带领下成功发明的“立式碟片分离机全 速动平衡方法”，和“化工旋转机械整机动平原理和方法研究”，分别获得了国 家发明奖和国家科技进步奖并且已经应用于各类风机、离心机以及其他旋转机 械，取得了巨大的经济效益。 随着旋转机械和测试仪器技术的进一步发展，动平衡校核对于测试仪器的要 求有了新的提高。 采样要求： 现代的旋转机械，其转速越来越高。碟片式分离机转速就在7 5 0 0 转 分以上。这对我们系统的数据采集要求也就随之增加。根据奈奎斯特采样定 理，为不至于产生波形失真，采样频率应该至少是信号的最高频率的两倍。 而在动平衡测试中，为了保证基准信号的完整性和相位的准确性，两倍是远 远不够的。一般情况下，本文要求每周期采集点数不少于1 5 0 点，因此，对 于转速在0 - 1 0 0 0 0 转份的转子及回转机械，即采样频率在0 - 2 5 k h z 阻上。 精度要求： 测试仪器精度的高低，直接标志了仪器质量的高低。