基于虚拟仪器技术的减振实验系统的设计

　　0.引言

　　振动现象是自然界中普遍存在的一种现象, 振动问题在工程中是要经常面对地问题, 故振动分析已成为各项工程技术研究与设计必不可少的环节。伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电子测量技术领域的应用, 测量仪器不断进步, 从最初的模拟仪器依次发展到数字化仪器、智能化仪器和最新一代的虚拟仪器。虚拟仪器技术, 由用户定义仪器功能, 可扩展性强, 信号分析及处理能力强。因此, 我们设计了以LabVIEW为基础的动力减振实验系统。

　　1.虚拟仪器技术

　　1.1 虚拟仪器的组成

　　虚拟仪器以透明的方式把计算机资源(如微处理器、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器等)的测量、控制能力结合在一起, 通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口[1]。这样用户便可以通过友好的图形界面操作这台计算机, 就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。虚拟仪器从功能上划分,可以分为数据采集、数据分析和结果显示三大功能模块; 从构成要素讲,它是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的; 从构成方式讲,则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC- DAQ测试系统, 以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种VI系统都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。

　　1.2 虚拟仪器的优势

　　虚拟仪器与传统仪器最大的不同之处在于应用的灵活性和功能的可重构性上。在虚拟仪器中, 硬件仅仅是为了解决信号的输入、输出, 软件才是整个仪器系统的关键, 任何一个使用者都可以通过修改软件的方法, 很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模。虚拟仪器克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷, 摆脱了由传统硬件构成一件仪器再连接成系统的模式, 为用户提供了一个充分发挥自己的才能和想象力的空间。

　　2.振动的数学模型分析

　　工程实际中, 大量问题不能简化为单自由度系统的振动问题进行分析, 而往往需要简化成多自由度系统才能解决。两自由度系统是最简单的多自由度系统。对系统模型的简化、振动微分方程的建立和求解的一般方法以及系统响应表现出来的振动特性等方面, 两自由度系统和多自由度系统没有什么本质区别。因此研究两自由度系统是分析和掌握多自由度系统振动特性的基础。两自由度系统的运动形态要由两个独立的坐标来确定, 需要用两个振动微分方程描述它的运动。建立振动微分方程最常用的方法就是用牛顿第一定律法则进行分析。在工程中有许多实际系统都可以简化为图1所示的力学模型图。质体m1和m2用弹簧k2联系, 而它们与基础分别用弹簧k1和k3联系。假定两质体只沿铅垂方向作往复直线运动, 质体m1和m2的任一瞬时位置只要用x1及和x2两个独立坐标就可以确定, 因此, 系统具有两个自由度。以ml和m2的静平衡位置为坐标原点, 在振动的任一瞬时t, m1与m2的位移分别为xl和x2。在质体m1作用谐激振力Qlsinωt。取加速度和力的正方向与坐标正方向一致, 根据牛顿第二定律可分别得到质体ml和m2的振动微分方程: