机械振动测量虚拟仪器的设计

    1 引 言

    机械振动是工业生产和日常生活中常见的物理现象。很多情况下, 振动是有害的, 它的存在会影响机器的正常运转, 使机床的加工精度、精密仪器的灵敏度下降, 严重的还会引起机器或建筑结构发生毁坏。近年来, 大功率、高速、高效的复杂设备越来越普及, 需要分析处理的振动问题越来越重要,当前, 一些复杂机械结构的动力学参数( 如阻尼、固有频率、机械阻抗等) 的求解尚无法用理论公式正确计算, 振动测试是研究和解决工程技术中复杂振动动力学问题的最有效的、必不可少的手段。

    随着计算机技术的发展, 建立在计算机基础上的数据采集处理系统, 越来越多地被应用到振动测试中来。计算机测试系统可以充分发挥其在数据处理方面的强大优势, 特别是在振动测试时常用频谱分析来反映振动信号的来源和特征, 而这需要涉及大量复杂的数学计算, 在专用软件的帮助下, 这些问题都可以迎刃而解。

    建立机械振动测量的虚拟仪器, 就是以各种类型的通用计算机, 如台式、便携式、嵌入式计算机为硬件基础, 以图形化的编程语言 LabVIEW 为虚拟仪器的核心, 集信号的采集、分析、显示、存储及文件管理为一体, 实现各种常规仪器所具备的功能。

    2 虚拟仪器软、硬件系统

    美 国 国 家 仪 器 公 司 的 图 形 化 编 程 软 件LabVIEW 是虚拟仪器的代表, LabVIEW 具有直观明了的前面板界面和流程图式的编程风格, 采用图标、连线、和框图代替传统的程序代码, 在方便广大工程师编程的同时, 在功能的完整性和应用的灵活性方面不逊色于任何高级语言。此外, LabVIEW 还提供丰富的扩展函数库, 主要面向数据采集、GPIB和串行仪器控制以及数据分析、数据显示和数据存储，充分显示了它在处理复杂的工程计算和信号分析时的优越性。

    在众多种形式组成的虚拟测试硬件系统中, 基于 PCI 总线的 PC- DAQ 插卡式测试系统在性能、易用性和低价格等方面具有绝对优势, 也比较适用于实验室研究开发。目前 NI 公司的数据采集卡的信号采集速率可达 1.25MS/s, 精度达 24 位。本系统选用 PCI-6220 数据采集卡, PCI-6220 带有 16 位单端输入/8 位差分输入, 采样率为 250kS/s, 16 位输入分辨率, 信号输入范围为±10V, 能够满足机构振动参数的信号采集要求。组成的振动测试系统如图1所示。

    根据振动测试的对象和任务不同, 系统的组成也会有所不同。若将多次激振实验测出输入( 激振信号) 和输出( 动态响应信号) 送入计算机进行分析处理, 可以得到机器构件的固有频率、阻尼比、刚度、振型等模态参数, 从而分析和改进结构设计, 提高抗振能力。