基于Labview的振动测试分析系统的研究

林喜鉴

（福建省计量科学研究院,福建 福州 350003）

基于Labview的振动测试分析系统的研究

林喜鉴

（福建省计量科学研究院,福建 福州 350003）

由于传统振动测试分析系统价格昂贵、操作复杂、大量测试功能浪费等缺点，文中基于振动计量领域的测试需求，以NI USB-6366便携式8通道同步采集模块和Labview 8.2软件为平台，对多通道振动信号测试分析系统进行研究，以实现振动测试的基本功能。

振动测试；虚拟仪器；同步采集；Labview

1 概述

随着振动测试技术理论的发展，以及工业生产对振动测试的大量需求，振动测试分析系统在机械、电力、石化、建筑和航空航天等行业中有着广泛应用。但是，成本低廉、简单可靠、扩展性强的振动测试系统却很少。尤其在国内振动计量测试领域中，各计量技术机构大量采用丹麦B&K公司的pulse（3560B、3560C、3160A）振动分析系统。这些传统专业测试系统在应用中都存在不足之处，比如价格昂贵、操作复杂、扩展性较差、大量测试功能浪费等。但伴随着虚拟仪器技术在振动测试领域中的快速发展，采用虚拟仪器实现的振动测试与分析系统具有操作性好，用户可根据实际测试需求定制测量功能，性价比高等优点[1]。

因此，文中基于振动计量领域的测试需求，以NI USB-6366便携式8通道同步采集模块和Labview软件为平台，对多通道振动信号测试分析系统进行研究，以实现振动测试与分析的基本功能。

2 系统的总体组成

该振动测试分析系统由振动传感器及信号调理电路、NI USB-6366数据采集卡、PC电脑及运行在PC电脑上的Labview软件平台组成。系统组成如图1所示。

图1 振动测试分析系统的组成图

硬件部分由振动传感器、信号调理电路、数据采集卡和PC电脑构成。振动传感器将所测的振动信号转换成电压、电流或电荷信号传给信号调理电路进行缩放、滤波、多路复用等处理，再经数据采集卡进行A/D转换、放大等，将模拟信号转换为数字信号，最后由运行在PC上的振动测试分析Labview软件进行分析。

其中，系统硬件中核心的数据采集卡选用美国NI公司的 USB-6366，其拥有8路同步模拟输入通道，2路模拟输出通道，最大模拟输入输出电压为±10V，最高采样率达2MS/s[2]。

软件部分所实现的振动测试分析系统的主要功能包括以下：

（1）信号采集：对多通道振动信号进行高速同步采集，包括对物理通道、采样率、滤波、量程等参数设置。

（2）波形分析：对所采集的多通道信号进行时域和频域分析，显示加速度、速度、位移信号波形，并实时测量振动信号的频率、幅值、相位、失真等参数。

（3）数据处理：对所测的振动信号（频率、幅值、相位等）进行二次分析计算，以得出各测量领域所需要的数据。

（4）存储输出：对管理信息及所测数据进行固定格式排版后存储。

3 Labview系统的软件设计

本系统采用美国国家仪器公司推出的虚拟仪器软件Labview 8.20作为开发平台，实现振动测试系统软件部分的功能设计。Labview其实是一个图形化的编程平台，类似C的，对于采集和测试来讲，它的特色就是在于用它编程起来比较方便，很多VI直接拿过来就可以用。但是对于一个很大的项目来讲，比如几百路的输入输出，中间掺杂多种数据类型的小波分析，傅里叶变换等等Labview就要方便很多了。

基于Labview平台的软件设计主要包括前面板和程序框图两方面。前面板是人机交互界面，该界面上有交互式的控件，包括用户向程序输入的参数、以及向用户显示的数据或界面。程序框图就是编写程序的地方，把所要实现功能的函数拖到程序框图上，再根据数据流方向把函数连接起来，比文本语言直观很多[3]。

根据模块化的设计方法，依照系统所要实现功能可将软件部分分为信号采集模块、波形分析模块、数据二次计算模块、存储输出模块[4]。

（1）信号采集模块：

对多通道振动信号进行高速同步采集，包括对物理通道、采样率、滤波、量程等参数设置，其同步采集程序框图流程如图2所示，信号采集模块设置如图3所示。

图2 多通道信号同步采集程序流程图

①通道设置：在Labview平台前面板上创建虚拟通道，并在其中进行通道设置，包括物理通道选择、输入范围、输入接线端配置等。

②采样设置：在Labview平台前面板上设置采样时钟的源、采样率、采样模式、每通道采样数（采样模式为有限采样下设置）。

③同步选择：在Labview平台程序框图上对不同型号NI的多通道数采卡配置相应的同步类型，本系统所使用的NI USB-6366数据采集卡同步类型配置为“E系列，S系列”。

④发送触发：在Labview平台程序框图上配置任务在数字信号的上升/下降沿开始采集或生产采样。

⑤开始采集：在Labview平台程序框图上使任务处于运行状态，开始测量或生成。

图3 信号采集模块设置图

（2）波形分析模块：

对所采集的多通道信号进行时域和频域分析，显示加速度、速度、位移信号波形，并实时测量振动信号的频率、幅值、相位、失真等参数。其波形分析模块如图4所示。

时域分析功能是要显示信号的时域特征，是对测试信号最简单直观的描述。时域信号分析函数位于Functions Palette的Signal Processing | Signal Operation面板下，该函数面板提供的分析函数有交直流成分检测、微分、积分等。

图4 波形分析模块图

频域分析功能用来描述信号幅度和相位与频率间的变化规律，通过频谱可以直观地观察和分析信号的频率组成。频域信号分析函数位于Functions Palette的Transforms和Special Analysis面板下，主要包括傅里叶变化和功率谱分析等。

（3）数据处理模块：

对所测的振动信号（频率、幅值、相位等）进行二次分析计算，以得出各测量领域所需要的数据。其数据处理模块如图5所示。

图5 数据二次处理模块图

如在比较法振动幅相测量中对振动传感器灵敏度进行计量校准时，振动测试分析系统一般同步采集参考传感器和被校传感器的两路输入电压信号，则被校传感器的灵敏度幅值和相位可根据公式（1）计算：

（4）存储输出模块：

存储输出功能主要是对所测数据的及二次数据计算出的数据进行排版，并生成EXCEL文件后进行存储打印。其存储输出模块如图6所示。

图6 存储输出模块图

4 系统实验验证

为确保所研究的基于Labview的振动测试分析系统运行过程的有效性和测试结果可靠性，用该系统与B&K 3560C Pulse振动分析系统，同时采集标准振动台上的背靠背安装的参考加速度计8305和被校加速度计，并对测试结果（参考加速度计的标准振幅、被校加速度计的灵敏度）进行比对验证。测试结果比对验证见表1。

表1 测试结果的比对验证

从测试结果对比验证可知，所研究的振动测试分析系统的有效、可靠且便捷，且在测试过程，也验证了信号采集、波形分析、数据计算和存储输出功能，故该系统可应用于实际振动测试分析。

5 总结

通过多次试验验证，文中开发的基于Labview的振动测试系统能满足振动测试的基本需要，与传统仪器相比，具有操作简单、开发效率高、系统可靠性强、成本低廉等优点。另外，本系统具有很强的扩展性，用户可根据不同的测试需求以扩展相应的测试功能。

[1]纪国宜,赵淳生. 振动测试和分析技术综述[J].机械制造与自动化,2010, 40(03)∶1-5.

[2]蒙艳玖,高凤伟,段敬利,等. 基于Labview的振动测试分析系统的研究[J].广西大学学报,2007, 32(02)∶114-117.

[3]陈锡辉,张银鸿. Labview 8.20 程序设计 从入门到精通[M].北京∶ 清华大学出版社,2007.

[4]李立铭.基于Labview的振动测试系统研究[J].仪表技术,2013, (02)∶5-8.

Research on Vibration Measurement and Analysis Systerm Based on Labview

LIN Xi-Jian
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

The traditional vibration test and analysis system is expensive, complex operation, a large number of test function waste and other shortcomings. For the requirements, based on NI USB-6366 portable 8-channel synchronous acquisition module and Labview 8.2 software platform, this paper studies the multi-channel vibration signal measurement and analysis system , in order to achieve the basic functions of vibration testing.

Vibration test; Virtual instrument; Synchronous acquisition; Labview

2016-09-07

林喜鉴，男，福建省计量科学研究院力学室，工程师，检定员