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1、 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 37 页 共 37 页1 引言随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正逐渐成为测试领域的发展方向。采用虚拟仪器实现振动测试与分析也成为振动测试的发展趋势。本课题采用的虚拟仪器技术是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要的新技术。它是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境。使得课题的研究更简单快捷。以PC为硬件平台、以美国国家仪器(NI)公司开发的LabVIEW软件为开发平台，配合必要的传感器、信号调理器和数据采集卡组成的振动测试分析系统。采用虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW组建的振动测试分析系统，减少了测试过程中的硬件设备，同样实现了对振动信
2、号的采集、处理和分析的目的，大大降低了硬件成本。11 课题研究的背景和意义要想紧跟技术的发展，就要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求，同时测量手段的进步也为技术的进一步发展奠定了基础。虚拟仪器则是提高测量精度和效率的有效手段。它改变了传统的测量模式，使测量系统由松散结合的、常常不兼容的独立仪器发展成紧密结合的虚拟测量系统，把计算机技术与仪器技术完美结合起来。振动是自然界最普遍的现象之一。这类现象有的是由其本身固有的原因引起，有的是外界干扰引起。在运转的设备中，振动信号是最重要的信息来源。旋转机械的振动信号中包含着大量可反映设备运行状态的有用信息或称为信号特征。振动信号分析是旋转机械状态
3、监测和故障诊断的重要组成部分，并在设备预测维修中发挥着重要作用。通过振动特征分析可以找出旋转机械设备70的故障源，而且可以确保机器运转的安全性，避免事故的发生，同时结合较好的维修项目管理还可以显著降低机器的运行成本。在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳动效率，甚至产生“振动病或“运动病，如常见的晕车、晕船现象就是由于小于1Hz的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。振动测试分析仪器则将振动测试与分析技术转化为生产力，它随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增。从最初的机械式测
4、振仪，发展到今天，各种应用物理学原理制成的传感器、FFT分析仪、结构动力学分析软件己在广泛使用。12 振动测试技术发展现状和发展状况振动是各种设备在工作过程中经常发生的现象，振动问题是机械工程领域一个十分重要的研究课题。但工程实际中复杂的振动现象并非都能通过理论分析得出可靠结果，此时往往需要求助于实验手段，而且理论分析结果的正确性也需要通过实践来验证，这就使振动测试在振动研究中占有重要地位。 在过去的三十多年中，无论国际还是国内，振动测试技术都获得了突飞猛进的发展，各种全新的分析方法如雨后春笋般大量涌现，并在科研、教学特别是工业上获得了广泛应用。从 1967 年世界上第一台基于 FFT 的动态
5、信号分析仪问世以来，振动信号分析技术已经经历了三次突破性的发展。虚拟仪器在我国的研究和开发有着十分现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提高我国仪器的整体水平，节省仪器开发的人力和费用。我们有理由相信，随着软件业和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增，高质量的测试仪器、设备和现代化的测试方法不断出现。20世纪20年代，由于汽轮发电机组等设备的发展，机械式测振仪已不能满足要求，于是磁电式传感器应运而生，实现非电量信号向电信号转换的电测量。二次大战后出现了压电式传感器，由于它具有体积小、重量轻、频率范围、动态量程大
6、等特点，且既可测量振动，又可用于冲击测量，直到今天仍在广泛应用。近些年随着微电子技术的发展，又出现了可在各种恶劣环境下使用的压电传感器和内装阻抗变换器、放大器、滤波器的集成电路式压电传感器，简化了测试系统，大大地拓宽了这种传感器的应用范围，提高了抗干扰能力和测量的精度。而压阻传感器的出现和使用进一步拓宽了低频率的测量范围，与此同时，还陆续发展了各种换能原理的传感器和配套仪器，如变电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器等。2 数据采集理论基础21 信号采样2.1.1 原理描述图1 采样过程将连续信号加到采样开关的输入端，采样开关以周期秒闭合一次，闭合的持续时间为秒，在闭合期间，截取被采样的的幅值，
7、作为采样开关的输出。在断开期间采样开关的输出为零。于是在采样开关的输出端就得到宽度为的脉冲序列，如图1所示。（以带“*”表示采样信号。）由于开关闭合的持续时间很短，远小于采样周期，即，可以认为在时间内变化甚微，所以可以近似表示高为，宽为的矩形脉冲序列。即图2 kT时刻的矩形波由于在控制系统中，当时，所以序列取从到。式中为两个阶跃函数之差，表示一个在时刻，高为、宽为、面积为的矩形，如图2所示。由于很小，比采样开关以后系统各部分的时间常数小很多，即可认为，则此矩形可近似用发生在时刻的函数表示： （22）式中为处的函数。于是式（21）可表示为： （23）由于为常数，为了方便，把归到采样开关以后的系统
8、中去，则采样信号可描述为： （24）由于处的的值就是，所以式（24）可变换为： （25）式中称为单位理想脉冲序列，若用表示，则式（25）可变换为： （26）式（26）就是信号采样过程的数学描述。它表示在不同的采样时刻有一个脉冲，脉冲的幅值由该时刻的的值决定。图3 采样器相当于幅值调制器从物理意义上看，式（26）所描述的采样过程可以理解为脉冲调制过程。采样开关即采样器是一个幅值调制器，输入的连续信号为调制信号，而单位理想脉冲序列则为载波信号，采样器的输出则为一串调幅脉冲序列，如图3所示。在数字控制系统中，数字计算机接受和处理的是量化后代表脉冲强度的数列。即把幅值连续变化的离散模拟信号用相近的间断
9、的数码（如二进制）来代替，如图4所示。图中小圆圈表示的是数码可以实现的数值，是量化单位的整数倍数。由于量化单位是很小的，所以数字控制系统的采样信号，仍认为与成线性关系，仍用表示。图4 f(t)经采样后变成数码2.1.2 采样定理要对对象进行控制，通常要把采样信号恢复成原连续信号。（实际上信号经过处理、运算以后，要恢复的则是原连续信号的函数，为了方便起见，讨论时仍认为要恢复的是原信号。）此工作一般是由低通滤波器来完成的。但是信号能否恢复到原来的形状，主要决定于采样信号是否包含反映原信号的全部信息。实际上这又与采样频率有关，因为连续信号经采样后，只能给出采样时刻的数值，不能给出采样时刻之间的数值，
10、亦即损失掉的部分信息。由图1可以直观地看出，连续信号变化越缓慢，采样频率越高，则采样信号就越能反映原信号的变化规律、即越多地包含反映原信号的信息。采样定理则是定量地给出采样频率与被采样的连续信号的“变化快慢”的关系。下面分析采样前后信号频谱的关系。首先将式（25）中的展开成傅氏级数 （27）式中采样角频率；采样频率；采样周期；傅氏级数的系数，由下式决定 （28）由于在到区间仅在时取值为1，所以系数 （29）因为当时，所以由式（14）、（17）、和（19）可得 （210）这是采样信号的傅氏级数表达式。对此式进行拉氏变换，可得采样信号的拉氏变换式于是，得到采样信号的频率特性为 （212）式中 原输
11、入信号原输入信号的幅频特性，即频谱。采样信号的频谱图5 原连续信号与采样信号的频谱假定为一孤立的频谱，它的最高角频率为，如图5 (a)，则采样信号的频谱为无限多个原信号的频谱之和，且每两条频谱曲线的距离为。见图5（b）。其中时，就是原信号的频谱，只是幅值为原来的；而其余的是由于采样产生的高频频谱。如果中各个波形不重复搭接，相互间有一定的距离（频率），即若 （213）则可以用理想低通滤波器（其频率特性如图5（b）中虚线所示），把的高频分量滤掉，只留下部分，就能把原连续信号复现出来。否则，如果，就会使中各个波形互相搭接，如图5（c），就无法通过滤波器滤除中的高频部分，复现为，也就不能从恢复为。这就
12、是奈奎斯特采样定理。采样定理可叙述如下：如果采样周期满足下列条件，即 （214）或 式中为连续信号的最高次谐波的角频率。则采样信号就可以无失真地再恢复为原连续信号。这就是说，如果选择的采样角频率足够高，使得对连续信号所含的最高次谐波，能做到在一个周期内采样两次以上的话，那么经采样后所得到的脉冲序列，就包含了原连续信号的全部信息。就有可能通过理想滤波器把原信号毫无失真地恢复出来。否则采样频率过低，信息损失很多，原信号就不能准确复现。需要指出的是，采样定理只是在理论上给出了信号准确复现的条件。但还有两个实际问题需要解决。其一，实际的非周期连续信号的频谱中最高频率是无限的，如图6（a）所示。因此就不
13、可能选择一个有限采样频率，使信号采样后频谱波形不重复搭接。即不论采样频率选择多高，采样后信号频谱波形总是重复搭接的，如图6（b）所示。因此经过滤波后，信息总是有损失的。为此实际上采用一个折衷的办法：给定一个信息容许损失的百分数，即选择原信号频谱的幅值由时的频率为最高频率，按此选择采样频率。这样可以做到信息损失允许，采样频率又不致太高。图6 非周期信号连续采样的频谱22 信号复现根据前面分析可知，连续信号经采样后变成脉冲序列，其频谱中除原信号的频谱外，还有无限多个在采样过程中产生的高频频谱。因此，为了从采样信号复现出原连续信号，而又不使上述高频分量进入系统，应在采样开关后面串联一个信号复现滤波器
14、，它的功能是滤去高频分量，而无损失地保留原信号频谱。能使采样信号不失真地复现为原连续信号的低通滤波器应具有理想的矩形频率特性。即 （215）图7 理想滤波器的频率特性其图形如图7所示。且式中满足采样定理，即。为原连续信号频谱的最高频率。经过这样的滤波器滤波之后，信号的频谱变为 （216）上式意味着，经过理想滤波以后，脉冲序列的频谱与原连续信号的频谱一样，只是幅值为原来的。实际上，具有图7所示理想频率特性的滤波器是不存在的。工程上只能采用具有低通滤波功能的保持器来代替。保持器是将采样信号转换成连续信号的装置。其转换过程恰好是采样过程的逆过程。而从数学上说，保持器的任务是解决采样时刻之间的插值问题
15、。在时刻，采样信号直接转换成连续信号，同理，在时刻，连续信号为，但在和之间，即当时，连续信号应取何值就是保持器要解决的问题。实际上，保持器具有“外推”作用，即保持器现时刻的输出信号取决于过去时刻离散信号值的外推。实现外推常用的方法是采用多项式外推公式 （217）式中以为时间原点的时间坐标，。、由过去各采样时刻的采样信号值、等确定的系数。工程上一般按式（217）的第一项或前二项组成外推装置。只按第一项组成的外推装置，因所用外推多项式是零阶的，故称为零阶保持器；同理，按前二项组成的外推装置称为一阶保持器；应用最广泛的是零阶保持器。零阶保持器的外推公式为 （218）由于时上式也成立，所以，从而得到
16、（219）上式表明，零阶保持器的作用是把时刻的采样值，保持到下一个采样时刻到来之前，或者说按常值外推。如图8所示。图8 零阶保持器的作用为了对零阶保持器进行动态分析，需求出它的传递函数。由图8可以看出，零阶保持器的单位脉冲响应是一个幅值为、宽度为的矩形波，实际上就是一个采样周期应输出的信号，此矩形波可表达为两个单位阶跃函数的叠加。即或 （220）图形可参看图2。根据传递函数就是单位脉冲响应函数的拉氏变换，可求得零阶保持器的传递函数为 其频率特性则为（222）因为，代入上式，则有据此可绘出零阶保持器的幅频特性和相频特性曲线，如图9所示。由图可见，其幅值随频率增高而减小，所以零阶保持器是一个低通滤
17、波器，但不是理想低通滤波器。高频分量仍有一部分可以通过；此外还有相角滞后，且随频率增高而加大。因此，由零阶保持器恢复的信号是与原信号是有差别的。一方面含有一定的高频分量；此外，在时间上滞后。把阶梯状信号的每个区间的中点光滑连结起来，所得到的曲线，形状与相同，但滞后了，如图8（c）所示。零阶保持器比较简单，容易实现，相位滞后比一阶保持器小得多，因此被广泛采用。步进电机、数控系统中的寄存器，数模转换器等都是零阶保持器的实例。图9 零阶保持器的频率特性3 虚拟仪器技术31 虚拟仪器的概念虚拟仪器(Virtual Instrumentation，简称VI)是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起
18、来，采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储数据等功能。与传统仪器一样，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。虚拟仪器以透明方式将可选硬件(如GPIB, VXI,RS-232, DAQ)和可重复使用源码库函数结合起来，实现仪器的功能运作。软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测
19、试要求。所以，虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统所需的附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。独立仪器只有一块仪器面板，例如，示波器只有示波器面板，频谱仪也只有频谱仪的面板。但是，虚拟仪器的“面板”显示在PC的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标选中不同的按键和旋钮来完成的。根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕上定义自己的仪器，生成各种不同的“仪器面板”。虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结合，从而开拓了更多的功能，具有很大的灵活性，由于虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够获得较高的经济效益。用户购买了这种虚拟仪器
20、，就不必再担心仪器会永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用，拓展VI功能，以便适应实际生产的需要。虚拟仪器的另外一个突出的优点是能够和网络技术结合，能够通过网络借助OLE (Object Linkingand Embedding)， DDE (Dynamic Data Exchange)技术与企业内部网Intranet联接，与外界进行数据通信，将虚拟仪器实时测量的数据输送到Intranet或Internet。美国国家仪器公司NI(National Instruments)提出的虚拟测量仪器(VI)概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机
21、和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。32 虚拟仪器的演变和发展电子测量仪器经历了由模拟仪器、带通用接口总线(GPIB)接口的智能仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。由于计算机技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)和VXI(VME bus eXtensions for Instrumentation)两大领域中得到了快速发展，它们成为未来仪器行业的两大主流产品。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶
22、段又可以说是同步进行的。第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡(plug-in PC-DAQ)；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面
23、向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域得以产生，几个虚拟仪器平台己经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。33 虚拟仪器软件LabVIEW介绍LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司(National Instrument Company)推出的一种基于G语言(Graphics Language，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。虚拟
24、仪器 VI(Virtual Instruments)是LabVIEW首先提出的创新概念。最初LabVIEW提出了虚拟仪器概念实际上就是一种程序设计思想，这种思想可以简单表述为:一个VI可以由前面板、数据流框图和图表连接端口组成，前面板相当于真实物理仪器的操作面板，而数据流框图就相当于仪器的电路结构。随着现代测试与仪器技术的发展，目前虚拟仪器概念已经发展成为一种创新的仪器设计思想，成为了设计复杂测试系统和测试仪器的主要方法和手段。虽然LabVIEW本身是一个功能完整的软件开发环境，但它同时也是一种功能强大的编程语言。由于LabVIEW采用了基于流程图的图形化编程方式，与其它编程语言不同，G语言即
25、定义了数据类型、结构类型、语法规则等编程语言基本要素，也提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在内的程序调试工具，在功能完成性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。对测试工程而言LabVIEW最大的优势表现在两方面:一方面是编程简单，易于理解，尤其是对熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手快、效率高；另一方面LabVIEW针对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，就可免去自己编写程序的繁琐，而且LabVIEW作为开放的工业标准，提供了各种接口总线和常用仪器的驱动程序，是一个通用的软件开发平台。虚拟仪器概念是LabV
26、IEW的精髓，也是G语言区别于其它高级语言最显著的特征。可以说，正是由于LabVIEW的成功，才使得虚拟仪器的概念得以为学术界和工程界广泛接受;反过来也正是因为虚拟仪器概念的延伸与扩展，使得LabVIEW的应用更加广泛。34 虚拟仪器软件LabVIEW的特点LabVIEW软件的特点如下：（1）具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。（2）提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。（3）提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式运行，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。（4）32位的编译器生成32
27、位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。（5）囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS一232485、USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。（6）提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如DLL(动态链接库)、DDE(共享库)、ActiveX等。（7）具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。所有的 LabVIEW 程序分为两部分：前面板（Front Panel）和程序流程图（Block Diagram）。前面板是 VI 的图形用户接口， 它集成了用户输入和输出功
28、能，为更逼真地模拟传统仪器的工作方式， LabVIEW提供了各种各样的控件，如各种旋钮、开关、按钮、波形图、波形图表等控制与显示模块，并可根据用户实际需要定制控件，用户可以根据自己的需要在前面板上放置按钮等控制模块和显示模块。而程序流程图包含了虚拟仪器的图形化源代码，在程序流程图中对虚拟仪器进行编程，以控制和操纵定义在前面板上输入和输出功能。流程图包括内置于 LabVIEW 库中的函数（Function）和结构（Structures），还包括仪器面板上的控制对象、显示对相对应的连线端子（Terminals） ，LabVIEW构成的虚拟仪器是数据流驱动的，流程图中的诸元素如结构、功能模块等构成节
29、点，这些节点由数据线相连接，这些线定义了程序中数据的流向，这些线在程序中按照数据类型的不同显示出不同的颜色和类型，使得用户能对程序中传送的数据种类一目了然。一旦某个节点的所有输入均为有效，该节点即可运行，运行结束后，将结果送入数据流路径的下一个节点。4 数据采集卡数据采集卡是虚拟仪器最常用的接口形式，具有灵活、成本低的特点，它的功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输 出给受控对象 用数据采集卡配 以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构造各种检测和控制仪器 ,如存储数字万用表、信号发生器、示波器、动态信号分析仪等等。在测试中，经常需要同时对多个信号进行数据采集，这可以由多通道数据采集卡来实现
30、。多通道数据采集卡通常有两种方式：(1)共用模数(AD)转换器的模拟多路转换(AMUX)；(2)各通道独立采用模数(AD)转换器的数字多路转换(DMUX)。两种方式各有其优缺点：模拟多通道转换共用AD优点是通道成本低，结构简单，但各通道问有时间差，采样频率低一些；各通道单独AD，数字多路转换采样频率高，各通道可同时采集和转换，没有时间差，但成本较高。数据采集卡的任务是把模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理的数据。数据采集卡与计算机的接口方式直接影响着数据传输的速度，目前，PC机与数据采集部分的连接除利用PC机内各种总线的插卡外，多采用并口及串口方式，但是，串口方式速度太慢，并口方式虽然速
31、度较快，但不足之处是在中断方式时，优先级较低，将影响系统的实时显示和在线采集和分析功能，且采集卡和打印机不能同时使用7；此外，采用上述连接方式时，需要打开机箱进行采集卡的拆装，如果想在不同机子上使用同一个采集卡极不方便，或者像笔记本电脑就根本不支持这些连接方式。而最近几年迅速发展起来的USB接口方式克服了串、并口采集方式的上述缺点，并且现在的计算机已经将USB作为标准配置，且大部分计算机有不止一个USB接口，这几个USB接口可以同时使用但不会相互干扰。本课题采用的数据采集卡为DSO-2090，其特点为：流线型设计，体积小巧，USB2.0接口，免电源，与台式示波器类似界面，易于上手。更适合于笔记
32、本电脑，生产线维修调整，便于出差使用。尺寸：190(L)x100(W)x35(H) ，便于携带。 高刷新率， 高采样率，100MS/s实时采样。软件支持：Windows98，Windows Me，Windows NT，Windows 2000，Windows XP，VISTA，20余种自动测量功能，PASS/FAIL Check 功能，适于工程应用.波形平均,余辉,亮度调节，反向，加，减，乘，除，X-Y显示波形数据可以按时间和电压输出到EXCEL，BMP，JPG。 FFT 频谱分析,一台电脑可同时连多台示波器，轻松扩展通道数。二次开发库提供，LabVIEWVBVCDelphiC+Builder
33、 开发示例提供。DSO-2090数据采集器的技术指标如表1所示。表1 DSO-2090的技术指标1通道2通道阻抗1M 25pF耦合AC/DC/GND垂直分辨率8Bit电压量程10mV-5V, 9Steps垂直精度3%时基量程4ns-1h, 38 Steps垂直位置可调有输入保护Diode 嵌位X-YX-Y自动设置有 (30Hz to 40MHz)外触发输入有水平方式自动, 标准, 单次触发斜率+/-触发电平可调有触发类型模拟触发源CH1, CH2, EXT预触发0-100% 选择存储深度10K-32KB/CH单次带宽DC to 40MHz最大实时取样率100MS/s取样率选择有辉线显示点/线,
34、 波形平均,余辉,亮度调节.网络开/关垂直模式CH1, CH2, Dual, ADD光标测量有频谱分析仪通道2 通道算法快速富氏变换,反向,加,减,乘,除.带宽40MHz光标显示频率,电压配套S/W CD, probes, manual, USB cord数据点10K-32K 每通道5 系统软件设计本系统软件设计主要包括主界面、数据采集、数据分析、数据保存和调用、退出系统，其中数据分析部分包括滤波、小波去噪、频域分析、相关分析以及频谱分析。51 主界面设计主界面的流程图如图10所示。开始否退出？数据读取分析？信号采集分析？ 否 否 是 是 是 退出程序进行数据读取分析进行信号采集分析 结束 图
35、10 主界面流程图主界面前面板如图11所示。图11 主界面前面板主界面程序框图如图12所示。图12 主界面程序框图52 信号采集分析程序设计利用DSO-2090数据采集卡对信号进行采集，并对采集到的信号进行分析，其前面板如图13所示。对应的部分程序的代码如图14所示。对应的采集信号如图15所示。图13 DSO-2090信号采集分析参数设置面板图14 信号采集分析的部分程序框图图15 采集信号显示53 系统软件的算法5.3.1 信号的滤波处理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
36、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。数字滤波器一般用在数据采样之后，对采样后的信号做信号预处理使用。其作用是对输入信号波形进行加工处理，利用数字方法按预定要求对信号进行变换，从而达到改变信号频谱的目的。数字滤波器用于改变或消除不需要的波形，因此它是应用最广泛的信号处理工具之一。在LabVIEW中，有专门的FIR滤波器的函数，只要给出滤波器的一些参数，如：采样频率、高低截止频率、滤波器的阶数、滤波器类型以及窗函数等，就可以方便的实现滤波
37、。本设计采用Butterworth Filter，滤波器滤波前、后的波形如图16和图17所示。图16 滤波前的波形图17 滤波后的波形5.3.2 小波去噪虚拟小波消噪的设计思路为LabVIEW通过数据采集或仿真生成含有噪声的信号，通过仪器前面板设置消噪处理的参数，将参数通过LabVIEW与MATLAB接口传递给MATLAB相应的功能函数，完成信号分析与处理功能，最后将处理结果回传给LabVIEW进行显示，虚拟小波消噪仪的原理框图如图18所示。MATLAB系统函数、功能LabVIE与MATLAB接口LabVIEW传递参数包括数组，相关参数传递函数 传递函数回传参数 计算后参数图18 虚拟小波消噪
38、的原理框图本设计采用WDEN对信号进行消噪处理，其调用格式为： XD,CXD,LXD=WDEN(X,TPTR,SORH,SCAL,N,wname) XD,CXD,LXD=WDEN(C,L，TPTR,SORH,SCAL,N,wname)它的返回值是经过对原始信号X进行消噪处理后的信号XD及其分解结构CXD,LXD。另外，SORH指定软阈值（SORH=s）或硬阈值（SORH=h）的选择；TPTR指定阈值的选取的规则，它有四种选择，如表2所示；N为小波分解的层数；wname指定分解时所用的小波；中的C,L为输入信号在所选用小波wname时的分解结构；参数SCAL是阈值尺度改变的比例，它有三种选择，如
39、表3所示。表2 参数TPTR的选项TPTR选项阈值类型rigrsure采用无偏估计原则进行适应性阈值选择heursure选用首次选择的启发式变量作为阈值sqtwolog选用sqrt（2*log(length(X)）作为阈值minimaxi鞍点阈值表3 参数SCAL的选项SCAL的选项相应的模式one基本模式sln未知尺度的基本模式mln非白噪声的基本模式小波去噪后A,B两通道的波形如图19所示。小波去噪的程序框图如图20所示。图19 小波去噪后A，B两通道的波形图20 小波去噪程序框图5.3.3 时域分析如果与是能量有限信号且为实函数，它们之间的相关函数定义为 (5-1) (5-2)若和是同一
40、信号，即，此时相关函数无需加注下标，以表示，称为自相关函数 (5-3) 如果，是两组长度为实样本序列信号，它们之间的相关是离散相关，其离散相关定义为： (5-4) 若两组实样本序列信号有一定的相似性，那么离散互相关函数的峰值点就反映了它们的相似性。两个信号的互相关函数是一个有用的统计量，它可以用来了解两个已知（随机的或非随机的）信号之间的相似程度，或者两个已知（相似或相同）信号之间的时间关系。对两个信号进行时差调整，就可以求得相关函数的最大值，从而了解它们之间的相似程度。如果已知这两个信号是相似的，则这个时差就等于它们之间的时间延迟。在LabVIEW中，有关相关函数的算法已封装为子VI，系统执
41、行相关步骤时不必按照上述算法重复编程，只须直接调用函数Auto Correlation和函数Cross correlationde。相关分析是分析两个信号或一个信号在一定时移前其间关系的重要工具。在实际工程领域，相关测速、相关滤波和利用相关原理探测地下管道破裂点、识别信号类别成分等得到广泛应用。相关函数可以用相关测量仪测量。相关测量仪有模拟式和数字式两种。使用LabVIEW提供的相关函数VI可以构建一台数字式相关测量仪。 (5-5)两模拟信号x(t)和y(t)做数字化处理以后，它们的相关函数表达应为：式中 -沿时间轴的总采样数； -沿时间轴的采样序数； -间断时移值作为有限长采样的相关函数估计
42、为： (5-6)用这一公式做离散相关的步骤是：取当r=0时，我们将所有对应采样点的x(i)和y(i)相乘;再将所有乘积项相加。以总采样点数做平均计算，得到相关函数的一个值。取r=1，将所有对应采样点的x(i)和y(i)相乘，然后相加、平均，得到。然后依次取r=2，r=3，.重复上面的步骤重复计算得到相关函数的各值。但是在x(i)和y(i)离散序列长度相等时，计算可以用全部计算长度数据来计算，而下一步计算时因y(i)做一步时移，从而使可提供计算的序列长度由N变为N-1，且随时移增大，可提供计算的序列长度越来越短，所以计算的估值应为: (5-7)LabVIEW中函数子模板中提供的求相关函数的两个V
43、I：Auto Correlation 和Cross correlation所用的算法均为式5-7。自相关波形和互相关波形分别如图21和图22所示。图21 自相关波形图22 互相关波形相关分析的程序框图如图23所示。图23 相关分析的程序框图5.3.4 频域分析振动信号的频域分析包括幅值谱、功率谱等。通过幅频图，可以大致了解该信号的频率成分。而自谱反映信号的频域结构，这一点与幅值谱相似，但是自谱反映的是信号幅值的平方，因此更明显得体现频域结构的特征，具有比幅值谱更为明显得峰值。互谱密度函数有着重要的用途，频谱分析中，能用互谱的测量结果来识别动力系统的特性以及计算频响函数的幅值比和相位角。能量分布
44、的频率值。常用到的频谱分析方法有FFT分析、功率谱、倒频谱和对数谱。1、FFT分析傅立叶变换是平稳信号分析和处理的一个重要工具，通过傅立叶变换可把一个时域的问题转化成频域的问题来分析研究。信号的频谱分析主要研究信号的频率结构，即求取其所含各分量的幅值、相位按频率的分布规律，并建立以频率为横轴的各种谱。傅立叶变换在数学中的定义是严格的。设x(t)为t的函数，如果x(t)满氏条件，则5-8式和5-9式成立： (5-7) (5-8) 对时域信号进行FFT变换后，其频域信号波形如图24所示。图24 FFT变换后频域信号FFT变换程序框图如图25所示。图25 FFT变换程序框图2、功率谱分析假定样本函数x(t)是零均值的随机过程，即=0，且x(t)中没有周期分量，那么=0，这样，自相关函数可满足傅立叶变换条件，根据傅立叶变换理论，自相关函数是绝对可积的，则傅立叶变换及其逆变换定义为 （5-9）