三向振动台的计算机测试分析系统设计毕业设计论文.docx
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三向振动台的计算机测试分析系统设计毕业设计论文
南京工程学院
毕业设计说明书（论文）
作者：
学号：
系部：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化（制造技术）
题目：
三向振动台的计算机测试分析系统设计
指导者：
评阅者：
2013年5月南京
毕业设计说明书（论文）中文摘要
在现代机械工业和机械工程中，振动测试、信号处理以及振动分析是十分重要的环节。
但是在机械振动测试中，所需的测试仪器繁多复杂，导致测试工作需要大量的人力、物力。
近年来，自动化测试与电子测量仪器在这个技术领域发生了巨大的变化。
美国NI公司的创新产品图形化编程环境LabV1EW软件的出现，使虚拟仪器技术为工业界所接收，进而成为当前国际上最先进的仪器技术之一，并得到广泛应用。
在虚拟仪器快速发展的趋势下，本论文对实验室中所用到的三向振动台，如何通过计算机测试软件收集、分析、保存数据进行了研究。
开发了以计算机、压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集卡为硬件平台、以美国国家仪器（NI）公司开发的LabVIEW软件为开发平台的振动测试软件。
关键词：
虚拟仪器LabVIEW信号测试平台硬件
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleTheTestandAnalysisofComputerSystemAboutThree-VibrationTable
Abstract
Inmodernmechanicalindustryandmechanicalengineering,vibrationtesting,signalprocessing,andvibrationanalysisisaveryimportantpart.However,mechanicalvibrationtestrequirenumerouscomplextestequipment,causingthetestworkrequiresalotofmanpowerandmaterialresources.
Inrecentyears,automatedtestingandelectronicmeasuringinstrumentthatinthistechnologyhasundergoneprofoundchanges.EspeciallytheU.S.company'sinnovativeproductsNIgraphicalprogrammingenvironmentLabV1EWsoftwarehaveenabledvirtualinstrumenttechnologyfortheindustrialsectorreceived,andthusbecometheworld'smostadvancedequipmenttechnologies,hasbeenwidelyused.
Inthevirtualinstrumenttrendofrapidgrowth,inthelaboratoryusedbythethree-vibrationtable,howthecomputertestsoftwaretocollect,analyze,savethedatawerestudied.Thedevelopmentofacomputer,apiezoelectricaccelerationsensor,dataacquisitioncardasthehardwareplatform,NationalInstruments（NI）LabVIEWsoftwaredevelopedforthevibrationtestsoftwaredevelopmentplatform.
Keywords:
VirtualInstruments,LabVIEW,signaltest,platform
hardware
前言
在现代的机械工业、工程中，振动测试、信号处理、振动分析是十分重要的环节。
但是，在机械振动测试中，所需的测试仪器很多，也很复杂，导致测试工作需要很多的人力和物力。
随着现代电子技术和计算机技术的快速发展，自动化测试与电子测量仪器在这个技术领域，也发生了很大的变化。
尤其是近些年来，美国NI公司的创新产品LabV1EW软件的出现，使虚拟仪器技术被工业界人士所接收，进一步成为当前国际上最先进的仪器技术之一，并得到广泛应用。
在虚拟仪器快速发展的趋势下，本次论文对实验室中所用到的三向振动台，如何通过计算机测试软件收集、分析、保存数据进行了研究。
同时，开发了以计算机、压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集卡为硬件平台、以美国NI公司开发的LabVIEW软件为开发平台的振动测试软件。
采用图形化的编程语言LabVIEW，我组建了这个振动测试分析系统，减少了测试过程中的硬件设备，同样实现了对振动信号的采集的目的。
这不仅大大降低了硬件成本，而且为实验室教学提供了一种全新的手段。
基于虚拟仪器技术的测试实验教学平台的开发，这可以帮助学生形象生动的学习课本知识，将书本上的抽象理论具体的展现出来，有利于提高学生的学习兴趣和学习效率，同时也提高了教学质量。
第一章绪论
1.1课题背景
在现代工程技术领域，有很多振动问题。
我们知道，在绝大多数场合，振动都是有害的。
电机是现代生产中的重要电气设备，如果它产生故障，会对生产造成特别大的影响。
例如，它可能影响设备的正常工作、机械的加工精度，也可能导致机器零件的加速磨损，甚至导致机器急剧断裂。
因此，我们需要监测电机的运行状态。
同时，不断提高的环保标准也要求我们控制电机的噪声。
测试和分析电机的振动，它为电机的故障诊断和电机的噪声控制提供了途径。
因此，我们有必要建立一个电机振动测试分析系统。
所谓的振动测试与分析，就是利用现代的测试手段，对所研究的振动信号进行测量，并对测试所得到的信号作进一步的分析，以获得在各种工作状态下结构的振动特性，从而判断出结构的这种动态特性是否符合设计的要求，为研究人员来验证理论和建立新的理论提供可靠的依据。
随着信号处理方法的发展，现代的信号处理技术，正在不断应用到电机振动信号的处理方面，使得电机振动分析越来越的精确。
早前，以傅里叶变换为基础的振动功率谱密度、功率谱等，它们只适用于电机的平稳振动方面。
短时傅里叶技术的出现，使我们有可能测试并分析电机的转速。
这种短时傅里叶技术，也在一定程度上克服了傅里叶分析的缺陷，是振动信号处理特别有效的工具。
近年来发展起来的独立分量分析，它则为电机的内部复杂的振动源的分离以及电机故障诊断的特征提供了更加可靠的技术。
另外，在计算机技术不断发展的背景下，以计算机为基础的虚拟仪器得到了快速的发展。
在很多情况下，传统的振动测试系统，采用电子测量仪器，它的特点是：
灵活性较差、功能单一、专用，这极大地制约了振动测试的范围。
相比于传统仪器，虚拟仪器不仅用途多样、功能强大，而且具有简化的图形化编程语言以及友好的用户界面。
这个优势，不仅让虚拟仪器受到很多用户的欢迎，它也广泛应用在工程测试领域。
在不花费大量资金购买专用设备的情况下，虚拟仪器技术对电机振动进行了复杂的测试，使得运用现代信号处理技术处理电机信号成为了可能。
[4]
1.2课题研究的目的和意义
在现在的机械工业和工程中，振动测试分析是它的重要环节。
传统的振动测试系统很多情况下采用电子测量仪器，这类仪器又多又复杂，它的特点是灵活性较差、功能单一而且专用，这极大地缩小了振动测试的范围。
基于虚拟仪器技术建立的振动测试分析系统，它不用花费很多钱来购买专用的设备，只要配传感器、数据采集卡、电荷放大器等硬件就能满足振动测试分析的需要。
而且，虚拟仪器它不仅仅功能强大、用途多样，还有友好的用户界面和简单的图形化编程语言，这让程序员特别容易学习。
本次毕业设计的课题，我利用LabVIEW软件作为开发平台，依靠计算机对虚拟仪器面板进行开发。
根据开发出来的面板，只要使用鼠标和键盘，就可以对采集到的信号数据进行分析处理。
这种操作和实际中的仪器操作，可以完全一致。
同时，还可以简化设计专项功能，没有了复杂的操作，使得应用非常的简单。
一台计算机具有多台仪器的功能，这使得实验准备过程被简化了。
由于这些功能是在计算机的基础上开发的，而不是硬件元件，所以很多实验步骤也可以完全省略，这会大大减少师生在学习中的任务量，提高效率。
另外，实验仪器设备的功能可通过编程来实现，这样就摆脱了功能固化的问题。
这样可以节省很多的资金，是非常经济的。
1.3课题研究的任务和内容
本课题是以三向振动台为研究对象，开发基于LabVIEW平台下计算机测试分析系统。
主要的任务是：
1、搭建由压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集装置和PC机组成的三向振动台计算机测试分析系统的硬件平台。
2、开发基于LabVIEW的振动测试分析软件，完成数据采集、数据存储与读取、信号显示、信号分析与处理等功能，并提供相应的软件测试报告。
1.4电机振动特性研究简介
电机是现代化生产中重要的电器设备，如果电机发生故障，绝对会对生产造成十分大的影响。
因此，需要监测电机的运行状态，有必要建立一个电机振动测试分析系统。
那电机的振动原因、形式有哪些呢[4][12]，下面就进行一下阐述。
1.4.1电机振动产生的原因
电机是电能量的转换装置，结构复杂，它的振动涉及到电机的各个部件。
电机振动特性研究涉及了到了很多方面，如能量转换、电磁铁，机械振动。
一般来说，电机振动产生的原因有：
1、电磁力：
电磁力作用于定子和转子的气隙之中，它的力波在气隙中是脉动或旋转的。
力的大小与电磁负荷、电机有效部分的一些结构和计算参数有关。
2、轴承：
轴承产生的振动的原因很多，比如轴承本身的制造情况、加工精度等。
3、转子的机械不平衡：
转子的不平衡能产生特别明显的振动。
1.4.2电机的振动形式
1、电机定子绕组引起的振动
2、电机定子铁心引起的振动
3、电机轴承引起的振动
4、电机转子的扭转引起的振动
5、电机转子的弯曲引起的振动
6、电机机座的引起的振动
第二章虚拟仪器简介
2.1虚拟仪器
2.1.1虚拟仪器的定义
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，并结合高效、灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用技术。
自它问世以来，世界各国的工程师和科学家，都已将虚拟仪器用于产品设计的各个环节中。
这不仅改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，而且还提高了产品开发和生产的效率。
[6][7]
图2-1虚拟仪器
2.1.2虚拟仪器的组成
虚拟仪器是由仪器硬件平台（简称为硬件平台）和应用软件两大部分构成的。
硬件平台则由计算机和I/O接口两部分组成。
计算机是虚拟仪器的核心设备，通过软件进行仿真可以实现仪器的功能。
在传统仪器中，硬件电路实现的数据分析处理与显示功能，在虚拟仪器中的话，由计算机来执行。
所以，计算机是其核心部分。
当计算机与I/O接口设备配置完毕后，虚拟仪器的硬件平台就可以被确定了。
在此之后，软件就成为虚拟仪器的关键部分。
2.1.3虚拟仪器的分类
随着微机的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器它可以分为五大种类型：
[10][11]
1、PC总线——插卡型
这种方式的虚拟仪器，借助于数据采集卡与专用的软件，与软件相结合。
计算机的总线、机箱、电源及软件得到了充分应用。
但是，它受到PC机机箱和总线限制，而且电源功率不足，机箱内部噪声的电平比较高，插槽数目不多、尺寸比较小，机箱内无屏蔽。
2、并行口式
并行口的虚拟仪器是最新发展的，可连接到计算机的测试装置，它们把仪器硬件集成到一个采集盒里面。
仪器软件装在计算机上面，一般可以完成各种测试的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、逻辑分析、仪功率计、频率计、数字万用表、数据记录仪、数据采集器、程控稳压电源。
3、GPIB总线方式
GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器发展的早期阶段。
它的出现，使电子测量从独立的单台手工操作，向大规模自动测试系统方向发展。
比较典型的GPIB系统，它由一台PC机、一块GPIB接口卡、若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。
GPIB技术可通过计算机来对仪器进行操作、控制，从而替代以前的人工操作方法。
这可把特别多仪器组合在一起，自动测量的系统就形成了。
GPIB结构、命令十分的简单，它一般情况下应用在台式的仪器上，适用在精确度的要求比较高的地方。
4、VXI总线方式
VXI总线是高速计算机总线VME在虚拟仪器领域的扩展，它具有非常稳定的电源，特别有力的冷却能力和十分严格的RFI/EMI屏蔽功能。
由于它具有标准开放、模块可以重复利用、数据吞吐能力强、定时和同步精确、结构紧凑等等优点，得到了十分广泛的应用。
经过许多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便。
但是，组建VXI总线要求有机箱、嵌入式控制器、零槽管理器，这使得它的造价很高。
5、PXI总线方式
PXI总线方式是在PCI总线内部核技术中，增加了成熟的技术规范和要求，增加了多板同步触发总线，以使用在相邻模块的高速通讯中的局总线。
因为PXI具有8个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，所以说PXI的具有高度的可扩展性。
如果将台式PC机的高性价比和PCI总线的高度扩展性优势结合起来，将形成很好的虚拟仪器平台。
2.1.4虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器与传统仪器存在着或多或少的区别。
一般来说，传统的仪器是独立的一种装置。
从它的外观上看，它有信号的输入端口、检测结果的输出端口、操作面板三个部分。
操作的面板上边，一般有按钮、开关以及旋钮等。
检测结果，它的输出方式：
图形窗口数字、打印输出等。
功能方面来说的话，传统的仪器可以分成这些：
信号的处理&分析、信号的控制&采集、结果的输出和表达这么三个部分。
传统得仪器功能，大多数是用硬件（或者是固化的软件）那样来实现的。
此样底框架结构使得它只能靠制造仪器的厂商来定义以及制造，且规格、功能一般是固定的，用户根本无法根据自己的需要改变其结构和功能。
[5]
那虚拟仪器又有什么特点呢？
虚拟仪器是一种全新的测控仪器系统，它通过应用程序将通用PC机与功能模块硬件结合起来。
用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，完成对被测量数据的采集、显示、分析、判断、存储等测试工作。
[2]
虚拟仪器与传统仪器两者的比较，见表2-1。
表2-1传统仪器和虚拟仪器的对比
传统仪器
虚拟仪器
功能由仪器制造厂家定义
功能由使用者自己来定义
和其它的仪器设备连接在一起非常地有限
可以方便地和网络外边的设施以及许多种的仪器连接
开发和维护费用高
基于软件体系的结构，可节省开发费
技术更新慢
技术更新快
硬件是关键部分
软件是关键部分
价格昂贵
价格低廉,仅是传统仪器的五至十分之一
系统封闭、功能固定、可扩展性差
基于计算机技术开放的功能，模块可构成多种仪器
数据无法编辑
数据可编辑、存储、打印
图形界面小，人工读取数据、信息量小
用户界面图形化,计算机可以直接读取数据并分析处理数据
2.1.5虚拟仪器的发展
从上世纪70年代，提出了智能仪器的概念，到提出虚拟仪器的思想，人们对测试仪器的功能设计和应用的认识，呈现出了不断发展和深化的过程。
虚拟仪器从概念的提出，到现在技术的越来越成熟，体现出了计算机技术对传统工业的革命。
在虚拟仪器技术发展的过程中，有两个十分突出的标志，第一个是VXI总线标准的建立和推广，第二个是图形化编程语言的出现和发展。
前者从仪器的硬件框架中，实现了分析与测量的仪器所必须要的总线结构。
后者则是从软件编程方面，实现了面向工程师的图形化编程方法，这两种虚拟仪器一起形成了虚拟的仪器滴基础规范。
1、硬件发展
传统仪器具有可靠性、实时的处理能力，如果要确保虚拟仪器拥有这样的功能，关键的一点是：
传输的测量数据的总线结构。
在这个虚拟仪器里面，它的分析处理功能是靠计算机来控制、完成，因此，接口和总线得速度以及可靠性是十分关键的。
美国NI公司最新推出的VXI总线标准，让用户可跟仪器厂家一样，从访问寄存器来设计和安排仪器的功能，这样也使得用户化仪器功能得以实现。
当然，采用普通的PC总线，特别是基于工业PCI总线的虚拟仪器也在不断地发展。
这类虚拟仪器的出现，主要是面向工业控制，过程监测及实验室应用方面。
另外，发展很迅速的还有数据采集卡。
具有很高的采样率，高精度的DAQ板已经面世，抗混叠滤波器、A/D转换技术、信号调理技术、仪器放大器的快速发展使DAQ成为最具有吸引力的VI选件之一。
这些精度高、性能优越的先进板卡，即是我们构建测控系统的硬件基础。
2、软件发展
推动虚拟仪器发展的因素，除了有硬件技术外，还有软件技术和国际标准。
在GPIB这类接口总线出现后，大家一直关心的问题是：
关于程序控制仪器的信息交换协议、句法格式以及共用命令的标准化的相关问题。
随着虚拟仪器技术的发展，用户自己来开发仪器驱动器，已经基本成为技术发展的客观要求。
以前，仪器厂家专门设计仪器驱动器，没有一定的标准，这让用户用在仪器软件上面的投资无法得到保护。
为此，国际有关组织专门地制订了一个标准：
VISA标准，这样就建立了与跟许多仪器接口的总线不相关的标准I/O软件，与LabVIEW软件等一些开发环境比较先进的软件互相适应。
[3]
2.2LabVIEW语言
2.2.1LabVIEW语言的简述
实验室里面，虚拟仪器的集成环境的简称是LabVIEW，它是目前发展最快、应用最广、功能最强大滴图形化的软件以及开发集成的环境，得到了学术界、工业界的一致好评以及评认可。
它可以将相对比较繁琐的语言编程方法简化，将它们变为用菜单或是用图标来提示，选择功能，只用通过线条把各种各样的功能（图形）接起来，这方便了基本没有编写程序经验的使用者，进行编程、纠错以及调试。
LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，它能以直观简便的编程方式，为用户构筑自己在工程中所需要的仪器提供了方便。
而且与其它计算机语言相比，LabVIEW有一个不同点：
其它的计算机语言，大都采用基于文本的语言来产生代码行，但是，LabVIEW则采用图形化的编程语言——G语言，产生的程序是框图的形式。
因为不用去去记住那些复杂、繁琐的代码，所以这个特别容易学习，适合于各类人群，可帮他们在很短时间里，掌握并应用它。
[5]
LabVIEW语言的的功能也十分强大。
和其它的计算机语言一个样子，LabVIEW也是通用化的编写程序系统，它拥有功能厉害、种类繁多的函数库，这其中包括串行仪器的控制、数据的采集、数据分析、数据的显示功能、数据的存储功能以及网络功能。
除此之外，LabVIEW语言，它还有十分完美的仿真、调试工具等功能。
LabVIEW语言的动态、连续的跟踪方式，也可以连续、动态地来观察一下程序中里面的数据以及它的变化情况，这比其它语言的开发环境更加方便、更加有效。
2.2.2LabVIEW语言的特点
LabVIEW环境中，开发了好一些应用的程序，它的文件名字都用.VI作为后缀,用此方法来表示，它是虚拟仪器的意思。
一个VI，它有三部分组成的，这包括：
图标的连接端口、数据的流框图以及用户的接口。
同时，模块化的编程方法也是其特点。
用户可以把一个复杂的应用分解成为一系列简单的子任务,为每个子任务建立子VI。
最后，把这些子VI组合在一起，就完成了最后一步应用程序。
因为每个子VI可以单独执行，所以调试很容易。
进一步而论，许多低级子VI可以完成一些常用功能。
因此，用户可以开发特定的子VI，以此来适用一般的应用程序。
LabVIEW的运行机制，它带有数据流的模式、图形控制流的结构。
数据流得程序设计方法里面规定，所有输入都有效的时候才可以执行。
当它的功能完成时，目标才能输出。
这也就是说，在这样的数据流的程序概念中，程序执行方式是以数据来驱动的。
它不受其他因素的影响。
如果是这样的话，被连接的功能的节点，它们中间的数据流，它执行次序被控制，而不像文本程序那样，它受到行执行顺序的约束。
因此，我们可以用相互连接起来的功能节点，快速地开发出应用的程序，这样还能实现很多数据通道，一起同步运行这种功能。
LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。
一个VI一共包括三个部分，第一个程序前面板、第二个框图程序、第三个图表/连接器。
程序的前面板是用来观察输出的量、设置输入的数值，以及模拟真实的仪表。
在程序的前面板上，输入成为控制量，输出量则被叫做显示。
框图程序则是和前面板相对应的。
我们用图形化的语言，来编写框图的程序，它可以理解成为源程序代码。
这种框图程序的构成是：
连线、图框、端口、以及节点。
图标/连接器这个部分，它是用来调用子VI的接口。
在其它的程序框图中，图标是子VI被调用节点的一种表现形式。
而连接器，它是表示着，节点数据之中的输入/输出口，就像是函数的一种参数。
操作者必须指定一种连接器端口以及要与前面板的控制、显示保持一一的对应关系。
连接器一般情况下是隐含的，除非用户自己选择打开它。
2.2.3LabVIEW语言的应用
LabVIEW语言应用非常广泛，具体有以下几个方面：
1、测试测量：
LabVIEW最初出现，就是为测试测量而设计的。
因而LABVIEW最广泛的应用领域也就是测试测量。
经过多年的发展，大多数主流的测试仪器、数据采集设备依然使用LabVIEW驱动程序。
2、仿真：
LabVIEW尤其是适合进行模拟、仿真、原型设计等工作，因为它包含了许多数学运算函数。
3、控制：
随着虚拟仪器的发展，LabVIEW拓展至控制领域。
LabVIEW语言它拥有着这种模块LabVIEWDSC，专门用于控制领域。
除这个之外，LabVIEW语言，它的驱动程序还应用在其他的方面，比如：
工业控制的领域里面。
当我们使用LabVIEW语言的时候，可以很方便地编制出各种各样的程序。
4、跨平台：
同一个程序，如果它需要运行在须多的硬件设备上面，也可第一个考虑用LabVIEW语言。
这是因为，LabVIEW具有十分好的平台的一致性。
5、快速开发：
因为LabVIEW采用的是图形化的编程语言，所以在开发大型应用软件时，熟练的LabVIEW程序员所需的开发时间，大概只是熟练的C程序员所需要时间的1/5左右。
第三章测试分析系统设计的总体方案
3.1平台硬件介绍
此次毕业设计，我做的是：
三向振动台的计算机测试分析系统设计。
在做设计之前，必须选择并搭建合理的硬件平台。
设计过程中，所用到的平台硬件包括：
三向振动台电气控制箱、三向振动台、压电式传感器、积分电荷放大器、数据采集装置、PC机。
硬件平台机构图如图3-1。
图3-1硬件平台机构图
1、三向振动台电气控制箱：
控制三向振动台的振动频率和振动时间。
如图3-2。
图3-2三向振动台电气控制箱
2、三向振动台：
收集其产生的振动信号，供设计的软件进行分析。
如图3-3。
图3-3三向振动台
3、压电式传感器：
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
此实验的传感器即是将采集到三向振动台的振动信号变成电信号，供后面计算机进行分析。
见图3-4。
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