什么是虛擬儀器技術及減振實驗系統技術分析

　　本文講解了什么是虛擬儀器技術,將會從它的組成和優勢進行分析，在根據虛擬儀器技術展開對它的減振實驗系統的設計進行深層次的分析。

振動現象是自然界中普遍存在的一種現象，振動問題在工程中是要經常面對地問題，故振動分析已成為各項工程技術研究與設計必不可少的環節。伴隨著微電子技術、計算機技術和網絡技術的迅速發展及其在電子測量技術領域的應用，測量儀器不斷進步，從最初的模擬儀器依次發展到數字化儀器、智能化儀器和最新一代的虛擬儀器。虛擬儀器技術，由用戶定義儀器功能，可擴展性強，信號分析及處理能力強。因此，我們設計了以LabVIEW為基礎的動力減振實驗系統。

　　1.虛擬儀器技術

　　1.1虛擬儀器的組成

　　虛擬儀器以透明的方式把計算機資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如A/D、D/A、數字I/O、定時器等）的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對數據的分析處理、表達以及圖形化用戶接口。這樣用戶便可以通過友好的圖形界面操作這臺計算機，就象在操作自己定義、自己設計的一臺單個傳統儀器一樣。

　　虛擬儀器從功能上劃分，可以分為數據采集、數據分析和結果顯示三大功能模塊；從構成要素講，它是由計算機、應用軟件和儀器硬件組成的；從構成方式講，則有以DAQ板和信號調理為儀器硬件而組成的PC-DAQ測試系統，以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等標準總線儀器為硬件組成的GPIB系統、VXI系統、串口系統和現場總線系統等多種形式。無論哪種VI系統都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式PC或工作站等各種計算機平臺加上應用軟件而構成的。

　　1.2虛擬儀器的優勢

　　虛擬儀器與傳統儀器最大的不同之處在于應用的靈活性和功能的可重構性上。論文參考網。在虛擬儀器中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出，軟件才是整個儀器系統的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便的改變、增減儀器系統的功能與規模。虛擬儀器克服了傳統儀器的功能在制造時就被限定而不能變動的缺陷，擺脫了由傳統硬件構成一件儀器再連接成系統的模式，為用戶提供了一個充分發揮自己的才能和想象力的空間。

　　2.振動的數學模型分析　　

　　工程實際中，大量問題不能簡化為單自由度系統的振動問題進行分析，而往往需要簡化成多自由度系統才能解決。兩自由度系統是最簡單的多自由度系統。對系統模型的簡化、振動微分方程的建立和求解的一般方法以及系統響應表現出來的振動特性等方面，兩自由度系統和多自由度系統沒有什么本質區別。因此研究兩自由度系統是分析和掌握多自由度系統振動特性的基礎。兩自由度系統的運動形態要由兩個獨立的坐標來確定，需要用兩個振動微分方程描述它的運動。建立振動微分方程最常用的方法就是用牛頓第一定律法則進行分析。

　　在工程中有許多實際系統都可以簡化為圖1所示的力學模型圖。質體m1和m2用彈簧k2聯系，而它們與基礎分別用彈簧k1和k3聯系。假定兩質體只沿鉛垂方向作往復直線運動，質體m1和m2的任一瞬時位置只要用x1及和x2兩個獨立坐標就可以確定，因此，系統具有兩個自由度。以ml和m2的靜平衡位置為坐標原點，在振動的任一瞬時t，m1與m2的位移分別為xl和x2。在質體m1作用諧激振力Qlsinωt。取加速度和力的正方向與坐標正方向一致，根據牛頓第二定律可分別得到質體ml和m2的振動微分方程：　

　　3.減振實驗系統的設計

　　3.1減振實驗系統總體設計

　　整個系統的結構框圖如圖2所示。它包括振動激勵系統、兩自由度動力減振振動梁裝置、數據采集系統以及包含LabVIEW軟件的計算機系統。我們采用框架式結構梁和附梁作為被測件，通過激振器使其產生振動，從而得到它的動態特性。

　　3.2兩自由度振動裝置

　　由框架式結構梁和激振器所構成的兩自由度動力減振實驗臺裝置如圖3 所示。1所示即為框架式結構梁，2所示為附梁，3為激振器。在激振器的作用下，框架式結構梁（m1，k1）產生振動，在激勵頻率等于其固有頻率時，會產生單自由度系統的共振現象。為消除框架式結構梁主梁系統的共振狀態，在該系統上再附加附梁系統（m1，k2）而形成兩自由度系統，當附梁系統的固有頻率和框架式結構梁主梁系統相同時，這時附梁系統（m1，k2）具有消除主梁系統（m1，k1）共振的作用，故稱為動力減振系統。論文參考網。振動信號通過貼在主梁和附梁上的電阻應變片測量。

　　3.3振動激勵系統

　　將電動式激振器與被測件固定在一起，使其隨激振器的振動形式而運動。由信號采集卡輸出產生激勵信號。論文參考網。然后經功率放大器傳給激振器，對框架式結構梁和附梁產生激振作用。在本系統中，為控制方便，可對被測件進行恒力激振，即每改變一次頻率，只要調整信號的幅值大小使功率放大器的輸出保持恒定即可。

　　3.4數據采集系統

　　數據采集系統由電阻應變片、信號調理電路、數據采集卡、計算機等幾部分組成。對于可接觸測量的框架式結構梁和附梁，分別貼上電阻應變片，將兩路振動信號變成應變信號，再通過信號調理電路轉變成電壓信號，再進行放大濾波處理?？紤]到振動信號的頻率不高，所以選用了的NI公司的USB—6008型多功能數據采集卡，其采樣速度可達10k/s，可完成雙通道的數據采集處理。

　　3.5數據分析系統

　　數據分析系統的軟件結構可分為主模塊、虛擬信號源模塊、振動信號采集模塊、數據分析模塊，其中數據分析模塊又可分為頻譜分析模塊、波形顯示模塊、數據記錄模塊。虛擬儀器系統功能較為復雜，所以采用了四個分面板形式，把最重要的顯示元件和操作元件放在了第一分面板，并且分配到每個子面板上的功能均簡潔明了，易于用戶理解。

　　振動信號變成數字信號輸入計算機中，接下來調用LabVIEW軟件編寫的數據分析程序進行對數據進行頻譜分析。根據振動測試中對信號的分析和處理的基本要求，提供了濾波器、窗函數、時域、頻域、頻率響應、自相關函數、互相關函數等信號分析方法。加上對這些分析方法的數據控制，能夠很好的實現對信號的分析和處理。當信號發生器產生一個從0Hz開始的掃頻信號，傳給激振器對框架式結構梁產生激振作用時，我們可以在計算機上觀測到兩自由度的共振現象和動力減振現象。在這我們給出了信號傅立葉變換后的頻域觀察，當然也可以在時域觀察。

　　4結束語

　　基于虛擬儀器技術的減振實驗系統能有效的觀測和分析兩自由度振動和動力減振現象，由于所處理的信號頻率不高，采用廉價的采集卡就能滿足要求，整體造價低廉，而信號處理內容較為豐富，所以該實驗系統不僅適合機械專業使用，而且還可以用于檢測和應用物理等專業在學習傳感器和虛擬儀器時使用。同時利用LabVIEW的靈活性，可以讓學生自己添加或改動信號處理模塊，開展有關的綜合性實驗。