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第 1第 3期 8卷20 0 4年 O 6月

华

东

船

舶

工

业

学

院

学

报(自然科学版 )

Vo 1.1 N O 8 .3

J u n lo Ea t Ch n S ib idn I siu e Na u a ce c iin o r a f s ia hp ulig n tt t( tr lS in eEdt ) o

Jn 04 u .2 0

文章编号：1 0— 18 ( 0 4 0—0 6— 0 0 6 0820 )3 05 5

基于 L b i a ve w的虚拟振动信号分析仪设计黄泉水，王国治(苏科技大学机械与动力工程学院，苏镇江 220 )江江 1 0 3

摘

要：绍了 C -2 0的虚拟设计和实现。采用 L b i图形语言编写程序，进行仿真和处理外介 F5 2 a ve w可

部信号，括信号产生、号采集、号处理、号分析、果显示等，提供单通道和双通道多种显示方包信信信结并式。具有友好的人机界面，接在前面板上完成各种操作。直

关键词：虚拟仪器；谱分析；动信号频振中图分类号： 3 19 TP 9 . 文献标识码：A

De i n o r u lVi r to sg fVit a b a i n Ana y e s d o he La v e S fwa e lz rBa e n t b iw o t rH U_ NG a—hu,W A N G Oz i A Qu n s i GU— h( c o l fMe h nc l n y a cE g, i g u Unv ri f ce c n c n lg,Z e j n in s 0 3 hn ) S h o o c a i d D n mi n . Ja s ie s y o i ea d Te h o o y h n i gJa g u 2 0,C i a aa n t S n a 1 2

Ab t a t M a n y a c u t o hev r u l e i n o 一 2 0 M u t t a k n sr c: i l c o n sf r t i t a sg f d CF 5 2 li r c i g FFT a y e .Th r u — An l z r e Vit— a n t u l s r me t VI i e i n d u i g t r p ia r g a I n ( ) s d sg e sn he g a h c l p o r mm i g l n u g a v e a d i c p b e o n a g a e L b i w n s a

a l fsi tmul tn nd d a i t h x e i i a s,i c ud ng t i alge e a i n,sgn o e s,sg— a i g a e lng wih t e e t ror sgn l n l i he sgn n r to i alpr c s i

n l n l ss a d r s ls d s l y b s d o a v e。 I d ii n,sn l n WO c a n l ip a d a a y i n e u t ip a a e n L b i w a n a d to i g e a d t h n e s d s l y mo e i p o i e . Th s V Ip e e t n u e f in l m a— c i e i t r a e n tc n b p r t d o h s r vd d i r s n s a s—re d y hu n ma h n n e f c,a d i a e o e a e n t ef o a d d r c l nd e sl . r ntbo r ie ty a a iy

Ke r: v r ua ns r m e;s c r m na yss;v br ton sgna y wo ds it li t u nt pe t u a l i i ai i l

0引言 在振动与噪声研究中，号分析仪是一种重要的工具。传统的仪器加工工艺复杂，产技术要求信生高，价格昂贵，能有限，以对分析结果进行二次处理。因此，计一种操作简便、能可以自己定义、功难设功

成本较低的信号分析仪会给教学和科研带来很多方便。随着微电子技术、算机技术、计网络通讯技术和软件技术的高速发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器正是基于这样一种技术背景产生的]。它是具有虚拟仪器面板的个性化仪器。利用软件在微机屏幕上构成虚拟仪器前面板，硬件在的支持下对信号进行采样，既可以进行实时信号分析、示，可以在离线条件下对存储的采集结果进显又

行各种后处理。目前虚拟仪器技术在国内外正处于蓬勃发展之中，在测试、控、学、研等领域获得测教科了广泛的应用。开发适合自己需要的信号分析仪将是一种有益的尝试。本文采用 L b i图形语言编 av w e收稿日期：2 0—0— 0 03 8 7

作者简介：

黄泉水 ( 9 1 )男，北随州人，苏科技大学助教。 18一，湖江

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华东船舶工业学院学报 (自然科学版 )

写程序， C一2 0双通道信号分析仪为对象进行虚拟设计，以 F52以满足教学与科研的需要。

1虚拟振动信号分析仪的设计思路 .1 1仪器结构与工作原理 .

虚拟振动分析仪由硬件和程序软件所构成的分析处理系统组成。硬件包括：带记录仪 (磁存储实际的模拟信号 )、数据采集卡、人计算机。软件用 L b iw编写。仪器结个 a ve构原理如图 1所示。

存储于磁带记录仪中的实际振动信号，数据采集卡经

熙软曰件图 1虚拟振动分析仪结构图 F g 1 S r c u e o i t a i r to n l z r i. t u t r fv r u l b a i n a a y e v

进行 A/ D转换，模拟信号转换为数字信号，将以文件形式存储在磁盘上；分析时，虚拟振动分析仪前面板上设置采在样参数、理方式、析内容、处分显示方式等，随后由分析处理系统对信号进行分析，显示出结果。并1 2软件结构 .

根据虚拟仪器功能的需要，程序至少应包含以下模块：号获取、号处理、信信信号分析、果显示等结

多个模块。获取信号可以利用软件内部生成的各种信号或外部文件存储的实际信号；号处理主要是信进行滤波，除高频成分，留感兴趣的低频成分；号分析包括傅立叶谱、滤保信自功率谱、功率谱、互频率响应函数分析等，可通过平均参数的选择以求分析更加精确；果显示可进行单通道、还结双通道幅值谱、相位谱等显示。软件结构如图 2所示。

图 2虚拟仪器的软件结构图F g 2 S r c u e o o t r i . t u t r fs fwa e

各模块的主要功能如下：

1 )数据产生模块。L b iw集成了功能强大的数据采集函数库 wa eg n rt n。所要使用的只 a ve v e eai o

是其中用于模拟信号产生部分。这里使用其中的正弦波、波、角波、匀白噪声，了开发仿真功方三均为能，置了 2个通道：个采用的

完全是标准信号，是上述的几种波形函数；设一就另一个采用标准信号叠加高斯噪声，以模拟实际信号由于各种原因发生的各种各样的失真。2 )数据读取模块。由于 L b iw只能读取固定格式的文件，以，带记录仪记录下的文本文件 a ve所磁必须先转换为所需要的格式。这里应该为 2列数据：一列表示时间；二列表示信号幅值。每一行为第第采样得到的一个点。一般没有对数据长度做太多的限制，自动读取所有的数据，体实现过程先将读它具出的矩阵转置，将每一列索引出来，了与模拟信号数据类型相一致，要先将数据转换为 L b iw再为需 a ve支持的波形数据。

3 )数据处理模块。数据处理模块是对得到的信号进行初步处理，际信号包含许多干扰，些会实有对分析结果产生错觉，有必要将高频噪声剔除，者说只分析我们较感兴趣的频率段，号在传输和处或信理过程中又可能发生泄漏和失真，以上的各种现象在处理上是进行滤波和加窗，以求对信号进行准确地描述。

4 )数据分析模块。分析模块采用 2个选择循环嵌套的办法，层选择结构为各个频谱分析的具体外内容，括傅立叶谱、包自谱、互谱和频率响应函数分析，内部选择结构则是外层选择结构内分析内容的不

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第 3期

黄泉水等：基于 L b i的虚拟振动信号分析仪设计 a ve w

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同方面，由于自谱没有相位 .以没有内层选择 .所其它的都有幅值和相位 2个分析内容的选择。5 )结果显示模块。结果显示模块的主要功能是将采集到的数据以及分析后的数据显示在窗口，供使用者研究同时它还包含许多附属的显示项。:如信号坐标定位、大值及其相应位置显示，最可调时间显示范围，可调频率显示范围 .据采集、件位置显示等等。数文

2虚拟振动信号分析仪的主要功能虚拟信号分析仪的前面板如图 3所示。它能够同时观察输入的原始信号和输出的频域信号 .以便

将处理分析结果进行比较 .并且可以显示从时间始点或频率始点到所需要观察点的信号范围用户可以通过选择信号显示的

范围来改变显示的点数 .以设置到可观察到的最小限度。仪器操作非常方便，可只需要用鼠标点击控件 .像一般软件的菜单操作一样选择需要的选项 .而像实际仪器中按钮的控件只需要按着鼠标左键进行实际仪器同样的操作，如左右旋 .右滑动等左

圉 3虚拟振动信号分析仪的前面板F g 3 Fr m o r。 i u lvb a i n a mlz r i. o b ad f t a ir t r y e r v r o

仪器实现的主要功能： 1 )操作类型选择用来确定直接分析信号或者是分析已存储在文件中的实际信号。如果是直接分析，在前面板上的仿真信号设置模块的 2个通道中进行选择；果是实际存储信号 .实际存储信可如在号模块选择信号所在磁盘路径 .击“开”件，点打控会弹出对话框，以选择存储文件名称。

2 )信号处理。提供各种类型的滤波器，包括 B t r rh Chb se、n es、 lpi、 esl . ut wot、 eyhv Ivre El t B se等 e i c为{茼足采样定律 .必须滤出高频成分，采用低通滤波方式。根据实际需要，可以选择不进行滤渡处理也3 )频谱分析。可以进行滤渡窗口选择 .在前面板点击信号处理选项卡 .示窗口将显示出加窗结显果，选择 F ree p nn i No e L w Sd lh、 Tem B h ri、 F B h ri、 ltT p B ak可 o c-x o e t a n、 o ie e 7 r — ar 4Tem - ar F a o、 l— o s s c

ma、 x c l k n B ak n n E at a ma、 le ma—Har、 mmig、 n ig等窗函数的一种，频谱分析可以选择傅 B e ri Ha s n Ha nn

立叶谱、功率谱 (包括自功率谱、功率谱 )率响应函数以及相位谱等。此外 .互频还提供平均参数的选择 .

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华东船舶工业学院学报 (然科学版 )自

20 0 4年

包括平均模式 (平均、不矢量平均、值保持等 )权重模式 (性、数性两种 )平均次数 (以根据实际峰、线指、可需要设意值 )。定任等 4 )结果显示。可以显示原始信号、滤波和加窗处理后的结果以及各种上述提到的谱分析的结果，

双通道的信号还可以分别单独显示和同时显示。信号显示的时间范围和频率范围也可以调节，置需设要显示到的最大值。显示幅值和功率时可以根据需要选择工程单位或者是对数显示 (贝 )分。此外，还设有标尺，别锁定在 2个通道的信号上，过鼠标点击指针上下左右控制键来移动标尺线，随着信分通它号曲线的点逐一向右移动以便方便的读出曲线上任意点的坐标值。

3虚拟振动信号分析仪的性能测试为了验证虚拟仪器设计的可靠性，实际记录的对

∞

j兰荽

海水泵振动信号、次船模响应实验获得的信号分别某进行分析处理比较。以下给出虚、仪器的比较结实果。

O

fH/z

图 4虚拟振动信号分析仪完成的海水泵振动幅值谱Fi g .一

振动信号经过频谱分析，以从频谱的结构及其可变化来识别机械的工作状态 _。以海水泵∞∞, 5 2∞∞∞∞∞为例图 ]叶叶叶叶 相与图 4比较，频谱的频率结构和变化趋势基本 同。1

V i r t n s e t u fs a p m p b h b a i p c r m o e u y t e o

2 O

分析一个结构的振动特性，通常采用频率响应函数的方法。以某船模为对象，过激励与响应的测通量，到其频响函数。图 6到图 9这 4幅图分别给出得 了用 C -2 0以及虚拟振动信号分析仪得到的结果。 F5 2 通过对实际信号采用 2种仪器处理分析的比较，

号一o 4

毫墨一

6 O

一

8 0 O

2 0 5

50 0

fH /z

可以发现，了曲线的光顺性外，值谱与相位谱基除幅本吻合尤其是反映共振的各峰值的位置基本一致。 一因此可以认为该软件的功能符合教学实验要求。

图 5 C - 2 0完成的海水泵振动幅值谱 F5 2V i rt n a l u es e t u fs a p mp b - 2 0 b a i mp i d p c r m o e u y CF 5 2 o t

2 0 0

10 0∞一

,

、

1 5

未罩一

010 0

5 0 0

—

5 0

1O O

1O 5

2 0 0

2 0 0 0

5 0

1O O

1O 5

2 0 0

fH/z

fH/z

图 6 C - 2 0得到的

频响函数 F5 2F g 6 FRF b 一 2 0 i. y CF 5 2

图 7 C - 2 0所测响应相位 F52Fi Ph s fFRF b - 2 0 g.7 a eo y CF 5 2

2 0 E+1 0∞

10 E+1 0 o 0 E+ 0 0>

j耋芒

I

l f l 1一 l

三一 0E I l 0+ 一

2 0 E+1 0 O 2 0 6 20 6

0

10 3

2 0 6

f/ z H

fH /z

图 8虚拟振动信号分析仪完成的响应函数Fg 8 F i. RF b h i u l i r t n a a y e y t e v r a b a i n l z r t v o

图 9虚拟振动信号分析仪完成的响应相位谱 Fi . P a e o RF b h it a i r t n a ay e g 9 h s fF y t e v ru l b a i n l z r v o

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第 3期

黄泉水等：于 L b i的虚拟振动信号分析仪设计基 ave w

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4讨 论 1 )平均法提高信噪比。工程振动信号在时域里是一种随机过程，么在频域里也是一种随机过那

程。功率谱是时域信号自相关的傅立叶变换。通过相关分析与功率谱分析可以消除噪声干扰，大提大高信号分析的精度。 2 )数据流的数据类型应当相匹配。在设计过程中经常会遇到数据类型不匹配的问题，尤其是对同一

显示件，当有不同的数据类型连接到该端口时，者各种选择结构、环结构内有不同数据类型的数或循了程序的开发，给程序的维护和可读性带来了负面的影响。却 3 )在编程过程中，以时间序列形式存储的信号需转变成 L b iw支持的波形数据， a ve以二维数组输出到显示图。由于读取的是一系列完整意义的点，形数据只需要初始时间和时间间隔跟各个采集得波到的数据值。采用索引出时间序列的第 2个点作为时间间隔的方法，由于标准信号采集卡采样的时间间隔相同，而有效的解决了这个问题。从

据流流出时。具体解决办法是创建局部变量或者创建需要的数据类型常数。这样使用的结果虽然简化

5结束语 通过强大的图形编程语言与现有的硬件设备的结合，已有仪器

的主要功能进行了虚拟设计，展对拓了部分功能，变了传统的仪器操作方式，改仪器面板简洁明了，机交互性强。在前面板上进行操作，人避免误操作造成的物理损坏。通过虚、实仪器对某海水泵振动信号和实际船体模型试验信号的处理分析结果比较，验证了虚拟仪器的功能的可靠性，达到了预期的效果。参考文献：

[]郑利峰，小雪， 1杨张汉全 .基于 L biw的虚拟频谱分析仪设计 E q a ve Y .自动化与仪器仪表， 0 2 5:—7 2 0 ( )4E 3应怀樵. 2波形和频谱分析与随机数据处理[ .京： M]北中国铁道出版社，9 3 18 . E 3石博强， 3赵德永，李畅，、 ave .等 L bi w6 1编程技术实用教程E . M3北京：中国铁道出版社，0 2 20. E 3 R B R .L b iw 6实用教程( a v w tdn dt n6)M3北京： 4 O E T H B a ve i L b i Su e t io iE . e E i电子工业出版社，0 3 20.(任编辑：责顾琳)