基于Labview的動平衡測試系統(tǒng)設計

1、南 陽 理 工 學 院 本科生畢業(yè)設計（論文） 學院（系）： 機 電 工 程 系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生： * * * 指導教師： * * * 完成日期 2009 年 6 月 南陽理工學院本科生畢業(yè)設計（論文） 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 design of dynamic balance testing system based on labview 總計：畢業(yè)設計（論文）27 頁 表 格：2 個 插 圖：21 幅 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 南南 陽陽 理理 工工 學學 院院 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論文）計（論文） 基于 lab

2、view 的動平衡測試系統(tǒng)設計 design of dynamic balance testing system based on labview 學 院（系）： 機電工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： * 學 號： * 指 導 教 師（職稱）： *（講師） 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 2009 年 6 月 南陽理工學院 nanyang institute of technology 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 機械設計制造及其自動化 郝朝增 摘 要 旋轉機械在制造和使用過程中,轉子的動平衡測試很關鍵,

3、本文 的設計內容主要是轉子的動平衡測試系統(tǒng),該測試系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。 硬件部分由轉子實驗臺、光電傳感器、電渦流傳感器、調速器、采集儀等組成, 軟件部分利用圖形化編程軟件labview編寫相應的程序實現(xiàn)測試系統(tǒng)的顯示功能。 用虛擬儀器實現(xiàn)的動平衡測量，提高了測試精度,降低了成本，縮短了設計時間， 同時也方便儀器的進一步設計和改進。 關鍵詞 動平衡；虛擬儀器；圖形化編程；轉子； 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 的動平衡測試系統(tǒng)設計 目目 錄錄 1 動平衡概述及虛擬儀器介紹.1 1.1 不平衡原因 .1 1.2 平衡原理 .1 1.3 動平衡技術發(fā)展 .1 1.4 動平衡測試技術分析 .2 1.4.1 振動測試 .2 1.4.2 基準信號的獲取 .2 1.5 信號的預處理 .3 1.6 虛擬儀器介紹 .4 1.7 labview的特點 .4 2 系統(tǒng)總體設計.5 2.1 系統(tǒng)要求 .5 2.2 系統(tǒng)要素的配置 .5 2.2.1 計算機的選擇 .5 2.2.2 試驗儀器配置 .6 2.2.3 傳感器及其信號預處理裝置的配置 .6 2.2.4 預處理部分 .7 2.2.5 a

8、/d 轉換設備.7 2.3 虛擬儀器軟件平臺 .7 2.3.1 信號獲取層 .7 2.3.2 信號分析層 .8 2.3.3 測試管理層 .8 2.4 系統(tǒng)總體機構 .8 2.5 單校正面動平衡 .9 3 硬件設計.9 4 信號的處理與分析.11 4.1 信號的分析計算 .11 4.1.1 基準信號 .11 4.1.2 振動信號 .11 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 4.2 信號基頻分析 .12 4.2.1 相關函數(shù) .12 4.3 幅值相位的求法 .12 4.4 轉速計算 .14 5 虛擬儀器軟件系統(tǒng)設計.15 5.1 虛擬儀器概述 .16 5.2 虛擬儀器面板設計 .17 5.

9、2.1 動平衡測試前面板設計 .17 5.2.2 動平衡測試程序板設計 .17 5.3 數(shù)據(jù)采集程序的設計 .19 5.4 數(shù)據(jù)計算程序設計 .21 5.4.1 計算子程序 .22 5.5 波形顯示程序設計 .23 5.6 測量調試 .23 結束語.25 參考文獻.26 致謝.27 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 1 1 動平衡概述及虛擬儀器介紹 1.1 不平衡原因 不平衡，是由于轉子質量分布不均，轉子旋轉產(chǎn)生離心力所引起的振動或 運動作用于軸承時，該轉子所處的狀態(tài)。不平衡包括軸向和徑向兩個方向的質 量分部不均。 1.2 平衡原理 剛性轉子的動平衡原理是在轉子上加配重，使配種產(chǎn)生的

10、離心力與轉子原 有的平衡量產(chǎn)生的離心力抵消；或者是找出轉子不平衡量位置和大小，再在該 位置去掉不平衡量，使原不平衡的離心力等于零。 平衡是根據(jù)轉子一支承系統(tǒng)的動力學特性，并通過測量轉子一支承系統(tǒng)有 關測點振動與轉速同頻分量的幅值大小和相位信息來判斷不平衡的大小和位置。 平衡的具體目標是減少轉子的撓曲、減少機器的振動以及減少軸承動反力。這 三個目標有時是一致的，有時是矛盾的，但它們必須統(tǒng)一于平衡的最終目標:保 證機器平穩(wěn)、安全、可靠地運行。 1.3 動平衡技術發(fā)展 平衡技術是隨著旋轉機械的發(fā)展而發(fā)展起來的，并且隨著機器工作轉速的 不斷提高，對平衡的要求也日益嚴格。 在旋轉機械發(fā)展初期，由于機器的

11、工作轉速低，對平衡精度要求不高，只 需對轉子進行靜平衡即可。隨著機器工作轉速的不斷提高，靜平衡己不再適應 工業(yè)發(fā)展的需要，動平衡技術在此時開始產(chǎn)生、發(fā)展并日益成熟起來。 到目前為止，動平衡技術大致可分為三類:工藝平衡法，現(xiàn)場整機動平衡法 及自動在線平衡法。前兩種方法均限于不平衡量不經(jīng)常變化的轉子，后一種方 法則針對運轉時隨時可能發(fā)生不平衡狀況變化的轉子。 工藝平衡法;是指在機器安裝前將轉子放在專用的動平衡機上進行平衡，然 后再將轉子安裝在整機上，該法特別適于對生產(chǎn)過程中的旋轉機械零件做單體 平衡。雖然隨著科技的發(fā)展，動平衡機的功能日益多樣，結構更加完善，在動 平衡領域發(fā)揮著相當重要的作用，但是

12、該方法有其固有的局限性，即它不能解 決在裝配中產(chǎn)生的新不平衡。為了解決這一問題，人們開始研究整機動平衡技 術 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 2 所謂整機動平衡技術就是在工作轉速下直接對裝在整機上的轉子進行平衡， 由于不需要動平衡機，只需一套價格低廉的測試系統(tǒng)，因而較為經(jīng)濟。早在20 世紀50年代，就有人對撓性轉子的整機現(xiàn)場動平衡做過嘗試，當時由于電測水 平低，平衡效果不令人滿意。到了80年代，電測技術有了較大的發(fā)展，這給整 機現(xiàn)場動平衡技術的研究和應用提供了有利條件。1980年日本的明日和彥提出 現(xiàn)場動平衡法的概論。由于此法不需要昂貴的動平衡機等設備，并能達到較高 的平衡精度，從

13、而引起了人們的重視。1988年王漢英在其著作概中對現(xiàn)場平衡 作了較為詳盡的論述。差不多在同一時期，浙江大學化機研究所在周保堂教授 帶領下成功的發(fā)明了碟式分離機的整機動平衡技術，并獲得了國家發(fā)明獎。由 于此技術己推廣應用于風機和各類離心機以及其他旋轉機械，產(chǎn)生了十分明顯 的經(jīng)濟和社會效益，而成為國家“八五”科技成果重點推廣項目。目前，整機 平衡技術在我國工業(yè)生產(chǎn)中已得到了越來越廣泛的應用。 1.4 動平衡測試技術分析 動平衡測試技術主要指通過轉子系統(tǒng)的振動信號峰值與相位，從而獲取轉 子系統(tǒng)不平衡量的大小和相位信息的技術。不平衡量的大小和相位只有振動信 號是無法取得，振動信號分析處理的最基本和最重

14、要的內容，就是檢測出基頻 信號，并準確的測定其幅值與相位?；l檢測的重要性是因為旋轉機械的許多 振動問題研究都是與基頻有關。由質量不平衡引起的振動是基頻振動。因此， 在進行不平衡量的研究時，要準確的測定基頻的幅值與相位。通過基準信號與 振動信號的相關用算最終得到不平衡的大小和相位。如圖1-1所示 1.4.1 振動測試 利用振動測量傳感器可以把被測對象的機械振動量(位移、速度、加速度) 轉換為與之相對應的電量(如電流、電壓、電荷)。按所選坐標系的不同，振動 測量傳感器可分為相對式和絕對式兩大類。相對式傳感器測出的是被測對象相 對于某一參考系的運動。絕對式測振傳感器本身緊固于被測對象上，并與之一

15、起振動，從而測得的是絕對振動。目前，應用于振動測量的傳感器有磁電式速 度傳感器、壓電式加速度傳感器、電渦流式位移傳感器等幾種。本課題選用電 渦流是傳感器 對振動信號進行測量。 1.4.2 基準信號的獲取 旋轉機械的振動測量中，經(jīng)常為測量轉速及求取振動信號的相位而需要在 設置一個基準，使得轉軸在旋轉一周中能得到一個基準脈沖信號。常用的基準 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 3 捕獲方法有兩種:其一，在轉軸上貼一片薄鐵片，利用電渦流傳感器感應出電脈 沖; 圖1-1動平衡測試簡圖 其二，在轉軸上貼反光材料，利用光電傳感器感應出電脈沖，如圖1-2所示。本 課題利用第二種方法得到基準信號。為了

16、減少增加轉軸的不平衡量，操作相對 方便。 圖 1-2 反射式光電傳感器測試圖 1.5 信號的預處理 從傳感器得到的信號，有些為電荷量，有些為頻率變化量，因此必須經(jīng)過 轉換電路將它們轉變?yōu)殡妷盒盘?，然后進行后續(xù)處理。這主要由傳感器自己的 前置處理器來完成。轉換電路根據(jù)被轉換量的不同，有許多種形式，如高頻振 蕩器、鑒頻鑒相器、電荷放大器、積分器、電流一電壓轉換器及頻率一電壓轉 換器等。同時輸入的信號有強有弱，還需要一放大電路來控制輸入到下一級處 理的信號的幅度。一般振動信號的放大由集成運放組成的線性放大器來實現(xiàn)。 再者，由振動傳感器得到的信號包含著多種頻率成分，對于動平衡測量，僅需 要工頻信號，故

17、應 測振傳感器測量預處理信號分析 測基頻傳感器測量預處理信號分析 結果處理 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 4 將其它頻率的信號濾除。一般采用帶通濾波電路實現(xiàn)，其可由運放、電容、 電阻組成。也可由專用的帶通濾波集成芯片組成。這些電量轉換、放大及濾波 等電路構成了信號的預處理電路。 1.6 虛擬儀器介紹 labview(laboratory virtual instrument engineering workbench，實驗 實虛擬儀器工作平臺)使美國國家儀器（ni）公司開發(fā)的一種基于g語 （graphical programming language）的可視化開發(fā)平臺 labvi

18、ew是為代替常規(guī)的basic，c等語言設計的，除了編程方式不同以外， 具有語言的所有特性，所以，labview不僅僅是一個功能比較完整的軟件開發(fā)環(huán) 境，而是一種真正的編程語言，由于其獨特的圖形化編程方式，所以又被稱為g 語言。 labview的編程環(huán)境包括兩個面板，圖中左面的是前面板，用于編制虛擬儀 器的軟面板;右邊的為功能面板，用于編寫圖形化的g語言程序源代碼。與c/c+ 等傳統(tǒng)的文件式編程不同，labview的g語言是把繁瑣、費時的代碼編寫輸入， 簡化為使用菜單圖標提示的方法選擇功能，并用線條把各種功能連接起來的簡 單圖形編程方式。比如，要進行fft運算，只需從函數(shù)庫中，調出fft子vl

19、(相 當于c語言的子程序)模塊，然后用連接線把輸入控制和輸出顯示的控件連接起 來即可。降低了對編程者經(jīng)驗和熟練程度的要求，易于學習和使用，大大提高 了編程效率，被譽為“工程師和科學家的語言” 1.7 labview的優(yōu)點 labview軟件的特點可以歸納為以下幾點： 1）圖形化的儀器編程環(huán)境： 使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，針對測試、測量，以及 過程控制等領域，比labview提供了面板上所必需的許多顯示和控制對象，具有 與實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈、圖表等。用戶還可以方便的將現(xiàn)有控 制對象改成自己需要的形式。 2）內置的程序編譯器： labview采用編譯方式運行23位應

20、用程序，解決了其它按解釋方式工作 的圖形編譯平臺速度慢的問題，其速度與c語言的編譯速度相當。 3）并行機制： labview 運行機制是一種帶有圖形控制流結構的數(shù)據(jù)流模式，程序框架從 宏觀上講是一種多任務并行機制，而不是c等傳統(tǒng)語言的順序結構。 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 5 4）靈活的程序調試手段： 用戶可以在源代碼中設置斷點、單步執(zhí)行代碼，在代碼的數(shù)據(jù)流上設置 探針，在程序運行中觀察數(shù)據(jù)流的變化。 5）功能強大的函數(shù)庫： labview 提供了大量現(xiàn)成函數(shù)供用戶直接調用，從底層vxl、gpbi、串口 及數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅動程序，從基本功能函數(shù)到高 級 分析

21、庫，覆蓋了儀器設計中幾乎所有需要的函數(shù)。 6）支持多種系統(tǒng)平臺： labview 提供了dll接口和cin接口，使用戶在labview平臺上能調用其 它軟件平臺編譯的模塊，提供對ole的支持。 7）網(wǎng)絡功能： labview 支持tcp/ip，dde，iac等功能. 2 系統(tǒng)總體設計 2.1 系統(tǒng)要求 隨著旋轉機械和測試儀器技術的進一步發(fā)展，動平衡校核對于測試儀器的 要求有了新的提高。 采樣要求: 根據(jù)奈奎斯特采樣定理,為不至于產(chǎn)生波形失真，采樣頻率應該至少是信號 的最高頻率的兩倍。而在動平衡測試中，為了保證基準信號的完整性和相位的 準確性，兩倍是遠遠不夠的 。一般情況下本文要求每周期采集點數(shù)

22、不少于150 點，因此，對于轉速在0-10000轉i分的轉子及回轉機械，即采樣頻率在0-25khz 以上。 精度要求: 對于動平衡測試來說要保證測試的準確性,盡量減少測試誤差,系統(tǒng)穩(wěn)定性 好. 界面友好，操作簡便: 為適應新的要求，本文開發(fā)的基于虛擬儀器的動平衡儀器，力求做到精度 更高，操作更容易，界面更友好，攜帶更方便，外性更美觀。本測試系統(tǒng)的軟 件功能模塊主要對振動的幅值、相位差、和轉速進行測試。 振動的檢測與分析： 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 6 振動的檢測與分析，包括各種時域，頻域，功率譜，倍頻等分析，只有機 械故障診斷分析等功能。 2.2 系統(tǒng)要素的配置 2.2.1

23、計算機的選擇 便攜式的筆記本電腦一臺用于檢測與軟件設計。 2.2.2 試驗儀器配置 采用inv1612型多功能柔性轉子試驗系統(tǒng)主要有兩部分組成，系統(tǒng)組成如圖 2-1所示： 1. inv1612t型多功能柔性轉子試驗臺及各種振動傳感器 2. inv306u型采集分析系統(tǒng) 此外還選擇了inv多功能慮波放大器，對信號進行濾波和放大處理，獲得更 好效果。 圖2-1 inv1612型多功能柔性轉子試驗臺 2.2.32.2.3 傳感器及其信號預處理裝置的配置 測振傳感器 應用于振動測量的傳感器有多種，本文主要使用以下傳感器。 電渦流式位移傳感器 這種傳感器精度高，屬非接觸式，需要前置預處理裝置和電源。盡管

24、電渦 流傳感器的電路復雜、成本較高，但是由于它在測量時不必接觸被測物體，因 此近年來在回轉機械振動參數(shù)的測量中得到越來越廣泛的應用，如碟式分離機 振動信號的獲取即采用此傳感器。 基準信號的捕獲 本課題中采用在轉軸上貼反光材料，利用光電傳感器感應出電脈沖，來獲 取基準信號的方法 傳感器的安放和轉速的選擇 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 7 整機動平衡的一個很重要的問題是測點的選擇，通常為了達到最佳的整機 平衡效果，將測點選擇在能準確和靈敏的反映轉子不平衡引起振動的那些位置。 由于轉子不平衡產(chǎn)生的離心慣性力和慣性力矩，首先傳到軸承上，再通過軸承 傳到機身上，故一般測振點大多選擇在軸承的

25、位置，當在軸承處測振發(fā)生困難 或由于其他原因不能在軸承處測量時，選擇接近軸承的位置. 由于測得的振動值與轉速有關，特別是在臨界轉速附近，轉速的微小變動， 不但會明顯的影響所測振幅的大小，還會影響所測得的相位，所以不宜在臨界 轉速附近進行。為了獲得準確的測試結果，通常希望將平衡轉速選擇在振幅和 相位都比較穩(wěn)定的那個狀態(tài)。 2.2.4 預處理部分 傳感器得到的信號，有些為電荷量，有些為頻率變化量，因此必須經(jīng)過轉 換電路將它們轉變?yōu)殡妷盒盘枺缓筮M行后續(xù)處理。這主要由傳感器自己的前 置處理器來完成。轉換電路根據(jù)被轉換量的不同，有許多種形式，如高頻振蕩 器、鑒頻鑒相器、電荷放大器、積分器、電流一電壓轉

26、換器及頻率一電壓轉換 器等。同時輸入的信號有強有弱，還需要一放大電路來控制輸入到下一級處理 的信號的幅度。一般振動信號的放大由集成運放組成的線性放大器來實現(xiàn)。再 者，由振動傳感器得到的信號包含著多種頻率成分，對于動平衡測量，僅需要 工頻信號，故應將其它頻率的信號濾除。一般采用帶通濾波電路實現(xiàn)，其可由 運放、電容、電阻組成。也可由專用的帶通濾波集成芯片組成。這些電量轉換、 放大及濾波等電路構成了信號的預處理電路。 2.2.5 a/d轉換設備 ad轉換器將模擬量轉變?yōu)閿?shù)字信號，送入虛擬儀器軟件包進行分析 處理，顯示出不平衡量的大小和相位。 2.3 虛擬儀器軟件平臺 有了必要的硬件之后，虛擬儀器系統(tǒng)

27、的關鍵還是軟件的設計。 當今的軟件的開發(fā)方式正在向多層次應用結構發(fā)展。一般情況下，由于涉 及硬件的控制和操作，自動化測試測量系統(tǒng)的軟件層次化結構更為明顯。著眼 于面向測試過程和測試對象的設計思想，本文根據(jù)與硬件的相關程度，將軟件 系統(tǒng)大致分為三個層次: 測試管理層 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 8 信號分析層 信號獲取層 2.3.1 信號獲取層 從層次位置上來說，信號獲取層是最接近硬件的軟件層次;從層次的作用上 來說，信號獲取層提供原始的數(shù)字信號，以供上面的信號分析層迸行信號分析。 2.3.2 信號分析層 簡單的說,信號分析層的作用，就是軟件化了的各種儀器。 本層位于數(shù)據(jù)獲取層和

28、測試管理層之間，可以調用信號獲取層模塊，也可 以被測試管理層所調用。信號分析層與硬件無關，只對獲取的數(shù)字信號進行操 作、分析，提供諸如fft分析、功率譜密度計算、數(shù)字濾波、各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)的計 算等一系列和信號分析有關的功能測試，然后將分析結果提供給測試管理層。 同時，將獲取的數(shù)據(jù)和分析的結果顯示在界面上。 本系統(tǒng)中信號分析層主要包括:轉速計算，基頻檢測(用與振幅、相位的求 取)。 2.3.3 測試管理層 本層與硬件和信號處理無關，只對信號處理的結果數(shù)據(jù)進行操作 測試管理層是一個帶有易用操作界面，用于管理和執(zhí)行某一測試任務，與 硬件無關的測試管理環(huán)境，為測試系統(tǒng)與操作者之間交互，被測器件分析，順

29、序測試，分支，循環(huán)等提供一個專門的測試運行環(huán)境。它將測試分析層與其他 部分，如數(shù)據(jù)庫訪問，測試記錄，測試報告，對結果進行分析以及打印報表功 能等集成在一起。 2.4 系統(tǒng)總體機構 系統(tǒng)總體框圖如圖2-2所示。左、右兩支承處的磁電傳感器將振動信號轉變 為電壓信號，經(jīng)濾波放大后輸入到ad轉換器，同時由一光電傳感器發(fā)出基準 信號，產(chǎn)生與工件轉速同頻率的基準位信號經(jīng)過預處理后也輸入到ad轉換器， ad轉換器將模擬量轉變?yōu)閿?shù)字信號，送入虛擬儀器軟件包進行分析處理，顯 示出不平衡量的大小和相位。 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 9 圖2-2 系統(tǒng)總體框圖 2.5 單校正面動平衡 設系統(tǒng)原有不平

30、衡量為u=u0a0，由不平衡量引起的振動為a0=a00，試 重設置為g=gaj加試重后，由u和g綜合引起的振動為:ai=aii做如圖2-3 所示。 圖中oa=a0,0b=ai,，而ab=ob-oa，即為試重g所產(chǎn)生的振動響應。因為 假定系統(tǒng)是 線形系統(tǒng)，故得到: 0 ug oaab 所以不平衡量為: 0 oa ug ab 圖2-3不平衡計算矢量圖 3 硬件設計 硬件有以下幾部分組成：傳感器、信號預調理電路、ad轉換部分、手提 (pc)電腦組成。 1.傳感器 傳感器包括采用了inv1612光電傳感器和電渦流位移傳感器。 光電傳感器和電渦流位移傳感器參數(shù)如下圖表3-1，3-2所示 數(shù)據(jù)采集 信號相

31、關處理 圖形顯示 虛擬儀器軟件 文件管理基準傳感器 預處理a/d 轉換usb 接口 振動傳感器 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 10 2.信號預調理電路 信號預調理電路包括放大和濾波，通過調理電路，放大傳感器輸出的微弱 信號，濾除干擾信號，為ad轉換部分提供適當幅度的輸入模擬信號 3.ad轉換部分 ad轉換部分采用美國ni公司的usb一6009數(shù)據(jù)采集卡，該卡是14位，16通 道，010 v，5 v輸入，多通道采集頻率48 khz，usb接口輸入。 圖表3-1傳感器參數(shù) 圖表3-2傳感器參數(shù) 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 11 4.計算機 計算機采用pc電腦，用以運行

32、基于labview的軟件測試平臺，實現(xiàn)對測試方 案的調控，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、測試軟件管理、圖形顯示。 4 信號的處理與分析 一般來說 ，在轉子系統(tǒng)整機動平衡過程中，測得的振動信號及基準信號經(jīng) 過預處理后，不會是純粹的正弦波，而是各種頻率成分的合成波形。還要通過 儀等。最后獲得不平衡量的大小、相位等最終結果。 4.1 信號的分析計算 要處理的信號有兩種，一種是振動信號x(t)，一種是基準信號y(t)。 4.1.1 基準信號 基準信號波形較為簡單，為方波信號，頻譜上成分則比較復雜，除了基頻 信號外，還有很多倍頻成分。 在一段時間0, t內對基準信號取樣，其表達式為: （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，是方波的基頻，s1(t)表 示附加在有用信號上的噪聲干擾。 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 12 4.1.2 振動信號 一般情況下，振動信號的波形比較復雜，不會是純粹的正弦波，而是各種 頻率成分的合成波形。除轉速的基頻成分外，可能還有2. 3, 4等倍頻，接近于 1/2倍的亞倍頻成分，一定帶寬的隨機振動成分等等。其中，由質量引起的振動 是基頻振動。 振動信號的表達式為: 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，頻率與方波的基頻相同，a是基頻的振幅，是基 頻的相位，vi表示不同于基頻的其他頻率s2(t)表示附加在有用信號上的隨機噪聲 干擾。 本文中，我們要求的是x(t)與y(t)中基頻分量的相位差a-和振動幅度a。 4.2 信號基頻分析 做好動平衡，其前提是必須精確的測出不平衡量的大小和位置，這要求在 振動信號中精確的提取出由不平衡量引起的振動分量的幅度值和其與基準信號 之間的相位差。所以說，從合成波形中檢測出基頻信號，并準確的測定其幅值 和相位，是實施動平衡最基本和最重要的內容;而相應的功能模塊就是我們整套 軟件的核心。 過去，動平衡測試的研究著重于用硬件解算幅值和相

35、位，例如，基頻的檢 測通常是由一臺具有跟蹤濾波功能的專用儀器所完成。現(xiàn)在，為了進一步提高 動平衡的測試精度，本文根據(jù)相關原理，采用軟件方法來完成幅值和相位的求 解。 4.2.1 相關函數(shù) 因為本文的分析對象 振動信號和基準信號都是在有限時間內截取的一段 波形，所以，他們都是有限能量的實信號。能量信號互相關函數(shù)表達式如下: 設x (t) ,y(t )是兩個有限能量的實信號，則他們的互相關函數(shù)定義為: （43） x ty tx t y t +dt xy r 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 13 相關函數(shù)是在時域描述隨機信號統(tǒng)計特性的一個非常重要的數(shù)字特征，也 適用于確定信號做相關分析。

36、它描述了兩個信號之間的關系或其相似的程度。 相關分析是在噪聲背景下提取有用信號的一個非常有效的手段。利用相關分析 進行各種聲學測量，弱信號提取，機械振動分析，系統(tǒng)識別和速度測量等有著 它獨特的優(yōu)點。 4.3 幅值相位的求法 設有一個標準正弦波和一個余弦波頻率與基準信號頻率相同在0,t范圍 內的取樣，為: （44） si nt,0, z t 0, cost,0, v t 0, 他他 他他 tt tt 其中，t是振動信號和基準信號的取樣長度，令其為基頻振動周期的偶數(shù)倍。 為頻率，可以通過對基準信號進行分析處理求得。 因為 y (t) ,z( t),v (t)都是能量信號，根據(jù)互相關函數(shù)的定義式(4

37、-2)讓z(t)和 v(t)都與y(t)做互相關分析。根據(jù)富里葉級數(shù)的正交性，方波的常數(shù)分量和倍頻 分量與z(t)的互相關函數(shù)為。，隨機噪聲分量st(t)與z(t)的互相關函數(shù)也是趨向于 等于0. 所以，基準信號與正弦波的互相關函數(shù)在t=0時，為: （45） z 1 1 0z t dtt, cos 2 y ry t ta a 他 基準信號與余弦波的互相關函數(shù)在=0時，為: （46） 1 1 0t +dtt, si n 2 yv ry tv ta a 他 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 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，則 a1=+ 如果x,y 在第四象限，則 a1=+2 同樣，可求出振動信號x(t)的與z(t),v(t)的互相關函數(shù)在 =0時的值， 求出同時可求出幅值a: （48） 22 20(0) xzxv rr a t （） 這樣，即可求出相位差和基頻振幅。 以上是通過對連續(xù)信號進行處理分析來說明相關分析法的原理，在實際的 應用中，則是對采樣之后的數(shù)字信號序列進行處理的。經(jīng)過采樣，x(t),y(t), z(t)連續(xù)信號變成離散數(shù)據(jù)序列: 其中，n為序列個數(shù)，為數(shù)字頻率，定義如下: = （49） 1 信號頻率 采樣頻率一個周期內的采樣點數(shù) 則振動信號的離散相關序列為: （410 ,

39、0, 1, 2,. xz i rnx i z in n ） 基準信號的離散相關序列為: （411） , 0, 1, 2,. yz i rny i z in n 幅值a的計算公式相應的變?yōu)? 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 15 （412） 22 20(0) xzxv rr a n （） 當然,做相關分析之前，應當先求得數(shù)字頻率。數(shù)字頻率的求取是非常重 要的一步，直接關系到結果的準確性。如果數(shù)值頻率計算不準，那么后面的相 關計算也就無從談起。數(shù)字頻率是通過對基準信號的分析處理求得的。 4.4 轉速計算 根據(jù)數(shù)字模塊定義可以知道， 轉速=數(shù)字頻率采樣頻率，單位hz 總上所述，相關分析過

40、程如圖4-1所示，結果輸出包括轉速，基頻的振幅和 相位，實現(xiàn)了一臺基頻測試儀的測試功能。 輸入基準求數(shù)字頻率 求轉速 生成正余弦波 互相關 互相關 求相位 求相位差 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 16 圖4-1 相關法基頻分析 5 虛擬儀器軟件系統(tǒng)設計 虛擬儀器的程序設計是整個動平衡測試系統(tǒng)軟件設計的核心和主體，本測 試系統(tǒng)采用美國ni公司推出的labview8.0進行開發(fā)，利用labview進行程序的開 發(fā)包括兩個主要部分：第一部分是前面板即用戶界面的設計，第二部分是源代 碼框圖程序的設計。 5.1 虛擬儀器概述 labview（laboratory virtual instr

41、ument engineering）是一種圖形化 的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準 的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview集成了與滿足gpib、vxi、rs-232和rs- 485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用 tcp/ip、activex等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用 它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生 動有趣。 圖形化的程序語言，又稱為g語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程 序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、 工程師所熟悉的術語、圖標

42、和概念，因此，labview是一個面向最終用戶的工具。 它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時， 可以大大提高工作效率。 互相關 互相關 求相位 求幅值 輸入振動 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 17 利用labview，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位編譯器。 像許多重要的軟件一樣，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的 多種版本。 所有的labview應用程序，即虛擬儀器（vi），它包括前面板（front panel）、流程圖

43、（block diagram）以及圖標/連結器(icon/connector)三部分。 前面板是圖形用戶界面，也就是vi的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸 入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制 （control）和顯示對象（indicator）。 流程圖提供vi的圖形化源程序。在流程圖中對vi編程，以控制和操縱定義 在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還 有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結構和連線等。 如果將vi與標準儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西， 而流程圖上的東西相當于儀器箱內的東西。在許多情況下，

44、使用vi可以仿真標 準儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標準儀器面板，而且其功能也與標 準儀器相差無幾。 vi具有層次化和結構化的特征。一個vi可以作為子程序，這里稱為子 vi（subvi），被其他vi調用。圖標與連接器在這里相當于圖形化的參數(shù)。 在labview的用戶界面上，應特別注意它提供的操作模板，包括工具（tools） 模板、控制（controls）模板和函數(shù)（functions）模板。這些模板集中反映了 該軟件的功能與特征。 5.2 虛擬儀器面板設計 虛擬儀器面板設計包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標/連結器(icon/connect

45、or)三部分。 5.2.1 動平衡測試前面板設計 前面板是圖形用戶界面，也就是 vi 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸 入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制 (control）和顯示對象（indicator）。如圖 5-1 所示 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 18 圖 5-1 動平衡測試前面板 動平衡測試儀的前面板包括基頻信號和振動信號兩個波形顯示窗，轉速測試表， 相位數(shù)字顯示和振幅數(shù)字顯示窗口，測試計算和退出三個按鈕，還有主要用于 采集數(shù)據(jù)控制臺。 5.2.2 動平衡測試程序板設計動平衡測試程序板設計 程序前面板用于設置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真

46、實儀表的前面板。 在程序前面板上，輸入量被稱為控制（controls），輸出量被稱為顯示 （indicators）?？刂坪惋@示是以各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開 關、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂。 動平衡測試程序面板分為五部分來設計： 1.等待測試 2.數(shù)據(jù)采集 3.數(shù)據(jù)計算 4.波形顯示 5.推出 等待測試程序 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 19 是用了 while 循環(huán)，條件分支結構和選擇分支結構來完成的。 1）while 循環(huán)可以反復執(zhí)行循環(huán)體的程序，直至到達某個邊界條件，它類 似于普通編程語言中的 do 循環(huán)和 repeat-until 循環(huán)。whi

47、le 循環(huán)的框圖是 一個大小可變的方框，用于執(zhí)行框中的程序，直到條件端子接收到的布爾值為 false。 2）條件分支結構：包括一個或多個子程序框圖，或分支，當結構執(zhí)行時， 僅有 一個子程序框圖或分支在執(zhí)行。連接至選擇器接線端的值可 以是布爾、字符串、整數(shù)，或枚舉類型，它決定了執(zhí)行哪個 分支。右鍵單擊結構邊框，可添加或刪除分支。us 可使用標 簽工具來輸入條件選擇器標簽的值，并配置每個分支處理的 值。 通過條件分支結構我們可以方便的轉換到刷新狀態(tài)和退出。 3)選擇分支：根據(jù) s s 的值，返回連接至 t t 輸入或 f f 輸入的值。 當 s s 為 true 時，函數(shù)返回連接到 t t 的值。

48、當 s s 為 false 時，函 數(shù)返回連接到 f f 的值。 連線板顯示了該多態(tài)函數(shù)的默認數(shù)據(jù)類型。 選擇結構的執(zhí)行是根據(jù)外部的控制條件從測量，計算，推出三個中選擇其 一來執(zhí)行的，當測量按鈕被按下后選擇分支得到一個真命令執(zhí)行采集程序，如 果測量按鈕沒被按下得到的是假命令時會直接通過執(zhí)行計算分支，退出分支與 前兩各分支工作過程一樣，程序如圖 5- 2 所示 循環(huán)變量 條件端子 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 20 圖 5-2 等待測試程序 5.3 數(shù)據(jù)采集程序的設計 數(shù)據(jù)采集程序設計是用了數(shù)據(jù)采集子程序和主程序面板相結合來實現(xiàn)。主 程序通過前面板的控制臺，輸入采樣頻率和采樣次數(shù)控

49、制后面板的采樣子程序 執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣。圖 5-3 所示，為動平衡測試系統(tǒng)的主程序面板。主程序編寫與 等待測試程序面板相似，其中的子程序圖標如圖 5-4 所示， 圖 5-4 子程序圖標 是數(shù)據(jù)采集的核心部分。采樣頻率和采樣次數(shù)都是通過子程序控制執(zhí)行的。子 程序也是有控制前面板和程序面板組成。前面板有波形顯示窗口，基準信號、 振動信號采集顯示窗口如圖 5-5 所示 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 21 圖 5-3 數(shù)據(jù)采集程序 圖 5-5 數(shù)據(jù)采集面板 數(shù)據(jù)采集子程序的程序模塊如圖 5-6 所示 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 22 圖 5-6 數(shù)據(jù)采集子程序 5.4 數(shù)據(jù)計

50、算程序設計 數(shù)據(jù)計算程序是有主程序和相關計算子程序組成，主程序是有 while 循環(huán)、 條件循環(huán)、提取單頻信號模塊、基本函數(shù)發(fā)生模塊、子程序模塊組成。數(shù)據(jù)采 圖 5-7 數(shù)據(jù)計算程序 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 23 集程序采集到的信號通過提取單頻模塊，提取基頻頻率，以基頻頻率通過函數(shù) 發(fā)生器生成標準的正弦、余弦波與基準、振動信號進入 圖 5-7 子程序模塊 子程序，通過子程序的相關計算得到幅值相位，如圖 5-7 所示。 5.4.15.4.1 計算子程序 如圖 5-8 所示，子程序的計算方法是有圖 4-1 的相關基頻分析方法得來， 基頻信號、振動信號分別與正弦信號、余弦信號互相

51、關，并分別求出相位,同時 用振動信號的相關結果求出幅值。 圖5-8 計算子程序 互相關的計算是用了for循環(huán)完成如圖5-9所示 圖5-9互相關計算 子程序模塊 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 24 for 循環(huán)用于將某段程序執(zhí)行指定次數(shù)。和 while 循環(huán)一樣，它不會立刻 出現(xiàn)在流程中，而是出現(xiàn)一個小的圖標，而后您可以修改它的大小和位置。for 循環(huán)將把它的框圖中的程序執(zhí)行指定的次數(shù)，for 循環(huán)具有下面這兩個端子： n：計數(shù)端子（輸入端子）用于指定循環(huán)執(zhí)行的次數(shù)。 i：周期端子（輸出端子）含有循環(huán)已經(jīng)執(zhí)行的次數(shù)。 5.5 波形顯示程序設計 波行顯示程序比較簡單，只顯示基準信號振動信號，用兩個波形圖模塊來 完成。如圖 5-10 所示 圖5-10 波形顯示程序 退出程序是波形顯示程序去掉波形圖模塊生成，不再介紹。 5.6 測量調試 為檢驗所設計動平衡虛擬儀器的性能和可靠性，在動平衡試驗臺上進行驗 證步驟如下： 1.在轉子試驗臺上靠近軸承支座的地方安裝渦流位移傳感器，在靠近電機 支座的地方安裝光電傳感器。 2.連接調試裝備 3.安裝采集卡 4.與電腦labview軟件連接，運行l(wèi)abview軟件并打開設計的動平衡測試面 板。 基于 labview 的動平衡測試系統(tǒng)設計 25 設置采樣頻率和采樣次