基于Labview的动平衡测试系统设计

1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 机 电 工 程 系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生： * * * 指导教师： * * * 完成日期 2009 年 6 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 基于 labview 的动平衡测试系统设计 design of dynamic balance testing system based on labview 总计：毕业设计（论文）27 页 表 格：2 个 插 图：21 幅 基于 labview 的动平衡测试系统设计 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 基于 lab

2、view 的动平衡测试系统设计 design of dynamic balance testing system based on labview 学 院（系）： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： * 学 号： * 指 导 教 师（职称）： *（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2009 年 6 月 南阳理工学院 nanyang institute of technology 基于 labview 的动平衡测试系统设计 基于 labview 的动平衡测试系统设计 机械设计制造及其自动化 郝朝增 摘 要 旋转机械在制造和使用过程中,转子的动平衡测试很关键,

3、本文 的设计内容主要是转子的动平衡测试系统,该测试系统由硬件和软件两部分组成。 硬件部分由转子实验台、光电传感器、电涡流传感器、调速器、采集仪等组成, 软件部分利用图形化编程软件labview编写相应的程序实现测试系统的显示功能。 用虚拟仪器实现的动平衡测量，提高了测试精度,降低了成本，缩短了设计时间， 同时也方便仪器的进一步设计和改进。 关键词 动平衡；虚拟仪器；图形化编程；转子； design of dynamic balance testing system based on labview mechanical design ,manufacturing and automation

4、major hao chao-zeng abstract：rotor dynamic balancing test of rotating machinery is qiute important during the process of manufacturing and using, the main content of this paper is the design of the rotor dynamic balance test system, this system is consist of hardware component and software component

5、. the hardware component includs the rotor test-bed , photoelectric sensors, eddy current sensors, governor,acquisition card etc. the software component could achieve the display function of the test system through the programs prepared by the graphical programming software of labview. using virtual

6、 instrument to achieve dynamic balance measurement, improve the test accuracy, reduce the cost and shorten the time using in design, at the same time this system facilitats the further design and improvement of the test instruments. key words：balancing; virtual instrument; graphical programming; rot

7、or; 基于 labview 的动平衡测试系统设计 目目 录录 1 动平衡概述及虚拟仪器介绍.1 1.1 不平衡原因 .1 1.2 平衡原理 .1 1.3 动平衡技术发展 .1 1.4 动平衡测试技术分析 .2 1.4.1 振动测试 .2 1.4.2 基准信号的获取 .2 1.5 信号的预处理 .3 1.6 虚拟仪器介绍 .4 1.7 labview的特点 .4 2 系统总体设计.5 2.1 系统要求 .5 2.2 系统要素的配置 .5 2.2.1 计算机的选择 .5 2.2.2 试验仪器配置 .6 2.2.3 传感器及其信号预处理装置的配置 .6 2.2.4 预处理部分 .7 2.2.5 a

8、/d 转换设备.7 2.3 虚拟仪器软件平台 .7 2.3.1 信号获取层 .7 2.3.2 信号分析层 .8 2.3.3 测试管理层 .8 2.4 系统总体机构 .8 2.5 单校正面动平衡 .9 3 硬件设计.9 4 信号的处理与分析.11 4.1 信号的分析计算 .11 4.1.1 基准信号 .11 4.1.2 振动信号 .11 基于 labview 的动平衡测试系统设计 4.2 信号基频分析 .12 4.2.1 相关函数 .12 4.3 幅值相位的求法 .12 4.4 转速计算 .14 5 虚拟仪器软件系统设计.15 5.1 虚拟仪器概述 .16 5.2 虚拟仪器面板设计 .17 5.

9、2.1 动平衡测试前面板设计 .17 5.2.2 动平衡测试程序板设计 .17 5.3 数据采集程序的设计 .19 5.4 数据计算程序设计 .21 5.4.1 计算子程序 .22 5.5 波形显示程序设计 .23 5.6 测量调试 .23 结束语.25 参考文献.26 致谢.27 基于 labview 的动平衡测试系统设计 1 1 动平衡概述及虚拟仪器介绍 1.1 不平衡原因 不平衡，是由于转子质量分布不均，转子旋转产生离心力所引起的振动或 运动作用于轴承时，该转子所处的状态。不平衡包括轴向和径向两个方向的质 量分部不均。 1.2 平衡原理 刚性转子的动平衡原理是在转子上加配重，使配种产生的

10、离心力与转子原 有的平衡量产生的离心力抵消；或者是找出转子不平衡量位置和大小，再在该 位置去掉不平衡量，使原不平衡的离心力等于零。 平衡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。 1.3 动平衡技术发展 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

11、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，静平衡己不再适应 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 平衡领域发挥着相当重要的作用，但是

12、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 基于 labview 的动平衡测试系统设计 2 所谓整机动平衡技术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20 世纪50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80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。1980年日本的明日和彦提出 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

13、而引起了人们的重视。1988年王汉英在其著作概中对现场平衡 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 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。 1.4 动平衡测试技术分析 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。不平衡量的大小和相位只有振动信 号是无法取得，振动信号分析处理的最基本和最重

14、要的内容，就是检测出基频 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。通过基准信号与 振动信号的相关用算最终得到不平衡的大小和相位。如图1-1所示 1.4.1 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

15、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、压电式加速度传感器、电涡流式位移传感器等几种。本课题选用电 涡流是传感器 对振动信号进行测量。 1.4.2 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 基于 labview 的动平衡测试系统设计 3 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; 图1-1动平衡测试简图 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1-2所示。本 课题利用第二种方法得到基准信号。为了

16、减少增加转轴的不平衡量，操作相对 方便。 图 1-2 反射式光电传感器测试图 1.5 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

17、应 测振传感器测量预处理信号分析 测基频传感器测量预处理信号分析 结果处理 基于 labview 的动平衡测试系统设计 4 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。 1.6 虚拟仪器介绍 labview(laboratory virtual instrument engineering workbench，实验 实虚拟仪器工作平台)使美国国家仪器（ni）公司开发的一种基于g语 （graphical programming language）的可视化开发平台 labvi

18、ew是为代替常规的basic，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，labview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。 labview的编程环境包括两个面板，图中左面的是前面板，用于编制虚拟仪 器的软面板;右边的为功能面板，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，labview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fft运算，只需从函数库中，调出fft子vl

19、(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” 1.7 labview的优点 labview软件的特点可以归纳为以下几点： 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、测量，以及 过程控制等领域，比labview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。 2）内置的程序编译器： labview采用编译方式运行23位应

20、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。 3）并行机制： labview 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。 基于 labview 的动平衡测试系统设计 5 4）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。 5）功能强大的函数库： labview 提供了大量现成函数供用户直接调用，从底层vxl、gpbi、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

21、库，覆盖了仪器设计中几乎所有需要的函数。 6）支持多种系统平台： labview 提供了dll接口和cin接口，使用户在labview平台上能调用其 它软件平台编译的模块，提供对ole的支持。 7）网络功能： labview 支持tcp/ip，dde，iac等功能. 2 系统总体设计 2.1 系统要求 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: 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

22、不少于150 点，因此，对于转速在0-10000转i分的转子及回转机械，即采样频率在0-25khz 以上。 精度要求: 对于动平衡测试来说要保证测试的准确性,尽量减少测试误差,系统稳定性 好. 界面友好，操作简便: 为适应新的要求，本文开发的基于虚拟仪器的动平衡仪器，力求做到精度 更高，操作更容易，界面更友好，携带更方便，外性更美观。本测试系统的软 件功能模块主要对振动的幅值、相位差、和转速进行测试。 振动的检测与分析： 基于 labview 的动平衡测试系统设计 6 振动的检测与分析，包括各种时域，频域，功率谱，倍频等分析，只有机 械故障诊断分析等功能。 2.2 系统要素的配置 2.2.1

23、计算机的选择 便携式的笔记本电脑一台用于检测与软件设计。 2.2.2 试验仪器配置 采用inv1612型多功能柔性转子试验系统主要有两部分组成，系统组成如图 2-1所示： 1. inv1612t型多功能柔性转子试验台及各种振动传感器 2. inv306u型采集分析系统 此外还选择了inv多功能虑波放大器，对信号进行滤波和放大处理，获得更 好效果。 图2-1 inv1612型多功能柔性转子试验台 2.2.32.2.3 传感器及其信号预处理装置的配置 测振传感器 应用于振动测量的传感器有多种，本文主要使用以下传感器。 电涡流式位移传感器 这种传感器精度高，属非接触式，需要前置预处理装置和电源。尽管

24、电涡 流传感器的电路复杂、成本较高，但是由于它在测量时不必接触被测物体，因 此近年来在回转机械振动参数的测量中得到越来越广泛的应用，如碟式分离机 振动信号的获取即采用此传感器。 基准信号的捕获 本课题中采用在转轴上贴反光材料，利用光电传感器感应出电脉冲，来获 取基准信号的方法 传感器的安放和转速的选择 基于 labview 的动平衡测试系统设计 7 整机动平衡的一个很重要的问题是测点的选择，通常为了达到最佳的整机 平衡效果，将测点选择在能准确和灵敏的反映转子不平衡引起振动的那些位置。 由于转子不平衡产生的离心惯性力和惯性力矩，首先传到轴承上，再通过轴承 传到机身上，故一般测振点大多选择在轴承的

25、位置，当在轴承处测振发生困难 或由于其他原因不能在轴承处测量时，选择接近轴承的位置. 由于测得的振动值与转速有关，特别是在临界转速附近，转速的微小变动， 不但会明显的影响所测振幅的大小，还会影响所测得的相位，所以不宜在临界 转速附近进行。为了获得准确的测试结果，通常希望将平衡转速选择在振幅和 相位都比较稳定的那个状态。 2.2.4 预处理部分 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

26、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。 2.2.5 a/d转换设备 ad转换器将模拟量转变为数字信号，送入虚拟仪器软件包进行分析 处理，显示出不平衡量的大小和相位。 2.3 虚拟仪器软件平台 有了必要的硬件之后，虚拟仪器系统

27、的关键还是软件的设计。 当今的软件的开发方式正在向多层次应用结构发展。一般情况下，由于涉 及硬件的控制和操作，自动化测试测量系统的软件层次化结构更为明显。着眼 于面向测试过程和测试对象的设计思想，本文根据与硬件的相关程度，将软件 系统大致分为三个层次: 测试管理层 基于 labview 的动平衡测试系统设计 8 信号分析层 信号获取层 2.3.1 信号获取层 从层次位置上来说，信号获取层是最接近硬件的软件层次;从层次的作用上 来说，信号获取层提供原始的数字信号，以供上面的信号分析层迸行信号分析。 2.3.2 信号分析层 简单的说,信号分析层的作用，就是软件化了的各种仪器。 本层位于数据获取层和

28、测试管理层之间，可以调用信号获取层模块，也可 以被测试管理层所调用。信号分析层与硬件无关，只对获取的数字信号进行操 作、分析，提供诸如fft分析、功率谱密度计算、数字滤波、各种统计数据的计 算等一系列和信号分析有关的功能测试，然后将分析结果提供给测试管理层。 同时，将获取的数据和分析的结果显示在界面上。 本系统中信号分析层主要包括:转速计算，基频检测(用与振幅、相位的求 取)。 2.3.3 测试管理层 本层与硬件和信号处理无关，只对信号处理的结果数据进行操作 测试管理层是一个带有易用操作界面，用于管理和执行某一测试任务，与 硬件无关的测试管理环境，为测试系统与操作者之间交互，被测器件分析，顺

29、序测试，分支，循环等提供一个专门的测试运行环境。它将测试分析层与其他 部分，如数据库访问，测试记录，测试报告，对结果进行分析以及打印报表功 能等集成在一起。 2.4 系统总体机构 系统总体框图如图2-2所示。左、右两支承处的磁电传感器将振动信号转变 为电压信号，经滤波放大后输入到ad转换器，同时由一光电传感器发出基准 信号，产生与工件转速同频率的基准位信号经过预处理后也输入到ad转换器， ad转换器将模拟量转变为数字信号，送入虚拟仪器软件包进行分析处理，显 示出不平衡量的大小和相位。 基于 labview 的动平衡测试系统设计 9 图2-2 系统总体框图 2.5 单校正面动平衡 设系统原有不平

30、衡量为u=u0a0，由不平衡量引起的振动为a0=a00，试 重设置为g=gaj加试重后，由u和g综合引起的振动为:ai=aii做如图2-3 所示。 图中oa=a0,0b=ai,，而ab=ob-oa，即为试重g所产生的振动响应。因为 假定系统是 线形系统，故得到: 0 ug oaab 所以不平衡量为: 0 oa ug ab 图2-3不平衡计算矢量图 3 硬件设计 硬件有以下几部分组成：传感器、信号预调理电路、ad转换部分、手提 (pc)电脑组成。 1.传感器 传感器包括采用了inv1612光电传感器和电涡流位移传感器。 光电传感器和电涡流位移传感器参数如下图表3-1，3-2所示 数据采集 信号相

31、关处理 图形显示 虚拟仪器软件 文件管理基准传感器 预处理a/d 转换usb 接口 振动传感器 基于 labview 的动平衡测试系统设计 10 2.信号预调理电路 信号预调理电路包括放大和滤波，通过调理电路，放大传感器输出的微弱 信号，滤除干扰信号，为ad转换部分提供适当幅度的输入模拟信号 3.ad转换部分 ad转换部分采用美国ni公司的usb一6009数据采集卡，该卡是14位，16通 道，010 v，5 v输入，多通道采集频率48 khz，usb接口输入。 图表3-1传感器参数 图表3-2传感器参数 基于 labview 的动平衡测试系统设计 11 4.计算机 计算机采用pc电脑，用以运行

32、基于labview的软件测试平台，实现对测试方 案的调控，包括数据采集、数据处理、测试软件管理、图形显示。 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 仪等。最后获得不平衡量的大小、相位等最终结果。 4.1 信号的分析计算 要处理的信号有两种，一种是振动信号x(t)，一种是基准信号y(t)。 4.1.1 基准信号 基准信号波形较为简单，为方波信号，频谱上成分则比较复杂，除了基频 信号外，还有很多倍频成分。 在一段时间0, t内对基准信号取样，其表达式为: （41） 0 1 si

33、n,0, 0, n tit i aaitasttt y t 他他 其中，a0是直流分量，ai和at是各分量的幅值和相位，是方波的基频，s1(t)表 示附加在有用信号上的噪声干扰。 基于 labview 的动平衡测试系统设计 12 4.1.2 振动信号 一般情况下，振动信号的波形比较复杂，不会是纯粹的正弦波，而是各种 频率成分的合成波形。除转速的基频成分外，可能还有2. 3, 4等倍频，接近于 1/2倍的亚倍频成分，一定带宽的随机振动成分等等。其中，由质量引起的振动 是基频振动。 振动信号的表达式为: 0i2 1 bsi ntb si n,0, x t 0, n it i ats ttt 他他

34、（42） 其中，b0是直流分量，频率与方波的基频相同，a是基频的振幅，是基 频的相位，vi表示不同于基频的其他频率s2(t)表示附加在有用信号上的随机噪声 干扰。 本文中，我们要求的是x(t)与y(t)中基频分量的相位差a-和振动幅度a。 4.2 信号基频分析 做好动平衡，其前提是必须精确的测出不平衡量的大小和位置，这要求在 振动信号中精确的提取出由不平衡量引起的振动分量的幅度值和其与基准信号 之间的相位差。所以说，从合成波形中检测出基频信号，并准确的测定其幅值 和相位，是实施动平衡最基本和最重要的内容;而相应的功能模块就是我们整套 软件的核心。 过去，动平衡测试的研究着重于用硬件解算幅值和相

35、位，例如，基频的检 测通常是由一台具有跟踪滤波功能的专用仪器所完成。现在，为了进一步提高 动平衡的测试精度，本文根据相关原理，采用软件方法来完成幅值和相位的求 解。 4.2.1 相关函数 因为本文的分析对象 振动信号和基准信号都是在有限时间内截取的一段 波形，所以，他们都是有限能量的实信号。能量信号互相关函数表达式如下: 设x (t) ,y(t )是两个有限能量的实信号，则他们的互相关函数定义为: （43） x ty tx t y t +dt xy r 基于 labview 的动平衡测试系统设计 13 相关函数是在时域描述随机信号统计特性的一个非常重要的数字特征，也 适用于确定信号做相关分析。

36、它描述了两个信号之间的关系或其相似的程度。 相关分析是在噪声背景下提取有用信号的一个非常有效的手段。利用相关分析 进行各种声学测量，弱信号提取，机械振动分析，系统识别和速度测量等有着 它独特的优点。 4.3 幅值相位的求法 设有一个标准正弦波和一个余弦波频率与基准信号频率相同在0,t范围 内的取样，为: （44） si nt,0, z t 0, cost,0, v t 0, 他他 他他 tt tt 其中，t是振动信号和基准信号的取样长度，令其为基频振动周期的偶数倍。 为频率，可以通过对基准信号进行分析处理求得。 因为 y (t) ,z( t),v (t)都是能量信号，根据互相关函数的定义式(4

37、-2)让z(t)和 v(t)都与y(t)做互相关分析。根据富里叶级数的正交性，方波的常数分量和倍频 分量与z(t)的互相关函数为。，随机噪声分量st(t)与z(t)的互相关函数也是趋向于 等于0. 所以，基准信号与正弦波的互相关函数在t=0时，为: （45） z 1 1 0z t dtt, cos 2 y ry t ta a 他 基准信号与余弦波的互相关函数在=0时，为: （46） 1 1 0t +dtt, si n 2 yv ry tv ta a 他 基于 labview 的动平衡测试系统设计 14 所以，令 （47） 0 0 yv yz r arct g r 若a1在第一象限 a1= 如果

38、x,y在第二，三象限，则 a1=+ 如果x,y 在第四象限，则 a1=+2 同样，可求出振动信号x(t)的与z(t),v(t)的互相关函数在 =0时的值， 求出同时可求出幅值a: （48） 22 20(0) xzxv rr a t （） 这样，即可求出相位差和基频振幅。 以上是通过对连续信号进行处理分析来说明相关分析法的原理，在实际的 应用中，则是对采样之后的数字信号序列进行处理的。经过采样，x(t),y(t), z(t)连续信号变成离散数据序列: 其中，n为序列个数，为数字频率，定义如下: = （49） 1 信号频率 采样频率一个周期内的采样点数 则振动信号的离散相关序列为: （410 ,

39、0, 1, 2,. xz i rnx i z in n ） 基准信号的离散相关序列为: （411） , 0, 1, 2,. yz i rny i z in n 幅值a的计算公式相应的变为: 基于 labview 的动平衡测试系统设计 15 （412） 22 20(0) xzxv rr a n （） 当然,做相关分析之前，应当先求得数字频率。数字频率的求取是非常重 要的一步，直接关系到结果的准确性。如果数值频率计算不准，那么后面的相 关计算也就无从谈起。数字频率是通过对基准信号的分析处理求得的。 4.4 转速计算 根据数字模块定义可以知道， 转速=数字频率采样频率，单位hz 总上所述，相关分析过

40、程如图4-1所示，结果输出包括转速，基频的振幅和 相位，实现了一台基频测试仪的测试功能。 输入基准求数字频率 求转速 生成正余弦波 互相关 互相关 求相位 求相位差 基于 labview 的动平衡测试系统设计 16 图4-1 相关法基频分析 5 虚拟仪器软件系统设计 虚拟仪器的程序设计是整个动平衡测试系统软件设计的核心和主体，本测 试系统采用美国ni公司推出的labview8.0进行开发，利用labview进行程序的开 发包括两个主要部分：第一部分是前面板即用户界面的设计，第二部分是源代 码框图程序的设计。 5.1 虚拟仪器概述 labview（laboratory virtual instr

41、ument engineering）是一种图形化 的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准 的数据采集和仪器控制软件。labview集成了与满足gpib、vxi、rs-232和rs- 485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 tcp/ip、activex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用 它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生 动有趣。 图形化的程序语言，又称为g语言。使用这种语言编程时，基本上不写程 序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、 工程师所熟悉的术语、图标

42、和概念，因此，labview是一个面向最终用户的工具。 它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据 采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时， 可以大大提高工作效率。 互相关 互相关 求相位 求幅值 输入振动 基于 labview 的动平衡测试系统设计 17 利用labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。 像许多重要的软件一样，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的 多种版本。 所有的labview应用程序，即虚拟仪器（vi），它包括前面板（front panel）、流程图

43、（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。 前面板是图形用户界面，也就是vi的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输 入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制 （control）和显示对象（indicator）。 流程图提供vi的图形化源程序。在流程图中对vi编程，以控制和操纵定义 在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还 有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。 如果将vi与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西， 而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，

44、使用vi可以仿真标 准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标 准仪器相差无几。 vi具有层次化和结构化的特征。一个vi可以作为子程序，这里称为子 vi（subvi），被其他vi调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。 在labview的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（tools） 模板、控制（controls）模板和函数（functions）模板。这些模板集中反映了 该软件的功能与特征。 5.2 虚拟仪器面板设计 虚拟仪器面板设计包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connect

45、or)三部分。 5.2.1 动平衡测试前面板设计 前面板是图形用户界面，也就是 vi 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输 入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制 (control）和显示对象（indicator）。如图 5-1 所示 基于 labview 的动平衡测试系统设计 18 图 5-1 动平衡测试前面板 动平衡测试仪的前面板包括基频信号和振动信号两个波形显示窗，转速测试表， 相位数字显示和振幅数字显示窗口，测试计算和退出三个按钮，还有主要用于 采集数据控制台。 5.2.2 动平衡测试程序板设计动平衡测试程序板设计 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真

46、实仪表的前面板。 在程序前面板上，输入量被称为控制（controls），输出量被称为显示 （indicators）。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开 关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。 动平衡测试程序面板分为五部分来设计： 1.等待测试 2.数据采集 3.数据计算 4.波形显示 5.推出 等待测试程序 基于 labview 的动平衡测试系统设计 19 是用了 while 循环，条件分支结构和选择分支结构来完成的。 1）while 循环可以反复执行循环体的程序，直至到达某个边界条件，它类 似于普通编程语言中的 do 循环和 repeat-until 循环。whi

47、le 循环的框图是 一个大小可变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为 false。 2）条件分支结构：包括一个或多个子程序框图，或分支，当结构执行时， 仅有 一个子程序框图或分支在执行。连接至选择器接线端的值可 以是布尔、字符串、整数，或枚举类型，它决定了执行哪个 分支。右键单击结构边框，可添加或删除分支。us 可使用标 签工具来输入条件选择器标签的值，并配置每个分支处理的 值。 通过条件分支结构我们可以方便的转换到刷新状态和退出。 3)选择分支：根据 s s 的值，返回连接至 t t 输入或 f f 输入的值。 当 s s 为 true 时，函数返回连接到 t t 的值。

48、当 s s 为 false 时，函 数返回连接到 f f 的值。 连线板显示了该多态函数的默认数据类型。 选择结构的执行是根据外部的控制条件从测量，计算，推出三个中选择其 一来执行的，当测量按钮被按下后选择分支得到一个真命令执行采集程序，如 果测量按钮没被按下得到的是假命令时会直接通过执行计算分支，退出分支与 前两各分支工作过程一样，程序如图 5- 2 所示 循环变量 条件端子 基于 labview 的动平衡测试系统设计 20 图 5-2 等待测试程序 5.3 数据采集程序的设计 数据采集程序设计是用了数据采集子程序和主程序面板相结合来实现。主 程序通过前面板的控制台，输入采样频率和采样次数控

49、制后面板的采样子程序 执行数据采样。图 5-3 所示，为动平衡测试系统的主程序面板。主程序编写与 等待测试程序面板相似，其中的子程序图标如图 5-4 所示， 图 5-4 子程序图标 是数据采集的核心部分。采样频率和采样次数都是通过子程序控制执行的。子 程序也是有控制前面板和程序面板组成。前面板有波形显示窗口，基准信号、 振动信号采集显示窗口如图 5-5 所示 基于 labview 的动平衡测试系统设计 21 图 5-3 数据采集程序 图 5-5 数据采集面板 数据采集子程序的程序模块如图 5-6 所示 基于 labview 的动平衡测试系统设计 22 图 5-6 数据采集子程序 5.4 数据计

50、算程序设计 数据计算程序是有主程序和相关计算子程序组成，主程序是有 while 循环、 条件循环、提取单频信号模块、基本函数发生模块、子程序模块组成。数据采 图 5-7 数据计算程序 基于 labview 的动平衡测试系统设计 23 集程序采集到的信号通过提取单频模块，提取基频频率，以基频频率通过函数 发生器生成标准的正弦、余弦波与基准、振动信号进入 图 5-7 子程序模块 子程序，通过子程序的相关计算得到幅值相位，如图 5-7 所示。 5.4.15.4.1 计算子程序 如图 5-8 所示，子程序的计算方法是有图 4-1 的相关基频分析方法得来， 基频信号、振动信号分别与正弦信号、余弦信号互相

51、关，并分别求出相位,同时 用振动信号的相关结果求出幅值。 图5-8 计算子程序 互相关的计算是用了for循环完成如图5-9所示 图5-9互相关计算 子程序模块 基于 labview 的动平衡测试系统设计 24 for 循环用于将某段程序执行指定次数。和 while 循环一样，它不会立刻 出现在流程中，而是出现一个小的图标，而后您可以修改它的大小和位置。for 循环将把它的框图中的程序执行指定的次数，for 循环具有下面这两个端子： n：计数端子（输入端子）用于指定循环执行的次数。 i：周期端子（输出端子）含有循环已经执行的次数。 5.5 波形显示程序设计 波行显示程序比较简单，只显示基准信号振动信号，用两个波形图模块来 完成。如图 5-10 所示 图5-10 波形显示程序 退出程序是波形显示程序去掉波形图模块生成，不再介绍。 5.6 测量调试 为检验所设计动平衡虚拟仪器的性能和可靠性，在动平衡试验台上进行验 证步骤如下： 1.在转子试验台上靠近轴承支座的地方安装涡流位移传感器，在靠近电机 支座的地方安装光电传感器。 2.连接调试装备 3.安装采集卡 4.与电脑labview软件连接，运行labview软件并打开设计的动平衡测试面 板。 基于 labview 的动平衡测试系统设计 25 设置采样频率和采样次