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基于Labview的振动信号测试系统设计


成 绩 评 定 表
学生姓名 杨博 班级学号 1203060418





通信工程

课程设计题目 振动信号测试系统设计





组长签字:

成绩

日期

2015 年 7 月 13 日

课程设计任务书
学 院 信息科学与工程学院 杨博 专 业 班级学号 通信工程 1203060418 学生姓名 课程设计题目 实践教学要求与任务:
1.学习 LabVIEW 的虚拟仪器原理、设计方法和实现技巧; 2.掌握简单 LabVIEW 程序的编程实现; 3.掌握简单通信系统设计和分析方法; 4.采用 LabVIEW 语言,实现振动信号测试系统。 (1)通过检索、查资料、调查研究、确定方案、画出组成系统结构方框图; (2)采用 LabVIEW 实现振动信号测试系统; (3)系统调试与改进,调整系统参数,分析系统运行结果; (4)写出设计总结报告。

振动信号测试系统设计

工作计划与进度安排:
19 周 (上) :学习 LabVIEW 虚拟仪器原理、 设计方法和实现技巧, 掌握简单 LabVIEW 程序的编程实现,掌握简单通信系统设计和分析方法。 19 周(下):采用 LabVIEW 语言,实现振动信号测试,并对系统进行性能分析。

指导教师: 2015 年 7 月 5 日

专业负责人: 2015 年 7 月 5 日

学院教学副院长: 2015 年 7 月 5 日

目录
1 目的及基本要求 ..................................................................... 错误!未定义书签。 2 振动信号测试系统原理 ........................................................................................... 2 2.1 振动信号测试原理 .......................................................................................... 2 2.2 流程图 ............................................................................................................... 3 2.3 设计步骤 ......................................................................... 错误!未定义书签。 3 振动信号测试系统设计和仿真 ............................................................................... 3 3.1 总体程序设计 .................................................................................................. 3 3.2 各功能模块详细设计 ...................................................................................... 4 3.2.1 数据采集模块设计 .................................................................................. 4 3.2.2 信号预处理模块设计 .............................................................................. 5 3.3.3 时域分析模块设计 .................................................................................. 5 3.3.4 频域分析模块设计 .................................................................................. 7 4 结果及性能分析 ................................................................................................... 11 4.1 运行结果 ........................................................................................................ 11 4.2 性能分析 ........................................................................................................ 11 参考文献......................................................................................................................12

1 目的及基本要求
熟悉 LabVIEW 开发环境,掌握基于 LabVIEW 的虚拟仪器原理、设计方法和实现 技巧,运用专业课程中的基本理论和实践知识,采用 LabVIEW 开发工具,实现振动信 号测试设计和仿真。 基本要求:测量信号在软件的控制下,经由电子测量硬件平台的采集,再经电子 计算机的处理,得到最终的测试结果,并以数据、曲线、图形等显示在电子计算机的 终端显示屏上。

2 振动测试系统原理
2.1 振动测试系统原理 一般来说,振动测试与分析系统由两大部分组成。一部分为传感器测量系统, 它包括各种振动传感器、压力传感器以及其有关测量部分,其左右是拾取表征机器状 态的各种信号或参数,并使之变成标准的电压或电流信号;另一部分即为测量数据采 集、显示、处理及分析系统,其作用是获得信号并进行具体振动值显示,同时进行进 一步的各种分析、处理。
激振力发生器 激振对象 振动测试分析系统

图 1 振动测试系统结构框图

实际的振动测试系统可归纳为图 3-1 所示的框图, 激励力发生器产生具有某种特 定的大小和变化规律的力,作用于激振对象,构成它的给定输入。激振对象在此激振 力的作用下产生相应的振动输出响应。 振动测试系统则对激振对象的输出响应进行测 量。 一个振动系统,从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出,输入通常称 为激励,输出称为响应;输出特性不仅取决于输入特性,还取决于振动系统的振动特 性。输入、输出和系统的振动特性这三者之间的关系如图。 激振 响应

系统振动特性

图 2 振动系统原理图

1

2.2 流程图

主程序开始

创建串口对象并初始化

写串口(发送命令)

接收单片机发出的数据

对数据进行处理

关闭串口

图 3 流程图

2.3 设计步骤 对于绝大多数数据采集和控制系统来说, 传感器在连接到数据设备之前的信号必 须被转换为设备所能够识别的信号,所以信号调理非常重要。典型的系统一般都需要 信号调理硬件, 用于将原始信号以及传感器输出接到数据采集卡上通过信号调理的功 能,如信号的放大、隔离、滤波、线性化处理等,提高了数据系统的可靠性等性能。 信号分析是振动测试中的一种重要方法,也是近年来测试技术的发展方向。数字 信号的测试与模拟信号的测试一样,也是由传感器来完成得。然后将模拟信号进行转 化成数字信号,在利用数字信号处理技术进行分析与处理。信号处理的基本步骤。
振动信号 预处理 A/D 转换 图 4 信号处理基本步骤 信号处理器

结果显示

2

3 振动测试系统设计和仿真
3.1 总体程序设计 本次设计的主要任务是在 LabVIEW 平台上设计一套振动信号采集分析虚拟仪器 系统。其主要功能有:数据采集、数据读取和存储、信号分析和处理。由于 LabVIEW 是基于模块化程序设计思想,因此在设计过程中也是基本遵循这一基本思想,在总体 的方案确定后,根据所需的不同功能分别组建各种功能模块,最后在进行调试。根据 振动测试的需要, 本文把整个系统分为以下模块: 数据采集、 信号预处理、 时域分析、 频域分析等模块。

图 5 系统前面板设计

3

图 6 系统后面板设计

3.2 各功能模块详细设计 3.2.1 数据采集模块设计 数据采集提供了整个测试分析系统的数据来源,是虚拟仪器的基本组成部分。数 据采集部分主要以单片机控制 A/D 芯片来完成对传感器数据的读取,然后数据通过 串口传到 PC 机。PC 机利用 LabVIEW 软件对收到的数据进行转换处理、分析、显示 等。LabVIEW 数据采集程序。

图 7 数据采集程序

3.2.2 信号预处理模块设计 经数据采集卡采集的原始信号常常包含着不利于分析的成分, 其中之一是在取得 数据时混入各种噪声,这些高频干扰成分可能对最终的分析结果产生很大的影响。因 此,在信号处理分析之前需要进行预处理,以提高数据的可靠性和真实性。信号预处 理设计主要采用预滤波或抗混叠滤波技术。根据需要选择信号的最高频率,而对高于 此频率以上的部分用低通滤波器滤掉,从而降低了信号中的最高频率。
4

本设计采用了巴特沃斯低通滤波器。这种滤波器的特点是通频带内的频率 响应曲线最大限度平坦,没有起伏;振幅对角频率单调下降,并且是唯一的无论阶数, 振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。 3.2.3 时域分析模块设计 对信号进行时域统计分析,可以求得信号的均值、方差、均方根值等参数。

图 8 时域统计分析

图 9 时域统计分析结果显示

3.2.4 频域分析模块设计

频域分析

FFT 变换

Power 测量

幅值谱显示

相位谱显示 图 10 频域设计原理框图
5

功率谱显示

LabVIEW 中的 FFT 频谱(幅度-相位)函数 在 LabVIEW 程序框图中,执行“函数—信号处理—波形测量—FFT 频谱(幅度相位)”选板。

图 11 FFT 频谱(幅度-相位)函数选板

图 12 频谱分析显示

LabVIEW8.5 中的窗函数重要有以下几种:

0 1

矩形 Hanning

2 3

三角 高斯

4 5

Hamming Blackman

表 13 LabVIEW8.5 中的窗函数

LabVIEW 中的 FFT 功率谱函数 在 LabVIEW 程序框图中, 执行“函数—信号处理—波形测量—FFT 功率谱”选板。

6

图 14FFT 功率谱函数选板

图 15 功率谱显示

4 结果及性能分析
4.3 运行结果

图 16 运行结果

7

4.2 性能分析 1、系统采用虚拟仪器的方式,用软件编程替代传统测量仪器的硬件电路,大大 降低了成本。系统硬件平台采用 PC 机为硬件核心,自主研发了以单片机为核心的串 口通讯的数据采集卡作为振动信号采集、转换设备。该数据采集卡取代了美国 NI 公 司提供的价格昂贵专用数据采集卡,具有价格低廉、便于携带、即插即用等优点。本 文的硬件配置,使系统携带方便,可以用于工程振动测试。软件是虚拟仪器的关键, 仪器的功能是由软件算法定义的。在分析了振动测试和分析技术理论的基础上,本文 将振动分析算法转换成为虚拟仪器应用程序。 2、采用了一种新的开发平台 LabVIEW 图形化的编程语言,为虚拟仪器的设计 提供了一个便捷的设计环境。它以图形化的框图程序取代了传统的文本格式代码,使 编程更为简单、方便。独具特色的动画式调试手段,更有利于设计者观察程序运行的 细节,使程序的调试和开发更为便捷。同时,LabVIEW 还提供了大量美观的前面板 控件,使虚拟仪器界面更加友好和便于操作。

8

参考文献
[1] 阮奇桢. 我和 LabVIEW.北京航空航天大学出版社,2009 [2] 江建军,孙彪. LabVIEW 程序设计教程.电子工业出版社,2012 [3] 黄松岭,吴静. 虚拟仪器设计基础教程.清华大学出版社,2008 [4] 孔岩峰 , 张振山 , 程广涛 . 基于 LabVIEW 的发动机振动测试系统设计 [J]. 仪器仪表用户 , 2009, 16(4): 26-28. [5] 秦展田, 王斌武, 王焱玉. 基于虚拟仪器的振动测试分析系统设计[J]. 煤矿机械, 2007, 28(10): 96-99. [6] 赵永立, 杨建成, 张玉红. 基于 LabVIEW 的虚拟振动测试分析系统 [J]. 天津工业大学学报 , 2006, 25(4): 77-80. [7] 金强有. 振动信号测试分析系统分析设计[J]. 科技资讯, 2008, 9: 072. [8] 林凯, 何川, 毛乐山. 基于 LabVIEW 的多通道振动测试与分析系统[J]. 清华大学学报 (自然 科学版), 2003, 43(5).

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