（机械电子工程专业论文）基于labview的振动噪声测试和分析系统开发.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术和软件技术的发展应用，虚拟仪器技术逐渐成为当前测试与控制领 域的研究热点，它甚至已经代表了测试与控制仪器技术的发展方向。为适应现代化的需 要，提高测试精度，课题以l a b v i e w 为软件平台建立了具有普遍意义的振动噪声信号测 试分析系统。整个系统主要包括三部分：信号的采集调理模块、时频分析处理模块和数 据存储管理模块。其中时频分析处理模块为本课题的重点，它可以实现：信号的去噪、 时域特征值的提取、频谱分析、倒频谱分析和时频联合分析。 课题的实际测试分析是以在h t 9 3 4 0 轮椅动态耐用性试验机上模拟运动的轮椅为 研究对象；通过贴片式电阻应变片、驻极体m i c 采集运动轮椅的振动噪声信号；并在结 合数字信号处理技术与小波分析技术的基础上，对初始搭建的振动噪声测试分析系统进 行相应的功能扩展，使其成为一个面向具体应用对象的振动噪声测试试验分析平台。该 试验平台除了原系统的信号采集分析存储功能外，还具有对运动轮椅进行状态监视以控 制实验台工作的功能。这一功能也使轮椅疲劳测试的无人监守成为可能。同时，论文以 对滚动运动轮椅的振动噪声实际试验系统为例，论述了振动噪声信号的时频分析理论， 简要介绍了虚拟仪器l a b v i e w 及相关软件的调用，并简单说明了实现时频分析的 l a b v i e w 各子v i 功能用法。 系统可以实现对振动噪声信号的实际测量分析，具有良好的功能扩展性。 关键词：振动噪声；虚拟仪器；数据采集；时频分析；小波分析 大连交通大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs c i e n c ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g y ，v i r t u a l i n s t r u m e n ti sb e c o m i n gt h ef o c u so ft h er e s e a r c hi nm o d e mt e s ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y i ti s t h et r e n df o rt h et e c h n o l o g yo ft e s ta n dc o n t r o li n s t r u m e n t s t om e e tt h en e e d so ft h e m o d e r n i z a t i o n ，t oi n c r e a s et h et e s t i n gp r e c i s i o n ，av i b r a t i o nn o i s es i g n a lt e s t i n ga n da n a l y s i s s y s t e mb a s e do nt h el a b v i e ws o f t w a r ep l a t f o r mw h i c hc a nb ew i d e l yu s e di sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r t h es y s t e mi sc o n s i s to ft h r e ep a r t s ：t h es i g n a la c q u i r i n ga n da d j u s t i n gm o d u l e ， t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sm o d u l ea n dd a t as t o r a g ea n dm a n a g em o d u l e t h et i m e f r e q u e n c y a n a l y s i sm o d u l ei s t h ee m p h a s i s ，w h i c hc a na c h i e v et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：w a v e l e t s d e n o i s i n gt ot h es i g n a l s ，t h ee x t r a c t i n gt ot h et i m e f r e q u e n c ys i g n a le i g e nv a l u e s ，s p e c t r u m a n a l y s i s ，c e p s t n u na n a l y s i sa n dt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s a l lo ft h e s ew i l lb ei l l u s t r a t e di n d e t a i lb yu s i n gt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ns y s t e mf o r n l - t h ev i b r a t i o nn o i s et e s t i n ga n a l y s i s s y s t e mo fr o l l i n gw h e e l c h a i r t h es i m u l a t e dw h e e l c h a i rw o r k i n go nt h eh t 一9 3 4 0w h e e l c h a i rd y n a m i cd u r a b i l i t y t e s t e ri st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c ti np r a c t i c a lt e s t i n ga n a l y s i so ft h i sp a p e r b yu s i n gp a s t e d s t r a i ng a g e sa n de l e c t r e tm i c r o p h o n et oa c q u i r et h ev i b r a t i o nn o i s es i g n a lo ft h em o v i n g w h e e l - c h a i rs e p a r a t e l y ，c o m b i n i n gt h et e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dw a v e l e t a n a l y s i sa sa ne x p a n s i o nt ot h ei n i t i a lb u i l tv i b r a t i o n & n o i s et e s t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e m ，a s p e c i f i ca p p l i c a t i o no b j e c to r i e n t e dv i b r a t i o nn o i s et e s t i n ga n a l y s i ss y s t e mi sb u i l t i tn o to n l y h a sas i g n a ja c q u i s i t i o na n ds t o r a g ef u n c t i o nt ot h eo r i g i n a ls y s t e mi nt h i se x p e r i m e n tp l a t f o r m ， b u ta l s oh a saf u n c t i o nt h a tc a nm o n i t o rt h ew o r k i n gs t a t u so ft h ew h e e l - c h a i ra n dc o n t r o lt h e w o r ko ft h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m a n dt h i sc a nm a k eu n m a n n e dd u r a b i l i t yt e s tm o n i t o r p o s s i b l e m o r e o v e r ，t h ep r a c t i c a lt e s t i n gs y s t e mo ft h es t a t u sm o n i t o r i n go ft h es i m u l a t e d w o r k i n gw h e e l c h a i ri st a k e na sa ne x a m p l ei nt h i sp a p e rt od i s c u s st h et i m e f r e q u e n c y a n a l y s i st h e o r yo ft h ev i b r a t i o nn o i s ea n di n t r o d u c et h ei m p o r to fv i r t u a li n s t r u m e n t l a b v i e wa n di t si n t e r r e l a t e ds o f t w a r ea n dt h e u s i n g o ft h es u b v if u n c t i o n si n t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s t h em e a s u r e m e n ta n dt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i st ot h ev i b r a t i o n n o i s es i g n a lc a nb e i m p l e m e n t e db yt h et e s t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mi nt h i sp a p e r ，a n dt h ef u n c t i o no f t h e s y s t e mc a nb ee x p a n d e de a s i l y k e yw o r d s ：v i b r a t i o n n o i s e ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；d a t aa c q u i r i n g ；t i m e - f r e q u e n e y a n a l y s i s ；w a v e l e ta n a l y s i s 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整窒通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂一。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 “ 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 莩位论文作者鲐藉黑 日期：加日芬年石月- 5 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：江苏省常州市今创集团有限公司电话：0 5 1 9 8 8 3 7 5 6 8 4 通讯地址：江苏省常州市武进区遥观工业园区邮编：2 1 3 1 0 2 电子信箱：h r k t k c c 。 纱1、7 黟， 名 ：一 旧 氢 加 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者始翡 日期：加。弓年乡月弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出背景及意义 在工程技术领域中，存在着大量的振动问题。例如：飞机飞行过程中，由于发动机 和气流扰动所引起的振动；车辆在凹凸不平的路面上行驶引起的振动；旋转机械由于质 量失衡在运动中的振动；建筑物受地面和阵风扰动所产生的振动等。有时候人们可以利 用振动特性为人类服务；但大多数情况下，振动带给人们的都是消极影响。它不仅可以 使机械的某些构件损害，还会使某些仪表失灵、设备工作不正常。此外振动还可能造成 某些连接松动、各结合处密封间隙增大，以及导线搓断等恶果。据有关方面统计，在相 关的机械故障中，4 0 与振动有关。而在运动机械中，大多数的机械振动都会产生噪声。 众所周知，噪声的危害同样是不可忽视的，撇开它对人体的多方面危害不谈，就工业领 域而言，在数据测量分析时，噪声的存在将影响系统的分辨率和稳定性，而且噪声严重 时甚至会淹没正常的信号，导致其无法正常工作。此外，噪声问题还会影响某些部件的 工作性能。 所以如何对振动噪声信号进行必要的分析也就成了工程技术人员的重要任务之一。 振动噪声的测试技术也因此成为科学研究和实际工程中一门重要的实用技术而得到不 断的发展。传统的振动噪声信号分析，主要依靠电子仪器进行分析处理。虽然这种技术 已经比较成熟，但存在着开发与维护的费用高、技术更新周期长、价格高等缺点。随着 计算机技术与电子测量技术的发展，使用p c 机对信号进行测试和分析已经成为一个新 的发展方向，并在此基础上产生了一个新型的测量仪器虚拟测量仪器。 本课题就是基于虚拟仪器l a b v i e w 软件，建立振动噪声信号的测试分析系统，并 将该系统具体应用到运动轮椅的状态监视上。即通过对实验机上模拟颠簸运动轮椅的振 动噪声信号采集分析，在轮椅运动态发生异常时予以报警并停止试验机的运转，以达到 监视控制的目的。 1 2 课题研究的主要设备 1 2 1 课题研究试验平台 课题主要通过弘达仪器有限公司生产的h t - 9 3 4 0 轮椅动态耐用性试验机驱动轮 椅。它可以通过模拟路况颠簸来检测轮椅的耐用强度。 它的主要参数如下： ( 1 ) 滚轮尺寸：直径2 5 0 m m ，长度1 0 0 0 m m ； 夫连变通大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 冲击块：4 0 0 ( l ) x 3 6 ( w ) x 6 ( r ) m m ： r 3 1 转速：4 0 - 6 0 0r p m 可调： ( 4 ) 滚轮中心距：3 9 5 9 7 0 m m 可调； ( 5 ) 传动载重荷蘑可承受：1 5 0 k g s ： f 6 1 电源：3 相，2 2 0 3 8 0 4 15 v ，5 0 6 0 h z 。 其实物圈参见罔1l 。 图1 i 轮椅动态耐用性试验机 f i g ii w h e e l c h a i r d y n a m i cd u r a b i l i l yt e s l g f 122 课题研究试验轮椅 课题研究对象是普通推动式轮椅，一般由轮椅架、车轮、刹车装置及座靠四部分组 成。其具体实物图参见图12 。 刚12 推功式轮椅 f i g i2p r o p e l l i n gw h e e l c h a i r 第一章绪论 它的主要参数如下： ( 1 ) 直径6 1 c m 充气大车轮； ( 2 ) 直径1 5 c m 充气小车轮； ( 3 ) 大小两轮间距3 3 c m 。 1 3 论文研究的主要内容 课题主要构建一个振动噪声的测试分析系统，并将其具体应用于滚动运动轮椅的实 际振动噪声测量分析。与主要依靠电子仪器进行振动噪声信号分析处理的传统测量手段 不同，课题采用新型的测量仪器虚拟测量仪器进行信号的时频分析并完成对其运动 状态的监视。总体思路如图1 3 所示。 应变 卜i 前女渍l 波电路 电路 l l l a b v l e w 麦克 八 放大滤 数 y 。 波电路 采 m a t l a b 电路 ll 卡 崛矗立z 圣音 ll 噪尸7 i c 采 p c 机 轮 飞7 ( 驱动器)一l ，1 - - 一 买现信号的软件去噪 椅 h h 3 4 0 - _ 一控制电路 时幽* 厶t 壬| 1 士f r 隆 i 瞻用 o m j 姒刀。伊l 小j o y p - 早皿优 l鳜动轮烯链劫 故障报警时停 图1 3 轮椅测试系统结构 f i g 1 3t h e t e s ts y s t e mw o r ko fw h e e lc h a i r 课题的研究内容主要包括以下三部分。 1 3 1 滚动运动轮椅的振动噪声信号采集 这部分主要以贴片式电阻应变片和驻极体传声器为信号采集的硬件基础，对滚动运 动轮椅的振动噪声进行采集。将采集到的信号放大滤波后，由数据采集卡d a q 6 2 2 1 p c i 进行a d 转换并将其送入p c 机中。具体地硬件实现将在第四章中详细阐述。 大连交通大学一1 j 学硕十学位论文 1 3 2 滚动运动轮椅的时频分析 作为新兴的数学理论和方法，以多尺度分辨率为基础的离散小波理论在去噪和故障 监测中具有传统分析方法不可比拟的优点。利用离散小波变换进行信号去噪，并将其和 快速傅立叶变换相结合，对轮椅的振动噪声信号进行时一频联合分析，可以准确地对信 号的高频短时成分做出分析，并完成对轮椅的运动状态监视。这些算法主要通过与 l a b v i e w 结合应用的m a t l a b 软件实现的。 此外，还详细介绍在分析滚动运动轮椅的振动噪声信号时，用到的各种时频特征值 概念，及在软件工具l a b v i e w 中的各实现子v i 。 以上的理论分析将在第二、三章中详细阐述；而具体的软件实现将在第五章予以说 明。 1 3 3 数据存储管理和报警系统 由于试验平台h t 一9 3 4 0 的主要功能是检测轮椅的动态耐用性，所以需要试验平台 的长时间连续工作。如果选择连续存储方式，会因数据采集量过大而造成存储空问的严 重浪费，所以本课题设计了定时数据存储方式。 无论定时存储的存储时间间隔选择多少，只要当系统判断轮椅运动状态出现异常 值，系统都会进入存储模式，将异常值进行存储，以便后期的分析处理；同时触发报警 系统，并通过控制电路立刻停机h t - 9 3 4 0 轮椅动态耐用性试验机工作，以免造成不必 要的设备损坏。 为了方便系统软件功能的实际应用，本文在规划系统软件时，各个功能模块可以通 过各种参数来实现彼此的信息交换，这样也便于程序在日后应用中的二次开发。 具体实现程序将在第五章详细讲解。 本章小结 本章主要对课题的研究背景、平台和意义做出了简要介绍；大体论述了课题的研究 内容。具体内容将在接下来的几章中逐一具体介绍。 4 第二章实现振动噪声分析的软件技术 第二章实现振动噪声分析的软件技术 虚拟技术、计算机与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为2 l 世纪 科学技术中的三大核心技术。虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术相 结合的产物，它的出现导致传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了重大变革，使得 人类的测试技术进入一个新的发展纪元i lj 。本课题的软件基础就是虚拟仪器l a b v i e w 。 2 1 虚拟仪器l a b v i e w 概述 l a b v i e w 是目前唯一的编译型图形化编程语言，以计算机作为仪器的硬件支撑， 充分利用计算机的运算、存储、调用、显示及文件管理等功能，把传统仪器的专业化功 能软件化，使之与计算机融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都与传统仪器完全 相同，同时又充分享用了计算机资源的仪器系统。传统仪器通常由信号采集、信号分析 和信号输出三部分组成。虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理和结果显示 三大功能模块。 2 1 1 虚拟仪器l a b v i e w 的系统构成 虚拟仪器系统是由计算机、硬件平台和应用软件组成的。其系统构成如图2 1 所示。 图2 1 虚拟仪器系统构成 f i g 2 1v i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e ms t r u c t u r e 从构成方式，则有以数据采集卡( d a q ) 和信号调理电路组成的p c d a q 测试系统， 以g p i b 、v x i 、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、v x i 系统、串行总线系统、现场总线系统等。目f i 通常采用的方法是在计算机上插入数据采 大连交通大学t 学硕十学位论文 集卡，用软件进行信号分析处理并在计算机屏幕上生成仪器面板。课题采用p c i 总线技 术开发了虚拟仪器系统硬件平台，其中主要包括数据采集和信号调理两部分。 利用数据采集卡和计算机数据处理软件就可以构造各种虚拟仪器。本课题也是根据 这一思想搭建振动噪声测试分析系统，具体流程图如图2 2 所示。 图2 2 系统流程图 f i g 2 2f l o wc h a r to f s y s t e m 噪 隹 信 号 采 集 2 1 2 虚拟仪器l a b v ie w 的应用优点 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( 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 g w o r k b e n c h ) 的简称，是一个开放型的开发环境，使用图标代替文本代码创建应用程序， 拥有大量与其它应用程序通信的v i 库。例如，l a b v i e w 使用自动化a c t i v e x 、d d e 和 s q l 技术，可与其它w i n d o w s 应用程序集成；使用d a t a s o c k e t 技术、w e bs e r v e r 、t c p i p 和u d p 网络，可与远程应用程序通信。 在对硬件的支持方面，l a b v i e w 集成了与g p i b 、v x i 、p x i 、r s 一2 3 2 4 8 5 、p l c 和 6 第二章实现振动噪声分析的软件技术 插入式数字采集设备进行数据通信的全部功能。它不仅能够完成一般的数学运算、逻辑 运算和输入输出功能，还带有专门用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具以及专 门的数学分析程序包，基本上可以满足各种复杂的工程计算和分析要求。因为它的外型 与操作方式可以模拟实际的仪器，所以在l a b v i e w 环境下开发的程序被称为虚拟仪器 v i 。实际上，v i 就是类似于传统编程语言的函数或子程序。 2 1 3 虚拟仪器l a b v ie w 软件设计注意事项 为了保证虚拟仪器软件具有较高的可靠性和可用性及良好的可移植性和兼容性，在 进行软件设计时，应该按照软件工程学提出的软件设计过程和方法进行，具体应注意以 下几点： ( 1 ) 采用自顶而下的设计方法。首先完成需求分析，系统功能分析和结构分析，通 过逐层分解和逐级抽象，建立软件的结构框图，划分程序模块，最后开始编程； ( 2 ) 在系统分析和具体编程的过程中，应采用模块化和面向对象的软件设计方法。 要特别重视一些可重用的基本模块，提高移植性和可维护性，降低系统的复杂程度； ( 3 ) 软件应具有较高的可靠性，在软件设计中应给予充分重视； ( 4 ) 软件设计要符合一些相关规范的要求，保证软件的可移植性和兼容性【2 剖。 2 2 虚拟仪器技术的现实应用 目前，国际上生产虚拟仪器的厂家主要有h p 公司、t e k t r o n i x 公司、n i 公司和 k e i t h e l y 公司等。虚拟仪器在国外的应用相当普及，例如美国大学的机械系和电子系， 凡是涉及到测试和控制的工作都在使用l a b v i e w 进行编程。虚拟仪器已在超大规模集 成电路测试，现代家用电器测试以及军事、航天、工厂测试等领域得到广泛应用1 6 j 。 由于诸多原因，虚拟仪器进入我国的时间较晚，从事虚拟仪器研究和开发的科研单 位数量也很少，而且没有和国际虚拟仪器产业接轨。截止到1 9 9 9 年，全国申请成为 v x i b u s 联合会和v p p 系统联盟成员的虚拟仪器厂家只有陕西海泰高科技有限公司，而 且并没有形成自主研究，自主开发，自主销售的机制。但星星之火，可以燎原。这几年 虚拟仪器以其特有的魅力在国内赢得了大批的使用者和推崇者，众多的中国企业和高校 也开始对虚拟仪器进行研究开发并且取得了很多成果；东方振动与噪声研究所除了与北 京英维卡科技有限公司联合开发了“虚拟仪器与移动实验室 外，更是成功研制了国内 第一台虚拟仪器用于台式机的i n v 3 0 3 和便携式笔记本的i n v 3 0 6 智能信号自动采 集处理分析仪系统，并推出了d a s p 软件虚拟测试系统，提出了“把实验室领着走的 口号【7 1 。 7 大连交通大学工学硕十学位论文 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。随着软件业和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更广泛的领域中得到应用。综 上所述，虚拟仪器的研究和开发有着十分现实的意义。 2 3 振动噪声信号的l a b v i e w 时频分析v i 这一节将详细介绍与振动噪声分析有关的l a b v l e w 各种子v i 。需要说明的是，虽 然虚拟仪器l a b v i e w 提供了各种可以实现诸多功能的子v i ，但是还是有许多算法需要 用户自行开发设计。即使是那些已经在l a b v i e w 中存在的子v i ，也有许多功能上存在 一定的局限性，需要用户进行改进。这也使本课题的l a b v i e w 二次开发具有了重要的 现实意义。这些具体的程序框图将在后面的章节中进行详细的介绍1 7 12 1 。 2 3 1 振动噪声信号的l a b v le w 时域分析v i ( 1 ) 幅值特征值的l a b v i e w 求取 慝帚 a m p l i t u d ea n dl e v e lm e a s u r e m e n t s v i ( 其v i 图标为：埋刿) 可以简单有效的在 l a b v i e w 中实现信号幅值特征值的求取。 它的参数对话框分为四个区域，分别是要求进行幅值特征值求取的项目( a m p l i t u d e m e a s u r e m e n t s ) 、当前幅值特征值求取的结果( r e s u l t ) 、输入信号预览窗口( i n p u ts i g n a l ) 和加窗后预览窗i s l ( r e s u l ts i g n a l ) 。它的可求参数参见表2 1 ；参数设置对话框参见图2 3 。 表2 1a m p l i t u d ea n dl e v e lm e a s u r e m e n t s v i 的特征值 t a b l e2 1t h ee i g e n v a l u eo f a m p l i t u d ea n dl e v e lm e a s u r e m e n t s v i 参数 参数含义 参数 参数含义 d c 信号均值 p e a k t o p e a k 峰一峰值 r m s 信号均方值c y c l ea v e r a g e一个周期的平均值 m a x i m u mp e a k 信号最大值c y c l e r m s 一个周期的均方值 m i n i m u mp e a k 信号最小值 但是，a m p l i t u d ea n dl e v e lm e a s u r e m e n t s v i 主要是对周期信号进行分析处理，当它 面对实际问题中常出现的随机信号包括标准差等重要参数时就无能为力了，所以这个控 件在实际应用中并不是很常用。真正在实际测量中经常使用的是与a m p l i t u d ea n dl e v e l 厅雨 m e a s u r e m e n t s v i 位于同一子模板上的s t a t i s t i c s v i ( 其v i 图标为：匕刿) 。其参数设置 中，a r i t h m e t i cm e a n 、r m s 、s t a n d a r dd e v 分别对应信号的均值、均方根值和标准差三 个参数。 第二章实现振动噪声分析的软件技术 凹2 3a m p l i t u d ea n dl e v e l m e a s u r e m e n t s v i 参数对话框设置 f i g2 3s e t t i n g so f t h e a m p l i t u d e m i dl e v e l m e a s u r e m e n t sv is p a r a m e t e rd i a l o gb o x 对信号均值和均方根值的求取还可以用3 个波形幅值测黾v i ，b a s i ca v e r a g e d d c - r m s v i 、a v e r a g e d d c - r m sv i 和c y c l e a v e r a g e d d ca n d r m sv i ( 它们的v i 罔标分 别为圆、圈、圜，同一子模板下的e x t r a c ts i n g l et o n ei n f o r m a t i o nv i 、h a r m o n i c d i s t o r t i o n a n a l y z e rv i 和s i n a da n a l y z e rv i 还可以针对多谐波信号进行幅值和频率测 量。 ( 2 ) 时间特征值的l a b v i e w 求取 在信号分析处理中，时阳j 特征值的求取是相当重要的。在l a b v i e 中，t i m i n ga n d t r a n s i t i o nm e a s u r e m e n t sv i 能够直接求出周期信号频率。其参数设置对话框中的可求参 数参见表22 ；参数设置对话框参见型2 4 。 表2 2t i m i n g 明d t r a n s i t i o a m e a s u r e m e n t sv i 盼特征值 t a b l e 2 2 t h ee i g e n v a l u eo f t i m i n ga n d t r a n s i t i o n m e a s u r e m e n t s v i 参数参数舍义参数参数含义 额宰 前置尖头信号 周期过冲 脉冲宽度上升速度 d u t yc y c l e占宅比 丈连交通大学 学硕十学位论文 但是同a m p l i t u d ea n d l e v e l m e a s u r e m e n t sv i 样，在实际应用中，能利用t i m i n ga n d t r a n s i t i o nm e a s u r e m e n t sv i 处理的周期波形并不多见。实际测量中经常使用的是同一模 板下的t r a n s i t i o nm e a s u r e m e n t sv i 、p u l s em c m s u r e m c n t sv i 和a m p l i t u d ea n dl e v e l sv i 这 三个波形v i 柬测量一个波形的瞬态幅值信息、s j l h j 轴信息和类似于峰峰值的参数。 图2 , 4 t i m i n ga n dr r a n s i t i o n m e a s u r e m e n t sv i 参数对话框设置 f i g2 4s e t t i n g so f t i m i n g 皿d t r a n s i t i o n m e a s u r e m e n t sv i 5p a r a m e t e r d i a l o g b o x ( 3 1 信号相位特征值的l a b v i e w 求取 在i , a b v i e w 中实现j l - 弦信号初始相位的求取最简单有效的方式是用t o n e m e a s u r e m e n t sv i ( 其v j 图标为 。实际测量时往往要求取两信号的相位差，这 时，町以先求取两个信号的初始相位，冉将两个初始相位相减。但是，这种计算方法只 有当两个被测信号都是j 下弦信号时，才可以应用。另一种更广泛的方法是先分析两个周 期信号的互谱，找出互谱相位谱图中的周期信号频率所对应的相位值，即两个信号的相 位差。 例如如果要测量两个信号的相位差，可以先将它们送入互谱分析v i ，即可从其 输出端口得到其以弧度为单位的相位谱图。经过相应的v 1 对它进行单位换算和相位反 眷。在处理之前注意，要用基本函数u n b u n d l eb yn a r i l ev i 将簇结构数据类型转换成数组 数据类型。在所，f j 的处理结束后，为了在波形图卜显示谱图的频率信息，再利用b u n d l e 函数将数组类型转换威簇结构数据类型。其具体程序直u 图2 5 所示。 罔 第二章实现振动噪声分析的软件技术 图2 5 两个信号相对相位测量 f i g 2 5t h ep h a s em e a s u r e m e n to f t w or e l a t e ds i g n a l s ( 4 ) 相关分析和卷积运算的l a b v i e w 实现 随机信号x ( ，) 的自相关函数提供了信号在某一时刻，的x 值对其在时刻，+ f 之值依 赖程度的信息。对于稳态随机信号，自相关依赖于时间间隔f 而与绝对时间无关。它的 定义是： 如2l x ( t ) x ( t + r ) d t( 2 1 ) 相关函数在信号分析处理中经常被用作判断信号中是否有周期信号、时延、位置检 测或相关滤波。 实现相关和卷积运算的v i 与前面介绍过的信号处理函数不同，它没有对应的波形 v i ，其实现层次只有c o n v o l u t i o na n dc o r r e l a t i o n v i ( 其v i 图标为：) 和四个基本 函数v l ，其中c o n v o l u t i o na n dc o r r e l a t i o n v i 包括了四个基本函数v i ，为四个基本函数 自相关、互相关、卷积和反卷积提供了一个公用的外壳。 在实际应用测量中，这些v i 的使用还是有一定技巧的。例如，根据自相关定义式 ( 2 1 ) 可知，正弦波信号的自相关波形仍然是正弦波。但是，实际上直接使用高级v i c o n v o l u t i o na n dc o r r e l a t i o n v i 对正弦波求取自相关，得到的却是如图2 6 所示的波形。 很明显，这个自相关的结果是不正确的。这是因为相关卷积v i 计算的是输入所有 数据长度的相关和卷积，因此在计算结果的起点和终点，其值都为零。这种情况在其它 计算软件中也会出现。处理方法是，在实际的相关卷积计算中，设定一个输入信号的长 度远小于另一个输入信号的长度；也可以延长采样时间，尽可能多地采集信号周期，重 新设定x 轴的范围，这些都有利于使计算的结果更趋近于实际值，如图2 7 所示。模拟 信号的相关程序设计如图2 8 所示。 磷删，移：融 _ 人连交通人学l 学碗t 学竹论文 批 ：o 咖 一仰 i v - i26 直接使v i 得到的波形 f i g2 6 t h e e o b t a i n e du s i n g t h ev id i r e c t l y s - 】一l s v 1 l ；一 h27 加i 修改v l 后得到的波形 f i g2 7 w a v eo b t a i n e da r e r t h e v i m o d i f i e d 刚28 口相戈程序设“ f i g2 8t h e d e s i g no f a u l 眦0 n t 】m l o “p r o g r a m 第二章实现振动噪声分析的软件技术 ( 5 ) 越限检测的l a b v i e w 实现 越限检测主要是对测量信号进行幅度检测，以提供越限报警信息。其实现原理其实 网 就是简单的幅值比较。越限检测v i ，m a s ka n dl i m i tt e s t i n g v i ( 其v i 图标为：匕) 就是在此原理的基础上，集成报警界限定义和报警信号输出的功能，其输出变量的含义： 被检测的信号( t e s t e ds i g n a l s ) ：包括报警界限、被测试信号、检测出来的越限信 号的信息； 逐点评估信息( p o i n te v a l u a t i o n ) ：输出信号每一点的越限检测结果； 检测通过( p a s s e d ) ：如果该值为真，则被检测的信号在设定的范围内，利用这个 输出量可以在其值为假时报警。 这个v i 可以应用在后面的轮椅运动状态监视中，并通过s q u a r el e d 控件加以状态 显示。也可以设计一个c o l o rb o x 色块，通过给r g bt oc o l o r v i 三个输入值设置不同的 参数即可自定义三种输出颜色。应用c o l o rb o x 色块的好处是可以对三种不同情况进行 不同颜色的显示，这是s q u a r el e d 控件无法做到的。 2 3 1 2 振动噪声信号的l a b vie w 频域分析v l ( 1 ) f f t 在l a b v l e w 中的实现 f f t 是功率谱、互谱、频率响应函数、相关函数等经典频域分析的基础。利用它可 以直接对长度为的离散数据序列进行d f t 变换。在计算机程序中，往往只有f f t 子 程序或函数，而没有d f t 子程序或函数。 对一个连续信号作f f t ，一般按以下步骤选取参数： 估计x ( ，) 的截止频率厶。或按所需的最高频率对x ( ，) 做低通滤波，在本课题中又 设计了利用小波理论去噪的程序以供实际应用时选择； 估计所需的频率分辨率领。由于f f t 得到的是离散频谱，相邻两谱线间的频率 间隔矽必须小于锁，才能分辨出x ( t ) 中相邻的两频率峰值； 1 确定采样间隔a 或采样频率4 ( z x 去厶科或z 2 f 戤) ； z 确定x ( f ) 的一个样本的最小采样长度m 妯( k = 只矗) ) ； 对以2 为基的f f t ，按2 的整数次幂及n k 圆整采样点数。 由此确定的采样间隔和采样长度将保证f f t 后无混叠误差产生，且谱线问隔 矽= ( i ( n a ) ) s t f t p o w e r f r e q u e n c ye s t i m a t e u i 。 求功率谱的峰值和对应频率 出。山 、二， 2 4 虚拟仪器l a b v i e w 的m a t l a b 调用 课题需要多次应用小波理论进行信号分析。n i 公司也提供了一个外挂的s i g n a l p r o c e s s i n gt o o l s e t 商品软件工具包，该工具包内有联合时一频分析、精密谱分析、数字 滤波器设计和小波与滤波器设计几个组件。但是这个工具包并不免费，需要向相关公司 购买。除此工具包外，l a b v i e w 还提供分解层数为6 的“d b 4 小波变换函数v i ，但这 一功能固定的v i 用途实在有限，根本无法满足实际信号的分析应用。为节约成本，课 题借助m a t l a b 语言，将小波变换理论应用到实际的测试分析系统中去。 2 4 1 虚拟仪器l a b v ie w 与m a t l a b 的调用概述 m a t l a b 一词来源于m a t r i xl a b o r a t o r y ，本意是矩阵实验室。它是美国m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套非常优秀的数学工具软件“演算纸 式的程序设计语言。 现在，m a t l a b 以其强大的科学计算功能、大量稳定可行的算法库，已经成为数学计 1 6 第二章实现振动噪声分析的软件技术 算工具方面的标准。事实上，m a t l a b 语言的设计思想已经代表了当前计算机高级语 言的发展方向。 m a t l a b 提供强大的矩阵运算和图形处理功能，编程效率高，几乎可以为所有的 工程计算领域提供准确、高效的工具箱。这正好弥补了l a b v i e w 因工具箱有限造成的 各种算法支持不足，从而无法在大型应用程序上进行快速开发的缺点。而m a t l a b 的 不足之处也很多，例如界面开发能力较差，并且数据输入、网络通信、硬件控制等方面 比较繁琐。而m a t l a b 这些不足之处恰好又是l a b v i e w 软件开发的优势。两者各有 缺陷，如果利用m a t l a b 功能强大的算法库，实现l a b v i e w 和m a t l a b 的混合编程， 可以充分发挥两者的优势，共同开发出更具智能化的虚拟仪器。这些新开发出的智能化 的虚拟仪器将会在诸如故障珍断、专家系统、复杂过程控制等方面大展身手。 在混合编程中，通常用l a b v i e w 设计用户使用界面，负责数据采集和网络通信， m a t l a b 在后台提供大型算法供l a b v l e w 调用。 l a b v i e w 之所以可以调用m a t l a b 是因为m a t l a b 支持a c t i v e x 自动化技术。 a c t i v e x 自动化是基于组件对象模型c o m ( c o m p o n e