基于虛擬儀器技術(shù)的減振實驗系統(tǒng)的設(shè)計

1、論文導(dǎo)讀：伴隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測量儀器不斷進步，從最初的模擬儀器依次發(fā)展到數(shù)字化儀器、智能化儀器和最新一代的虛擬儀器。因此，我們設(shè)計了以LabVIEW為基礎(chǔ)的動力減振實驗系統(tǒng)。它包括振動激勵系統(tǒng)、兩自由度動力減振振動梁裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及包含LabVIEW軟件的計算機系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：減振，虛擬儀器，LabVIEW0 引言振動現(xiàn)象是自然界中普遍存在的一種現(xiàn)象，振動問題在工程中是要經(jīng)常面對地問題，故振動分析已成為各項工程技術(shù)研究與設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)。伴隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測量儀器不斷進

2、步，從最初的模擬儀器依次發(fā)展到數(shù)字化儀器、智能化儀器和最新一代的虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)，由用戶定義儀器功能，可擴展性強，信號分析及處理能力強。因此，我們設(shè)計了以LabVIEW為基礎(chǔ)的動力減振實驗系統(tǒng)。1.虛擬儀器技術(shù)1.1虛擬儀器的組成虛擬儀器以透明的方式把計算機資源(如微處理器、顯示器等)和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時器等)的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口1。這樣用戶便可以通過友好的圖形界面操作這臺計算機，就象在操作自己定義、自己設(shè)計的一臺單個傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器從功能上劃分,可以分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示三大功能模塊；

3、從構(gòu)成要素講,它是由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的；從構(gòu)成方式講,則有以DAQ板和信號調(diào)理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測試系統(tǒng),以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等多種形式。無論哪種VI系統(tǒng)都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式PC或工作站等各種計算機平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。1.2虛擬儀器的優(yōu)勢虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處在于應(yīng)用的靈活性和功能的可重構(gòu)性上。論文參考網(wǎng)。在虛擬儀器中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便的改變

4、、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器克服了傳統(tǒng)儀器的功能在制造時就被限定而不能變動的缺陷，擺脫了由傳統(tǒng)硬件構(gòu)成一件儀器再連接成系統(tǒng)的模式，為用戶提供了一個充分發(fā)揮自己的才能和想象力的空間。2.振動的數(shù)學(xué)模型分析工程實際中，大量問題不能簡化為單自由度系統(tǒng)的振動問題進行分析，而往往需要簡化成多自由度系統(tǒng)才能解決。兩自由度系統(tǒng)是最簡單的多自由度系統(tǒng)。對系統(tǒng)模型的簡化、振動微分方程的建立和求解的一般方法以及系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)出來的振動特性等方面，兩自由度系統(tǒng)和多自由度系統(tǒng)沒有什么本質(zhì)區(qū)別。因此研究兩自由度系統(tǒng)是分析和掌握多自由度系統(tǒng)振動特性的基礎(chǔ)。兩自由度系統(tǒng)的運動形態(tài)要由兩個獨立的坐標(biāo)來確定，需要用兩個振

5、動微分方程描述它的運動。建立振動微分方程最常用的方法就是用牛頓第一定律法則進行分析。在工程中有許多實際系統(tǒng)都可以簡化為圖1所示的力學(xué)模型圖。質(zhì)體m1和m2用彈簧k2聯(lián)系，而它們與基礎(chǔ)分別用彈簧k1和k3聯(lián)系。假定兩質(zhì)體只沿鉛垂方向作往復(fù)直線運動，質(zhì)體m1和m2的任一瞬時位置只要用x1及和x2兩個獨立坐標(biāo)就可以確定，因此，系統(tǒng)具有兩個自由度。以ml和m2的靜平衡位置為坐標(biāo)原點，在振動的任一瞬時t，m1與m2的位移分別為xl和x2。在質(zhì)體m1作用諧激振力Qlsinωt。取加速度和力的正方向與坐標(biāo)正方向一致，根據(jù)牛頓第二定律可分別得到質(zhì)體ml和m2的振動微分方程：力學(xué)模型的振動微

6、分方程為：（1） 其受迫振動的振幅為：（2） 當(dāng)時，得，?？梢娺x擇動力消振器的固有頻率時，ml即保持不動，而m2則以頻率作的受迫振動。消振器彈簧在下端受到的作用力在任何瞬時恰好與上端的激振力相平衡，因此使m1的振動轉(zhuǎn)移m2上來。3.減振實驗系統(tǒng)的設(shè)計3.1減振實驗系統(tǒng)總體設(shè)計整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它包括振動激勵系統(tǒng)、兩自由度動力減振振動梁裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及包含LabVIEW軟件的計算機系統(tǒng)。我們采用框架式結(jié)構(gòu)梁和附梁作為被測件，通過激振器使其產(chǎn)生振動，從而得到它的動態(tài)特性。3.2兩自由度振動裝置由框架式結(jié)構(gòu)梁和激振器所構(gòu)成的兩自由度動力減振實驗臺裝置如圖3 所示。1所示即為框架式結(jié)

7、構(gòu)梁，2所示為附梁，3為激振器。在激振器的作用下，框架式結(jié)構(gòu)梁（m1，k1）產(chǎn)生振動，在激勵頻率等于其固有頻率時,會產(chǎn)生單自由度系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。為消除框架式結(jié)構(gòu)梁主梁系統(tǒng)的共振狀態(tài)，在該系統(tǒng)上再附加附梁系統(tǒng)（m1，k2）而形成兩自由度系統(tǒng)，當(dāng)附梁系統(tǒng)的固有頻率和框架式結(jié)構(gòu)梁主梁系統(tǒng)相同時，這時附梁系統(tǒng)（m1，k2）具有消除主梁系統(tǒng)（m1，k1）共振的作用，故稱為動力減振系統(tǒng)。論文參考網(wǎng)。振動信號通過貼在主梁和附梁上的電阻應(yīng)變片測量。 3.3振動激勵系統(tǒng)將電動式激振器與被測件固定在一起，使其隨激振器的振動形式而運動。由信號采集卡輸出產(chǎn)生激勵信號。論文參考網(wǎng)。然后經(jīng)功率放大器傳給激振器，對框架式結(jié)

8、構(gòu)梁和附梁產(chǎn)生激振作用。在本系統(tǒng)中，為控制方便，可對被測件進行恒力激振，即每改變一次頻率，只要調(diào)整信號的幅值大小使功率放大器的輸出保持恒定即可。3.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電阻應(yīng)變片、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等幾部分組成。對于可接觸測量的框架式結(jié)構(gòu)梁和附梁，分別貼上電阻應(yīng)變片，將兩路振動信號變成應(yīng)變信號，再通過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)變成電壓信號，再進行放大濾波處理?？紤]到振動信號的頻率不高，所以選用了的NI公司的USB6008型多功能數(shù)據(jù)采集卡，其采樣速度可達(dá)10k/s，可完成雙通道的數(shù)據(jù)采集處理。 3.5數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)可分為主模塊、虛擬信號源模塊、振動信號采集模塊、數(shù)

9、據(jù)分析模塊，其中數(shù)據(jù)分析模塊又可分為頻譜分析模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊。虛擬儀器系統(tǒng)功能較為復(fù)雜，所以采用了四個分面板形式，把最重要的顯示元件和操作元件放在了第一分面板，并且分配到每個子面板上的功能均簡潔明了，易于用戶理解。振動信號變成數(shù)字信號輸入計算機中，接下來調(diào)用LabVIEW軟件編寫的數(shù)據(jù)分析程序進行對數(shù)據(jù)進行頻譜分析。根據(jù)振動測試中對信號的分析和處理的基本要求，提供了濾波器、窗函數(shù)、時域、頻域、頻率響應(yīng)、自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)等信號分析方法。加上對這些分析方法的數(shù)據(jù)控制，能夠很好的實現(xiàn)對信號的分析和處理。當(dāng)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個從0Hz開始的掃頻信號，傳給激振器對框架式結(jié)構(gòu)梁產(chǎn)生激振作用時，我們可以在計算機上觀測到兩自由度的共振現(xiàn)象和動力減振現(xiàn)象。在這我們給出了信號傅立葉變換后的頻域觀察，當(dāng)然也可以在時域觀察。4結(jié)束語基于虛擬儀器技術(shù)的減振實驗系統(tǒng)能有效的觀測和分析兩自由度振動和動力減振現(xiàn)象，由于所處理的信號頻率不高，采用廉價的采集卡就能滿足要求，整體造價低廉，而信號處理內(nèi)容較為豐富，所以該實驗系統(tǒng)不僅適合機械專業(yè)使用，而且還可以用于檢測和應(yīng)用物理等專業(yè)在學(xué)習(xí)傳感器和虛擬儀器時使用。同時利用LabVIEW的靈活性，可以讓學(xué)生自