畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

1、<p><b>　　XX學(xué)院</b></p><p>　　畢 業(yè) 論 文</p><p>　　基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)</p><p><b>　　測(cè)控系統(tǒng)</b></p><p>　　學(xué) 生： </p&

2、gt;<p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　專業(yè)名稱： </p><p><b>　　年 月</b></p><p>　　摘 要</p><p>　　近年來(lái)隨著的計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展和深

3、層結(jié)合，以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬測(cè)控系統(tǒng)逐漸代替了傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器將傳統(tǒng)儀器由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析、處理和顯示功能改由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)完成，通過(guò)配置數(shù)據(jù)采集卡，來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集和分析. </p><p>　　本課題以多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)為測(cè)控對(duì)象，結(jié)合LabVIEW這種專業(yè)的測(cè)控工具，構(gòu)建集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析為一體的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。本文對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)硬件配置、虛擬儀器系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)行深入的討

4、論。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái) 虛擬儀器 LABVIEW 數(shù)據(jù)采集 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years along with the computer technology、the instrument technolo

5、gy and the communication technology rapid development and in-depth union, Virtual measurement and control centering on the computer has gradually replaced the traditional instrument，.The virtual instrument realize the da

6、ta analysis, processing and the demonstration function with </p><p>　　the computer while the traditional instrument adopt the hardware. Through data acquisition card, the virtual instrument completes the dat

7、a gathering and t analysis.</p><p>　　In this thesis, the multi-functional Rotor Test-bed is the object of measurement and control.The system that is designed with the professional sofe ——LabVIEW includes rea

8、l-timely DAQ、data processing.The paper discusses the total project of measurement and control system、the configuration of local measurement and control system hardware、the development of virtual instrument soft programme

9、 in depth.</p><p>　　Key Word: Rotor Test-bed Virtual instrument LABVIEW Data acquisition </p><p>　　目 錄</p><p>　　第1章 緒論......................................

10、.................1</p><p>　　1.1國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀.........................................1</p><p>　　1.2選題背景和意義.............................................2 </p><p>　　1.3本課題的主要工作...........

11、................................3</p><p>　　第2章 測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)...........................................4</p><p>　　2.1硬件系統(tǒng)...................................................4</p><p>　　2.1

12、.1多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái).......................................4 </p><p>　　2.1.2測(cè)控系統(tǒng)...............................................5</p><p>　　2.1.3傳感器的選擇...........................................6 </p>

13、<p>　　2.2 軟件系統(tǒng)...................................................7</p><p>　　第3章 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)......................................8</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理..................................

14、.......8</p><p>　　3.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換..................................................9</p><p>　　3.3去噪處理和信號(hào)濾波.................................. .......10 </p><p>　　3.4 信號(hào)分析和處理...............

15、..............................12</p><p>　　第4章 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器開(kāi)發(fā)......................................14</p><p>　　4.1 虛擬儀器概述...............................................14</p><p>　　4.1.1

16、 虛擬儀器的概念.........................................14 </p><p>　　4.1.2 虛擬儀器的基本結(jié)結(jié)構(gòu)和類型.............................15</p><p>　　4.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件.........................................16</p><

17、p>　　4.3 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器的設(shè)計(jì)...................................17 </p><p>　　4.3.1 軸心位移測(cè)量模塊.......................................18</p><p>　　4.3.2 振動(dòng)分析模塊...........................................20&

18、lt;/p><p>　　第5章 結(jié)論........................................................22</p><p>　　5.1 結(jié)論.......................................................22</p><p>　　參考文獻(xiàn).....................

19、......................................23</p><p>　　致謝...............................................................24</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀<

20、;/p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類科研、生產(chǎn)和生活等活動(dòng)領(lǐng)域，檢測(cè)技術(shù)既是服務(wù)于其它學(xué)科的工具，又是綜合運(yùn)用其它多學(xué)科最新成果的尖端性技術(shù)。因此檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展是科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力發(fā)脹程度和現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。</p><p>　　檢測(cè)技術(shù)有力地促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，而科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的現(xiàn)代化，不僅對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，也

21、為檢測(cè)技術(shù)提供了豐富的物質(zhì)手段和技術(shù)條件，從而促進(jìn)其不斷發(fā)展。目前，檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可從以下四個(gè)方面進(jìn)行綜述：</p><p><b>　　不斷擴(kuò)大測(cè)量范圍</b></p><p>　　提高測(cè)量精度及可靠性</p><p>　　開(kāi)發(fā)檢測(cè)的新領(lǐng)域和新技術(shù)</p><p>　　利用集成化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)新型傳感器</

22、p><p>　　檢測(cè)任務(wù)的完成離不開(kāi)檢測(cè)儀器，20世紀(jì)70以來(lái)，計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展，并滲透到檢測(cè)儀器和儀器技術(shù)領(lǐng)域。在它們的推動(dòng)下，檢測(cè)技術(shù)與儀器不斷進(jìn)步，由原來(lái)的模擬儀器和數(shù)字儀器發(fā)展到了現(xiàn)在的智能儀器、總線儀器、PC儀器、虛擬儀器等微機(jī)化儀器和自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代儀器設(shè)備之間的界線日漸模糊。與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，已是當(dāng)今儀器與檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主潮流。</p><p>　　正

23、是在這種趨勢(shì)的影響下，產(chǎn)生了新一代的檢測(cè)儀器——虛擬儀器。</p><p>　　虛擬儀器它是通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能硬件（完成信號(hào)獲取、轉(zhuǎn)換和調(diào)理的專用硬件）結(jié)合起來(lái)，從而把計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算、存儲(chǔ)和通信能力與功能硬件的測(cè)量和轉(zhuǎn)換能力融為一體，形成一種多功能、高精度、可靈活組合并帶有通信功能的測(cè)試技術(shù)平臺(tái)。</p><p>　　大致來(lái)說(shuō),虛擬儀器發(fā)展到今，可以分為三個(gè)階段，而這三個(gè)階段可以

24、是同步進(jìn)行的。 第一，GPIB(通用接口總線)標(biāo)準(zhǔn)的建立增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。通過(guò)插 在計(jì)算機(jī)上的GPIB接口卡或傳統(tǒng)儀器內(nèi)置，傳統(tǒng)儀器可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通 信，用戶就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制儀器，使得儀器的自動(dòng)化測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)，并成為儀器測(cè)控的發(fā)展方向，這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線的。但是PGIB總線只適用于消息基器件的操作，不適用于寄存器操作，且其數(shù)據(jù)傳輸率只有1MB/S,存在數(shù)據(jù)傳輸速度慢的特點(diǎn)。 第二，開(kāi)放式儀器構(gòu)成。

25、在這期間，主要由二大技術(shù)進(jìn)步所推動(dòng)：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡，后來(lái)發(fā)展到即插即用的數(shù)據(jù)卡；二是在1987年7月，來(lái)自Colorado Data system，Hewlett Packard，Racal  Dana， Tektronix和 Wavetek等五家著名儀器公司的技術(shù)代表發(fā)布了第一個(gè)VXI總線規(guī)范的 第一個(gè)版本。其消除了第一階段的由用戶定義和供應(yīng)商定儀器功能的區(qū)別。VXI總線數(shù)據(jù)傳輸率為40MB／S，數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)

26、較快。在1993年IEEE春天正式接受VXI以前，價(jià)格成本較高和系統(tǒng)</p><p>　　1.2 選題背景和意義</p><p>　　20多年前，美國(guó)國(guó)家儀器公司NI (National  Instruments)提出“軟件即是儀 器”的虛擬儀器 (NI)概念。引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而開(kāi)創(chuàng)了“軟件即是儀器

27、”的先河。所謂虛擬儀器，實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測(cè)量?jī)x器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于 計(jì)算機(jī)性能以摩爾定律(每半年提高一倍)飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不

28、斷帶來(lái)較高的技術(shù)更新速率。 本課題以轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為測(cè)控對(duì)象，采用虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)，本課題可以作為虛擬測(cè)控和虛擬實(shí)驗(yàn)的一個(gè)初步嘗試和探索。</p><p>　　1.3 本課題的主要工作</p><p>　　經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外測(cè)控技術(shù)的深入研究，以多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究和開(kāi)發(fā)多功能轉(zhuǎn)子測(cè)控系統(tǒng)。本文在虛擬儀器方面進(jìn)行以

29、下研究和開(kāi)發(fā)工作：</p><p>　　轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；</p><p><b>　　抗干擾裝置設(shè)計(jì)</b></p><p>　　硬件系統(tǒng)配置：包括各種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡的選擇。</p><p>　　軟件系統(tǒng)編程：包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)</p><p>　　第二章　測(cè)控

30、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本章討論了整個(gè)小型多功能轉(zhuǎn)子測(cè)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)。硬件平臺(tái)包括多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)；軟件系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)測(cè)控軟件.</p><p>　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)是本系統(tǒng)的測(cè)控對(duì)象；系統(tǒng)通過(guò)振動(dòng)傳感器和位移傳感器采集轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的信號(hào)，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的

31、輸入要求，就可以將轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集到計(jì)算機(jī)中，同時(shí)可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。這樣通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)監(jiān)控轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況。</p><p>　　圖2-1 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.1硬件系統(tǒng)</b></p><p>　　硬件系統(tǒng)主要由以下各部分組成：多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算

32、機(jī)。四部分協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和在線分析。</p><p>　　2.1.1轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)</p><p>　　轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)是本系統(tǒng)的測(cè)控對(duì)象。其結(jié)構(gòu)如圖2-2。</p><p>　　圖2-2 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)</p><p>　　轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)采用整體圓柱軸承支承，潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。在軸承座上有傳感器安裝位置，便于軸承根部的振動(dòng)測(cè)量。另外還有傳感器支架，用于

33、安裝電渦流傳感器，對(duì)不同位置的軸心位移進(jìn)行測(cè)量。</p><p>　　2.1.2傳感器的選擇</p><p><b>　　移傳感器</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用的傳感器是電渦流傳感器，它主要用來(lái)將轉(zhuǎn)子的軸心振動(dòng)信號(hào)變換為可用儀器測(cè)量和處理的電壓信號(hào)。電渦流位移傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移傳感器。前置器內(nèi)產(chǎn)生高頻的電流

34、從振蕩器流入探頭線圈中，線圈就產(chǎn)生了一個(gè)高頻電磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體的表面靠近該線圈時(shí)，由于高頻電磁場(chǎng)的作用，在金屬表面上就產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流。該電流產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，方向與線圈磁場(chǎng)方向相反，這二個(gè)磁場(chǎng)相互迭加就改變了原線圈的阻抗并使探頭的品質(zhì)因數(shù)降低，影響了線圈的阻抗。所以探頭與被測(cè)金屬表面距離的變化可通過(guò)探頭線圈阻抗的變化來(lái)測(cè)量。前置器根據(jù)探頭線圈阻抗的變化輸出一個(gè)與距離成正比的直流電壓。電渦流傳感器能測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與

35、探頭斷面的相對(duì)位置。過(guò)去對(duì)于軸的振動(dòng)測(cè)量通常采用加速度傳感器或速度傳感器。通過(guò)測(cè)量機(jī)殼振動(dòng)間接地測(cè)量轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)，測(cè)量結(jié)果的可信度不高。而電渦流位移傳感器能直接測(cè)量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量，因此常被用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移，軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)的監(jiān)測(cè)。</p><p>　　電渦流傳感器主要包括探頭、延伸電纜、前置器等部件。傳感器工作的機(jī)理是電渦流效應(yīng)。當(dāng)接通傳感器系統(tǒng)的電源時(shí)，在前置器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)

36、高頻電流信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)延伸電纜送到探頭中密封的線圈，在探頭周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1.如果金屬導(dǎo)體接近探頭，則交變磁場(chǎng)H1將在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流場(chǎng)，該電渦流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向和H1相反的交變磁場(chǎng)H2。由于H2的反作用就改變了線圈的有效阻抗，在其它參數(shù)不變得條件下，線圈的阻抗就成為探頭與金屬導(dǎo)體距離的單值函數(shù)，其曲線為“S”形曲線，在一定范圍內(nèi)可近似為一線性函數(shù)。線圈的阻抗的變化通過(guò)封裝在前置器中的電子線路的處理轉(zhuǎn)換成電壓輸出。</p&g

37、t;<p>　　本系統(tǒng)采用的電渦流傳感器是北京測(cè)振儀器廠的HZ-8500型電渦流傳感器，探頭為￠8mm它的輸入電壓是-24V。安裝時(shí)將探頭分別水平、垂直安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳感器支架的安轉(zhuǎn)孔，調(diào)整探頭距離軸心的初始間距，使其初始電壓為-8.5V，即靜態(tài)特性線性段的中部。然后連接延伸電纜和前置器等。傳感器的實(shí)物圖如下所示：</p><p>　　圖2-3 電渦流傳感器</p><p>　

38、　2）壓電晶體加速度傳感器</p><p>　　傳感器是典型的振動(dòng)傳感器，壓電傳感器是以某種物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種有源傳感器。某些電介質(zhì)物質(zhì)沿一定方向受外力作用而變形時(shí)，在它的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。</p><p>　　壓電傳感器的力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)。根據(jù)壓電效應(yīng)的原理，當(dāng)晶體上受到振動(dòng)作用力后，

39、將產(chǎn)生電荷量，該電荷量與作用力成正比，這就是壓電傳感器完成機(jī)電轉(zhuǎn)換的工作原理。壓電傳感器的輸出信號(hào)很微弱，而卻內(nèi)阻很高，一般不能直接顯示和記錄，需要采用低噪聲電纜把信號(hào)送到具有高輸入阻抗的電荷放大器。電荷放大器由兩個(gè)作用，一是放大壓電傳感器的微弱輸出信號(hào)；另一個(gè)作用是把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。</p><p>　　本系統(tǒng)選用的是4370系列壓電傳感器，將壓電加速度傳感器安裝在軸承座上，產(chǎn)生的與軸承振動(dòng)

40、對(duì)應(yīng)的電荷，經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大后，輸入數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)構(gòu)如圖所示：</p><p>　　圖2-4壓電振動(dòng)傳感器</p><p>　　2.1.3軸心位移測(cè)量的信號(hào)調(diào)理</p><p>　　軸的徑向、軸向位移信號(hào)是由電渦流傳感器測(cè)量得到的，電渦流傳感器是基于高頻磁場(chǎng)在金屬表面的渦流效應(yīng)而成，可進(jìn)行非接觸測(cè)量。安裝時(shí)，要選擇合適的間隙，以保證測(cè)量范圍內(nèi) 正

41、負(fù)向位移對(duì)稱，對(duì)于直徑為8mm探頭，其初始間隙電壓為-8.5vDC。電渦流傳感器輸出的信號(hào)是軸心位移信號(hào)和初始間隙直流電壓的疊加，疊加信號(hào)的最小值超過(guò)了-10V，而本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入范圍最大為-10V—10V，因此在軸心位移信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)前要濾除直流噪聲信號(hào)。本課題采用了一個(gè)高通濾波器可以有效的濾除直流成分。</p><p>　　濾波器是一種選頻裝置，它允許輸入信號(hào)中的特定頻率成分通過(guò),同時(shí)抑制或

42、極大地衰減其它頻率成分[。根據(jù)濾波器的選頻特性，一般將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻四種，由于要濾除的信號(hào)是一直流信號(hào)，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一個(gè)高通濾波器，如圖2-5：</p><p>　　圖2-5 高通濾波器</p><p>　　Ux為電渦流傳感器的輸出信號(hào)，Uy為濾波后可以直接輸入計(jì)算機(jī)的信號(hào)，R選用的是1kΩ的電阻，C選用的是100μF的電容，根據(jù)公式fc≈1/6.28 C R=1.

43、6Hz,試驗(yàn)證明，直流信號(hào)能夠被有效濾除，而位移信號(hào)能夠不衰減的順利通過(guò)。</p><p><b>　　2.2 軟件系統(tǒng)</b></p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)主要使用美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的基于圖形開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀集成環(huán)境LabView，Labview作為適時(shí)推出的一個(gè)優(yōu)秀的測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和虛擬儀器構(gòu)建環(huán)境，得到了廣泛的應(yīng)用。Labview提供了儀器化的編程環(huán)境

44、和良好的網(wǎng)絡(luò)接口，使編程工作大大簡(jiǎn)便，并可方便的由單機(jī)版程序升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)程序。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)分析和處理模塊、轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制模塊、電源控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)軸心位移、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集；信號(hào)分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析、頻譜分析等；轉(zhuǎn)速測(cè)控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)控和轉(zhuǎn)速的精確控制；電源控制控制各種電源設(shè)備的啟閉?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控軟件運(yùn)行于試驗(yàn)服務(wù)器端，遠(yuǎn)程用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制本

45、地測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行。</p><p>　　圖2-6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第三章 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)</p><p>　　3.1.數(shù)據(jù)采集概述</p><p><b>　　1）什么是數(shù)據(jù)采集</b></p><p>　　要想使用微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量、處理、

46、顯示記錄和控制，必須首先將被測(cè)變量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合微機(jī)的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字采集的技術(shù)正是為這項(xiàng)工作服務(wù)的。所謂數(shù)據(jù)采集是將經(jīng)過(guò)前置放大、濾波后的被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并從如到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。</p><p><b>　　2）數(shù)據(jù)采集的任務(wù)</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集的任務(wù)是把生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)采集后，以數(shù)字量的形式顯示、存儲(chǔ)、處理、傳送、打印。完成這些

47、任務(wù)的基本手段是模擬量的輸入通道。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括以下部分：信號(hào)調(diào)理模塊；模擬多路切換開(kāi)關(guān)、采樣保持（S/H）模塊；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；其它模塊，如定時(shí)/計(jì)數(shù)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換等。</p><p><b>　　3）數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集有單通道和多通道兩種結(jié)構(gòu)，對(duì)只需要采集一路模擬信號(hào)的測(cè)控系統(tǒng)選擇單通道結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際的測(cè)控系統(tǒng)中，一般需要測(cè)

48、試多個(gè)參數(shù)或者對(duì)同一個(gè)參數(shù)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，因此多通道數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)應(yīng)用更加普遍。根據(jù)資源共享程度的不同、是否采用多路轉(zhuǎn)換器(MUX)及MUX安放位置的不同多通道有如下幾種方案：</p><p>　　1）各路模擬信號(hào)由一個(gè)多路開(kāi)關(guān)切換，通過(guò)共用的單個(gè)采樣保持器送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它的特點(diǎn)是多路信號(hào)共同使用一個(gè)S/H和A/D，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本，但模擬多路開(kāi)關(guān)分時(shí)切換，輪流選通，兩路相鄰信號(hào)在時(shí)間上依次被

49、采集，不能獲得同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，這樣就產(chǎn)生了時(shí)間偏斜誤差。</p><p>　　2） 在多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)之前，給每路模擬信號(hào)通道各加一個(gè)S/H，使多路信號(hào)的采樣在同一時(shí)刻進(jìn)行，然后由各自的S/H保持著采樣信號(hào)的信號(hào)幅值，等待多路開(kāi)關(guān)分時(shí)切換，將各路信號(hào)輸入公用的S/H和A/D。這種方案能滿足同步采集的要求，結(jié)構(gòu)又相對(duì)比較簡(jiǎn)單 。不足的地方是采樣保持器長(zhǎng)時(shí)間后都有泄漏，各路信號(hào)衰減的程度不同，因此這種結(jié)構(gòu)不是嚴(yán)格的同步輸

50、入。</p><p>　　3）采用多個(gè)單通道結(jié)構(gòu)方案，不需要多路轉(zhuǎn)換器(MUX)，每一路都有一個(gè)S/H和A/D 對(duì)各個(gè)模擬信號(hào)分別轉(zhuǎn)換，各通道模擬轉(zhuǎn)換器的輸出直接掛接在微處理的總線上，采集的數(shù)據(jù)按一定順序或隨機(jī)地輸入計(jì)算機(jī)。如果各路信號(hào)接受同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，就可以做到真正得同步采集。此方案的缺點(diǎn)是要使用較多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；</p><p>　　由于本系統(tǒng)主要任務(wù)是進(jìn)行加速度傳感器振動(dòng)測(cè)量、電渦

51、流傳感器位移測(cè)量、光電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制等，不對(duì)通道之間的相互關(guān)系（如互相關(guān)、互譜等）進(jìn)行分析，所以第一種方案可以滿足這個(gè)要求。</p><p>　　3.2 模/數(shù) 轉(zhuǎn)換</p><p>　　1．模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的功能</p><p>　　模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的功能是將連續(xù)時(shí)間和幅值的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散和幅值離散的計(jì)算機(jī)能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)，并

52、保證轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)失真在允許的范圍之內(nèi)。A/D接口是數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中的核心，它的性能好壞直接影響著所采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)分析的可靠性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)在測(cè)控領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品廣泛采用板卡級(jí)結(jié)構(gòu)。這類產(chǎn)品在一塊印刷電路板上包括了模擬多路開(kāi)關(guān)（MUX）、采樣保持電路（S/H）、模／數(shù)、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器（ADC、DAC）、定時(shí)／計(jì)數(shù)器8253／8254等部件。應(yīng)用時(shí)，直接插入微機(jī)的PCI或ISA擴(kuò)展槽，安裝方便

53、，操作簡(jiǎn)單靈活。</p><p>　　2．在選用A/D板時(shí)，以下技術(shù)參數(shù)應(yīng)著重考慮：分辨率、轉(zhuǎn)換頻率、精度、通道數(shù)等。</p><p>　　1）分辨率用來(lái)表示A/D板對(duì)于輸入模擬信號(hào)的分辨能力，也是A/D板輸出的數(shù)字編碼能夠反映多么微小的模擬信號(hào)變化，常用A/D板的分辨率用位數(shù)來(lái)表示。數(shù)據(jù)采集設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，可以檢測(cè)到的信號(hào)變化量也就越小。如果A/D板的輸入信號(hào)電壓范圍為

54、7;5V，分辨率為12bit，則與－5V--＋5V電壓范圍相對(duì)應(yīng)的離散數(shù)據(jù)在0—4095之間，即離散數(shù)據(jù)最多只能分辨出原來(lái)連續(xù)數(shù)據(jù)中[5-（-5）]/(212-1)≈0.0025＝2.5mV 大小的變化。從上式看出，對(duì)于同樣的信號(hào)，A/D板的分辨率越高，則采樣后離散數(shù)據(jù)的有效位數(shù)越多，A/D板對(duì)于輸入的模擬信號(hào)的分辨能力就越強(qiáng)。對(duì)于該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，渦流傳感器的分辨率為1，靈敏度為8 ，所以采用分辨率為12位的A/D板足以滿足要求。<

55、/p><p>　　2）轉(zhuǎn)換頻率，即采樣率。是指單位時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，也就是采樣時(shí)相鄰兩采樣點(diǎn)最短時(shí)間間隔的倒數(shù)，單位為Hz。進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)測(cè)試信號(hào)的類型選擇適當(dāng)?shù)牟蓸勇?，采樣率太低，采集的信?hào)會(huì)有很大的失真，但盲目提高采樣率，會(huì)增加測(cè)試系統(tǒng)的成本。在實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)中，一般情況下會(huì)有多個(gè)被測(cè)信號(hào)，這些信號(hào)獨(dú)立進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，但是大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡是多個(gè)通道共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)

56、給出的最高采樣率，應(yīng)該分配到各個(gè)通道上。在本試驗(yàn)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速最高為10000rpm，即167Hz。考慮到倍頻成分的測(cè)量和通道數(shù)的要求，最高轉(zhuǎn)換頻率不高于10K。目前常用的NI公司的數(shù)據(jù)采集卡中，低價(jià)位的PCI-6024E采樣率為200KS/s，可以滿足本系統(tǒng)的要求。</p><p>　　3）A/D板的轉(zhuǎn)換精度反映了采樣所帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差，精度通常與分辨率有關(guān)系，高精度的前提必須有高的分辨率。另外輸入的連續(xù)信號(hào)的峰值

57、電壓不能超過(guò)A/D板的輸入電壓范圍，否則，采得的數(shù)據(jù)不正確，且可能燒壞A/D板。當(dāng)然，如果輸入信號(hào)的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于A/D板的電壓限值，也難以充分利用A/D板高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。在試驗(yàn)的過(guò)程中，根據(jù)測(cè)試信號(hào)的電壓大小，合理選擇A/D板的輸入電壓范圍。數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)給出的分辨率是滿量程時(shí)的參數(shù)，如果實(shí)際上被測(cè)信號(hào)電壓幅值達(dá)不到滿量程范圍，可以通過(guò)設(shè)置使實(shí)際的量程范圍與信號(hào)電壓范圍相匹配，這樣就充分利用了設(shè)備現(xiàn)有的分辨率。</p>

58、<p>　　4）模擬輸入通道數(shù)N是指A/D板可以同時(shí)對(duì)N路輸入信號(hào)采樣。在試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試中，最多同時(shí)采集6個(gè)通道，4個(gè)振動(dòng)測(cè)試通道，2個(gè)軸心位移測(cè)量通道。</p><p>　　根據(jù)A/D板選擇的原則和試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的要求，本文選擇使用美國(guó)國(guó)家儀器公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E，這種A/D卡主要功能和特點(diǎn)如下：A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率為12bit；最高采樣頻率為200KHz，可任意設(shè)定采樣頻率；16模入

59、通道，任意設(shè)定采樣通道數(shù)，通道自動(dòng)掃描采集；精度優(yōu)于0.05%（滿量程）；模入范圍±5V和±10V；輸入阻抗>100MΩ。</p><p>　　從A/D板性能參數(shù)可以看出，這種A/D板是符合要求的。</p><p>　　3.3去噪處理和信號(hào)濾波</p><p>　　在測(cè)控系統(tǒng)中，通常要包含許多的感性負(fù)載，例如本系統(tǒng)的電機(jī)和PWM電機(jī)控制器。

60、他們?cè)诠ぷ鲿r(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，形成幅值很大的尖峰脈沖噪聲，這些噪聲和所采集的有用信號(hào)一起通過(guò)模擬輸入通道輸入計(jì)算機(jī)，大大影響了信號(hào)分析結(jié)果的可靠性。本系統(tǒng)的去噪方法是采用信號(hào)濾波。轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)各信號(hào)頻率范圍是0-167HZ，通過(guò)對(duì)噪聲信號(hào)的分析，發(fā)現(xiàn)噪聲的頻譜與信號(hào)頻譜有交疊，所以用頻域?yàn)V波的方法（如低通、高通濾波器等）進(jìn)行處理會(huì)影響信號(hào)本身。造成有用信號(hào)的失真。如果用時(shí)域?yàn)V波的方法（如中值濾波等）就能夠較好的把噪聲濾除，而信號(hào)失真

61、很小。因?yàn)樵跁r(shí)域中，信號(hào)的輪廓很清晰，噪聲信號(hào)只是隨機(jī)的造成了許多的毛刺和尖峰，因而本系統(tǒng)中采用的時(shí)域?yàn)V波的方式去除噪聲。</p><p>　　濾波一般分為模擬濾波和數(shù)字濾波，模擬濾波很容易實(shí)現(xiàn)頻域?yàn)V波而難以實(shí)現(xiàn)時(shí)域?yàn)V波，數(shù)字濾波既可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域?yàn)V波又可以實(shí)現(xiàn)頻域?yàn)V波。本課題采用了軟件數(shù)字濾波法即計(jì)算機(jī)算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理[14]。 </p><p>　　通過(guò)對(duì)噪聲信號(hào)的分析和統(tǒng)計(jì)，

62、本系統(tǒng)采用時(shí)域中值濾波算法處理信號(hào)，中值濾波就是用一個(gè)含有奇數(shù)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，將窗口正中那點(diǎn)值用窗口內(nèi)各點(diǎn)的中值代替。 設(shè)有一個(gè)一維序列 F1F2……Fm。窗口長(zhǎng)度為m(m為奇數(shù))，對(duì)此序列進(jìn)行中值濾波，就是從輸入序列中相繼抽出m個(gè)數(shù)，F(xiàn)i-v…Fi-1FiFi+1…Fi+v,其中f i為窗口的中心值，V=(m-1)/2，再將這m個(gè)點(diǎn)值按其數(shù)值大小排列，取其序號(hào)為正中間的那個(gè)數(shù)作為濾波輸出。用數(shù)學(xué)公式表示為Y i=Med{ Fi-v…Fi

63、-1FiFi+1…Fi+v } i€Z, V= (m-1)/2 , 中值濾波可以用來(lái)減弱隨機(jī)干擾和脈沖干擾，在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果。圖3-1是1000轉(zhuǎn)/分時(shí)圓盤(pán)原始振動(dòng)信號(hào)波形、圖3-2是時(shí)域中值濾波后的波形、圖3-3是頻域低通濾波后的波形。</p><p>　　圖3-1 原始振動(dòng)信號(hào)圖</p><p>　　圖3-2 中值濾波后的波形圖</p><

64、p>　　圖3-3低通濾波后的波形圖</p><p>　　值濾波不僅恢復(fù)原波形形狀而且保持原波形的相位信息。而低通濾波雖濾掉了干擾信號(hào)但也破壞了原始信號(hào)，圖3.3中可發(fā)現(xiàn)濾波后的波形發(fā)生了相位改變。</p><p>　　3.4 信號(hào)分析和處理</p><p>　　信號(hào)分析和處理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要的部分，由于被測(cè)信號(hào)各種各樣，所以由各種傳感器或放大調(diào)理電路輸出的信

65、號(hào)也是各不相同的，根據(jù)信號(hào)種類的不同，信號(hào)的分析方法也各不相同。LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了很多數(shù)字濾波、信號(hào)分析和處理方面的控件，利用這些控件可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)各種信號(hào)分析和處理的功能。</p><p><b>　　1．軸心軌跡測(cè)量</b></p><p>　　軸心軌跡一般是指轉(zhuǎn)子軸心一點(diǎn)相對(duì)于軸承座在其與軸線垂直的平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，該軌跡是一平面曲線。軸心軌跡的形

66、狀可以反映出主軸承的運(yùn)行情況，液體潤(rùn)滑情況等。軸心軌跡的測(cè)量一般采用兩個(gè)電渦流傳感器測(cè)量出X軸位移和Y軸的位移，進(jìn)行合成。</p><p>　　X、Y方向的振動(dòng)波形振幅相同，只含有轉(zhuǎn)速頻率成分的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，二者相位差為90度。對(duì)于大多數(shù)實(shí)際轉(zhuǎn)子。由于軸的各向彎曲剛度存在著差異，引起轉(zhuǎn)速頻率振動(dòng)的原因也不全是不平衡，軸心軌跡也不再是圓，而是橢圓。與其對(duì)應(yīng)得X和Y方向振動(dòng)波形不僅幅值不同，而且相位差也不是90度。軸心軌

67、跡測(cè)量流程如下圖：</p><p>　　3-4 軸心軌跡測(cè)量流程圖</p><p><b>　　2．振動(dòng)信號(hào)分析</b></p><p>　　工程上所測(cè)得的信號(hào)一般為時(shí)域信號(hào)，然而由于故障的發(fā)生往往引起信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)的變化，為了通過(guò)所測(cè)信號(hào)了解觀測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要頻域信息。將時(shí)域信號(hào)變換至頻域加以分析的方法稱為頻譜分析。頻譜分析的目的是

68、把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)傅立葉變換分解為若干單一的諧波分量來(lái)研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波幅值和相位信息。在本系統(tǒng)中，由振動(dòng)分析模塊對(duì)所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，從而研究軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一些動(dòng)力學(xué)特性，如旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、間隙、潤(rùn)滑不良、支撐松動(dòng)等。</p><p><b>　　3．自相關(guān)分析</b></p><p>　

69、　在測(cè)試結(jié)果的分析中，相關(guān)性是一個(gè)非常重要的概念，相關(guān)指的是變量之間的線性關(guān)系，變量x、y之間的相關(guān)程度可以用相關(guān)系數(shù)來(lái)表示。</p><p>　　自相關(guān)函數(shù)可以檢驗(yàn)信號(hào)中是否含有周期信號(hào)，如果信號(hào)中有周期成分，則其自相關(guān)函數(shù)在稍大時(shí)都不衰減，并具有明顯的周期性，不含周期成分的隨機(jī)信號(hào)在稍大時(shí)自相關(guān)函數(shù)就趨近于零?；ハ嚓P(guān)函數(shù)則是工程中在噪聲背景下提取有用信號(hào)的一個(gè)非常有效的手段。</p><p

70、>　　為了濾除信號(hào)中的噪聲和不需要的頻率成分，分析模塊設(shè)置了中值濾波器。為了減小和抑制頻率泄露，采用漢寧窗，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)合理選擇測(cè)量參數(shù)，如振動(dòng)位移是研究強(qiáng)度和變形的重要依據(jù)；振動(dòng)加速度與作用力或載荷成正比，是研究動(dòng)力強(qiáng)度和疲勞的重要依據(jù)；振動(dòng)速度決定了噪聲的高低，人對(duì)機(jī)械振動(dòng)的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速度決定的。速度又與能量和功率有關(guān)，并決定動(dòng)量的大小。對(duì)振動(dòng)加速度進(jìn)行了兩次積分，分別得到了振動(dòng)速

71、度和位移信號(hào)。振動(dòng)分析流程圖如下圖3-5：</p><p>　　圖3-5 振動(dòng)分析流程圖</p><p>　　第四章 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)</p><p>　　儀器儀表作為測(cè)控的重要工具在科研和生產(chǎn)過(guò)程中起著重要作用，在對(duì)大規(guī)模、自動(dòng)化、智能化電子測(cè)控系統(tǒng)的需求愈發(fā)迫切的形式下，計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合開(kāi)創(chuàng)了儀器儀表新的里程碑---虛擬儀器技

72、術(shù) ，它結(jié)合了計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)儀器儀表的特點(diǎn)，具有更高的靈活性和可定義性。本遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)就是根據(jù)這一特點(diǎn)，采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具Labview開(kāi)發(fā)了本地測(cè)控系統(tǒng)，方便地實(shí)現(xiàn)了儀器的網(wǎng)絡(luò)化。</p><p>　　4.1 虛擬儀器概述</p><p>　　虛擬儀器（Virtual Instrument）是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物。它把計(jì)算機(jī)、傳感器、儀器儀表等硬件與計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來(lái)。除繼承傳

73、統(tǒng)儀器的已有功能外，還增加了許多傳統(tǒng)儀器所不能及的先進(jìn)功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其靈活性，用戶在使用過(guò)程中可以根據(jù)需要定制儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且能充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)方面的限制。</p><p>　　由于虛擬儀器系統(tǒng)是基于模塊化軟件標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放系統(tǒng)，當(dāng)用戶測(cè)試要求變化時(shí)可方便地由用戶自己來(lái)增減硬件、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要

74、求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟棄已有的硬件和軟件資源。總之，使用虛擬儀器系統(tǒng)不僅提高了開(kāi)發(fā)效率而且降低了開(kāi)發(fā)成本，在系統(tǒng)測(cè)控方案的選擇中處于優(yōu)勢(shì)地位。</p><p>　　4.1.1 虛擬儀器的概念</p><p>　　所謂虛擬儀器，就是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶操作和使用計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專門的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算

75、機(jī)為核心，充分利于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示。</p><p>　　虛擬儀器通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與模塊化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面操作這臺(tái)儀器，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、處理、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器一樣可劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)三個(gè)模塊，如圖4.1所示。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資

76、源和儀器硬件結(jié)合在一起，通過(guò)應(yīng)用程序提供的儀器硬件接口和圖形化用戶界面，用戶可以方便的操作儀器硬件，而不必深入了解GPIB(通用接口總線、VIX（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VEM總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展）、DAQ（數(shù)據(jù)采集）等方面的細(xì)節(jié)。</p><p>　　圖4-1 虛擬儀器的內(nèi)部功能劃分</p><p>　　由于VI的模塊化、開(kāi)放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，用戶可以大大提高系統(tǒng)的復(fù)用率，低開(kāi)發(fā)成本，通

77、過(guò)表4.1可清楚的看出VI與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別</p><p>　　表4-1 VI與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別</p><p>　　4.1.2 虛擬儀器的基本結(jié)結(jié)構(gòu)和類型</p><p>　　從構(gòu)成要來(lái)講，虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的；根據(jù)儀器硬件的不同，則分為以DAQ板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)，和以GPIB、VXI、串行總線和現(xiàn)場(chǎng)總線等標(biāo)

78、準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串行總線系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　4.2 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件</p><p>　　軟件是虛擬儀器的核心，通過(guò)編制軟件可以在有限的設(shè)備基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的各種自定義功能。因此有人提出了“軟件就是儀器的觀點(diǎn)”。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)

79、軟件通?？梢苑譃橥ㄓ密浖蛯I(yè)軟件。通用軟件就是我們常見(jiàn)的高級(jí)編程語(yǔ)言，比如Visual C++、VB、Delphi、Java等。。而專用軟件一般是指專業(yè)的圖形化軟件，比如NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI或者HP公司的VEE等。</p><p>　　LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)

80、的簡(jiǎn)稱，是一種集數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示功能于一體的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，為用戶提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式。它提供了一種全新的程序編寫(xiě)方法，即對(duì)稱之為“虛擬儀器”（Virtual Instruments, VIs）的軟件對(duì)象進(jìn)行圖形化的組合操作，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，這樣開(kāi)發(fā)人員就不再需要使用復(fù)雜的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境即可享用強(qiáng)大的編程語(yǔ)言帶來(lái)的靈活性，在同一環(huán)境下

81、就可以使用廣泛的采集、分析和顯示功能。</p><p>　　LabVIEW廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的測(cè)控軟件，利用它可以方便的建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編

82、程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。</p><p>　　所有LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器，它包括前面板、流程圖以及圖標(biāo)/連接器三部分</p><p>　　程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），輸出量被稱為顯示（Indicators）?？刂坪惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使

83、這得前面板直觀易懂。</p><p>　　每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫(xiě)，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來(lái)同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。</p><p>　　圖標(biāo)

84、/連接器是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就象函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對(duì)應(yīng)。</p><p>　　與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。在LabVIEW 中，可以利用旋鈕、開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)盤(pán)、圖表等控制件和顯示件建立

85、用戶界面，即前面板，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的控制面板。控制件包括旋鈕、按鈕等輸入控件，顯示件包括圖表、LED 等顯示器件。在完成用戶界面的創(chuàng)建后，通過(guò)VI 和結(jié)構(gòu)添加代碼來(lái)控制前面板上的對(duì)象。這些程序代碼就構(gòu)成了程序框圖。利用LabVIEW，可以和諸如數(shù)據(jù)采集設(shè)備、圖像設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備等硬件進(jìn)行通信，也可以和GPIB、PXI、VXI、RS-232、RS-485 儀器通信。所以說(shuō)，作為一種圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，LabVIEW具有以下特點(diǎn)：<

86、/p><p>　　圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫(xiě)任何文本格式的代碼，使用“所見(jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面</p><p>　　提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。</p><p>　　提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行，同時(shí)提供有讀到的高亮度執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式執(zhí)行，利于觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。</p>&

87、lt;p>　　32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。</p><p>　　從底層VXI儀器、數(shù)據(jù)采集板到總線接口硬件和GPIB的驅(qū)動(dòng)程序，囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備和儀器。</p><p>　　提供大量與

88、外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DLLs (動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))、DDE(共享庫(kù))、ActiveX等。</p><p>　　支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)和TCP/IP等強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便聯(lián)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)。 </p><p>　　4.3 轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器的設(shè)計(jì)</p><p>　　試驗(yàn)臺(tái)各參數(shù)的正確控制和測(cè)量是遠(yuǎn)程試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。采用La

89、bview構(gòu)造本地的虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)，不僅可以方便靈活的采集、分析、 測(cè)量各信號(hào)量，而且還能提供良好的儀器操作界面以便監(jiān)控和干預(yù)遠(yuǎn)程用戶的試驗(yàn)過(guò)程。軟件框圖如圖4.3所示：</p><p><b>　　圖4-3 軟件框圖</b></p><p>　　4.3.1 軸心位移測(cè)量模塊</p><p>　　軸心位移測(cè)量模塊的能是采集軸心位移信號(hào)，并測(cè)量

90、位移的幅值等參數(shù)。虛擬儀器的信號(hào)采集模擬常用示波器的操作與功能。具體來(lái)講就是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及其信號(hào)采集接口電路來(lái)捕捉信號(hào)波形，并通過(guò)圖形用戶界面來(lái)模擬示波器的操作面板，對(duì)信號(hào)完成采集、顯示。根據(jù)本系統(tǒng)的需求，數(shù)據(jù)采集是多通道連續(xù)采集，整個(gè)系統(tǒng)初始化時(shí)，就對(duì)采集卡進(jìn)行初始化和配置，使采集卡處于就序狀態(tài)。當(dāng)用戶發(fā)出采集命令，此時(shí)采集卡開(kāi)始多通道連續(xù)采集,數(shù)據(jù)采集程序?yàn)锳I Continuous Scan子VI，這個(gè)函數(shù)為實(shí)用多通道連續(xù)采集函

91、數(shù)。調(diào)用Amplitude and Level Measurements和Tone Measurement兩個(gè)函數(shù)分別計(jì)算得出X軸、Y軸位移的最大值、最小值、峰峰值及振幅和頻率。Amplitude and Level Measurements和Tone Measuremen這兩個(gè)函數(shù)可以使用快速VI,快速VI的參數(shù)是通過(guò)對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置的，這樣可以減少連線，提高程序的開(kāi)發(fā)效率。下圖4-4和4-5分別為軸心位移測(cè)量模塊的前面板和程序框圖。&

92、lt;/p><p>　　圖4-4 軸心位移測(cè)量前面板</p><p>　　圖4-5 軸心位移測(cè)量程序框圖</p><p>　　4.3.2振動(dòng)分析模塊</p><p>　　振動(dòng)量分析模塊主要負(fù)責(zé)把所采集的轉(zhuǎn)子振動(dòng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析（振動(dòng)信號(hào)是一隨機(jī)信號(hào)，在時(shí)域上是一無(wú)限信號(hào)，因此 ，一般不做幅值譜和相位譜分析，而是用具有統(tǒng)計(jì)特性的功率譜密度作

93、譜分析）及相關(guān)分析等，從而研究試驗(yàn)臺(tái)上軸承轉(zhuǎn)子的一些動(dòng)力學(xué)特性。在本測(cè)控系統(tǒng)中，振動(dòng)量首先是通過(guò)振動(dòng)傳感器獲得，經(jīng)電荷放大器放大后接入數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道。</p><p>　　通過(guò)對(duì)不同位置振動(dòng)信號(hào)分析，可以對(duì)不同位置的振動(dòng)情況進(jìn)行比較，找出各自的振源，另外還可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的幅值進(jìn)行測(cè)量，找出轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值最大時(shí)的頻率峰值，這個(gè)頻率峰值乘以60就是轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。振動(dòng)量分析模塊的前面

94、板和程序框圖如4-6和4-7所示：</p><p>　　圖4-6 振動(dòng)分析前面板</p><p>　　圖4-7 振動(dòng)分析程序框圖</p><p><b>　　第五章 結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1 結(jié)論</b></p><p>　　基于轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的

95、研究，是測(cè)控系統(tǒng)和虛擬儀器發(fā)展的需要，也是機(jī)械工程學(xué)科信息化發(fā)展的需要，本文以轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)完成了一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。本文主要完成了一下幾個(gè)方面的工作：</p><p>　　1 系統(tǒng)配置了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)量各參數(shù)的傳感器（位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等）、信號(hào)調(diào)理設(shè)備，構(gòu)建了虛擬儀器的硬件平臺(tái)。</p><p>　　2 基于專業(yè)測(cè)控軟件Labview平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了界面友好

96、、功能強(qiáng)大的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)虛擬儀器軟件。通過(guò)這個(gè)軟件，可以完成轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：軸心位移的測(cè)量、軸心軌跡的測(cè)量、振動(dòng)信號(hào)分析. </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 朱小矛. 測(cè)控技術(shù)研究：[碩士學(xué)位論文]. 西安：西安交通大學(xué)，2002</p><p>　　[2] 曹軍義，劉曙光. 基于Labview測(cè)

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101、儀器在自動(dòng)化測(cè)試中的應(yīng)用. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000，24(2):109-112</p><p>　　[16] 劉洋. 虛擬儀儀器技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì). 儀器技術(shù)，2003，（2）</p><p>　　[17] 劉君華. 基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[18] 雷振山. LabVIEW 7 Express實(shí)用技

102、術(shù)教程. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2004</p><p>　　[19] 董湘，鄒國(guó)荃. 基于labview的測(cè)控方法研究. 儀器儀表技術(shù)，2004，4：27-28</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　歲月如梭，不知不覺(jué)在XX度過(guò)了整整四年，這四年，對(duì)于人生來(lái)說(shuō)很短，但卻彌足珍貴。</p><p

103、>　　大學(xué)求學(xué)的三年，我學(xué)到的不止于如何“做學(xué)問(wèn)”，還稍微學(xué)到了一點(diǎn)如何“做人”和“做事”的道理。如果非要將這篇論文獻(xiàn)給誰(shuí)，那么理應(yīng)獻(xiàn)給所有幫助過(guò)我的老師、同學(xué)、還有朋友。 然而感激的心情還是讓我想說(shuō)幾句，我衷心感謝我的論文指導(dǎo)教師——XX老師予以的認(rèn)真而細(xì)致的指點(diǎn)和幫助。本課題從選題、方案設(shè)計(jì)到最后的調(diào)試，每個(gè)環(huán)節(jié)都凝結(jié)了導(dǎo)師的智慧和心血。XX導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和為人的真誠(chéng)、坦蕩將永遠(yuǎn)激勵(lì)我前進(jìn)！

104、我也想借此機(jī)會(huì)向XX學(xué)院機(jī)械系的XX導(dǎo)師表達(dá)真摯的感激，無(wú)論是大學(xué)期間予以我的幫助還是鼓勵(lì)，我一直都記得很真切。</p><p>　　還有我的朋友們，我也要感謝他們。在學(xué)習(xí)上給了我許多意見(jiàn)，在生活中讓我懂得了友情的真摯。過(guò)去的一切都讓我懷念，祝愿他們一切順利。        最要感謝的還是我的父母，是他們給予我上大學(xué)的機(jī)會(huì)。正是他們的大力支持和鼓勵(lì)，我