振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器正逐漸成為測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展方向。采用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)試與分析也成為振動(dòng)測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　本課題采用的虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的新技術(shù)。它是一種基于圖形開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境。使得課題的研究更簡(jiǎn)單快捷。以

2、PC為硬件平臺(tái)、以美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，配合必要的傳感器、信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡組成的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)。采用虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW組建的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，減少了測(cè)試過(guò)程中的硬件設(shè)備，同樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和分析的目的，大大降低了硬件成本。</p><p>　　1．1 課題研究的背景和意義</p><p>　　要想緊跟技術(shù)的發(fā)展

3、，就要不斷更新測(cè)量設(shè)備，以滿足越來(lái)越高的測(cè)量要求，同時(shí)測(cè)量手段的進(jìn)步也為技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬儀器則是提高測(cè)量精度和效率的有效手段。它改變了傳統(tǒng)的測(cè)量模式，使測(cè)量系統(tǒng)由松散結(jié)合的、常常不兼容的獨(dú)立儀器發(fā)展成緊密結(jié)合的虛擬測(cè)量系統(tǒng)，把計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)完美結(jié)合起來(lái)。</p><p>　　振動(dòng)是自然界最普遍的現(xiàn)象之一。這類現(xiàn)象有的是由其本身固有的原因引起，有的是外界干擾引起。在運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備中，振動(dòng)信號(hào)是最重

4、要的信息來(lái)源。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)中包含著大量可反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的有用信息或稱為信號(hào)特征。振動(dòng)信號(hào)分析是旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的重要組成部分，并在設(shè)備預(yù)測(cè)維修中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)振動(dòng)特征分析可以找出旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備70％的故障源，而且可以確保機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，避免事故的發(fā)生，同時(shí)結(jié)合較好的維修項(xiàng)目管理還可以顯著降低機(jī)器的運(yùn)行成本。</p><p>　　在一些情況下，振動(dòng)是一種公害，它能損傷人體器官、損害健康、降低

5、勞動(dòng)效率，甚至產(chǎn)生“振動(dòng)病’’或“運(yùn)動(dòng)病’’，如常見(jiàn)的暈車(chē)、暈船現(xiàn)象就是由于小于1Hz的極低頻振動(dòng)引起的。研究人體各器官的振動(dòng)傳遞特性，設(shè)計(jì)能減振隔振的座椅、駕駛艙、手持工具的把手等也必須依賴于振動(dòng)測(cè)試。</p><p>　　振動(dòng)測(cè)試分析儀器則將振動(dòng)測(cè)試與分析技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，它隨著振動(dòng)測(cè)試技術(shù)理論的發(fā)展和生產(chǎn)中對(duì)測(cè)試需求的與日俱增。從最初的機(jī)械式測(cè)振儀，發(fā)展到今天，各種應(yīng)用物理學(xué)原理制成的傳感器、FFT分析儀、

6、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析軟件己在廣泛使用。</p><p>　　1．2 振動(dòng)測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　振動(dòng)是各種設(shè)備在工作過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，振動(dòng)問(wèn)題是機(jī)械工程領(lǐng)域一個(gè)十分重要的研究課題。但工程實(shí)際中復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象并非都能通過(guò)理論分析得出可靠結(jié)果，此時(shí)往往需要求助于實(shí)驗(yàn)手段，而且理論分析結(jié)果的正確性也需要通過(guò)實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證，這就使振動(dòng)測(cè)試在振動(dòng)研究中占有重要地位。 </p

7、><p>　　在過(guò)去的三十多年中，無(wú)論國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，振動(dòng)測(cè)試技術(shù)都獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各種全新的分析方法如雨后春筍般大量涌現(xiàn)，并在科研、教學(xué)特別是工業(yè)上獲得了廣泛應(yīng)用。從 1967 年世界上第一臺(tái)基于 FFT 的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀問(wèn)世以來(lái)，振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三次突破性的發(fā)展。</p><p>　　虛擬儀器在我國(guó)的研究和開(kāi)發(fā)有著十分現(xiàn)實(shí)的意義，廣泛采用虛擬儀器技術(shù)有助于提高我國(guó)儀器的整體水

8、平，節(jié)省儀器開(kāi)發(fā)的人力和費(fèi)用。我們有理由相信，隨著軟件業(yè)和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)必將在更多、更廣的領(lǐng)域得到應(yīng)用和普及。隨著振動(dòng)測(cè)試技術(shù)理論的發(fā)展和生產(chǎn)中對(duì)測(cè)試需求的與日俱增，高質(zhì)量的測(cè)試儀器、設(shè)備和現(xiàn)代化的測(cè)試方法不斷出現(xiàn)。20世紀(jì)20年代，由于汽輪發(fā)電機(jī)組等設(shè)備的發(fā)展，機(jī)械式測(cè)振儀已不能滿足要求，于是磁電式傳感器應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)非電量信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)換的電測(cè)量。二次大戰(zhàn)后出現(xiàn)了壓電式傳感器，由于它具有體積小、重量輕、頻率范圍、動(dòng)態(tài)量

9、程大等特點(diǎn)，且既可測(cè)量振動(dòng)，又可用于沖擊測(cè)量，直到今天仍在廣泛應(yīng)用。近些年隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了可在各種惡劣環(huán)境下使用的壓電傳感器和內(nèi)裝阻抗變換器、放大器、濾波器的集成電路式壓電傳感器，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，大大地拓寬了這種傳感器的應(yīng)用范圍，提高了抗干擾能力和測(cè)量的精度。而壓阻傳感器的出現(xiàn)和使用進(jìn)一步拓寬了低頻率的測(cè)量范圍，與此同時(shí)，還陸續(xù)發(fā)展了各種換能原理的傳感器和配套儀器，如變電容傳感器、光纖傳感器、電渦流傳感器等。</p&

10、gt;<p>　　2 數(shù)據(jù)采集理論基礎(chǔ)</p><p><b>　　2．1 信號(hào)采樣</b></p><p>　　2.1.1 原理描述</p><p><b>　　圖1 采樣過(guò)程</b></p><p>　　將連續(xù)信號(hào)加到采樣開(kāi)關(guān)的輸入端，采樣開(kāi)關(guān)以周期秒閉合一次，閉合的持續(xù)

11、時(shí)間為秒，在閉合期間，截取被采樣的的幅值，作為采樣開(kāi)關(guān)的輸出。在斷開(kāi)期間采樣開(kāi)關(guān)的輸出為零。于是在采樣開(kāi)關(guān)的輸出端就得到寬度為的脈沖序列，如圖1所示。（以帶“*”表示采樣信號(hào)。）由于開(kāi)關(guān)閉合的持續(xù)時(shí)間很短，遠(yuǎn)小于采樣周期，即，可以認(rèn)為在時(shí)間內(nèi)變化甚微，所以可以近似表示高為，寬為的矩形脈沖序列。即</p><p>　　圖2 kT時(shí)刻的矩形波</p><p>　　由于在控制系統(tǒng)中，當(dāng)時(shí)，，所

12、以序列取從到。式中為兩個(gè)階躍函數(shù)之差，表示一個(gè)在時(shí)刻，高為、寬為、面積為的矩形，如圖2所示。由于很小，比采樣開(kāi)關(guān)以后系統(tǒng)各部分的時(shí)間常數(shù)小很多，　即可認(rèn)為，則此矩形可近似用發(fā)生在時(shí)刻的函數(shù)表示：</p><p><b>　　（2－2）</b></p><p>　　式中為處的函數(shù)。于是式（2－1）可表示為：</p><p><b>　　

13、（2－3）</b></p><p>　　由于為常數(shù)，為了方便，把歸到采樣開(kāi)關(guān)以后的系統(tǒng)中去，則采樣信號(hào)可描述為：</p><p><b>　　（2－4）</b></p><p>　　由于處的的值就是，所以式（2－4）可變換為：</p><p><b>　　（2－5）</b></p&

14、gt;<p>　　式中稱為單位理想脈沖序列，若用表示，則式（2－5）可變換為：</p><p><b>　?。?－6）</b></p><p>　　式（2－6）就是信號(hào)采樣過(guò)程的數(shù)學(xué)描述。它表示在不同的采樣時(shí)刻有一個(gè)脈沖，脈沖的幅值由該時(shí)刻的的值決定。</p><p>　　圖3 采樣器相當(dāng)于幅值調(diào)制器</p>&l

15、t;p>　　從物理意義上看，式（2－6）所描述的采樣過(guò)程可以理解為脈沖調(diào)制過(guò)程。采樣開(kāi)關(guān)即采樣器是一個(gè)幅值調(diào)制器，輸入的連續(xù)信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，而單位理想脈沖序列則為載波信號(hào)，采樣器的輸出則為一串調(diào)幅脈沖序列，如圖3所示。</p><p>　　在數(shù)字控制系統(tǒng)中，數(shù)字計(jì)算機(jī)接受和處理的是量化后代表脈沖強(qiáng)度的數(shù)列。即把幅值連續(xù)變化的離散模擬信號(hào)用相近的間斷的數(shù)碼（如二進(jìn)制）來(lái)代替，如圖4所示。圖中小圓圈表示的是數(shù)碼

16、可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)值，是量化單位的整數(shù)倍數(shù)。由于量化單位是很小的，所以數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣信號(hào)，仍認(rèn)為與成線性關(guān)系，仍用表示。</p><p>　　圖4 f(t)經(jīng)采樣后變成數(shù)碼</p><p>　　2.1.2 采樣定理</p><p>　　要對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制，通常要把采樣信號(hào)恢復(fù)成原連續(xù)信號(hào)。（實(shí)際上信號(hào)經(jīng)過(guò)處理、運(yùn)算以后，要恢復(fù)的則是原連續(xù)信號(hào)的函數(shù)，為了方便起見(jiàn)，討

17、論時(shí)仍認(rèn)為要恢復(fù)的是原信號(hào)。）此工作一般是由低通濾波器來(lái)完成的。但是信號(hào)能否恢復(fù)到原來(lái)的形狀，主要決定于采樣信號(hào)是否包含反映原信號(hào)的全部信息。實(shí)際上這又與采樣頻率有關(guān)，因?yàn)檫B續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣后，只能給出采樣時(shí)刻的數(shù)值，不能給出采樣時(shí)刻之間的數(shù)值，亦即損失掉的部分信息。由圖1可以直觀地看出，連續(xù)信號(hào)變化越緩慢，采樣頻率越高，則采樣信號(hào)就越能反映原信號(hào)的變化規(guī)律、即越多地包含反映原信號(hào)的信息。采樣定理則是定量地給出采樣頻率與被采樣的連續(xù)信號(hào)的“

18、變化快慢”的關(guān)系。下面分析采樣前后信號(hào)頻譜的關(guān)系。</p><p>　　首先將式（2－5）中的展開(kāi)成傅氏級(jí)數(shù)</p><p><b>　?。?－7）</b></p><p>　　式中——采樣角頻率；——采樣頻率；——采樣周期；——傅氏級(jí)數(shù)的系數(shù)，由下式?jīng)Q定</p><p><b>　?。?－8）</b&g

19、t;</p><p>　　由于在到區(qū)間僅在時(shí)取值為1，所以系數(shù)</p><p><b>　　（2－9）</b></p><p>　　因?yàn)楫?dāng)時(shí)，，所以由式（1－4）、（1－7）、和（1－9）可得</p><p><b>　?。?－10）</b></p><p>　　這是采樣信號(hào)

20、的傅氏級(jí)數(shù)表達(dá)式。對(duì)此式進(jìn)行拉氏變換，可得采樣信號(hào)的拉氏變換式</p><p>　　于是，得到采樣信號(hào)的頻率特性為</p><p><b>　?。?－12）</b></p><p>　　式中 ——原輸入信號(hào)</p><p><b>　　——</b></p><p>　　——原

21、輸入信號(hào)的幅頻特性，即頻譜。</p><p><b>　　——采樣信號(hào)的頻譜</b></p><p>　　圖5 原連續(xù)信號(hào)與采樣信號(hào)的頻譜</p><p>　　假定為一孤立的頻譜，它的最高角頻率為，如圖5 (a)，則采樣信號(hào)的頻譜為無(wú)限多個(gè)原信號(hào)的頻譜之和，且每?jī)蓷l頻譜曲線的距離為。見(jiàn)圖5（b）。其中時(shí)，就是原信號(hào)的頻譜，只是幅值為原來(lái)的；而

22、其余的是由于采樣產(chǎn)生的高頻頻譜。如果中各個(gè)波形不重復(fù)搭接，相互間有一定的距離（頻率），即若</p><p><b>　?。?－13）</b></p><p>　　則可以用理想低通濾波器（其頻率特性如圖5（b）中虛線所示），把的高頻分量濾掉，只留下部分，就能把原連續(xù)信號(hào)復(fù)現(xiàn)出來(lái)。否則，如果，就會(huì)使中各個(gè)波形互相搭接，如圖5（c），就無(wú)法通過(guò)濾波器濾除中的高頻部分，復(fù)現(xiàn)為

23、，也就不能從恢復(fù)為。這就是奈奎斯特采樣定理。</p><p>　　采樣定理可敘述如下：如果采樣周期滿足下列條件，即</p><p><b>　　（2－14）</b></p><p><b>　　或 </b></p><p>　　式中為連續(xù)信號(hào)的最高次諧波的角頻率。則采樣信號(hào)就可以無(wú)失真地

24、再恢復(fù)為原連續(xù)信號(hào)。這就是說(shuō)，如果選擇的采樣角頻率足夠高，使得對(duì)連續(xù)信號(hào)所含的最高次諧波，能做到在一個(gè)周期內(nèi)采樣兩次以上的話，那么經(jīng)采樣后所得到的脈沖序列，就包含了原連續(xù)信號(hào)的全部信息。就有可能通過(guò)理想濾波器把原信號(hào)毫無(wú)失真地恢復(fù)出來(lái)。否則采樣頻率過(guò)低，信息損失很多，原信號(hào)就不能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。</p><p>　　需要指出的是，采樣定理只是在理論上給出了信號(hào)準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)的條件。但還有兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題需要解決。</p&g

25、t;<p>　　其一，實(shí)際的非周期連續(xù)信號(hào)的頻譜中最高頻率是無(wú)限的，如圖6（a）所示。因此就不可能選擇一個(gè)有限采樣頻率，使信號(hào)采樣后頻譜波形不重復(fù)搭接。即不論采樣頻率選擇多高，采樣后信號(hào)頻譜波形總是重復(fù)搭接的，如圖6（b）所示。因此經(jīng)過(guò)濾波后，信息總是有損失的。為此實(shí)際上采用一個(gè)折衷的辦法：給定一個(gè)信息容許損失的百分?jǐn)?shù)，即選擇原信號(hào)頻譜的幅值由時(shí)的頻率為最高頻率，按此選擇采樣頻率。這樣可以做到信息損失允許，采樣頻率又不致太

26、高。</p><p>　　圖6 非周期信號(hào)連續(xù)采樣的頻譜</p><p><b>　　2．2 信號(hào)復(fù)現(xiàn)</b></p><p>　　根據(jù)前面分析可知，連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣后變成脈沖序列，其頻譜中除原信號(hào)的頻譜外，還有無(wú)限多個(gè)在采樣過(guò)程中產(chǎn)生的高頻頻譜。因此，為了從采樣信號(hào)復(fù)現(xiàn)出原連續(xù)信號(hào)，而又不使上述高頻分量進(jìn)入系統(tǒng)，應(yīng)在采樣開(kāi)關(guān)后面串聯(lián)一個(gè)信號(hào)

27、復(fù)現(xiàn)濾波器，它的功能是濾去高頻分量，而無(wú)損失地保留原信號(hào)頻譜。能使采樣信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)為原連續(xù)信號(hào)的低通濾波器應(yīng)具有理想的矩形頻率特性。即　　 （2－15）</p><p>　　圖7 理想濾波器的頻率特性</p><p>　　其圖形如圖7所示。且式中滿足采樣定理，即。為原連續(xù)信號(hào)頻譜的最高頻率。經(jīng)過(guò)這樣的濾波器濾波之后，信號(hào)的頻譜變?yōu)?lt;/p>

28、<p><b>　?。?－16）</b></p><p>　　上式意味著，經(jīng)過(guò)理想濾波以后，脈沖序列的頻譜與原連續(xù)信號(hào)的頻譜一樣，只是幅值為原來(lái)的。實(shí)際上，具有圖7所示理想頻率特性的濾波器是不存在的。工程上只能采用具有低通濾波功能的保持器來(lái)代替。</p><p>　　保持器是將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)的裝置。其轉(zhuǎn)換過(guò)程恰好是采樣過(guò)程的逆過(guò)程。而從數(shù)學(xué)上說(shuō)，

29、保持器的任務(wù)是解決采樣時(shí)刻之間的插值問(wèn)題。在時(shí)刻，采樣信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)，同理，在時(shí)刻，連續(xù)信號(hào)為，但在和之間，即當(dāng)時(shí)，連續(xù)信號(hào)應(yīng)取何值就是保持器要解決的問(wèn)題。實(shí)際上，保持器具有“外推”作用，即保持器現(xiàn)時(shí)刻的輸出信號(hào)取決于過(guò)去時(shí)刻離散信號(hào)值的外推。實(shí)現(xiàn)外推常用的方法是采用多項(xiàng)式外推公式</p><p><b>　?。?－17）</b></p><p>　　式中——

30、以為時(shí)間原點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，。</p><p>　　、、、——由過(guò)去各采樣時(shí)刻的采樣信號(hào)值、、等確定的系數(shù)。工程上一般按式（2－17）的第一項(xiàng)或前二項(xiàng)組成外推裝置。只按第一項(xiàng)組成的外推裝置，因所用外推多項(xiàng)式是零階的，故稱為零階保持器；同理，按前二項(xiàng)組成的外推裝置稱為一階保持器；應(yīng)用最廣泛的是零階保持器。零階保持器的外推公式為</p><p><b>　　（2－18）</b>

31、;</p><p>　　由于時(shí)上式也成立，所以，從而得到</p><p><b>　?。?－19）</b></p><p>　　上式表明，零階保持器的作用是把時(shí)刻的采樣值，保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻到來(lái)之前，或者說(shuō)按常值外推。如圖8所示。</p><p>　　圖8 零階保持器的作用</p><p>　

32、　為了對(duì)零階保持器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，需求出它的傳遞函數(shù)。由圖8可以看出，零階保持器的單位脈沖響應(yīng)是一個(gè)幅值為、寬度為的矩形波，實(shí)際上就是一個(gè)采樣周期應(yīng)輸出的信號(hào)，此矩形波可表達(dá)為兩個(gè)單位階躍函數(shù)的疊加。即</p><p><b>　　或 </b></p><p><b>　?。?－20）</b></p><p>　　圖形可參看

33、圖2。根據(jù)傳遞函數(shù)就是單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的拉氏變換，可求得零階保持器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　其頻率特性則為</b></p><p><b>　?。?－22）</b></p><p>　　因?yàn)?，代入上式，則有</p><p>　　據(jù)此可繪出零階保持器的幅頻特性和相頻特性曲線，如圖9所示

34、。由圖可見(jiàn)，其幅值隨頻率增高而減小，所以零階保持器是一個(gè)低通濾波器，但不是理想低通濾波器。高頻分量仍有一部分可以通過(guò)；此外還有相角滯后，且隨頻率增高而加大。因此，由零階保持器恢復(fù)的信號(hào)是與原信號(hào)是有差別的。一方面含有一定的高頻分量；此外，在時(shí)間上滯后。把階梯狀信號(hào)的每個(gè)區(qū)間的中點(diǎn)光滑連結(jié)起來(lái)，所得到的曲線，形狀與相同，但滯后了，如圖8（c）所示。</p><p>　　零階保持器比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，相位滯后比一階保

35、持器小得多，因此被廣泛采用。步進(jìn)電機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)中的寄存器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器等都是零階保持器的實(shí)例。</p><p>　　圖9 零階保持器的頻率特性</p><p><b>　　3 虛擬儀器技術(shù)</b></p><p>　　3．1 虛擬儀器的概念</p><p>　　虛擬儀器(Virtual Instrumentation

36、，簡(jiǎn)稱VI)是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái)，采用計(jì)算機(jī)開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單機(jī)測(cè)量?jī)x器，用戶可通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，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)試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能。</p><p>　　與傳統(tǒng)儀器一樣，它同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。虛擬儀器以透明方式將可選硬件(如GPIB, VXI,RS-23

37、2, DAQ)和可重復(fù)使用源碼庫(kù)函數(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)儀器的功能運(yùn)作。</p><p>　　軟件結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)，源碼庫(kù)函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)，可以方便地由用戶自己來(lái)增減軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的測(cè)試要求。所以，虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)所需的附件，而這在由供應(yīng)商定義、功能固定、獨(dú)立

38、的傳統(tǒng)儀器上是達(dá)不到的。</p><p>　　獨(dú)立儀器只有一塊儀器面板，例如，示波器只有示波器面板，頻譜儀也只有頻譜儀的面板。但是，虛擬儀器的“面板”顯示在PC的屏幕上，儀器的操作是通過(guò)鼠標(biāo)選中不同的按鍵和旋鈕來(lái)完成的。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，采用不同的軟硬件組合，用戶就能在屏幕上定義自己的儀器，生成各種不同的“儀器面板”。</p><p>　　虛擬儀器的突出優(yōu)點(diǎn)在于能夠和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，從而

39、開(kāi)拓了更多的功能，具有很大的靈活性，由于虛擬儀器的設(shè)備利用率高、維修費(fèi)用低、能夠獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。用戶購(gòu)買(mǎi)了這種虛擬儀器，就不必再擔(dān)心儀器會(huì)永遠(yuǎn)保持出廠時(shí)既定的功能模式，用戶可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境變化的需要，通過(guò)對(duì)軟件的不同應(yīng)用，拓展VI功能，以便適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需要。虛擬儀器的另外一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)借助OLE (Object Linkingand Embedding)， DDE (Dynamic Data

40、Exchange)技術(shù)與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet聯(lián)接，與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將虛擬儀器實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)輸送到Intranet或Internet。</p><p>　　美國(guó)國(guó)家儀器公司NI(National Instruments)提出的虛擬測(cè)量?jī)x器(VI)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”的先河。</p>&

41、lt;p>　　3．2 虛擬儀器的演變和發(fā)展</p><p>　　電子測(cè)量?jī)x器經(jīng)歷了由模擬儀器、帶通用接口總線(GPIB)接口的智能儀器到全部可編程虛擬儀器的發(fā)展歷程，其中每次飛躍都是以計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為動(dòng)力。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展直接導(dǎo)致了虛擬儀器在PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)和VXI(VME bus eXtensions for Ins

42、trumentation)兩大領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展，它們成為未來(lái)儀器行業(yè)的兩大主流產(chǎn)品。</p><p>　　大致說(shuō)來(lái)，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個(gè)階段，而這三個(gè)階段又可以說(shuō)是同步進(jìn)行的。</p><p>　　第一階段利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。由于GPIB總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，計(jì)算機(jī)和外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過(guò)GPIB和RS-232同計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，用戶就可以用計(jì)算機(jī)控制儀器。

43、隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能價(jià)格比的不斷上升，用計(jì)算機(jī)控制測(cè)控儀器成為一種趨勢(shì)。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進(jìn)。</p><p>　　第二階段開(kāi)放式的儀器構(gòu)成。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡(plug-in PC-DAQ)；二是VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。這些新技術(shù)使儀器的構(gòu)成得以開(kāi)放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應(yīng)商定義儀器功能的區(qū)別。</p><p>　　第三

44、階段虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用。軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)把任何用戶構(gòu)建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來(lái)。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域得以產(chǎn)生，幾個(gè)虛擬儀器平臺(tái)己經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。發(fā)展到這一階段，人們也認(rèn)識(shí)到了虛擬儀器軟件框架才是數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。</p><p>　　3．3 虛擬儀器軟件LabVIEW介紹</p><p>　　LabVIEW

45、(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))是美國(guó)NI公司(National Instrument Company)推出的一種基于G語(yǔ)言(Graphics Language，圖形化編程語(yǔ)言)的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。</p><p>　　虛擬儀器 VI(Virtual Instruments)是LabVIEW首先提出的創(chuàng)新概念。最

46、初LabVIEW提出了虛擬儀器概念實(shí)際上就是一種程序設(shè)計(jì)思想，這種思想可以簡(jiǎn)單表述為:一個(gè)VI可以由前面板、數(shù)據(jù)流框圖和圖表連接端口組成，前面板相當(dāng)于真實(shí)物理儀器的操作面板，而數(shù)據(jù)流框圖就相當(dāng)于儀器的電路結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代測(cè)試與儀器技術(shù)的發(fā)展，目前虛擬儀器概念已經(jīng)發(fā)展成為一種創(chuàng)新的儀器設(shè)計(jì)思想，成為了設(shè)計(jì)復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試儀器的主要方法和手段。</p><p>　　雖然LabVIEW本身是一個(gè)功能完整的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，

47、但它同時(shí)也是一種功能強(qiáng)大的編程語(yǔ)言。由于LabVIEW采用了基于流程圖的圖形化編程方式，與其它編程語(yǔ)言不同，G語(yǔ)言即定義了數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)類型、語(yǔ)法規(guī)則等編程語(yǔ)言基本要素，也提供了包括斷點(diǎn)設(shè)置，單步調(diào)試和數(shù)據(jù)探針在內(nèi)的程序調(diào)試工具，在功能完成性和應(yīng)用靈活性上不遜于任何高級(jí)語(yǔ)言。對(duì)測(cè)試工程而言LabVIEW最大的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在兩方面:一方面是編程簡(jiǎn)單，易于理解，尤其是對(duì)熟悉儀器結(jié)構(gòu)和硬件電路的工程技術(shù)人員，編程就像設(shè)計(jì)電路圖一樣，上手快、效率高

48、；另一方面LabVIEW針對(duì)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，設(shè)計(jì)提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，用戶只需直接調(diào)用，就可免去自己編寫(xiě)程序的繁瑣，而且LabVIEW作為開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了各種接口總線和常用儀器的驅(qū)動(dòng)程序，是一個(gè)通用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。</p><p>　　虛擬儀器概念是LabVIEW的精髓，也是G語(yǔ)言區(qū)別于其它高級(jí)語(yǔ)言最顯著的特征?？梢哉f(shuō)，正是由于LabVIEW的成功，才使得虛擬儀器的概念得以

49、為學(xué)術(shù)界和工程界廣泛接受;反過(guò)來(lái)也正是因?yàn)樘摂M儀器概念的延伸與擴(kuò)展，使得LabVIEW的應(yīng)用更加廣泛。</p><p>　　3．4 虛擬儀器軟件LabVIEW的特點(diǎn)</p><p>　　LabVIEW軟件的特點(diǎn)如下：</p><p>　?。?）具有圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需編寫(xiě)任何文本格式的代碼，是真正的工程師語(yǔ)言。</p><p>　　

50、（2）提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。</p><p>　?。?）提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供獨(dú)具特色的執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。</p><p>　?。?）32位的編譯器生成32位的編譯程序，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>　?。?）囊括了P

51、CI、GPIB、PXI、VXI、RS一232／485、USB等各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使不懂得總線標(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)備與儀器。</p><p>　?。?）提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行鏈接的機(jī)制，諸如DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))、</p><p>　　DDE(共享庫(kù))、ActiveX等。</p><p>　　（7）具有強(qiáng)大的Internet功

52、能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)。</p><p>　　所有的 LabVIEW 程序分為兩部分：前面板（Front Panel）和程序流程圖（Block Diagram）。前面板是 VI 的圖形用戶接口， 它集成了用戶輸入和輸出功能，為更逼真地模擬傳統(tǒng)儀器的工作方式， LabVIEW提供了各種各樣的控件，如各種旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、波形圖、波形圖表等控制與顯示模塊，并可根據(jù)用戶實(shí)際需要定制控件，用

53、戶可以根據(jù)自己的需要在前面板上放置按鈕等控制模塊和顯示模塊。而程序流程圖包含了虛擬儀器的圖形化源代碼，在程序流程圖中對(duì)虛擬儀器進(jìn)行編程，以控制和操縱定義在前面板上輸入和輸出功能。流程圖包括內(nèi)置于 LabVIEW 庫(kù)中的函數(shù)（Function）和結(jié)構(gòu)（Structures），還包括儀器面板上的控制對(duì)象、顯示對(duì)相對(duì)應(yīng)的連線端子（Terminals） ，LabVIEW構(gòu)成的虛擬儀器是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的，流程圖中的諸元素如結(jié)構(gòu)、功能模塊等構(gòu)成節(jié)點(diǎn)，這

54、些節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)線相連接，這些線定義了程序中數(shù)據(jù)的流向，這些線在程序中按照數(shù)據(jù)類型的不同顯示出不同的顏色和類型，使得用戶能對(duì)程序中傳送的數(shù)據(jù)種類一目了然。一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有輸入均為有效，該節(jié)點(diǎn)即可運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束后，將結(jié)果送入</p><p><b>　　4 數(shù)據(jù)采集卡</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器最常用的接口形式，具有靈活、成本低的特點(diǎn)，它的功能是將

55、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)，或?qū)⒂?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸 出給受控對(duì)象 用數(shù)據(jù)采集卡配 以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)造各種檢測(cè)和控制儀器 ,如存儲(chǔ)數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等等。在測(cè)試中，經(jīng)常需要同時(shí)對(duì)多個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這可以由多通道數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。多通道數(shù)據(jù)采集卡通常有兩種方式：(1)共用模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器的模擬多路轉(zhuǎn)換(AMUX)；(2)各通道獨(dú)立采用模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字多路轉(zhuǎn)換(DMUX)。兩種方式各有其優(yōu)缺

56、點(diǎn)：模擬多通道轉(zhuǎn)換共用A／D優(yōu)點(diǎn)是通道成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但各通道問(wèn)有時(shí)間差，采樣頻率低一些；各通道單獨(dú)A／D，數(shù)字多路轉(zhuǎn)換采樣頻率高，各通道可同時(shí)采集和轉(zhuǎn)換，沒(méi)有時(shí)間差，但成本較高。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集卡的任務(wù)是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，形成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的接口方式直接影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，目前，PC機(jī)與數(shù)據(jù)采集部分的連接除利用PC機(jī)內(nèi)各種總線的插卡外，多采用并口及串口方式，但

57、是，串口方式速度太慢，并口方式雖然速度較快，但不足之處是在中斷方式時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低，將影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示和在線采集和分析功能，且采集卡和打印機(jī)不能同時(shí)使用7；此外，采用上述連接方式時(shí)，需要打開(kāi)機(jī)箱進(jìn)行采集卡的拆裝，如果想在不同機(jī)子上使用同一個(gè)采集卡極不方便，或者像筆記本電腦就根本不支持這些連接方式。而最近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的USB接口方式克服了串、并口采集方式的上述缺點(diǎn)，并且現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)已經(jīng)將USB作為標(biāo)準(zhǔn)配置，且大部分計(jì)算機(jī)有不止一個(gè)US

58、B接口，這幾個(gè)USB接口可以同時(shí)使用但不會(huì)相互干擾。</p><p>　　本課題采用的數(shù)據(jù)采集卡為DSO-2090，其特點(diǎn)為：</p><p>　　流線型設(shè)計(jì)，體積小巧，USB2.0接口，免電源，與臺(tái)式示波器類似界面，易于上手。更適合于筆記本電腦，生產(chǎn)線維修調(diào)整，便于出差使用。尺寸：190(L)x100(W)x35(H) ，便于攜帶。 高刷新率， 高采樣率，100MS/s實(shí)時(shí)采樣。軟件支持

59、：Windows98，Windows Me，Windows NT，Windows 2000，Windows XP，VISTA，20余種自動(dòng)測(cè)量功能，PASS/FAIL Check 功能，適于工程應(yīng)用.波形平均,余輝,亮度調(diào)節(jié)，反向，加，減，乘，除，X-Y顯示波形數(shù)據(jù)可以按時(shí)間和電壓輸出到EXCEL，BMP，JPG。 FFT 頻譜分析,一臺(tái)電腦可同時(shí)連多臺(tái)示波器，輕松擴(kuò)展通道數(shù)。二次開(kāi)發(fā)庫(kù)提供，LabVIEW\VB\VC\Delphi\C

60、++Builder 開(kāi)發(fā)示例提供。DSO-2090數(shù)據(jù)采集器的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。</p><p>　　表1 DSO-2090的技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存和調(diào)用、退出系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)分析部分包括濾波、小波去噪、頻域分析、相關(guān)分析以

61、及頻譜分析。</p><p>　　5．1 主界面設(shè)計(jì)</p><p>　　主界面的流程圖如圖10所示。</p><p>　　否 否 否 </p><p>　　是 是

62、 是 </p><p>　　圖10 主界面流程圖</p><p>　　主界面前面板如圖11所示。</p><p>　　圖11 主界面前面板</p><p>　　主界面程序框圖如圖12所示。</p><p>　　圖1

63、2 主界面程序框圖</p><p>　　5．2 信號(hào)采集分析程序設(shè)計(jì)</p><p>　　利用DSO-2090數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，其前面板如圖13所示。</p><p>　　對(duì)應(yīng)的部分程序的代碼如圖14所示。</p><p>　　對(duì)應(yīng)的采集信號(hào)如圖15所示。</p><p>　　圖1

64、3 DSO-2090信號(hào)采集分析參數(shù)設(shè)置面板圖14 信號(hào)采集分析的部分程序框圖</p><p>　　圖15 采集信號(hào)顯示</p><p>　　5．3 系統(tǒng)軟件的算法</p><p>　　5.3.1 信號(hào)的濾波處理</p><p>　　經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集的原始信號(hào)常常包含著不利于分析的成分，其中之一是在取得數(shù)據(jù)時(shí)混入各種噪聲，這些高頻干

65、擾成分可能對(duì)最終的分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此，在信號(hào)處理分析之前需要進(jìn)行預(yù)處理，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性。信號(hào)預(yù)處理設(shè)計(jì)主要采用預(yù)濾波或抗混疊濾波技術(shù)。根據(jù)需要選擇信號(hào)的最高頻率，而對(duì)高于此頻率以上的部分用低通濾波器濾掉，從而降低了信號(hào)中的最高頻率。</p><p>　　數(shù)字濾波器一般用在數(shù)據(jù)采樣之后，對(duì)采樣后的信號(hào)做信號(hào)預(yù)處理使用。其作用是對(duì)輸入信號(hào)波形進(jìn)行加工處理，利用數(shù)字方法按預(yù)定要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，從

66、而達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。數(shù)字濾波器用于改變或消除不需要的波形，因此它是應(yīng)用最廣泛的信號(hào)處理工具之一。</p><p>　　在LabVIEW中，有專門(mén)的FIR濾波器的函數(shù)，只要給出濾波器的一些參數(shù)，如：采樣頻率、高低截止頻率、濾波器的階數(shù)、濾波器類型以及窗函數(shù)等，就可以方便的實(shí)現(xiàn)濾波。本設(shè)計(jì)采用Butterworth Filter，濾波器濾波前、后的波形如圖16和圖17所示。</p><p&g

67、t;　　圖16 濾波前的波形</p><p>　　圖17 濾波后的波形</p><p>　　5.3.2 小波去噪</p><p>　　虛擬小波消噪的設(shè)計(jì)思路為L(zhǎng)abVIEW通過(guò)數(shù)據(jù)采集或仿真生成含有噪聲的信號(hào)，通過(guò)儀器前面板設(shè)置消噪處理的參數(shù)，將參數(shù)通過(guò)LabVIEW與MATLAB接口傳遞給MATLAB相應(yīng)的功能函數(shù)，完成信號(hào)分析與處理功能，最后將處理結(jié)果回傳給

68、LabVIEW進(jìn)行顯示，虛擬小波消噪儀的原理框圖如圖18所示。</p><p>　　傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)</p><p>　　回傳參數(shù) 計(jì)算后參數(shù)</p><p>　　圖18 虛擬小波消噪的原理框圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用WDEN對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理，其

69、調(diào)用格式為：</p><p>　　⑴ [XD,CXD,LXD]=WDEN(X,TPTR,SORH,SCAL,N,‘wname’)</p><p>　?、?[XD,CXD,LXD]=WDEN(C,L，TPTR,SORH,SCAL,N,‘wname’)</p><p>　　它的返回值是經(jīng)過(guò)對(duì)原始信號(hào)X進(jìn)行消噪處理后的信號(hào)XD及其分解結(jié)構(gòu)[CXD,LXD]。另外，SORH

70、指定軟閾值（SORH=‘s’）或硬閾值（SORH=‘h’）的選擇；TPTR指定閾值的選取的規(guī)則，它有四種選擇，如表2所示；N為小波分解的層數(shù)；wname指定分解時(shí)所用的小波；⑵中的[C,L]為輸入信號(hào)在所選用小波wname時(shí)的分解結(jié)構(gòu)；參數(shù)SCAL是閾值尺度改變的比例，它有三種選擇，如表3所示。</p><p>　　表2 參數(shù)TPTR的選項(xiàng)</p><p>　　表3 參數(shù)SCAL的選項(xiàng)

71、</p><p>　　小波去噪后A,B兩通道的波形如圖19所示。</p><p>　　小波去噪的程序框圖如圖20所示。</p><p>　　圖19 小波去噪后A，B兩通道的波形</p><p>　　圖20 小波去噪程序框圖</p><p>　　5.3.3 時(shí)域分析</p><p>　　如果與

72、是能量有限信號(hào)且為實(shí)函數(shù)，它們之間的相關(guān)函數(shù)定義為 </p><p><b>　　(5-1)</b></p><p><b>　　(5-2)</b></p><p>　　若和是同一信號(hào)，即，此時(shí)相關(guān)函數(shù)無(wú)需加注下標(biāo)，以表示，稱為自相關(guān)函數(shù) (5-3)

73、 </p><p>　　如果，是兩組長(zhǎng)度為實(shí)樣本序列信號(hào)，它們之間的相關(guān)是離散相關(guān)，其離散相關(guān)定義為： (5-4) </p><p>　　若兩組實(shí)樣本序列信號(hào)有一定的相似性，那么離散互相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)就反映了它們的相似性。</p><p>　　兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)是一個(gè)有用的統(tǒng)計(jì)量，它可以用來(lái)了解兩個(gè)已知（隨

74、機(jī)的或非隨機(jī)的）信號(hào)之間的相似程度，或者兩個(gè)已知（相似或相同）信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系。對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)差調(diào)整，就可以求得相關(guān)函數(shù)的最大值，從而了解它們之間的相似程度。如果已知這兩個(gè)信號(hào)是相似的，則這個(gè)時(shí)差就等于它們之間的時(shí)間延遲。</p><p>　　在LabVIEW中，有關(guān)相關(guān)函數(shù)的算法已封裝為子VI，系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)步驟時(shí)不必按照上述算法重復(fù)編程，只須直接調(diào)用函數(shù)Auto Correlation和函數(shù)Cross co

75、rrelationde。</p><p>　　相關(guān)分析是分析兩個(gè)信號(hào)或一個(gè)信號(hào)在一定時(shí)移前其間關(guān)系的重要工具。在實(shí)際工程領(lǐng)域，相關(guān)測(cè)速、相關(guān)濾波和利用相關(guān)原理探測(cè)地下管道破裂點(diǎn)、識(shí)別信號(hào)類別成分等得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　相關(guān)函數(shù)可以用相關(guān)測(cè)量?jī)x測(cè)量。相關(guān)測(cè)量?jī)x有模擬式和數(shù)字式兩種。使用LabVIEW提供的相關(guān)函數(shù)VI可以構(gòu)建一臺(tái)數(shù)字式相關(guān)測(cè)量?jī)x。</p><

76、p><b>　　(5-5)</b></p><p>　　兩模擬信號(hào)x(t)和y(t)做數(shù)字化處理以后，它們的相關(guān)函數(shù)表達(dá)應(yīng)為：</p><p>　　式中 ---沿時(shí)間軸的總采樣數(shù)；</p><p>　　---沿時(shí)間軸的采樣序數(shù)；</p><p><b>　　----間斷時(shí)移值</b></

77、p><p>　　作為有限長(zhǎng)采樣的相關(guān)函數(shù)估計(jì)為：</p><p><b>　　(5-6)</b></p><p>　　用這一公式做離散相關(guān)的步驟是：取當(dāng)r=0時(shí)，我們將所有對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的x(i)和y(i)相乘;再將所有乘積項(xiàng)相加。以總采樣點(diǎn)數(shù)做平均計(jì)算，得到相關(guān)函數(shù)的一個(gè)值。取r=1，將所有對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的x(i)和y(i)相乘，然后相加、平均，得到。&

78、lt;/p><p>　　然后依次取r=2，r=3，......重復(fù)上面的步驟重復(fù)計(jì)算得到相關(guān)函數(shù)的各值。但是在x(i)和y(i)離散序列長(zhǎng)度相等時(shí)，計(jì)算可以用全部計(jì)算長(zhǎng)度數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，而下一步計(jì)算時(shí)因y(i)做一步時(shí)移，從而使可提供計(jì)算的序列長(zhǎng)度由N變?yōu)镹-1，且隨時(shí)移增大，可提供計(jì)算的序列長(zhǎng)度越來(lái)越短，所以計(jì)算的估值應(yīng)為:</p><p><b>　　(5-7)</b>&

79、lt;/p><p>　　LabVIEW中函數(shù)子模板中提供的求相關(guān)函數(shù)的兩個(gè)VI：Auto Correlation 和Cross correlation所用的算法均為式5-7。</p><p>　　自相關(guān)波形和互相關(guān)波形分別如圖21和圖22所示。</p><p>　　圖21 自相關(guān)波形</p><p>　　圖22 互相關(guān)波形</p>

80、;<p>　　相關(guān)分析的程序框圖如圖23所示。</p><p>　　圖23 相關(guān)分析的程序框圖</p><p>　　5.3.4 頻域分析</p><p>　　振動(dòng)信號(hào)的頻域分析包括幅值譜、功率譜等。通過(guò)幅頻圖，可以大致了解該信號(hào)的頻率成分。而自譜反映信號(hào)的頻域結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)與幅值譜相似，但是自譜反映的是信號(hào)幅值的平方，因此更明顯得體現(xiàn)頻域結(jié)構(gòu)的特征，具

81、有比幅值譜更為明顯得峰值?；プV密度函數(shù)有著重要的用途，頻譜分析中，能用互譜的測(cè)量結(jié)果來(lái)識(shí)別動(dòng)力系統(tǒng)的特性以及計(jì)算頻響函數(shù)的幅值比和相位角。能量分布的頻率值。常用到的頻譜分析方法有FFT分析、功率譜、倒頻譜和對(duì)數(shù)譜。</p><p><b>　　1、FFT分析</b></p><p>　　傅立葉變換是平穩(wěn)信號(hào)分析和處理的一個(gè)重要工具，通過(guò)傅立葉變換可把一個(gè)時(shí)域的問(wèn)題轉(zhuǎn)化

82、成頻域的問(wèn)題來(lái)分析研究。信號(hào)的頻譜分析主要研究信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，即求取其所含各分量的幅值、相位按頻率的分布規(guī)律，并建立以頻率為橫軸的各種譜。傅立葉變換在數(shù)學(xué)中的定義是嚴(yán)格的。設(shè)x(t)為t的函數(shù)，如果x(t)滿氏條件，則5-8式和5-9式成立： </p><p>　　(5-7) </p><p>　　(5-8) </p

83、><p>　　對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換后，其頻域信號(hào)波形如圖24所示。</p><p>　　圖24 FFT變換后頻域信號(hào)</p><p>　　FFT變換程序框圖如圖25所示。</p><p>　　圖25 FFT變換程序框圖</p><p><b>　　2、功率譜分析</b></p>&

84、lt;p>　　假定樣本函數(shù)x(t)是零均值的隨機(jī)過(guò)程，即=0，且x(t)中沒(méi)有周期分量，那么=0，這樣，自相關(guān)函數(shù)可滿足傅立葉變換條件＜，根據(jù)傅立葉變換理論，自相關(guān)函數(shù)是絕對(duì)可積的，則傅立葉變換及其逆變換定義為 </p><p>　?。?-9） </p><p>　　(5-10) </p><p>　　稱為x(t)的自

85、功率譜密度函數(shù)，簡(jiǎn)稱自功率譜。由于和之間是傅立葉變換對(duì)的關(guān)系，且兩者是一一對(duì)應(yīng)的，中包含著的信息。傅立葉變換所得到是雙邊譜，變量f的取值從，若將其改為，則</p><p>　?。?-11） </p><p>　　稱為雙邊自功率譜密度函數(shù)，為單邊自功率譜密度函數(shù)，他們之間的關(guān)系為，若=0，則根據(jù)自相關(guān)函數(shù)和自功率譜密度函數(shù)的定義，可得到</p>&l

86、t;p>　?。?-12） </p><p>　　即曲線下和頻率軸所包圍的面積就是信號(hào)的平均功率，就是信號(hào)的功率密度沿頻率軸的分布。自功率譜密度表示了信號(hào)的功率隨頻率的分布情況。</p><p>　　窗函數(shù)的作用包括截?cái)嘈盘?hào)、減少譜泄漏和用于分離頻率相近的大幅值信號(hào)與小幅值信號(hào)。加窗就是將原始采樣波形乘以幅度變化平滑且邊緣趨零的有限長(zhǎng)度的窗來(lái)減小每個(gè)周期邊界處

87、的突變。</p><p>　　LabVIEW提供了多種窗函數(shù)，包括Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Triangle窗、Flap Top窗、Kaiser-Bessel窗、General Cosine窗、Cosine Tapered窗、Force窗、Exponential窗、Bohman窗、Parzen窗和Welch窗等。對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)序列加窗時(shí)，LabVIEW認(rèn)為此序列即是信號(hào)截?cái)嗪蟮男蛄?，因?/p>

88、窗函數(shù)輸出的序列與輸入序列的長(zhǎng)度相等。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的窗函數(shù)為Hamming窗，信號(hào)的未將窗頻譜與加窗后頻譜如圖26所示。</p><p>　　頻譜分析的程序框圖如圖27所示。</p><p>　　圖26 信號(hào)的未將窗頻譜與加窗后頻譜</p><p>　　圖27 頻譜分析程序框圖</p><p>

89、　　5．4 系統(tǒng)附帶功能</p><p>　　5.4.1 數(shù)據(jù)保存</p><p>　　數(shù)據(jù)保存的程序框圖如圖28所示。</p><p>　　圖28 數(shù)據(jù)保存程序框圖</p><p>　　其中為一個(gè)子VI，其前面板和程序框圖分別如圖29和圖30所示。</p><p>　　圖29 Save Data的前面板</

90、p><p>　　圖30 Save Data的程序框圖</p><p>　　5.4.2 數(shù)據(jù)調(diào)用</p><p>　　數(shù)據(jù)調(diào)用的程序框圖如圖31所示。</p><p>　　圖31 數(shù)據(jù)調(diào)用的程序框圖</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　虛擬儀器是

91、儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層結(jié)合的產(chǎn)物，是全新一代的測(cè)量?jī)x器，在工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器正在逐漸成為測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展方向。虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的資源共享，降低了成本，顯示出強(qiáng)大的生命力，并推動(dòng)著儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)測(cè)控技術(shù)的主要基礎(chǔ)技術(shù)之一。</p><p>　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)保存讀取，以及時(shí)域和頻域

92、分析等功能，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)時(shí)提出的功能要求。并且本課題開(kāi)發(fā)的虛擬儀器參數(shù)的控制全部通過(guò)圖形用戶界面進(jìn)行人機(jī)交互，面板設(shè)計(jì)形象，易于實(shí)際操作。手動(dòng)的改變數(shù)值，就可發(fā)現(xiàn)結(jié)果的變化。本系統(tǒng)由于時(shí)間關(guān)系、各種條件限制以及個(gè)人水平原因，仍有一些需要加以改進(jìn)的地方，現(xiàn)說(shuō)明如下：</p><p>　　1、信號(hào)采集基本可以實(shí)現(xiàn)，但在采集高頻信號(hào)時(shí)，容易存在失真。</p><p>　　2、本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)比較

93、粗糙，只應(yīng)用了一些簡(jiǎn)單的算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，應(yīng)該增加一些強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理的算法，使虛擬儀器能具有實(shí)用性和推廣性。并且也可以將C語(yǔ)言引進(jìn)LabVIEW中，做更深入的數(shù)據(jù)分析和處理。</p><p>　　3、本系統(tǒng)的界面比較整潔，但各個(gè)波形顯示在不同的選項(xiàng)卡上，不利于將2個(gè)波形進(jìn)行比較分析。</p><p>　　通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將自己大學(xué)期間學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到了實(shí)踐，特別是對(duì)于虛擬儀器技術(shù)有

94、了新的認(rèn)識(shí)，自己的動(dòng)手能力增強(qiáng)，自學(xué)能力也提高了。但由于時(shí)間、實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)計(jì)者水平等關(guān)系，本課題還很不完善，有許多不盡人意的地方，設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步改進(jìn)?？傮w來(lái)說(shuō)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的收獲還是很大的，基本功能也能夠?qū)崿F(xiàn)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在xx教授的指導(dǎo)下，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，就要?jiǎng)澤弦粋€(gè)句號(hào)了。對(duì)我來(lái)說(shuō)，這次設(shè)計(jì)過(guò)的十分充實(shí)，受益

95、匪淺，從本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)到了許多課本上沒(méi)有的知識(shí)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這幾個(gè)月中，通過(guò)自己的學(xué)習(xí)和努力以及各位老師的指導(dǎo)和教育，使我在知識(shí)水平和解決實(shí)際問(wèn)題的能力上都有了很大的提高。</p><p>　　電子與電氣工程學(xué)院對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)工作相當(dāng)重視，盡可能提供好的實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)室的各位老師盡可能的給予幫助，都給我留下了很深刻的印象。感謝系里領(lǐng)導(dǎo)，為我們提供了這么好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓我們專心完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。</p>

96、<p>　　雖然經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的努力，但設(shè)計(jì)還有很多不完善的地方。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，感覺(jué)將來(lái)不論走到什么崗位，我都會(huì)以謙虛謹(jǐn)慎的態(tài)度學(xué)習(xí)。在此，我衷心的感謝在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給我熱忱幫助的老師和同學(xué)。特別是我的指導(dǎo)老師張青春，他對(duì)于我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作相當(dāng)重視，耐心的指導(dǎo)，經(jīng)常詢問(wèn)進(jìn)展情況，不斷的激勵(lì)我們，也教我們做人的道理。值此論文完稿之際，謹(jǐn)向老師表忠心的感謝和深深的敬意。</p><p><b>

97、　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1 陳錫輝，張銀鴻. LabVIEW 8.2 程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通.北京：清華大學(xué)出版社，2007.7</p><p>　　2 鄧炎，王磊. LabVIEW 7.1 測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.7</p><p>　　3 龍華偉，顧永剛. LabVIEW 8.2.1 與 DAQ數(shù)據(jù)采

98、集.北京：清華大學(xué)出版社，2008.8</p><p>　　4 石博強(qiáng)，趙德永，李暢，雷振山. LabVIEW6.1 編程技術(shù)實(shí)用教程.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.10</p><p>　　5 劉君華，郭會(huì)軍，趙向陽(yáng)，賈惠芹. 基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2003.1</p><p>　　6 詹惠琴，古軍，袁亮. 虛擬儀器設(shè)計(jì).北京

99、：高等教育出版社，2008.6</p><p>　　7 張毅，周紹磊，楊秀霞. 虛擬儀器技術(shù)分析與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.2</p><p>　　8 申炎華，王汝杰，雷振山. LabVIEW入門(mén)與提高范例教程.北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.10</p><p>　　9 陸綺榮.基于虛擬儀器技術(shù)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建.北京：電子工業(yè)出版社，2006.10&l