虚拟仪器技术的减振实验系统概述

论文导读：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。因此，我们设计了以LabVIEW为基础的动力减振实验系统。它包括振动激励系统、两自由度动力减振振动梁装置、数据采集系统以及包含LabVIEW软件的计算机系统。
关键词：减振，虚拟仪器，LabVIEW

　　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。论文参考网。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：
　　力学模型的振动微分方程为：
　　（1）
　　其受迫振动的振幅为：
　　（2）
　　当时，得，。
　　可见选择动力消振器的固有频率时，ml即保持不动，而m2则以频率作的受迫振动。消振器弹簧在下端受到的作用力在任何瞬时恰好与上端的激振力相平衡，因此使m1的振动转移m2上来。
　　3.减振实验系统的设计
　　3.1减振实验系统总体设计
　　整个系统的结构框图如图2所示。它包括振动激励系统、两自由度动力减振振动梁装置、数据采集系统以及包含LabVIEW软件的计算机系统。我们采用框架式结构梁和附梁作为被测件，通过激振器使其产生振动，从而得到它的动态特性。
　　
　　3.2两自由度振动装置
　　由框架式结构梁和激振器所构成的两自由度动力减振实验台装置如图3 所示。1所示即为框架式结构梁，2所示为附梁，3为激振器。在激振器的作用下，框架式结构梁（m1，k1）产生振动，在激励频率等于其固有频率时,会产生单自由度系统的共振现象。为消除框架式结构梁主梁系统的共振状态，在该系统上再附加附梁系统（m1，k2）而形成两自由度系统，当附梁系统的固有频率和框架式结构梁主梁系统相同时，这时附梁系统（m1，k2）具有消除主梁系统（m1，k1）共振的作用，故称为动力减振系统。论文参考网。振动信号通过贴在主梁和附梁上的电阻应变片测量。
　　 　　3.3振动激励系统
　　将电动式激振器与被测件固定在一起，使其随激振器的振动形式而运动。由信号采集卡输出产生激励信号。论文参考网。然后经功率放大器传给激振器，对框架式结构梁和附梁产生激振作用。在本系统中，为控制方便，可对被测件进行恒力激振，即每改变一次频率，只要调整信号的幅值大小使功率放大器的输出保持恒定即可。
　　3.4数据采集系统
　　数据采集系统由电阻应变片、信号调理电路、数据采集卡、计算机等几部分组成。对于可接触测量的框架式结构梁和附梁，分别贴上电阻应变片，将两路振动信号变成应变信号，再通过信号调理电路转变成电压信号，再进行放大滤波处理。考虑到振动信号的频率不高，所以选用了的NI公司的USB—6008型多功能数据采集卡，其采样速度可达10k/s，可完成双通道的数据采集处理。
　　3.5数据分析系统
　　数据分析系统的软件结构可分为主模块、虚拟信号源模块、振动信号采集模块、数据分析模块，其中数据分析模块又可分为频谱分析模块、波形显示模块、数据记录模块。虚拟仪器系统功能较为复杂，所以采用了四个分面板形式，把最重要的显示元件和操作元件放在了第一分面板，并且分配到每个子面板上的功能均简洁明了，易于用户理解。
　　振动信号变成数字信号输入计算机中，接下来调用LabVIEW软件编写的数据分析程序进行对数据进行频谱分析。根据振动测试中对信号的分析和处理的基本要求，提供了滤波器、窗函数、时域、频域、频率响应、自相关函数、互相关函数等信号分析方法。加上对这些分析方法的数据控制，能够很好的实现对信号的分析和处理。当信号发生器产生一个从0Hz开始的扫频信号，传给激振器对框架式结构梁产生激振作用时，我们可以在计算机上观测到两自由度的共振现象和动力减振现象。在这我们给出了信号傅立叶变换后的频域观察，当然也可以在时域观察。
　　4结束语
　　基于虚拟仪器技术的减振实验系统能有效的观测和分析两自由度振动和动力减振现象，由于所处理的信号频率不高，采用廉价的采集卡就能满足要求，整体造价低廉，而信号处理内容较为丰富，所以该实验系统不仅适合机械专业使用，而且还可以用于检测和应用物理等专业在学习传感器和虚拟仪器时使用。同时利用LabVIEW的灵活性，可以让学生自己添加或改动信号处理模块，开展有关的综合性实验。

参考文献：
[1]林君，谢宣松.虚拟仪器原理及应用[M].北京：科学出版社，2006
[2]魏相华，张士文，赵继敏.虚拟仪器的发展现状和前景[J].工业控制计算机，2003
[3]李青霞，虚拟仪器综述[J].现代科学仪器，1999(3)