（机械制造及其自动化专业论文）基于labview的单圆盘转子系统不平衡振动分析.pdf

摘要 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。 在测试仪器方面，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，仪器逐渐进入到虚拟仪器时代。 为适应现代化动平衡的需要，提高测试精度，本文将虚拟仪器技术、数字信 号处理技术结合起来，利用图形化编程软件l a b v i e w ，针对多功能柔性转子试验台， 组建开发了基于l a b v i e w 的不平衡振动分析系统。本文利用相关原理对采集到的 数字信号进行分析处理，提高了测试结果的精确度和稳定性；并利用肖维纳误差 处理方法，对不平衡振动的峰值进行了取舍，求取峰值的平均值：利用多次相关 法有效的抑制干扰信号的影响；对实际的基准信号进行了分析? 利用内嵌m a t l a b 程序的l a b v i e w 语言生成了相关分析所需的与基频信号频率相同的脉冲信号；求 得不平衡振动相位的准确值，解决了动平衡中的核心问题。本文还利用了多种数 字信号处理方法分析处理采集到的数字信号，如；设计了数字滤波器，对信号进 行频谱分析最后，通过本系统对仿真信号计算分析，验证了系统分析的准确性。 关键词动平衡；虚拟仪器；图形化编程；数字信号处理；相关分析 a b s t r a c t i th a sb e e np r o v e dt h a tu n b a l a n c ed e f e c to fr o t o ri so n eo ft h em a i nr e a s o l l st h a t c a l l s et h ev x 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 eo nt h er o t o ri s n e e d e di ni t sm a n u f a c t o r ya n du s e n o w , i nt h ef e l do f t e s ti n s t n a r 脚t s ，w i t hc o m p u t e rb e i n gi n t r o d u c e di n t oe l e c t r o n i c m e a s u r e m e n tf i e l d , t h ev i r t u a li n s t n u m m t so n ) ，c o m p u t e ra c q u i s i t i o nt e s ta n a l y s i s i n s t r m 劬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 fd 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 ft h e m e a s u r er e s u l t , t h i sp a p e rc o m b i n et h et e c h n i q u eo fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt h e t e c h n i q u eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g , a i m e da tm u l t i - f u n c t i o n a lf l e x a b l er o t o rt e s t - b e d , o r g a n i z et h es y s t e mo fu n b a l a n c ev i b r a t i o na n a l y s i sb a s e do ng r a p h i c a lp r o g r a n a n i n g l a n g u a g c - - l a b v i e w t h i sp a p e ru s ec o r r e l a t i o na n a l y s i st od j s p o s et h ed 涎i t a is i g n a l a c q u i r e dt h r o u g ht h es e n s o t 葛i no r d e rt 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 ， t h ea u t h o ru t i l i z et h ec h a u v e n e tr u l et ow i p eo f f i r r e g u l a rp e a ka n dc a l c u l a t et h ea v e r a g e o fr e g u l a rp e 如u s em o r et i m e sc r o s s c o r r e l a t i o na n a l y s i st or e s t r a i nt h ea f f e c to ft h e u n e x p e c t e ds i g u a l t h ea u t h o rd i s p o s et h ea c t u a lf i d u c i a ls i g n a l ，c r e 缸ci m p u l s es i g n a l n e e d e db yc o r r e l a t i o na n a l y s i si nt h ee q u a lf r e q u e n c yw i t hf i d u c a ls i g u a lu s i n gt h et o o l o f l a b v i e wm i x e dw i t hm a t l a b t h e p a p e r c a l c u l a t et h ee x a c t l yp h a s eo f u n b a l a n c e v i b r a t i o nt os o l v et h ee s s e n t i a lp r o b l e mi nt h ed y n a n 1 i cb a l a n c e ，w h i c ha l s ou s es e v e r a l k i n d so f s i g n a l p r o c e s s i n g m e t h o d t oa n a l y z e t h es i 目1 a l ，s u c h a s ，d i g h a l f i l t e r , f r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s ，c t c i nt h ee n d , t h ep a p e rt e s tt h ea c c u r a c yo ft h es y s t e mt h r o u g h d i s p o s i n gt h ei m i t a t e ds i g u a lg e n e r a t e di nl a b v i e w k e yw o r d s ：d 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 l s i 蓼l a lp r o c e s s i n g ，e r o s s c o r r e l a t i o n ， 立进 原创性声明 声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 王营、 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：玉整!导师签名：当：坌堡日期：! 堕：垦! j 第1 章绪论 1 1 课题背景 旋转机械是机械设备的重要组成部分，如大型石油、化工，电力、冶金等行 业的汽轮机、发电机、鼓风机、压缩机、电机、泵等都是典型的旋转机械，它们 以转子及其它回转部件作为工作的主体，是企业的核心设备，一旦发生事故，将 造成巨大的损失，严重时甚至会导致机毁人亡随着科学技术的进步与发展，设 备的性能越来越好，功能越来越多，结构越来越复杂，自动化程度也越来越高； 同时人们对设备安全、稳定，长周期、满负载运行的要求也越来越迫切只有采 用现代化的手段，及时掌握设备的运行状态，才能预防故障，杜绝事故，延长设 备运行周期，缩短维修时间，最大限度的发挥设备的生产潜力，提高经济效益和 社会效益。这就对设备管理提出了更高的要求，这是新形势下设备现代化管理与 故障诊断领域面临的新的机遇和挑战所以，必须把旋转机械的故障识别与诊断 技术引向深入，使其在现代化设备管理过程中发挥越来越大的作用 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“1 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 所谓平衡嘲，是根据转子支承系统的动力学特性，并通过测量转子支承系 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“1 是减少转子的挠曲、减少机器的振动以及减少轴承反力。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、可靠的运行 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，对平衡的要求也日益严格 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、发展并且日益成熟起来 到目前为止，动平衡技术大致分为三类啪：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 工艺平衡法矿耵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，该法特别适合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 领域发挥着相当重要的作用，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 所谓整机动平衡技术哪嘲，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。早在 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，但是由于电测水 平低，平衡效果比较差到了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 年日本的明日和彦叫提出现场动 平衡法的概念，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 年王汉英在其著作嘲中对现场平衡做了较为详 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己推 广应用于风机和各类离心机以及其它各种旋转机械，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 自动在线平衡嗍是指在转子运转过程中，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，故只适用于特大型机组或精度要求特别 高的旋转机械设备，以及无备用机和长期连续运转的机组。 1 3 动平衡测试技术 转予系统的动平衡测试技术主要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1 - 1 所示： l 测振传感器h ；鄹嬲理应路h 信号分析卜一结果输出i i j - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一i - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - _ _ - _ _ _ _ _ _ 一 图1 - 1 动平衡测试简图 1 3 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) “”按所选坐标系的不同，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 2 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、压电式加速度传感器、电涡流式位移传感器等几种 1 3 2 基准信号的获取 在旋转机械的振动测量中，经常为测量转速及求取相位而需要再设置一个基 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，在转轴上贴一薄铁片，利用电涡流传感器感应出电脉冲；其二，在 转轴上钻一个几毫米深的孔( 或开一条几毫米深的键槽) ，通过电涡流传感器测量 得到脉冲信号 本课题利用第二种方法得到基准信号为了不增加转轴的不平衡量，在圆盘 上钻了两个对称的孔，通过传感器得到两倍于转轴转动频率的脉冲信号，再对此 脉冲信号进行分析处理，得到需要的与转轴转动频率相同的基准脉冲信号，分析 处理方法见本文第五章基准信号测量图示如1 - 2 所示： 安 图l - 2 基准信号测量 1 3 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，有很多形式，如高频振荡器、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，仅需要与转速同频的基频信号，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 3 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，测得的振动信号与基准信号经过 3 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1 还要通过仪 器的硬件或软件做进一步的处理，如频谱分析、滤波、相关分析以及大量的数值 运算等等最后得到不平衡振动信号的幅值、相位等最终结果 1 3 ，4 1 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“1 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，并准确的确定其幅值与 相位。基频检测是整个动平衡测试系统的核心 1 3 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 谱分析功能是系统的基本功能之一 一 一 一一 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角度来看，如果频谱中基频 成分较大，即可说明振动故障主要由不平衡量引起的，可通过动平衡方法予以排 除否则，动平衡方法则不适用 1 4 振动测试技术的发展 作为机械振动与分析技术一个重要方面的动态信号分析技术，在各行各业得 到了广泛的应用，尤其是在振动，冲击、噪声工程都得到了突飞猛进的发展，动 态测试技术日新月异，并在科研，数学特别是工业上得到了广泛的应用。着眼未 来，动态测试技术面临者新的挑战和机遇动态信号分析技术的发展史是技术不 断创新的历史，它经历了三次大的浪潮m l ； 第一次浪潮( 1 9 6 7 “1 9 7 6 ) ：首台f f t 分析仪问世，并成功应用于动态信号分 析和振动实验 1 9 6 7 年l o 月美国t i m e d a t a 公司研制成功了世界上第一台基于傅立叶变换的 f f t 分析仪它是动态分析历史上的一大突破，并很快在动态信号分析中获得了应 用1 9 7 2 年该公司又推出了基于小型计算机p d p i i 的t i m e d a t a l 9 2 3 型f f t 分析 仪在此期间独立开发出f f t 分析仪的还有美国的n e c o l e t 和s d ( s p e c t r u m d y n a m i c s ) 公司。s d 公司在1 9 6 5 年成功研制出基于跟踪滤波器的传递函数分析仪。 之后于1 9 7 5 年推出了基于f f t 的数字信号处理仪s d 3 6 0 在第一次浪潮中还有两 项技术发展值得一提：一是职公司开发的细化( z o o m ) f f t 技术；一是g e n r a d 公 司研制的时序语言( t i m es e r i e sl a n g u a g e ，t s l ) 编程系统。t s l 成为后来包括 模态分析和振动控制在内的信号分析应用的核心。 4 第二次浪潮( 1 9 7 7 。1 9 8 6 ) ：大批独立仪器式f f t 分析仪涌现，并在振动、冲 击、噪声等工程领域获得广泛应用 第三次浪潮( 1 9 8 7 1 9 9 6 ) = 多通道、高性能动态信号分析系统推出并广泛应 用于航天、航空、汽车、土木等复杂工程结构动态分析与设计，p c 仪器化使动态 信号分析在工业界进一步普及为满足大型、复杂结构动态测试的需要，以及高 性能计算机工作站的出现，使多通道动态信号分析系统应运而生这类系统的特 点是由模块化“前端”完成数据采集和f f r 等信号分析，通过标准总线与计算机 相连，通过计算机进行测量、控制，以及二次信号处理和进一步分析( 如振动模 态分析) 而且，在第三次浪潮中，不仅各类型的动态分析仪有了长足的发展，并 在各领域中大显身手，而且在动态信号分析方法上也有了新的突破与此同时， 由于计算机技术一日千里的发展，用微机进行数字化动静态测试分析的理想终于 成为现实，“虚拟”仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 和卡泰仪器( c o m p u t e r a c q u i s i t i o n t e s ti n s t r u m e n t s ) 应运而生，并成为国内外测试技术界和仪器制造界十分关注的 热门话题虚拟仪器技术的开发和应用的活跃源于1 9 8 6 年美国n i 公司设计的 l a b v l e w ，它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟 仪器的概念国内于1 9 8 5 年由c o i n v ( 东方振动和噪声技术研究所) 提出了p c 卡泰 ( p c c a t a i ) 微机卡式采集测试分析仪的概念，并推出了d a s p ( 达世普) 软件( d a t a a c q u i s i t i o n s i n g a lp r o c e s s i n g ) 本文所研究的不平衡故障的检测即是利用虚拟仪器来完成的，在下章中，作 者详细介绍了虚拟仪器的概念及特点 l5 本课题的研究意义及主要完成的工作 虚拟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的即插即用( p l u g & p l a y ) 化等方向发展现 在，虚拟仪器在国外已经开始广泛的应用于航天航空、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l q l q , j 起步阶段，实验室研究、教学仍占较大 的比重，应用深度还很不够因此，为适应现代动平衡测试的需要，本文将虚拟 仪器技术，数字信号处理技术结合起来，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，组建了基于l a b v i e w 的分析系统 基于对国内外学者在与本课题相关领域的研究分析，针对本课题的要求和所 5 具备的试验条件，作者利用理论与试验相结合的方法，深入研究了信号分析中的 相关运算，并利用此运算提取由质量偏心引起的不平衡振动信号中基频的幅值和 相位，解决了转子支承系统动平衡中的核心问题。 总的来说，作者主要从事了以下方面的工作 ( 1 ) 针对实际情况，对课题进行了分析；对虚拟仪器和图形化编程语言 l a b v i e w 做了简要介绍 ( 2 ) 分析基准信号和振动信号，理论上推导了基频信号幅值、相位的求法； 利用肖维纳误差准则对由于采样误差造成的不合格峰值进行剔除，通 过求平均峰值的方法提高幅值计算精度；利用多次相关法去除干扰信 号对计算结果的影响 ( 3 ) 设计试验，对试验仪器进行了标定一一一一一 ( 4 ) 利用图形化编程工具l a b v i e l r 编制了双通道数据采集、数据存储及读 取、频谱分析、数字滤波等模块；对本课题产生的叠加在振动信号上 的两倍于基频频率的基准信号进行分析处理，构造了课题需要的与基 频频率相同的基准脉冲信号；在此基础上利用相关原理进行运算，计 算出不平衡振动的幅值和相对于基准信号的相位差 ( 5 ) 设计了仿真信号试验检验幅值、相位的计算误差。 6 第2 章虚拟仪器概述 2 1 虚拟仪器的概念 在计算机领域中，以“虚拟”开头的名词很多，例如“虚拟现实气“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“i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v 1 ) ，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 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，用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，就像操作自己定义、设 计的测试仪器，从而完成被测试量的采集、分析、判断、显示、数据处理耵。 虚拟仪器的思想，可以先从仪器的基本功能入手进行分析。 所有的测量仪器的功能可由。数据采集”、“数据分析”、“结果输出显示”三 大部分组成“叮在这三大功能中，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，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 - 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，可以方便的由 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，就能简单的构造出新的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， 形象的概述了软件在v i 中的重要作用 虚拟仪器这一思想的实现，得益予以下科学技术基础：c “ ( 1 ) 处理器技术的快速进步，使得计算机的处理能力一直按指数率提高； 其性价比不断上升，使微机应用得到普及。 ( 2 ) 数字信号处理技术( d i 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 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 ) 对象技术、可视化程序开发语言在软件中的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、 9 日络化的方向发展。v i 技术研究现已经成为电子测量和计算机测试控制的前沿课 题“。 2 2 虚拟仪器的组成 从构成要素上讲，v i 系统的基本构成如图2 一l ( 1 ) 功能软件：用于编程、测试和分析。 ( 2 ) 计算机及其附件：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。图2 - iv i 系统的基本构成 ( 4 ) 传感器及前置抗混滤波放大器：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公式来表达就是： 虚拟仪器= 计算机及其附件+ 必要的硬件。 2 3 虚拟仪器的种类 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 q 测试系统，以6 p i b 、r ) 【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 ) 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a d 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 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它的出现使电子 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i z 卡可带1 4 台仪器，电 缆长达2 0 米 ( 4 ) 、) ( i 总线方式的虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线v 艇总线在v i 领域的扩展，它具有稳 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，得到广发应用，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， 增加了多板同步触发总线的参考时钟，用于精确定时的星型触发总线， 以及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 接桥技术，可扩展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 综上所述，g p i b - v x i - - p x i 总线方式，适合大型高精度集成系统，而p c 插 卡式寸并行口式专串口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 无论那种v i 系统，都是将仪器硬件搭配到笔记本电脑、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 2 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，最大限度的提供多平台能力和可扩展性，提高软件的可 重用性及迸一步标准化，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 技术厂商 成立了v x i 总线即插即用联盟( v x i p l u g & p l a ys y s t e ma l l i a n c e ) 。1 9 9 4 年又接纳 职公司为其成员v x i 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l o 个章节魄1 ： 9 表弘1v p p 规范 标准代号标准名称 v p p _ 一l v p p 系统联盟章程 v p p - 2v p p 系统框架技术规范 v p p - 3 仪器驱动程序技术规范 p q 标准的软件输入输出接口技术规范 、，p p 5v x i 组件知识库技术规范 v p h包装和安装技术规范 v 1 卜7软面板技术规范 、，p p 8v x i 模块主机机械技术规范 v p h仪器制造商缩写规则 v p p - - i o 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 2 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嘲： i o 接口软件 存在于硬件和驱动程序之间， 是最接近硬件的软件层，完成对硬 件内部寄存器单元进行直接存取数 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 统一的虚拟仪器系统的基础。 驱动程序层： 应用程序开发环境 驱动程序 li ，o 接口软件 图2 - 2 虚拟仪器软件组成 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 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 0 - 2 6 虚拟仪器的编程软件 按照测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 形化两种洲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 i l 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 ，呻公司的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，作为通用的编程 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 始予n i 公司1 9 8 6 年推出的l a b v i 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。 2 7 面向仪器与测控过程的图形化开发平台一l a b v i e w l a b v i 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 室虚拟仪器工作平台) 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 l p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ) 的可视化开发平台嘲 2 7 1g 语言编程 l a b v i e w 是为代替常规的b a s i c ，c 等语言设计的，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2 3 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；右边的为功能面板( 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 + + 等传统的文件式编程不同，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，然后用连接线把 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川埘 2 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瞄】m 1 ： 图形化的仪器编程环境： 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，针对测试、铡量，以 图2 - 3l a b v i e w 的前面板和功能面板 及过程控制等领域，l a b v i e w 提供了面板上所必需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3 2 位应用程序，解决了其它按解释方式工作 的图形编译平台速度慢的问题，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交化 功能强大的函数库 l a b v l 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有需要的函数 支持多种系统平台 l a b v l 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 它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 c 等功能。 1 2 2 8 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器的比较如下表2 _ 2 乜订 表2 - 2 传统仪器和虚拟仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 关键是硬件关键是软件 开发维护费用高开发与维护的费用低 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 不易与其它设备连接与其它设备极易相连 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，能够更迅速、更经济、更灵活的解决测试问题。 2 9 本章小结 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，仪器逐渐进入到虚拟仪器时代本章主要阐述了虚拟仪器的概 念、组成、种类，并对比了传统仪器与虚拟仪器，虚拟仪器作为传统仪器的替代 品，市场容量大，具有广阔的发展前景；本文还介绍了图形化编程软件l a b v i e w ， 着重阐述了其灵活性、易用性特点本课题即利用先进的编程语言l a b v i e i r 编制 了系统的各个模块，构建了价格低廉，可重用性强的虚拟测试仪器 1 3 第3 章信号基频分析 旋转机械上无论是轴承、转子轴或其它有关部件，其振动波形一般说来不是 纯粹的正弦波，而是各种频率成分的合成波形这一合成波形中，除了频率等于 转速的基频成分只外，可能还含有2 x r 、3 x r 、4 x r 等倍频成分；频率接近于土且 2 的亚倍频成分；频率等于某阶临界转速的成分；具有一定带宽的随机振动成分等 等“ 旋转机械振动信号分析与处理的最基本和最重要的内容，就是从合成波形中 检测出基频信号，并准确的测定其幅值与相位基频检测的重要性是因为旋转机 械的许多振动问题研究都是与基频有关由质量不平衡引起的振动是基频振动 因此，在进行不平衡量的研究时，要准确的测定基频的幅值与相位 在本课题的试验过程中，需要通过数据采集卡采集系统基准信号和转轴的振 动信号，进而计算出基频的幅值和相位 3 1 旋转机械振动中相位的含义 在旋转机械中，相位有其特定的明确的含义，它是指基频信号相对于转轴上 某一确定标记的相位差所以，稍有不同于一般的两正弦信号的相位差的含义 这是由旋转机械的特点所决定，因为我们总希望把基频振动与转轴联系起来 设有转轴如图3 - 1 所示，在轴上某一确定位置d 我们做一标志线另在固定平 面上选一确定位置( 比如水平位置或 垂直位置) o 。每当轴转动至o 与o 重 合时给出一标记信号脉冲这一脉冲 信号即作为相位的参考脉冲信号，如 图3 - 2 所示。然后我们将任意测点的 经过滤波后的基频信号描绘在同一 时间轴上这样，我们就可以按参考 脉冲信号来定基频信号的相位一般 由于仪器不同或要求不同有四种相 位的提取方法，即 9 + ，正峰点相位； 礼，负峰点相位； 1 4 图3 - 1 相位参考标记 纯，正斜率过零相位； 纯，负斜率过零相位； 无论何种取值方法，相位妒总是指落后角比如正峰点相位吼，是指参考脉 冲后面第一次遇到的波形正峰点所对应的角度余类推。伊角一般虽然用0 。一3 6 0 的正值表示，但指的是落后角。进而，我们可以在转轴上找到四个对应点：n ，s ， 见，( 图3 一1 ) ，这样，当n 点转到固定标记。时，振动信号正处在正峰点。同 样当转至固定标记。时，振动信号正处在负斜率过零点，见图3 - 2 上的转轴位置。 心 ”、。一 妙k n妙泣l 岁 r 。 7 ：、 o k 、 q ： 毒f ： ，一 、 一， 一 4 ，。 一 i 一 o 2 lq t 圈3 - 2 各种相位角定义的对应位置 在测量转轴的径向振动时，有时还引用“高点”一词所谓“高点”是指轴 上某一点，当这点转至测点位置时，振动正好在正峰点由图3 - 3 设。为固定标记， 矿为涡流传感器测点当o 与。重合时，我们自测点矿逆时针转过一妒角得到“高 点”日按前面关于相角的含义，当以转至固定标记。时，振动正处于正峰点， 此时“高点”日恰好在测点矿处 在本课题中，实验台的圆盘上有径向的两个对称的孔，用传感器头对准圆盘 的径向，当小孔转过传感器时，就会产生一个负脉冲信号根据孔的大小，参考 脉冲也有一定的宽度，这时，相位的取值需指明是以脉冲前沿或后沿触发为参考 触发一台完善的滤波器都设置有这两种触发，以供选择。当脉冲的宽度相对一 周期甚小的话，以前沿或后沿触发作为参考就无差别曙叮 旷、厂 v l i i 匕 q t 图3 - 3 轴振动对应的高点h 一一3 2 基频信号的组成成分 本课题中采集进来的信号主要有两种一种是振动信号x ( f ) ，一种是基准信号 y q ) 3 2 1 基准信号 基准信号波形较为简单，为一脉冲信号，频谱上成分比较复杂，除了基频信 号外，还有很多倍频成分 在一段时间【o ，川内对基准