基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1、本人勵(lì)志為大家提供最優(yōu)秀，最全面的論文設(shè)計(jì)參考資料，如有不足請(qǐng)給予指正，本人將不甚感激！可訂做部分論文！具體事宜可聯(lián)系qq：844423381 需要購(gòu)買者請(qǐng)聯(lián)系我，價(jià)格將給予優(yōu)惠！xx學(xué)院畢 業(yè) 論 文基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 專業(yè)名稱： 年 月摘 要近年來(lái)隨著的計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展和深層結(jié)合，以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬測(cè)控系統(tǒng)逐漸代替了傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器將傳統(tǒng)儀器由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析、處理和顯示功能改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)完成，通過(guò)配置數(shù)據(jù)采集卡，來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集和分析. 本課題以多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)為測(cè)控對(duì)象，結(jié)合labview這種專業(yè)的測(cè)控工具，構(gòu)建集

2、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析為一體的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。本文對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)硬件配置、虛擬儀器系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)行深入的討論。關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái) 虛擬儀器 labview 數(shù)據(jù)采集 abstractin recent years along with the computer technology、the instrument technology and the communication technology rapid development and in-depth union, virtual measurement and control centering on the

3、 computer has gradually replaced the traditional instrument，.the virtual instrument realize the data analysis, processing and the demonstration function with the computer while the traditional instrument adopt the hardware. through data acquisition card, the virtual instrument completes the data gat

4、hering and t analysis.in this thesis, the multi-functional rotor test-bed is the object of measurement and control.the system that is designed with the professional sofe labview includes real-timely daq、data processing.the paper discusses the total project of measurement and control system、the confi

5、guration of local measurement and control system hardware、the development of virtual instrument soft programme in depth.key word: rotor test-bed virtual instrument labview data acquisition 目 錄第1章 緒論.11.1國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀.11.2選題背景和意義.2 1.3本課題的主要工作.3第2章 測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).42.1硬件系統(tǒng).42.1.1多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái).4 2.1.2測(cè)控系統(tǒng).52.1.3傳感器的選

6、擇.6 2.2 軟件系統(tǒng).7第3章 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng).83.1 數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理.8 3.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換.93.3去噪處理和信號(hào)濾波. .10 3.4 信號(hào)分析和處理.12第4章 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器開(kāi)發(fā).144.1 虛擬儀器概述.144.1.1 虛擬儀器的概念.14 4.1.2 虛擬儀器的基本結(jié)結(jié)構(gòu)和類型.15 4.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件.164.3 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器的設(shè)計(jì).17 4.3.1 軸心位移測(cè)量模塊.184.3.2 振動(dòng)分析模塊.20第5章 結(jié)論.225.1 結(jié)論.22參考文獻(xiàn).23致謝.24第一章 緒 論1.1 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于

7、人類科研、生產(chǎn)和生活等活動(dòng)領(lǐng)域，檢測(cè)技術(shù)既是服務(wù)于其它學(xué)科的工具，又是綜合運(yùn)用其它多學(xué)科最新成果的尖端性技術(shù)。因此檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展是科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力發(fā)脹程度和現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。檢測(cè)技術(shù)有力地促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，而科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的現(xiàn)代化，不僅對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，也為檢測(cè)技術(shù)提供了豐富的物質(zhì)手段和技術(shù)條件，從而促進(jìn)其不斷發(fā)展。目前，檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可從以下四個(gè)方面進(jìn)行綜述： 不斷擴(kuò)大測(cè)量范圍 提高測(cè)量精度及可靠性 開(kāi)發(fā)檢測(cè)的新領(lǐng)域和新技術(shù) 利用集成化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)新型傳感器 檢測(cè)任務(wù)的完成離不開(kāi)檢測(cè)儀器，20世紀(jì)70以來(lái)，計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)迅

8、猛發(fā)展，并滲透到檢測(cè)儀器和儀器技術(shù)領(lǐng)域。在它們的推動(dòng)下，檢測(cè)技術(shù)與儀器不斷進(jìn)步，由原來(lái)的模擬儀器和數(shù)字儀器發(fā)展到了現(xiàn)在的智能儀器、總線儀器、pc儀器、虛擬儀器等微機(jī)化儀器和自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代儀器設(shè)備之間的界線日漸模糊。與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，已是當(dāng)今儀器與檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主潮流。正是在這種趨勢(shì)的影響下，產(chǎn)生了新一代的檢測(cè)儀器虛擬儀器。虛擬儀器它是通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能硬件（完成信號(hào)獲取、轉(zhuǎn)換和調(diào)理的專用硬件）結(jié)合起來(lái)，從而把計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算、存儲(chǔ)和通信能力與功能硬件的測(cè)量和轉(zhuǎn)換能力融為一體，形成一種多功能、高精度、可靈活組合并帶有通信功能的測(cè)試技術(shù)平臺(tái)。大致來(lái)說(shuō),虛擬儀器發(fā)展到今，可

9、以分為三個(gè)階段，而這三個(gè)階段可以是同步進(jìn)行的。 第一，gpib(通用接口總線)標(biāo)準(zhǔn)的建立增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。通過(guò)插 在計(jì)算機(jī)上的gpib接口卡或傳統(tǒng)儀器內(nèi)置，傳統(tǒng)儀器可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通 信，用戶就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制儀器，使得儀器的自動(dòng)化測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)，并成為儀器測(cè)控的發(fā)展方向，這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線的。但是pgib總線只適用于消息基器件的操作，不適用于寄存器操作，且其數(shù)據(jù)傳輸率只有1mb/s,存在數(shù)據(jù)傳輸速度慢的特點(diǎn)。 第二，開(kāi)放式儀器構(gòu)成。在這期間，主要由二大技術(shù)進(jìn)步所推動(dòng)：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡，后來(lái)發(fā)展到即插即用的數(shù)據(jù)卡；二是在1987年7月，來(lái)自colorado data

10、 system，hewlett packard，racal dana， tektronix和 wavetek等五家著名儀器公司的技術(shù)代表發(fā)布了第一個(gè)vxi總線規(guī)范的 第一個(gè)版本。其消除了第一階段的由用戶定義和供應(yīng)商定儀器功能的區(qū)別。vxi總線數(shù)據(jù)傳輸率為40mbs，數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較快。在1993年ieee春天正式接受vxi以前，價(jià)格成本較高和系統(tǒng)的易用性，是其得不到廣泛應(yīng) 用的重要原因，然而令人欣慰的是，在1993年，在ni、tek等五家公司發(fā)起成立的vxi plugplay systems a1liance制訂了詳細(xì)的vpp標(biāo)準(zhǔn)。加之vxi廠商采用各種先進(jìn)技術(shù)努力降低成本，使vxi的系統(tǒng)成

11、本不斷降低，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前，vxi正在進(jìn)入“低成本搞市場(chǎng)份額低成本”的良性市場(chǎng)狀態(tài)。 第三，虛擬儀器在軟件和標(biāo)準(zhǔn)方面不斷取得進(jìn)展，其框架得到了廣泛的認(rèn)同和采用。在軟件方面，圖形化編程成為主流，如ni公司的labview7.1等。在硬件方面，據(jù)八十年代五家著名公司推出 vxi總線標(biāo)準(zhǔn)后，九十年代 pci總線被推出，其數(shù)據(jù)傳輸速率為132mbs，且成本低，但缺乏同步觸發(fā)等實(shí)時(shí)功能，不適合高實(shí)時(shí)性測(cè)量領(lǐng)域的需求。針對(duì)此，在1997年，美國(guó)國(guó)家儀器(ni)推出了兼具pci總線和vxi總線優(yōu)勢(shì)的pxi總線，具有系統(tǒng)時(shí)鐘、同步觸發(fā)總線功能。如ni公司推出的pxi-4070 flex 數(shù)字萬(wàn)用表。

12、綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展有二個(gè)主要特點(diǎn)：一是總線標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展 ，另一個(gè)是軟件技術(shù)的發(fā)展。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的智能化、處理能力、性能格價(jià)比、可操作性都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但由于其所處的工作環(huán)境的電磁環(huán)境惡劣，使得虛擬儀器在小信號(hào)測(cè)量、高精度的測(cè)量方面 受到了限制。1.2 選題背景和意義20多年前，美國(guó)國(guó)家儀器公司ni (national instruments)提出“軟件即是儀 器”的虛擬儀器 (ni)概念。引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而開(kāi)創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。所謂虛擬儀器，實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)

13、化測(cè)試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測(cè)量?jī)x器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于 計(jì)算機(jī)性能以摩爾定律(每半年提高一倍)飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來(lái)較高的技術(shù)更新速率。 本課題以轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為測(cè)控對(duì)象，采用虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)，本課題可以作為虛擬測(cè)控和虛擬實(shí)驗(yàn)的一個(gè)初步嘗試和探索。1.3 本課題的主要工作經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)

14、外測(cè)控技術(shù)的深入研究，以多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究和開(kāi)發(fā)多功能轉(zhuǎn)子測(cè)控系統(tǒng)。本文在虛擬儀器方面進(jìn)行以下研究和開(kāi)發(fā)工作： 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 抗干擾裝置設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)配置：包括各種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡的選擇。 軟件系統(tǒng)編程：包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)第二章測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本章討論了整個(gè)小型多功能轉(zhuǎn)子測(cè)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)。硬件平臺(tái)包括多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)；軟件系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)測(cè)控軟件.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)是本系統(tǒng)的測(cè)控對(duì)象；系統(tǒng)通過(guò)振動(dòng)傳感器和位移傳感器采集轉(zhuǎn)子試驗(yàn)

15、臺(tái)的信號(hào)，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理達(dá)到a/d轉(zhuǎn)換器的輸入要求，就可以將轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集到計(jì)算機(jī)中，同時(shí)可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。這樣通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)監(jiān)控轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況。轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)信號(hào)調(diào)理位移傳感器振動(dòng)傳感器信號(hào)調(diào)理a/da/d計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)處理圖2-1 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由以下各部分組成：多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)。四部分協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和在線分析。2.1.1轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)是本系統(tǒng)的測(cè)控對(duì)象。其結(jié)構(gòu)如圖2-2。圖2-2 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)采用整體圓柱軸承支承，潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。在軸承座上有傳感

16、器安裝位置，便于軸承根部的振動(dòng)測(cè)量。另外還有傳感器支架，用于安裝電渦流傳感器，對(duì)不同位置的軸心位移進(jìn)行測(cè)量。2.1.2傳感器的選擇1） 移傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用的傳感器是電渦流傳感器，它主要用來(lái)將轉(zhuǎn)子的軸心振動(dòng)信號(hào)變換為可用儀器測(cè)量和處理的電壓信號(hào)。電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移傳感器。前置器內(nèi)產(chǎn)生高頻的電流從振蕩器流入探頭線圈中，線圈就產(chǎn)生了一個(gè)高頻電磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體的表面靠近該線圈時(shí)，由于高頻電磁場(chǎng)的作用，在金屬表面上就產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流。該電流產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，方向與線圈磁場(chǎng)方向相反，這二個(gè)磁場(chǎng)相互迭加就改變了原線圈的阻抗并使探頭的品質(zhì)因數(shù)降低，影響了線圈的阻抗

17、。所以探頭與被測(cè)金屬表面距離的變化可通過(guò)探頭線圈阻抗的變化來(lái)測(cè)量。前置器根據(jù)探頭線圈阻抗的變化輸出一個(gè)與距離成正比的直流電壓。電渦流傳感器能測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭斷面的相對(duì)位置。過(guò)去對(duì)于軸的振動(dòng)測(cè)量通常采用加速度傳感器或速度傳感器。通過(guò)測(cè)量機(jī)殼振動(dòng)間接地測(cè)量轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)，測(cè)量結(jié)果的可信度不高。而電渦流位移傳感器能直接測(cè)量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量，因此常被用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移，軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)的監(jiān)測(cè)。電渦流傳感器主要包括探頭、延伸電纜、前置器等部件。傳感器工作的機(jī)理是電渦流效應(yīng)。當(dāng)接通傳感器系統(tǒng)的電源時(shí)，在前置器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻電流信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)延伸電纜送到

18、探頭中密封的線圈，在探頭周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)h1.如果金屬導(dǎo)體接近探頭，則交變磁場(chǎng)h1將在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流場(chǎng)，該電渦流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向和h1相反的交變磁場(chǎng)h2。由于h2的反作用就改變了線圈的有效阻抗，在其它參數(shù)不變得條件下，線圈的阻抗就成為探頭與金屬導(dǎo)體距離的單值函數(shù)，其曲線為“s”形曲線，在一定范圍內(nèi)可近似為一線性函數(shù)。線圈的阻抗的變化通過(guò)封裝在前置器中的電子線路的處理轉(zhuǎn)換成電壓輸出。本系統(tǒng)采用的電渦流傳感器是北京測(cè)振儀器廠的hz-8500型電渦流傳感器，探頭為8mm它的輸入電壓是-24v。安裝時(shí)將探頭分別水平、垂直安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳感器支架的安轉(zhuǎn)孔，調(diào)整探頭距離軸心的初始間距，使其初始電壓為-8

19、.5v，即靜態(tài)特性線性段的中部。然后連接延伸電纜和前置器等。傳感器的實(shí)物圖如下所示： 圖2-3 電渦流傳感器2）壓電晶體加速度傳感器傳感器是典型的振動(dòng)傳感器，壓電傳感器是以某種物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種有源傳感器。某些電介質(zhì)物質(zhì)沿一定方向受外力作用而變形時(shí)，在它的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電傳感器的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)。根據(jù)壓電效應(yīng)的原理，當(dāng)晶體上受到振動(dòng)作用力后，將產(chǎn)生電荷量，該電荷量與作用力成正比，這就是壓電傳感器完成機(jī)電轉(zhuǎn)換的工作原理。壓電傳感器的輸出信號(hào)很微弱，而卻內(nèi)阻很高，一般不能直接顯示和記錄，需

20、要采用低噪聲電纜把信號(hào)送到具有高輸入阻抗的電荷放大器。電荷放大器由兩個(gè)作用，一是放大壓電傳感器的微弱輸出信號(hào)；另一個(gè)作用是把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。本系統(tǒng)選用的是4370系列壓電傳感器，將壓電加速度傳感器安裝在軸承座上，產(chǎn)生的與軸承振動(dòng)對(duì)應(yīng)的電荷，經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大后，輸入數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)構(gòu)如圖所示：圖2-4壓電振動(dòng)傳感器2.1.3軸心位移測(cè)量的信號(hào)調(diào)理軸的徑向、軸向位移信號(hào)是由電渦流傳感器測(cè)量得到的，電渦流傳感器是基于高頻磁場(chǎng)在金屬表面的渦流效應(yīng)而成，可進(jìn)行非接觸測(cè)量。安裝時(shí)，要選擇合適的間隙，以保證測(cè)量范圍內(nèi) 正負(fù)向位移對(duì)稱，對(duì)于直徑為8mm探頭，其初始間隙電壓為-

21、8.5vdc。電渦流傳感器輸出的信號(hào)是軸心位移信號(hào)和初始間隙直流電壓的疊加，疊加信號(hào)的最小值超過(guò)了-10v，而本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入范圍最大為-10v10v，因此在軸心位移信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)前要濾除直流噪聲信號(hào)。本課題采用了一個(gè)高通濾波器可以有效的濾除直流成分。濾波器是一種選頻裝置，它允許輸入信號(hào)中的特定頻率成分通過(guò),同時(shí)抑制或極大地衰減其它頻率成分。根據(jù)濾波器的選頻特性，一般將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻四種，由于要濾除的信號(hào)是一直流信號(hào)，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一個(gè)高通濾波器，如圖2-5： 圖2-5 高通濾波器ux為電渦流傳感器的輸出信號(hào)，uy為濾波后可以直接輸入計(jì)算機(jī)的信號(hào)，r選用

22、的是1k的電阻，c選用的是100f的電容，根據(jù)公式fc1/6.28 c r=1.6hz,試驗(yàn)證明，直流信號(hào)能夠被有效濾除，而位移信號(hào)能夠不衰減的順利通過(guò)。2.2 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控軟件軸心位移測(cè)量軸心軌跡測(cè)量振動(dòng)信號(hào)分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)主要使用美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的基于圖形開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀集成環(huán)境labview，labview作為適時(shí)推出的一個(gè)優(yōu)秀的測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和虛擬儀器構(gòu)建環(huán)境，得到了廣泛的應(yīng)用。labview提供了儀器化的編程環(huán)境和良好的網(wǎng)絡(luò)接口，使編程工作大大簡(jiǎn)便，并可方便的由單機(jī)版程序升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)程序。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)分析和處理模塊、

23、轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制模塊、電源控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)軸心位移、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集；信號(hào)分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析、頻譜分析等；轉(zhuǎn)速測(cè)控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)控和轉(zhuǎn)速的精確控制；電源控制控制各種電源設(shè)備的啟閉。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控軟件運(yùn)行于試驗(yàn)服務(wù)器端，遠(yuǎn)程用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制本地測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行。圖2-6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第三章 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)3.1.數(shù)據(jù)采集概述1）什么是數(shù)據(jù)采集 要想使用微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量、處理、顯示記錄和控制，必須首先將被測(cè)變量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合微機(jī)的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字采集的技術(shù)正是為這項(xiàng)工作服務(wù)的。所謂數(shù)據(jù)采集是將經(jīng)過(guò)前置放大、濾波后

24、的被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并從如到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。2）數(shù)據(jù)采集的任務(wù)數(shù)據(jù)采集的任務(wù)是把生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)采集后，以數(shù)字量的形式顯示、存儲(chǔ)、處理、傳送、打印。完成這些任務(wù)的基本手段是模擬量的輸入通道。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下部分：信號(hào)調(diào)理模塊；模擬多路切換開(kāi)關(guān)、采樣保持（s/h）模塊；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；其它模塊，如定時(shí)/計(jì)數(shù)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換等。3）數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集有單通道和多通道兩種結(jié)構(gòu)，對(duì)只需要采集一路模擬信號(hào)的測(cè)控系統(tǒng)選擇單通道結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際的測(cè)控系統(tǒng)中，一般需要測(cè)試多個(gè)參數(shù)或者對(duì)同一個(gè)參數(shù)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，因此多通道數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)應(yīng)用更加普遍。根據(jù)資源共享程度的不同、是否采用多路轉(zhuǎn)換器(m

25、ux)及mux安放位置的不同多通道有如下幾種方案：1）各路模擬信號(hào)由一個(gè)多路開(kāi)關(guān)切換，通過(guò)共用的單個(gè)采樣保持器送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它的特點(diǎn)是多路信號(hào)共同使用一個(gè)s/h和a/d，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本，但模擬多路開(kāi)關(guān)分時(shí)切換，輪流選通，兩路相鄰信號(hào)在時(shí)間上依次被采集，不能獲得同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，這樣就產(chǎn)生了時(shí)間偏斜誤差。2） 在多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)之前，給每路模擬信號(hào)通道各加一個(gè)s/h，使多路信號(hào)的采樣在同一時(shí)刻進(jìn)行，然后由各自的s/h保持著采樣信號(hào)的信號(hào)幅值，等待多路開(kāi)關(guān)分時(shí)切換，將各路信號(hào)輸入公用的s/h和a/d。這種方案能滿足同步采集的要求，結(jié)構(gòu)又相對(duì)比較簡(jiǎn)單 。不足的地方是采樣保持器長(zhǎng)時(shí)

26、間后都有泄漏，各路信號(hào)衰減的程度不同，因此這種結(jié)構(gòu)不是嚴(yán)格的同步輸入。3）采用多個(gè)單通道結(jié)構(gòu)方案，不需要多路轉(zhuǎn)換器(mux)，每一路都有一個(gè)s/h和a/d 對(duì)各個(gè)模擬信號(hào)分別轉(zhuǎn)換，各通道模擬轉(zhuǎn)換器的輸出直接掛接在微處理的總線上，采集的數(shù)據(jù)按一定順序或隨機(jī)地輸入計(jì)算機(jī)。如果各路信號(hào)接受同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，就可以做到真正得同步采集。此方案的缺點(diǎn)是要使用較多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；由于本系統(tǒng)主要任務(wù)是進(jìn)行加速度傳感器振動(dòng)測(cè)量、電渦流傳感器位移測(cè)量、光電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制等，不對(duì)通道之間的相互關(guān)系（如互相關(guān)、互譜等）進(jìn)行分析，所以第一種方案可以滿足這個(gè)要求。3.2 模/數(shù) 轉(zhuǎn)換 1模/數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換的功

27、能模/數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換的功能是將連續(xù)時(shí)間和幅值的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散和幅值離散的計(jì)算機(jī)能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)，并保證轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)失真在允許的范圍之內(nèi)。a/d接口是數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中的核心，它的性能好壞直接影響著所采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)分析的可靠性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)在測(cè)控領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品廣泛采用板卡級(jí)結(jié)構(gòu)。這類產(chǎn)品在一塊印刷電路板上包括了模擬多路開(kāi)關(guān)（mux）、采樣保持電路（s/h）、模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（adc、dac）、定時(shí)計(jì)數(shù)器82538254等部件。應(yīng)用時(shí)，直接插入微機(jī)的pci或isa擴(kuò)展槽，安裝方便，操作簡(jiǎn)單靈活。2在選用a/d板時(shí)，以下技術(shù)參數(shù)應(yīng)著

28、重考慮：分辨率、轉(zhuǎn)換頻率、精度、通道數(shù)等。1）分辨率用來(lái)表示a/d板對(duì)于輸入模擬信號(hào)的分辨能力，也是a/d板輸出的數(shù)字編碼能夠反映多么微小的模擬信號(hào)變化，常用a/d板的分辨率用位數(shù)來(lái)表示。數(shù)據(jù)采集設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，可以檢測(cè)到的信號(hào)變化量也就越小。如果a/d板的輸入信號(hào)電壓范圍為5v，分辨率為12bit，則與5v-5v電壓范圍相對(duì)應(yīng)的離散數(shù)據(jù)在04095之間，即離散數(shù)據(jù)最多只能分辨出原來(lái)連續(xù)數(shù)據(jù)中5-（-5）/(212-1)0.00252.5mv 大小的變化。從上式看出，對(duì)于同樣的信號(hào)，a/d板的分辨率越高，則采樣后離散數(shù)據(jù)的有效位數(shù)越多，a/d板對(duì)于輸入的模擬信號(hào)的分辨能力就越強(qiáng)。對(duì)于

29、該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，渦流傳感器的分辨率為1，靈敏度為8 ，所以采用分辨率為12位的a/d板足以滿足要求。2）轉(zhuǎn)換頻率，即采樣率。是指單位時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，也就是采樣時(shí)相鄰兩采樣點(diǎn)最短時(shí)間間隔的倒數(shù)，單位為hz。進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)測(cè)試信號(hào)的類型選擇適當(dāng)?shù)牟蓸勇?，采樣率太低，采集的信?hào)會(huì)有很大的失真，但盲目提高采樣率，會(huì)增加測(cè)試系統(tǒng)的成本。在實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)中，一般情況下會(huì)有多個(gè)被測(cè)信號(hào)，這些信號(hào)獨(dú)立進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，但是大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡是多個(gè)通道共用一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)給出的最高采樣率，應(yīng)該分配到各個(gè)通道上。在本試驗(yàn)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速最高為10000rpm，即167hz?？?/p>

30、慮到倍頻成分的測(cè)量和通道數(shù)的要求，最高轉(zhuǎn)換頻率不高于10k。目前常用的ni公司的數(shù)據(jù)采集卡中，低價(jià)位的pci-6024e采樣率為200ks/s，可以滿足本系統(tǒng)的要求。3）a/d板的轉(zhuǎn)換精度反映了采樣所帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差，精度通常與分辨率有關(guān)系，高精度的前提必須有高的分辨率。另外輸入的連續(xù)信號(hào)的峰值電壓不能超過(guò)a/d板的輸入電壓范圍，否則，采得的數(shù)據(jù)不正確，且可能燒壞a/d板。當(dāng)然，如果輸入信號(hào)的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于a/d板的電壓限值，也難以充分利用a/d板高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。在試驗(yàn)的過(guò)程中，根據(jù)測(cè)試信號(hào)的電壓大小，合理選擇a/d板的輸入電壓范圍。數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)給出的分辨率是滿量程時(shí)的參數(shù)，如果實(shí)際上被測(cè)信

31、號(hào)電壓幅值達(dá)不到滿量程范圍，可以通過(guò)設(shè)置使實(shí)際的量程范圍與信號(hào)電壓范圍相匹配，這樣就充分利用了設(shè)備現(xiàn)有的分辨率。4）模擬輸入通道數(shù)n是指a/d板可以同時(shí)對(duì)n路輸入信號(hào)采樣。在試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試中，最多同時(shí)采集6個(gè)通道，4個(gè)振動(dòng)測(cè)試通道，2個(gè)軸心位移測(cè)量通道。根據(jù)a/d板選擇的原則和試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的要求，本文選擇使用美國(guó)國(guó)家儀器公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡pci-6024e，這種a/d卡主要功能和特點(diǎn)如下：a/d轉(zhuǎn)換芯片的分辨率為12bit；最高采樣頻率為200khz，可任意設(shè)定采樣頻率；16模入通道，任意設(shè)定采樣通道數(shù)，通道自動(dòng)掃描采集；精度優(yōu)于0.05%（滿量程）；模入范圍5v和10v；輸入阻抗100m。從a

32、/d板性能參數(shù)可以看出，這種a/d板是符合要求的。3.3去噪處理和信號(hào)濾波在測(cè)控系統(tǒng)中，通常要包含許多的感性負(fù)載，例如本系統(tǒng)的電機(jī)和pwm電機(jī)控制器。他們?cè)诠ぷ鲿r(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，形成幅值很大的尖峰脈沖噪聲，這些噪聲和所采集的有用信號(hào)一起通過(guò)模擬輸入通道輸入計(jì)算機(jī)，大大影響了信號(hào)分析結(jié)果的可靠性。本系統(tǒng)的去噪方法是采用信號(hào)濾波。轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)各信號(hào)頻率范圍是0-167hz，通過(guò)對(duì)噪聲信號(hào)的分析，發(fā)現(xiàn)噪聲的頻譜與信號(hào)頻譜有交疊，所以用頻域?yàn)V波的方法（如低通、高通濾波器等）進(jìn)行處理會(huì)影響信號(hào)本身。造成有用信號(hào)的失真。如果用時(shí)域?yàn)V波的方法（如中值濾波等）就能夠較好的把噪聲濾除，而信號(hào)失真很小。因?yàn)?/p>

33、在時(shí)域中，信號(hào)的輪廓很清晰，噪聲信號(hào)只是隨機(jī)的造成了許多的毛刺和尖峰，因而本系統(tǒng)中采用的時(shí)域?yàn)V波的方式去除噪聲。濾波一般分為模擬濾波和數(shù)字濾波，模擬濾波很容易實(shí)現(xiàn)頻域?yàn)V波而難以實(shí)現(xiàn)時(shí)域?yàn)V波，數(shù)字濾波既可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域?yàn)V波又可以實(shí)現(xiàn)頻域?yàn)V波。本課題采用了軟件數(shù)字濾波法即計(jì)算機(jī)算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理14。 通過(guò)對(duì)噪聲信號(hào)的分析和統(tǒng)計(jì)，本系統(tǒng)采用時(shí)域中值濾波算法處理信號(hào)，中值濾波就是用一個(gè)含有奇數(shù)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，將窗口正中那點(diǎn)值用窗口內(nèi)各點(diǎn)的中值代替。 設(shè)有一個(gè)一維序列 f1f2fm。窗口長(zhǎng)度為m(m為奇數(shù))，對(duì)此序列進(jìn)行中值濾波，就是從輸入序列中相繼抽出m個(gè)數(shù)，fi-vfi-1fifi+1fi+v

34、,其中f i為窗口的中心值，v=(m-1)/2，再將這m個(gè)點(diǎn)值按其數(shù)值大小排列，取其序號(hào)為正中間的那個(gè)數(shù)作為濾波輸出。用數(shù)學(xué)公式表示為y i=med fi-vfi-1fifi+1fi+v iz, v= (m-1)/2, 中值濾波可以用來(lái)減弱隨機(jī)干擾和脈沖干擾，在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果。圖3-1是1000轉(zhuǎn)/分時(shí)圓盤原始振動(dòng)信號(hào)波形、圖3-2是時(shí)域中值濾波后的波形、圖3-3是頻域低通濾波后的波形。圖3-1 原始振動(dòng)信號(hào)圖 圖3-2 中值濾波后的波形圖圖3-3低通濾波后的波形圖值濾波不僅恢復(fù)原波形形狀而且保持原波形的相位信息。而低通濾波雖濾掉了干擾信號(hào)但也破壞了原始信號(hào)，圖3.3中可發(fā)現(xiàn)濾

35、波后的波形發(fā)生了相位改變。3.4 信號(hào)分析和處理信號(hào)分析和處理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要的部分，由于被測(cè)信號(hào)各種各樣，所以由各種傳感器或放大調(diào)理電路輸出的信號(hào)也是各不相同的，根據(jù)信號(hào)種類的不同，信號(hào)的分析方法也各不相同。labview開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了很多數(shù)字濾波、信號(hào)分析和處理方面的控件，利用這些控件可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)各種信號(hào)分析和處理的功能。1軸心軌跡測(cè)量軸心軌跡一般是指轉(zhuǎn)子軸心一點(diǎn)相對(duì)于軸承座在其與軸線垂直的平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，該軌跡是一平面曲線。軸心軌跡的形狀可以反映出主軸承的運(yùn)行情況，液體潤(rùn)滑情況等。軸心軌跡的測(cè)量一般采用兩個(gè)電渦流傳感器測(cè)量出x軸位移和y軸的位移，進(jìn)行合成。x、y方向的振動(dòng)波形振

36、幅相同，只含有轉(zhuǎn)速頻率成分的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，二者相位差為90度。對(duì)于大多數(shù)實(shí)際轉(zhuǎn)子。由于軸的各向彎曲剛度存在著差異，引起轉(zhuǎn)速頻率振動(dòng)的原因也不全是不平衡，軸心軌跡也不再是圓，而是橢圓。與其對(duì)應(yīng)得x和y方向振動(dòng)波形不僅幅值不同，而且相位差也不是90度。軸心軌跡測(cè)量流程如下圖：x軸位移y軸位移數(shù)據(jù)采集卡ad中值濾波中值濾波 x軸波形y軸波形軸心軌跡 3-4 軸心軌跡測(cè)量流程圖2振動(dòng)信號(hào)分析工程上所測(cè)得的信號(hào)一般為時(shí)域信號(hào)，然而由于故障的發(fā)生往往引起信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)的變化，為了通過(guò)所測(cè)信號(hào)了解觀測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要頻域信息。將時(shí)域信號(hào)變換至頻域加以分析的方法稱為頻譜分析。頻譜分析的目的是把復(fù)雜的時(shí)間歷

37、程波形，經(jīng)傅立葉變換分解為若干單一的諧波分量來(lái)研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波幅值和相位信息。在本系統(tǒng)中，由振動(dòng)分析模塊對(duì)所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，從而研究軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一些動(dòng)力學(xué)特性，如旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、間隙、潤(rùn)滑不良、支撐松動(dòng)等。3自相關(guān)分析在測(cè)試結(jié)果的分析中，相關(guān)性是一個(gè)非常重要的概念，相關(guān)指的是變量之間的線性關(guān)系，變量x、y之間的相關(guān)程度可以用相關(guān)系數(shù)來(lái)表示。自相關(guān)函數(shù)可以檢驗(yàn)信號(hào)中是否含有周期信號(hào)，如果信號(hào)中有周期成分，則其自相關(guān)函數(shù)在稍大時(shí)都不衰減，并具有明顯的周期性，不含周期成分的隨機(jī)信號(hào)在稍大時(shí)自相關(guān)函數(shù)就趨近于零?；ハ嚓P(guān)函數(shù)則

38、是工程中在噪聲背景下提取有用信號(hào)的一個(gè)非常有效的手段。為了濾除信號(hào)中的噪聲和不需要的頻率成分，分析模塊設(shè)置了中值濾波器。為了減小和抑制頻率泄露，采用漢寧窗，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)合理選擇測(cè)量參數(shù)，如振動(dòng)位移是研究強(qiáng)度和變形的重要依據(jù)；振動(dòng)加速度與作用力或載荷成正比，是研究動(dòng)力強(qiáng)度和疲勞的重要依據(jù)；振動(dòng)速度決定了噪聲的高低，人對(duì)機(jī)械振動(dòng)的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速度決定的。速度又與能量和功率有關(guān)，并決定動(dòng)量的大小。對(duì)振動(dòng)加速度進(jìn)行了兩次積分，分別得到了振動(dòng)速度和位移信號(hào)。振動(dòng)分析流程圖如下圖3-5：數(shù)據(jù)采集漢寧窗自相關(guān)分析中值濾波頻譜分析積分積分圖3-5 振動(dòng)分析流程圖第四

39、章 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)儀器儀表作為測(cè)控的重要工具在科研和生產(chǎn)過(guò)程中起著重要作用，在對(duì)大規(guī)模、自動(dòng)化、智能化電子測(cè)控系統(tǒng)的需求愈發(fā)迫切的形式下，計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合開(kāi)創(chuàng)了儀器儀表新的里程碑-虛擬儀器技術(shù) ，它結(jié)合了計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)儀器儀表的特點(diǎn)，具有更高的靈活性和可定義性。本遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)就是根據(jù)這一特點(diǎn)，采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具labview開(kāi)發(fā)了本地測(cè)控系統(tǒng)，方便地實(shí)現(xiàn)了儀器的網(wǎng)絡(luò)化。4.1 虛擬儀器概述虛擬儀器（virtual instrument）是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物。它把計(jì)算機(jī)、傳感器、儀器儀表等硬件與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來(lái)。除繼承傳統(tǒng)儀器的已有功能外，還增加了

40、許多傳統(tǒng)儀器所不能及的先進(jìn)功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其靈活性，用戶在使用過(guò)程中可以根據(jù)需要定制儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且能充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)方面的限制。由于虛擬儀器系統(tǒng)是基于模塊化軟件標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放系統(tǒng)，當(dāng)用戶測(cè)試要求變化時(shí)可方便地由用戶自己來(lái)增減硬件、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的vi系統(tǒng)而不丟棄已有的硬件和軟件資源?？傊?，使用虛擬儀器系統(tǒng)不僅提高了開(kāi)發(fā)效率而且降低了開(kāi)發(fā)成本，在系統(tǒng)測(cè)控方案的選擇中處于優(yōu)勢(shì)地位。 4.1.1 虛擬儀器的概念所謂虛擬

41、儀器，就是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶操作和使用計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專門的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示。虛擬儀器通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與模塊化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面操作這臺(tái)儀器，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、處理、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器一樣可劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)三個(gè)模塊，如圖4.1所示。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件結(jié)合在一起，通過(guò)應(yīng)用程序提供的儀器硬件接口和圖形化用戶界面，用戶可以方便的操作

42、儀器硬件，而不必深入了解gpib(通用接口總線、vix（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)vem總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展）、daq（數(shù)據(jù)采集）等方面的細(xì)節(jié)。采集和控制插卡式數(shù)據(jù)采集板gpib儀器vxi/pxi儀器rs-232儀器數(shù)據(jù)采集和分析數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字濾波統(tǒng)計(jì)分析數(shù)值分析數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸網(wǎng)絡(luò)通信硬件拷貝輸出文件i/o圖形用戶接口圖4-1 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分由于vi的模塊化、開(kāi)放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，用戶可以大大提高系統(tǒng)的復(fù)用率，低開(kāi)發(fā)成本，通過(guò)表4.1可清楚的看出vi與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別表4-1 vi與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別vi傳統(tǒng)儀器開(kāi)發(fā)費(fèi)用軟件使得開(kāi)發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低開(kāi)發(fā)與維護(hù)開(kāi)銷高更換周期技術(shù)更新周期短技術(shù)

43、更新周期長(zhǎng)關(guān)鍵部件軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價(jià)格價(jià)格低、可復(fù)用與可重配置性強(qiáng)價(jià)格昂貴功能用戶定義儀器功能廠商定義儀器功能開(kāi)放性開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步封閉、固定互聯(lián)性與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備方便互聯(lián)并構(gòu)成面向應(yīng)用的系統(tǒng)功能單一、互聯(lián)有限的獨(dú)立設(shè)備4.1.2 虛擬儀器的基本結(jié)結(jié)構(gòu)和類型從構(gòu)成要來(lái)講，虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的；根據(jù)儀器硬件的不同，則分為以daq板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件組成的pc-daq測(cè)試系統(tǒng)，和以gpib、vxi、串行總線和現(xiàn)場(chǎng)總線等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的gpib系統(tǒng)、vxi系統(tǒng)、串行總線系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-2所示。信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采

44、集卡測(cè)控對(duì)象gpib接口設(shè)備gpib接口卡串行接口儀器/plcvxi儀器現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備其它計(jì)算機(jī)硬件labviewlabwindows/cvi及其它應(yīng)用軟件圖4-2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成4.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件軟件是虛擬儀器的核心，通過(guò)編制軟件可以在有限的設(shè)備基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的各種自定義功能。因此有人提出了“軟件就是儀器的觀點(diǎn)”。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件通?？梢苑譃橥ㄓ密浖蛯I(yè)軟件。通用軟件就是我們常見(jiàn)的高級(jí)編程語(yǔ)言，比如visual c+、vb、delphi、java等。而專用軟件一般是指專業(yè)的圖形化軟件，比如ni公司的labview、labwindows/cvi或者h(yuǎn)p公司的vee等。labv

45、iew是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(laboratory virtual instrument engineering workbench)的簡(jiǎn)稱，是一種集數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示功能于一體的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，為用戶提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式。它提供了一種全新的程序編寫(xiě)方法，即對(duì)稱之為“虛擬儀器”（virtual instruments, vis）的軟件對(duì)象進(jìn)行圖形化的組合操作，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，這樣開(kāi)發(fā)人員就不再需要使用復(fù)雜的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境即可享用強(qiáng)大的編程語(yǔ)言帶來(lái)的靈活性，在同一環(huán)境下就可以使用廣泛的采集、分

46、析和顯示功能。labview廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview集成了滿足gpib、vxi、rs-232和rs-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用tcp/ip、activex等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的測(cè)控軟件，利用它可以方便的建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。 所有l(wèi)abview應(yīng)用程序，即虛擬儀器，它包括前面板、流程圖以及圖標(biāo)/連接器三部分程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（controls），輸

47、出量被稱為顯示（indicators）?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使這得前面板直觀易懂。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用labview圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來(lái)同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。圖標(biāo)/連接器是子vi被其它vi調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子vi在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就象函

48、數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對(duì)應(yīng)。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，labview圖形編程方式能夠節(jié)省85以上的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。在labview 中，可以利用旋鈕、開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)盤、圖表等控制件和顯示件建立用戶界面，即前面板，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的控制面板?？刂萍ㄐo、按鈕等輸入控件，顯示件包括圖表、led 等顯示器件。在完成用戶界面的創(chuàng)建后，通過(guò)vi 和結(jié)構(gòu)添加代碼來(lái)控制前面板上的對(duì)象。這些程序代碼就構(gòu)成了程序框圖。利用labview，可以和諸如數(shù)據(jù)采集設(shè)備、圖像設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備等硬件進(jìn)行通信，也可以和gpib、pxi、vxi、rs-2

49、32、rs-485 儀器通信。所以說(shuō)，作為一種圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，labview具有以下特點(diǎn)：u 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫(xiě)任何文本格式的代碼，使用“所見(jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面u 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。u 提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行，同時(shí)提供有讀到的高亮度執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式執(zhí)行，利于觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。u 32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。u 從底層vxi儀器、數(shù)據(jù)采集板到總線接口硬件和gpib的驅(qū)動(dòng)程序，囊括了daq、gpib、pxi、vxi、rs23

50、2/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備和儀器。u 提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如dlls (動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))、dde(共享庫(kù))、activex等。u 支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(dde)和tcp/ip等強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便聯(lián)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)。 4.3 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器的設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)各參數(shù)的正確控制和測(cè)量是遠(yuǎn)程試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。采用labview構(gòu)造本地的虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)，不僅可以方便靈活的采集、分析、 測(cè)量各信號(hào)量，而且還能提供良好的儀器操作界面以便監(jiān)控和干預(yù)遠(yuǎn)程用戶的試驗(yàn)過(guò)程。軟件框圖如圖4.3所示：轉(zhuǎn)

51、子實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件系統(tǒng)軸心軌跡測(cè)量振動(dòng)信號(hào)分析軸心位移測(cè)量圖4-3 軟件框圖4.3.1 軸心位移測(cè)量模塊軸心位移測(cè)量模塊的能是采集軸心位移信號(hào)，并測(cè)量位移的幅值等參數(shù)。虛擬儀器的信號(hào)采集模擬常用示波器的操作與功能。具體來(lái)講就是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及其信號(hào)采集接口電路來(lái)捕捉信號(hào)波形，并通過(guò)圖形用戶界面來(lái)模擬示波器的操作面板，對(duì)信號(hào)完成采集、顯示。根據(jù)本系統(tǒng)的需求，數(shù)據(jù)采集是多通道連續(xù)采集，整個(gè)系統(tǒng)初始化時(shí)，就對(duì)采集卡進(jìn)行初始化和配置，使采集卡處于就序狀態(tài)。當(dāng)用戶發(fā)出采集命令，此時(shí)采集卡開(kāi)始多通道連續(xù)采集,數(shù)據(jù)采集程序?yàn)閍i continuous scan子vi，這個(gè)函數(shù)為實(shí)用多通道連續(xù)采集函數(shù)。調(diào)用ampl

52、itude and level measurements和tone measurement兩個(gè)函數(shù)分別計(jì)算得出x軸、y軸位移的最大值、最小值、峰峰值及振幅和頻率。amplitude and level measurements和tone measuremen這兩個(gè)函數(shù)可以使用快速vi,快速vi的參數(shù)是通過(guò)對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置的，這樣可以減少連線，提高程序的開(kāi)發(fā)效率。下圖4-4和4-5分別為軸心位移測(cè)量模塊的前面板和程序框圖。圖4-4 軸心位移測(cè)量前面板圖4-5 軸心位移測(cè)量程序框圖4.3.2振動(dòng)分析模塊振動(dòng)量分析模塊主要負(fù)責(zé)把所采集的轉(zhuǎn)子振動(dòng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析（振動(dòng)信號(hào)是一隨機(jī)信號(hào)，在時(shí)域上是一無(wú)限信號(hào)，因此 ，一般不做幅值譜和相位譜分析，而是用具有統(tǒng)計(jì)特性的功率譜密度作譜分析）及相關(guān)分析等，從而研究試驗(yàn)臺(tái)上軸承