基于虚拟仪器的低频振动测试系统设计

曹申 易肖

摘 要：文章基于LabVIEW软件，开发了汽车发动机振动测试平台，对振动测试平台的结构组成、振动测试平台的软件设计和振动测试平台的测试进行了分析，可以对不同转速下的径向振动位移和功率谱进行分析。该平台对汽车发动机的阻尼具有很大的实用价值，对发动机的设计和制造具有一定的参考价值。

关键词：虚拟仪器;低频振动;测试系统设计

0 引言

发动机是汽车的心脏，它为汽车的正常运行提供了动力。它关系到汽车的动力性和环保性，是发动机动力机械装置、车辆、船舶等运输设备的核心部件。它在设备正常运转中起着至关重要的作用。市场上的汽车发动机主要是往复式活塞发动机。发动机在运行过程中容易发生振动，其原因是往复惯性力及其扭矩、曲柄机构的转动惯性力及其扭矩，使其输出不均匀。本文构建了一个基于LabVIEW的虚拟开发平台，利用该平台获取了排放数据、主轴振动数据、发动机数据和功率数据等测试数据。

1 振动试验台的建立

振动测试平台的组成包括：汽车发动机、联轴器、非接触式涡流位移传感器、PCI-6221数据采集卡和PC机。在该系统中，使用了3种传感器，它們分别是非接触式涡流位移传感器、速度传感器和扭矩传感器。非接触式涡流位移传感器是基于高频磁场作用于金属表面的“涡流效应”，是检测和控制机械振动和位移的理想传感器。非接触式涡流位移传感器采用CZF位移、振动传感器。为了进行精确的数据监测和控制，在发动机输出轴垂直安装了双向非接触式涡流位移传感器来测量径向振动。磁电式转速传感器用于测量发动机输出轴的脉冲信号，以监测其转速。扭矩传感器用于测量扭矩，将其转换为汽车工程的输出功率，信号调制电路使传感器放大、滤波等操作产生模拟信号，将模拟信号转换为数据采集卡可以识别的标准信号。以压电加速度传感器、电荷电压滤波放大器、数据采集卡、PC机和振动实验台为硬件开发平台，以LabVIEW为软件开发平台，将虚拟仪器技术应用于机械振动测试系统的设计。该测试系统主要由数据采集、时域分析、幅度域分析、频域分析、时频分析等模块组成。实验结果表明：该系统不仅可以实现多路信号的实时数据采集、波形显示、数据存储、信号分析、回放测量和输出打印等功能，而且具有良好的扩展性、高速性、高精度和友好的界面，适用于工程人员和实验室使用^[1]。

2 基于虚拟仪器的低频振动测试系统设计

基于LabVIEW软件开发了一套主轴振动测试系统，包括必要的传感器、信号调理和数据采集卡报纸。报纸基于虚拟仪器图形编程语言，建立了主轴振动测试分析系统，实验室视图在测试中减少了硬件过程。同时实现了振动信号的采集、处理和分析，大大降低了硬件成本。减少该系统使测试工作更加方便快捷，实时显示使测试更加直观，该系统主要用于棉、毛、棉纺锤振动检测等。与此同时，也对其他低频信号分析有指导意义。与传统仪器相比，该系统能耗低、性价比高、界面简单友好、性能稳定可靠。针对单点时效问题，提出了一种基于虚拟仪器的多点VSR控制系统，解决了消除工件大中型残余应力的问题。该系统以实验室视图为开发平台，实现了应力释放参数的设定和PC机工作过程的自动控制。利用USB-6229 BNC数据采集卡，通过实时、变频采样，实现了输出电压、频率脉冲以及加速度采集。同时，为振动应力消除效果提供了理论依据，系统在实验室实现了设计和试验，与单点振动应力消除的开发方法相比，该系统具有时效周期短等优点，消除残余应力等的效果。最大采样率为500 kS/s，数据采集卡有16路模拟输入，D-子为37引脚，数据采集卡的作用是对模拟信号进行A_1D转换，然后传递给PC机。PC机的功能是接收数据采集卡传输的数据，利用安装在PC机上的LabVIEW软件对振动信号、速度信号和功率谱数据进行显示、保存和分析。本文基于LabVIEW8.5软件，利用NI公司的PCI-6024数据采集卡，研究了虚拟仪器技术在振动测试设计中的应用系统设计特点，包括实时数据显示、信号检测、参数存储和系统分析功能，该系统还可以对振动信号进行在线监测和故障诊断警报。通过数据显示的设计，可以在时域和频域进行分析，正在处理振动测试系统可以降低成本，缩短分析时间，界面直观，可广泛应用于振动信号监测。利用NI著名产品PCI-MIO-16E-4数据采集卡的硬件技术和LabVIEW 7 Express的软件技术，设计开发了发动机振动实时测试分析虚拟仪器，包括振动图形显示、发动机振动的数据记录和快速傅里叶变换（FFT），并将其应用于汽车发动机的底座振动，为发动机的性能分析和故障诊断提供了方便的条件^[2]。

2.1 振动试验台的程序设计

随着计算机性能的不断提高，近年来虚拟仪器技术有了很大的发展，虚拟仪器技术应运而生。本文介绍了虚拟仪器，并以LabVIEW为例介绍了信号采集、处理和分析系统的应用。在振动测试平台的软件设计中，将系统划分为各个功能模块。一般来说，软件应该包括以下模块：（l）信号采集模块;（2）数据读取模块;（3）数据处理模块;（4）数据存储模块;（5）结果显示模块。为了将各个模块集成在一起，还需要设计一个主接口来使用每个模块，给出了发动机振动测试平台的总体软件设计^[3]。

2.2 振动试验台的软件设计

开发一个模型框架来预测从IPMC振动中清除的能量，作为激励频率范围、IPMC的本构和几何特性以及电力分流负载的函数。采用Kirchhoff-Love板理论模拟了IPMC带材的机械振动。利用Navier-Stokes方程的线性化解描述了包绕流体对IPMC振动的影响，这是原子力显微镜悬臂梁建模中的传统方法。采用Poisson-Nernst-Planck模型描述了IPMC的动态化电响应，模型中考虑了主链聚合物的机械变形效应。提出了一个封闭形式的解决方案，通过IPMC带电流作为其电极电压和变形的函数。使用模态分析来建立一个可处理的表达式来表示从振动IPMC获得的功率，并优化分流阻抗以获得最大的能量收集。通过对IPMC带在水环境中振动的实验，验证了理论研究结果。振动测试平台软件由仪器前面板和流程图两部分组成，前面板主要用于数据采集、读取、处理、存储和显示，相当于人机界面。流程图是每个模块在测试软件中的链接，它是软件的核心部分，软件的主接口^[4]。

（1）采集速率模块。该模块是NI PCI 6221（37引脚）数据采集卡（DAQ卡）采集速率的調整，最大采样率为 500 kHz，默认值为250 kHz^[5]。

（2）设定速度和实际速度模块。模块功能是设置汽车发动机的转速，并通过数据采集卡加载检测到的发动机转速^[6]。

（3）径向振动位移模块。模块功能是采集不同速度、不同检测点的振动量，为后续数据的分析和处理提供原始数据^[7]。

3 结语

基于LabVIEW的振动测试平台可以分析不同速度下的径向振动位移和功率谱，随着PC机硬件和软件的发展，基于LabVIEW的测控技术可以与传统的测控设备媲美，具有成本低、开发周期短的优点。

[参考文献]

[1]王乐福，孟立凡，谭德坤，等.基于LabWindows/CVI的低频振动测试系统设计[J].国外电子测量技术，2008（2）：30-33.

[2]朱启琨，谭志洪.基于LabVIEW的虚拟低频振动测量系统研制[J].仪表技术，2006（4）：25-26.

[3]鲍爱达，闫明明，徐晓辉，等.基于VFC的超低频振动信号采集系统设计[J].电子技术应用，2013（12）：75-78.

[4]孔岩峰，张振山，程广涛.基于LABVIEW的发动机振动测试系统设计[J].仪器仪表用户，2009（4）：26-28.

[5]尹猛，徐志刚，白鑫林，等.基于气浮的卫星挠性旋转帆板物理仿真系统设计[J].空间科学学报，2017（3）：338-343.

[6]赵真，马超，王碧，等.超低频柔性负载伺服控制系统的半物理试验方法[J].振动工程学报，2019（4）：557-564.

[7]李根，朱玉田，谢波.基于加速度信号的过山车监测预警系统设计[J].传感器与微系统，2012（8）：100-102，106.

Design of low frequency vibration test system based on virtual instrument

Cao Shen， Yi Xiao

（Hunan Institute of Foreign Economics， Changsha 410205， China）

Abstract：Based on LabVIEW software， this paper develops an automobile engine vibration test platform， analyzes the structure of the vibration test platform， the software design of the vibration test platform and the test of the vibration test platform， which can analyze the radial vibration displacement and power spectrum at different speeds. It is of great practical value to the damping of automotive engines， and has certain reference value for the design and manufacture of engines.

Key words：virtual instrument; low frequency vibration; test system design

基金项目：湖南省科技厅项目;项目名称：低频调制冲击振动谐振传感器建模仿真与设计验证方法研究;项目编号：20B334。

作者简介：曹申（1982— ），女，湖南长沙人，讲师，硕士;研究的方向：CAD，CAM。