基于谱分析技术的虚拟相位差计设计 位移测试虚拟仪器设计.docx

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基于谱分析技术的虚拟相位差计设计位移测试虚拟仪器设计

第一章设计题目及要求

1、基于谱分析技术的虚拟相位差计设计：

设计要求和功能描述：

（1）采用谱分析技术测量两个同频正弦波信号的相位差；

（2）两个正弦波信号的幅值、相位都可由用户选择设定；

（3）信号的采样点数、采样周期数可由用户选择。

2、位移测试虚拟仪器设计

设计要求和功能描述：

（1）能进行位移测试；

（2）可求出位移测量系统的线性度、滞后度和灵敏度。

第二章虚拟相位差计的方案设计

本设计所要求是利用谱分析的方法进行两个同频正弦波信号的相位差的计算，利用相谱函数求出两个正弦波信号的相位进行相减得到相位差。

2.1谱分析求相位差的基本原理的概述

频谱分析法是通过求取周期信号的频域特性（主要是相频特性），然后取两信号相频特性曲线中对应于信号各频率分量的相位值，其差值即为所求相位差。

理论上，该方法有很好的选频特性，对谐波干扰抑制性好。

一般情况下，使用快速傅里叶变换（FFT）来进行频谱分析，该算法要求离散点必须满足采样点数为2n个，另外要避免泄漏、栅栏效应。

为了准确得到信号频率所对应出相位、幅值，就必须整周期地采样被测信号，因此两个条件合起来，就要求采样时间长度是信号周期的整数倍，且总采样点数为2n，这样的条件是很苛刻的。

设计中可以做这样的处理：

在仪器内集成一个周期测量仪（其基本原理是计数法），用它测得信号频率的准确值，然后再将实际的采样频率设为信号频率与每周期采样点数（设为2n）的乘积，这样就可以较好地达到FFT法所要求的条件。

本题中被测信号是仿真生成的，故不必作上述处理。

2.2总体设计方案的确定

本设计的被测信号是仿真生成的，故本设计可大致分成三个阶段：

信号生成、两个正弦波信号的相位计算、相位差的计算和输出。

设计的基本流程如图2.1所示。

在信号生成阶段，本设计的信号是由仿真生成的，可以根据用户的条件设定生成想得到的信号，可以执行信号处理→信号生成→正弦信号操作根据用户设定的采样点数、幅值、相位、采样周期数来生成两个同频正弦信号。

在两个正弦波信号的相位计算阶段，可以利用数学函数对信号的相位进行求解，可以执行信号处理→谱分析→幅度谱和相位谱操作得到两个信号的相位。

在相位差的计算和输出阶段，由于采样到的数据是数组的形式，所以对于输出的数据要进行索引处理，将采样周期数进行转换为长整型作为索引数，因为输出的数据是弧度制的，要对输出值进行弧度转换为角度的运算，对于运算结果要判断差值是否在相位差的范围[-180°,180°]内，如不在范围内要进行相应的处理（对于大于180°的要把差值减去360°，对于小于-180°的要把差值加上360°）。

开始

依据用户的要求和参数生成两个正弦波信号

结束

判断相位差的范围并处理输出相位差值

两个信号的相位相减得到相位差

分别利用函数计算出两个正弦信号的相位

图2.1基于谱分析技术的相位差计流程图

第二章虚拟相位差计的程序实现

根据方案设计的总体思想进行虚拟相位差计的各个部分的设计和实现，程序设计主要分为两个部分：

前面板、程序框图。

首先根据任务要求进行前面板的设计，再根据前面板编辑程序框图以实现前面板所要的功能。

3.1相位差计的前面板设计和规划

根据任务要求所要实现的目的确定前面板所需要的相应控件和显示板。

3.1.1控件和显示件的确定

设计要求两正弦波信号的幅值和相位都可以由用户确定，则需要四个数值输入控件，而且信号的采样点数、采样周期数可由用户选择，所以又要添加两个控件，一共要六个数值输入控件。

在显示件部分，所要显示的是相位差，为了使显示更加直观要添加一个图形显示控件，显示的是两个正弦波信号，所以使用波形图显示控件。

综上所述，所需要的控件和显示件为六个数值输入控件、一个数值显示控件，一个图形显示控件。

3.1.2前面板的布置

（1）、连续执行“控件→数值→数值输入控件”操作，在板面设计窗口中放置六个数值输入控件，这些控件分别用于设定采样信号的相关参数，将这些控件的标签分别改为采样点数、采样周期数、幅值1、幅值2、相位1（度）、相位2（度）。

执行“文本设置→大小”操作，分别将文字、数字设为18。

（2）、执行“控件→数值→数值显示控件”操作，在前面板窗口中放置一个数值显示控件，用于显示两个正弦波的相位差，将其标签改为相位差（度）。

执行“文本设置→大小”操作，分别将文字、数字设为24、36。

（3）、执行“控件→图形→波形图”操作，用于显示正弦函数的波形，拖拽图例使之成为两个信号图例，修改属性将图例修改为信号1、信号2，将曲线2的颜色修改为蓝色。

（4）、双击前面板分别输入“基于谱分析技术的虚拟相位差计”、“信号1”、“信号2”，执行“文本设置→大小”操作分别将文字大小设置为36、24。

（5）、执行“控件→修饰→上凸框”对前面板进行修饰，得到的前面板如图3.1所示。

3.1相位差计的程序框图设计

3.1.1程序框图阶段的分析

在本设计中，根据设计要求可以确定程序框图所需要的阶段：

信号生成、相位计算、相位差计算、相位差转换和输出。

3.1.1程序框图实现

（1）、信号的生成：

分别执行“编程→结构→局部变量”操作，放置5个局部变量，分

图3.1基于谱分析技术的虚拟相位差计前面板

别代表采样点数（2个）、采样周期数（3个），执行两次“信号处理→信号生成→正弦信号”操作放置两个正弦信号发生器，分别将采样点数、采样周期数、幅值1、幅值2、相位1（度）、相位2（度）连接到相应的端口，这样就会得到两个正弦波信号。

执行“编程→数组→创建数组”操作放置一个数组生成节点，将信号生成的信号生成一个二维数组，将数组输出连接到波形图的输入端作为两个信号的波形显示。

（2）、相位计算：

执行两次“信号处理→谱分析→幅度谱和相位谱”操作放置两个幅度谱和相位谱计算节点，执行“编程→数值→除”操作放置一个除法节点，分别将采样周期数、采样点数连接到除法节点的相应位置得到采样周期数除以采样点数的值作为数据连接到相位谱计算节点的“dt”端，将信号的生成阶段生成的信号连接到相位谱计算节点的相应位置，计算出两个正弦信号的相位。

（3）、相位差计算：

执行“编程→数值→减”操作放置一个减法节点，将在相位计算阶段得到的相位连接到相应的端点得到相位差值，执行“编程→数值→转换→转换为长整型”操作放置一个数值转换节点将采样周期数转换为32位长整型，执行“编程→数组→索引数组”放置一个数组索引节点，将相位差值和采样周期数转换的32位长整型分别连接到数组索引节点的“数组”“索引”端口。

（4）、相位差转换和输出：

因为相位谱计算节点输出的值为弧度制的，要将该值转换成角度，弧度a1和角度a2的转换公式为a2=a1*180/∏。

分别执行“编程→数值→乘”、“编程→数值→除”放置一个乘法和除法节点，执行“编程→数值→数值常量”输入180、“编程→数值→数学和科学常量→pi”放置一个∏常量，计算得到弧度转化的角度，下一步就判断相位差是否在规定的范围[-180°,180°]内，如不在范围内要进行相应的处理，对于大于180°的把差值减去360°，对于小于-180°的要把差值加上360°。

执行“编程→结构→条件结构”放置一个条件结构框，执行“编程→比较→判断范围并强制转换”操作放置判断范围并强制转换节点，把上下限分别设置为180.000001、-180.000001，将判断的结果连接到条件结构框的判断端，在条件判断为真的情况下直接将相位差的结果输出到相位差（度）端口，在条件判断为假的情况下再进一步判断相位差的范围，执行“编程→比较→大于0？

”操作放置一个比较节点，执行“编程→结构→条件结构”放置一个条件结构框，在条件判断为真的情况下，执行一个“编程→数值→减”放置一个减法节点，输入360作为被减数，然后输出。

在条件判断为假的情况下，执行一个“编程→数值→加”放置一个加法节点，输入360作为加数，然后输出。

程序框图的设计结果如图3.2所示。

图3.2基于谱分析技术的相位差计程序框图

第三章虚拟相位差计的调试运行

因为在基于谱分析技术的虚拟相位差计设计中所运用的正弦波信号为仿真生成的，所以在相位差计算方面比较理想，没有产生误差。

利用图3.3所给的参数进行调试运行得到如图所示的结果，证明此种设计方案有效可行。

图3.3基于谱分析技术的虚拟相位差计的调试

第四章位移测试虚拟仪器方案设计

根据本设计的要求进行设计方案的确定，位移测试虚拟仪器要求能进行位移测试且可求出位移测量系统的线性度、滞后度和灵敏度。

初步确定设计分为两个部分：

位移测试、测量系统静态特性。

2.1位移测试系统的设计

对于位移测试而言需要的就是信号的读取、信号的处理、信号的记录等几个方面，以下就这几个方面进行详细的考虑和设计。

2.1.1测试数据的读取

测试数据是指测试所用的传感器所传输出来的数据，它是一个物理硬件输出的数据，要将它读入到虚拟仪器测试系统中，需要一个硬件和软件的传输通道，在LabVIEW中运用的是数据采集助手DAQAssistant。

在LabVIEW环境里打开数据采集助手的方式是调用DAQAssistantExpressVI，在LabVIEW的函数选板中有两个子选板可以找到DAQAssistantExpressVI，分别是“测量I/O→DAQmxDataacquisition”和“Express→输入”函数子选板。

“DAQAssistant”ExpressVI放入程序框图后，首先自动打开一个新建向导，引导用户选择测试的类型和使用的通道，然后打开数据采集助手的设置面板。

进行必要的设置以后，单击OK按钮，ExpressVI图标下面出现Data端口，这样就可以执行数据采集任务并返回测试数据。

经过以上的操作就可以将物理硬件的输出数据传输到测试系统中。

从硬件传输到系统的数据是一个动态不间断的数据，而测试系统需要的数据是一组静态的数据，因此要将传输进来的动态数据进行转换，执行“Express→信号操作→从动态数据转换”操作放置一个转换节点，可完成传输进来的动态数据的转换。

硬件传输进系统的数据是许多具有微小波动的数据组，要得到较为准确的数据，可以对数据组取平均值得到，执行“数学→概率与统计→均值”操作放置一个均值节点就可得到一个处理后的测量数据。

2.1.2测试数据的处理

从通道读取进来的数据是一个模拟物理量，需要对该量进行相应的处理，本设计中的输入数据为电压量，可以根据传感器的特性选取一个比例系数得到测量的位移值，对于测试而言需要一个复位的操作，可以对测量数据进行调整，在此需要一个是否复位的判断，在判断为真的条件下将本次输入的进行自减得到值为0，在判断条件为假的情况下将本次输入与上次输入相减得到本次位移，至此可以得到位移数据。

2.1.3测试数据的记录

对于测试数据有时需要保存，在需要保存的条件下可将测试数据保存到Excel中，但是为了得到测试系统的特性分析需要将实际测量值一并记入Excel中，此时可以将实际值和测试值组成数组记入文件中，对于测试的记录要分为前进和回程两个部分，在建立保存文件是可以将它们分开，可以分别命名为“实验者姓名+Q（前进）.xls”、“实验者姓名+H（回程）.xls”。

2.2位移测试系统的静态特性测试设计

在系统的静态特性测试部分可以将该测试系统分为两个部分：

测量数据的读取、静态测试参数的计算和输出。

2.2.1测试数据的读取

因为测量数据是保存在电子表格Excel中的而且是分为前进和回程两个文件，在数据的读取中要分别进行读取，可以分别将文件名输入到读取路径中执行两次电子表格读取程序。

保存的数据是测量数据和实际数据两组数据，在数据读取的过程中要将这两组数据进行分离，可以使用索引数组的形式得到。

2.2.2测试系统的静态特性

描述测试系统的静