基于LabVIEW的材料频率阻尼特性检测系统

张炫山，杨志军，何海超

(广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006)

0 引言

在材料测试中，往往需要对频率和阻尼特性进行测试[1]，尤其是可以直观反映振动能量衰减快慢程度的阻尼特性[2]，越来越受到重视。因此设计一套快速检测材料特性的检测系统，可以减少检测时间并提高自动化程度。LabVIEW具有图形化编程的特点，同时具有实用的驱动程序以及函数库，可以有效地缩短开发时间。本文基于LabVIEW设计了一套对待测材料产生的加速度振动信号进行采集和分析的检测系统，实现了对待测材料的频率和阻尼的测量。通过对弹片式柔性铰链的小阻尼系统进行实验，测试结果表明该检测系统准确有效。

1 检测原理

通过敲击使单自由度小阻尼系统产生自由响应，其自由振动响应的加速度方程[3]为

(1)

式中ωd为有阻尼固有圆频率，rad/s。

如图1所示，该响应为指数衰减正弦曲线，根据其性质，振动曲线的包络线[4]为

(2)

式中fd为有阻尼固有频率，Hz。

图1 指数衰减正弦曲线及包络线

此时，可以通过振幅对包络线进行拟合，则有拟合曲线

y(t)=Ae-nt

(3)

式中n为指数衰减系数。

二式比较可得阻尼比

(4)

据此，可以分别通过求出以自然常数为底的指数包络线得出指数衰减系数n以及通过FFT得到系统的自由振动频率fd，从而求得系统的阻尼比ξ。

2 检测系统总体设计

系统的整体设计如图2所示，将待测材料安装后，通过敲击使待测材料产生自由振动。加速度传感器将该振动的加速度信号转化为电信号后，通过数据采集卡将振动信号采集到计算机中进行转换和分析。计算机通过LabVIEW编写上位机，对数据采集卡采集的数据进行后续的处理。通过模块化的编程思想，对上位机的功能进行模块化编程[5]，分为数据采集模块、数据分析模块和数据保存模块，对应实现检测系统所需的各个功能。

图2 检测系统总体框图

3 硬件设计

检测系统将加速度传感器、数据采集卡和计算机作为检测的硬件基础，其中为了测量材料产生的自由振动的加速度信号，检测系统采用了PCB-333B30型号的加速度传感器将其转换为数据采集卡所识别的电信号，其频率检测范围为0.5～3 000 Hz。数据采集卡采用了NI PXIe-4464数据采集卡，该采集卡拥有可自动匹配至采样速率的内置抗混叠滤波器和204.48ksps的最大采样率。此外，计算机由NI PXIe-1085机箱和PXIe-1088内嵌式控制器组成，拥有24 GB/s的系统总带宽和匹配PXIe-4464采集卡的插槽。NI公司对旗下采集卡已整合好驱动程序函数库DAQ-mx，可以通过软件LabVIEW调用DAQ-mx函数库，从而快捷地实现数据采集的功能。此外，LabVIEW图形化编程的特点可以很方便地编写后续的数据分析和保存等功能模块，进而整合为测试系统的上位机软件。

4 软件设计

4.1 整体框架设计

程序整体框架如图3所示，采用了生产者/消费者的设计模式。生产者通过事件结构处理用户在上位机界面上的操作，从而产生与操作相对应的事件，如采集、分析和保存数据等事件响应，通过队列将事件响应传输到各消费者即各个模块中。消费者则对这些生产者所产生的事件响应进行处理，从而完成后续对应响应的工作。数据采集模块负责数据的采集和实时波形显示。数据分析模块可以对自由振动信号进行频率和阻尼分析，得出待测材料的特性分析结果。数据保存模块可以将采集的波形和分析结果进行保存，同时也可以将之前已保存的文件进行回放，方便查看已保存的波形和分析结果。

图3 软件系统框架

4.2 数据采集模块

数据采集模块是基于DAQ-mx函数库进行编程的，通过调用函数库中定时和触发等函数可以方便地对采集设备进行配置与底层操作。如图4所示，数据采集模块包括对数据采集的采集设置，以及对采集数据读取与实时显示等功能。

(a)采集设置模块

(b)采集模块图4 采集设置和采集模块界面

在采集设置中，可以根据实际测试对象，对采集通道、采样模式以及时钟源等设置进行修改。此外，可以根据测试对象特性，对测量量程和采样率等参数进行合理调整，提高信号的信噪比。数据读取和波形显示通过读取函数将采集数据进行读取并通过波形图进行显示，同时也通过游标对曲线上的数值进行读取，并对区间内的数据进行最大值、最小值和直流值等统计数值进行计算。

4.3 数据分析模块

数据分析模块用于对数据采集模块所采集到的自由振动信号进行分析，包括对直流分量的去除、自由振动的频率分析和阻尼分析等功能，分析界面如图5所示。

图5 分析模块界面

4.3.1 去除直流分量

对加速度传感器输出的模拟量进行采集，往往存在干扰的直流分量，该直流分量会对后续的频率分析和阻尼分析造成干扰，因此需要进行去除。对振动信号求平均值，即可得到信号的直流分量，将振动信号全体减去直流分量后，即可实现信号对直流分量的去除。

4.3.2 频率分析模块

根据检测原理，频率分析模块需要对振动进行频谱分析并得出固有频率fd。为了实现这一功能，频率分析模块由窗函数和信号处理函数库中的提取混合单频信息函数组成。去除直流分量的信号先选择合适的窗函数减少FFT的泄漏后，利用提取混合单频信息函数对信号进行FFT运算，寻找频谱的极大值点，并按照幅值大小将极大值点对应的频率进行排列。最后，对幅值最大的频率进行索引，得到的频率即为系统的固有频率fd。

4.3.3 阻尼分析模块

阻尼分析模块需要对振动信号的包络线进行指数拟合并得到指数衰减系数n。为此，首先需要对信号的波峰进行搜索，通过波形波峰检测函数提取检测到的多个波峰以及所对应的时间。然后，将波峰和时间输入指数拟合函数，求出包络线的回归方程，得到拟合的指数衰减系数。最后，结合频率分析模块所得出的有阻尼固有频率，根据式(4)，求得阻尼比。

4.4 数据保存模块

数据保存模块包含将采集数据和分析数据进行报表生成和对生成的报表进行回放的功能。

利用LabVIEW的报表生成工具包[6]中的写入函数，结合设置好的Excel模板，可以方便地在指定行列上插入数据，从而生成Excel报表文件。对Excel报表进行读取回放时，利用报表生成工具包中的读取函数，将指定行列的数据进行读取，通过相对应的显示控件进行显示，如图6所示。

图6 回放界面

5 系统实验验证

在运用LabVIEW编写上位机软件后，采用了弹片式柔性铰链系统作为检测对象进行实验测试，柔性铰链系统与加速度传感器的布置如图7所示。

图7 柔性铰链系统与传感器布置图

在上位机上对采集参数完成设置后，对柔性铰链系统进行敲击，使系统产生自由振动响应。上位机对数据采集卡采集的加速度信号进行分析并保存，在进行5次敲击实验后，分析结果如表1所示。可以求得，5次敲击实验通过分析得到的频率与阻尼比的标准差分别为0.174 Hz和0.020%，标准差数值较小，说明系统的检测结果具有较高的稳定性。

表1 实验分析数据表

将保存的振动信号数据导入到MATLAB中进行验证，通过FFT算法，得出系统的固有频率。通过findpeaks函数寻找波峰，将检测到的波峰输入到cftool工具箱中进行指数拟合，得到指数衰减系数，最后通过式(4)算得阻尼比。从式(4)可以看出，固有频率和拟合的指数衰减系数的误差将共同决定阻尼比的误差，因此，以MATLAB求得的阻尼比作为基准，通过对比，验证检测系统的可靠性，如表2所示。可以看出系统检测的阻尼比与MATLAB求得的阻尼比误差小于1.5%，说明系统的检测结果有较高的精度。

表2 MATLAB分析结果对照表

6 结束语

文中基于LabVIEW平台设计开发了针对小阻尼系统的频率、阻尼特性的检测系统，并给出了基本原理与整体方案。系统能够实现频率和阻尼分析、报表生成及数据回放等多种功能。实验测试结果表明，系统能够灵活配置采集设置且检测的频率和阻尼准确性好，保存的数据可以方便查看。