應用領域：院校 
 
使用的產品：LabVIEW，PCI-6024E，SCXI-1122 
 
挑戰：ruhekaituoyigequanxindejiaoxuepingtai


，shixueshengnenggouliyongzuixianjindejishuqujijizhudongdexuexi，peiyangxueshengdechuangzaoxingsiwei
，tigaogaodenggongchengjiaoyudejiaoxuezhiliang。 
 
應用方案：充分利用 LabVIEW 開發平台高效率的圖形編程方法和功能豐富的 VI，指導學生應用自己開發的虛擬儀器完成專業課程的實驗。 
 
介紹: 
    作(zuo)者(zhe)近(jin)年(nian)來(lai)為(wei)機(ji)械(xie)電(dian)子(zi)工(gong)程(cheng)和(he)鐵(tie)路(lu)電(dian)氣(qi)自(zi)動(dong)化(hua)專(zhuan)業(ye)學(xue)生(sheng)開(kai)設(she)了(le)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)課(ke)程(cheng)，使(shi)學(xue)生(sheng)掌(zhang)握(wo)了(le)這(zhe)種(zhong)未(wei)來(lai)測(ce)試(shi)領(ling)域(yu)的(de)主(zhu)流(liu)技(ji)術(shu)。在(zai)這(zhe)個(ge)基(ji)礎(chu)上(shang)學(xue)生(sheng)自(zi)己(ji)開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)整(zheng)套(tao)機(ji)械(xie)工(gong)程(cheng)測(ce)試(shi)實(shi)驗(yan)的(de)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)，完(wan)成(cheng)機(ji)工(gong)程(cheng)測(ce)試(shi)的(de)全(quan)部(bu)實(shi)驗(yan)，虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)與(yu)工(gong)程(cheng)測(ce)試(shi)兩(liang)門(men)課(ke)程(cheng)的(de)學(xue)習(xi)有(you)機(ji)的(de)結(jie)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)。不(bu)僅(jin)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)了(le)實(shi)驗(yan)設(she)備(bei)投(tou)資(zi)，而(er)且(qie)培(pei)養(yang)了(le)學(xue)生(sheng)的(de)創(chuang)新(xin)精(jing)神(shen)

，提(ti)高(gao)了(le)學(xue)生(sheng)的(de)工(gong)程(cheng)素(su)質(zhi)，為(wei)高(gao)等(deng)工(gong)程(cheng)教(jiao)育(yu)實(shi)驗(yan)教(jiao)學(xue)帶(dai)來(lai)革(ge)命(ming)性(xing)的(de)變(bian)化(hua)。在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)LabVIEW 起到了不可替代的作用。
 
測試信號處理實驗教學      
    信(xin)號(hao)處(chu)理(li)是(shi)工(gong)程(cheng)測(ce)試(shi)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)環(huan)節(jie)
，隻(zhi)有(you)通(tong)過(guo)這(zhe)個(ge)環(huan)節(jie)才(cai)能(neng)獲(huo)取(qu)反(fan)映(ying)被(bei)測(ce)對(dui)象(xiang)狀(zhuang)態(tai)和(he)特(te)征(zheng)的(de)明(ming)確(que)信(xin)息(xi)。這(zhe)也(ye)是(shi)最(zui)能(neng)夠(gou)充(chong)分(fen)體(ti)現(xian)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)技(ji)術(shu)在(zai)機(ji)械(xie)工(gong)程(cheng)測(ce)試(shi)中(zhong)巨(ju)大(da)優(you)勢(shi)的(de)一(yi)個(ge)環(huan)節(jie)。我(wo)們(men)設(she)計(ji)的(de)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)實(shi)驗(yan)教(jiao)學(xue)係(xi)統(tong)充(chong)分(fen)考(kao)慮(lv)到(dao)工(gong)程(cheng)實(shi)際(ji)需(xu)求(qiu)
，並(bing)使(shi)學(xue)生(sheng)能(neng)在(zai) 1 到 2 學時內搭建好一個虛擬儀器程序模塊，完成要求的實驗內容。

1.  構建信號發生器
信號發生器可以為以後的各個實驗提供一個信號源
，也能應用在工程實踐中。LabVIEW 的 Signal Generation子模板中有一組 VI 可以產生各種常見波形信號，能夠方便快捷的構造一台多信道的信號發生器。使用這一組 VI 時
，應設置其輸入參數中的數字頻率 f 滿足下式：
式中   fa――信號發生器產生信號的模擬頻率。 （1）

update rate  ――數據采集卡的模擬輸出刷新率設置參數。

2. 頻率響應函數與數字濾波
頻率響應函數是描述測試係統動態特性的重要參數，它是係統輸出與輸入的傅立葉變換之比

（2）

    LabVIEW 的 Transfer Function.Vi 根據式（2）計算頻率響應函數。頻率響應函數是複數
，所以它返回兩個參數，一個數組是頻率響應函數的模(Frequency Response Mag)
，即被測係統的幅頻特性；另一個是頻率響應函數的幅角(Frequency Response Phase)，即被測係統的相頻特性。
    LabVIEW 中還有其它一些 VI 通過另外的算法求頻率響應函數，得到的結果與上述方法一致。
    LabVIEW 開發環境內有大量的數字濾波 VI 和數字濾波器開發工具。 我們在實驗中選取了比較有典型意義的巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）濾波器。根據選頻要求分別將它們設置為低通、高通、帶通和帶阻型濾波器。
    實驗時用衝激函數 Impulse Pattern .vi作為係統激勵信號，它具有無限寬廣的頻譜；用各種數字濾波器作為測試係統。這樣既掌握了頻率響應函數的測試方法，又了解了各種數字濾波器的頻率響應特性。

3 相關分析
兩模擬信號 x(t)和 y(t)做數字化處理以後

，它們的相關函數表達形式應為

（3）

式中  N――沿時間軸的總采樣數
；
I  ――沿時間軸的采樣序數；
r  ――間斷時移值。
作為有限長采樣的相關函數估計為

（4）

但是在計算中隨著 y(i)時移增大，x(i)和 y(i)二離散序列可提供計算的長度越來越短，所以計算的有效估值應為 

（5）

LabVIEW 提供的求相關函數的 VI, Auto Correlation 和 Cross Correlation 所用的算法為 

（6）

    這一算法僅適用於確定性信號中的瞬態信號，所以對於一般的情況就應該在程序中根據式（5）加以修正。
    進(jin)行(xing)自(zi)相(xiang)關(guan)函(han)數(shu)實(shi)驗(yan)時(shi)，信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)將(jiang)正(zheng)弦(xian)波(bo)信(xin)號(hao)與(yu)白(bai)噪(zao)聲(sheng)信(xin)號(hao)迭(die)加(jia)在(zai)一(yi)起(qi)送(song)出(chu)，實(shi)驗(yan)係(xi)統(tong)利(li)用(yong)數(shu)字(zi)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)選(xuan)頻(pin)作(zuo)用(yong)得(de)到(dao)各(ge)種(zhong)典(dian)型(xing)信(xin)號(hao)
，然(ran)後(hou)進(jin)行(xing)自(zi)相(xiang)關(guan)分(fen)析(xi)。進(jin)行(xing)互(hu)相(xiang)關(guan)函(han)數(shu)實(shi)驗(yan)時(shi)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)由(you)兩(liang)個(ge)信(xin)道(dao)送(song)出(chu)正(zheng)弦(xian)波(bo)信(xin)號(hao)，在(zai)程(cheng)序(xu)運(yun)行(xing)中(zhong)調(tiao)整(zheng)它(ta)們(men)的(de)頻(pin)率(lv)和(he)相(xiang)位(wei)（相移代替時移） ，測試出相關函數，並驗證同頻相關、不同頻不相關和正弦與餘弦不相關等相關理論。
    這zhe部bu分fen實shi驗yan的de大da多duo內nei容rong也ye可ke以yi脫tuo離li硬ying件jian進jin行xing
，信xin號hao發fa生sheng器qi程cheng序xu產chan生sheng信xin號hao

，在zai軟ruan件jian內nei部bu將jiang數shu據ju傳chuan遞di給gei數shu字zi信xin號hao處chu理li係xi統tong。這zhe樣yang將jiang大da大da降jiang低di實shi驗yan成cheng本ben。也ye可ke以yi將jiang程cheng序xu編bian譯yi後hou脫tuo離li LabVIEW 環境運行，在普通計算機上進行測試信號處理的各種實驗教學，進一步擴大它的應用範圍。       
      
機械參數測試實驗教學      
    根據機械工程測試教學的需要，機械參數測試主要進行以下內容的實驗。
    1 應變測試
    在應變梁上按不同形式粘貼好電阻式應變片
，信號調理器完成組橋並提供激勵電壓和進行信號的放大
、 濾波。 LabVIEW 提供的 Convert Strain Gauge Reading.vi 可以將 4 種半橋和 3 種zhong全quan橋qiao的de應ying變bian片pian電dian壓ya信xin號hao轉zhuan換huan成cheng應ying變bian值zhi。通tong過guo實shi驗yan可ke以yi對dui不bu同tong組zu橋qiao方fang式shi所suo測ce得de的de信xin號hao電dian壓ya輸shu出chu值zhi進jin行xing比bi較jiao，掌zhang握wo電dian橋qiao和he差cha特te性xing。並bing可ke以yi根gen據juConvert Strain Gauge Reading函數輸出的應變值，描繪出各種形式應變梁的撓曲軸，計算出梁的最大撓度值
，構成一台高效的多功能數字式應變儀。
    2 位移測試
    位wei移yi傳chuan感gan器qi采cai用yong近jin年nian來lai發fa展zhan起qi來lai的de導dao電dian塑su料liao電dian位wei計ji，學xue生sheng根gen據ju傳chuan感gan器qi的de電dian阻zu分fen壓ya電dian路lu，推tui導dao出chu位wei移yi與yu信xin號hao電dian壓ya的de關guan係xi式shi

，並bing根gen據ju此ci式shi編bian寫xie位wei移yi測ce試shi的de程cheng序xu。實shi驗yan中zhong用yong讀du數shu值zhi 0.02 毫hao米mi的de遊you標biao卡ka尺chi測ce試shi位wei移yi傳chuan感gan器qi的de位wei移yi量liang，代dai替ti被bei測ce量liang實shi際ji值zhi，作zuo為wei測ce試shi裝zhuang置zhi的de輸shu入ru值zhi，對dui位wei移yi傳chuan感gan器qi進jin行xing靜jing態tai標biao定ding。在zai計ji算suan係xi統tong線xian性xing度du時shi
，用yong最zui小xiao二er乘cheng法fa擬ni合he直zhi線xian精jing度du最zui高gao
，但dan計ji算suan比bi較jiao繁fan瑣suo。LabVIEW 的 Linear Fit.vi 幫助我們解決了複雜的計算問題。利用 LabVIEW 的文件輸入輸出函數進行實驗數據存取
，可以極大的提高實驗效率。

3 壓力測試
    壓力測試采用 BPR-2 型應變式壓力傳感器
，以小型手壓泵做壓力信號源
，根據傳感器出廠標定值編寫程序。
4 流量測試
    采用液壓試驗台上帶電脈衝信號輸出的橢圓齒輪流量計做傳感器， 使用 LabVIEW 的計數器 VI 測量流量計的頻率

，再根據脈衝當量換算出流量值。此實驗和壓力測試實驗結合
，可以測出液壓泵的流量―壓力特性，將多學科實驗交叉進行。
5 溫度測試
    采用熱電阻做溫度傳感器
，由信號調理器提供激勵電流。在數據采集卡的驅動程序中將傳感器設置為European RTD
，編程時即可按攝式溫度值引用此測試值。
 
網絡化的振動測試實驗教學
    振(zhen)動(dong)問(wen)題(ti)是(shi)機(ji)械(xie)工(gong)程(cheng)領(ling)域(yu)一(yi)個(ge)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)研(yan)究(jiu)課(ke)題(ti)。振(zhen)動(dong)測(ce)試(shi)在(zai)振(zhen)動(dong)研(yan)究(jiu)中(zhong)占(zhan)有(you)重(zhong)要(yao)地(di)位(wei)。但(dan)是(shi)由(you)於(yu)振(zhen)動(dong)實(shi)驗(yan)的(de)信(xin)號(hao)源(yuan)設(she)備(bei)價(jia)格(ge)比(bi)較(jiao)貴(gui)，占(zhan)用(yong)空(kong)間(jian)比(bi)較(jiao)大(da)，不(bu)能(neng)每(mei)個(ge)學(xue)生(sheng)配(pei)備(bei)一(yi)套(tao)。因(yin)此(ci)我(wo)們(men)采(cai)用(yong)了(le)網(wang)絡(luo)化(hua)的(de)振(zhen)動(dong)測(ce)試(shi)實(shi)驗(yan)教(jiao)學(xue)方(fang)案(an)。LabVIEW 的 DataSocket 技術為這種實驗教學方案帶來極大的便利。
    實驗中教師機上運行服務器程序。函數發生器產生一個連續變化的正弦激勵信號

，通過數據采集卡進行D/A 轉換後輸出，經功率放大器送到激振器，使被測梁產生受迫振動。 
    被測梁的振動信號經壓電加速度傳感器拾振
、電荷放大器將電荷轉變為電壓並放大後傳遞到數據采集卡。數據采集模塊采集到的加速度信號通過 DataSocket VI 傳輸到計算機網絡上。

    ceshishiyanshijisuanjiwangluoshixiaoyuanwangdeyibufen，congluojishangtashiyizhongzongxianxingjiegou，caiyongguangbowangchuanshujishu。shiyanshizhongrenheyitaijiqifachudexiaoxidounengbeisuoyoujiqijieshoudao。suoyidangjiaoshijiyunxingzhendongceshifuwuqichengxu，caijibeiceduixiangjiasuduxinhaochuanshudaojisuanjiwangluoyihou，tongxuezhiyaozaizijidejisuanjishangyunxingzhendongceshikehuduanchengxu，bingzhunquetianxiejiaoshijide IP 地址或網絡標識名，就可以象自己的機器采集數據一樣完成振動測試實驗。
    數字濾波部分采用巴特沃斯低通濾波 VI Butterworth Filter，濾除信號的噪聲和不需要的頻率成分。根據測試需要選擇濾波器截止頻率，一般取 400Hz。
    積分模塊調用了 Integral x(t).vi。該 VI 的算法是：

（7）

式中 n 為數組長度。

    經過對加速度變化率的累加
，求得當前速度；經過對速度變化率的累加，求得當前位移。
趨勢項是測試係統中某些因素引起的隨時間變化的長周期係統誤差。本次實驗中構造了一個Detrend  VI消除趨勢項。Detrend VI 調用了以最小二乘法擬合直線的 Linear Fit.vi 函數擬合趨勢項，然後在數據中減去趨勢項。這也是目前工程上消除趨勢項最常用的方法。 
    由於在頻譜分析的 VI 中使用快速傅立葉變換 FFT 存在著頻率泄漏問題，影響了頻率測試的精度。解決頻率泄漏問題的主要方法之一是采用適當的窗函數。LabVIEW 海明窗
、漢寧窗等十二種 VI。實驗中采用了漢寧窗 VI，對時域信號進行加權處理。
    頻譜分析部分用 Auto Power  spectrum.vi 數計算出時域信號的自功率譜；Spectrum Unit  Conversion.vi 將自功率譜轉換為我們需要的格式；Power & Frequency Estimate.vi 估算出自功率譜中的頻率峰值，即共振頻率，近似代替被測係統固有頻率並由此估計係統的阻尼比。

結論
    經過這些實驗教學訓練
，學生更好的掌握了機械工程測試的有關內容和虛擬儀器編程技術；也有些學生根據各種專業課程上學到的知識，自己選擇實驗內容，自行設計實驗方案，在 LabVIEW 環huan境jing中zhong進jin行xing自zi己ji感gan興xing趣qu的de實shi驗yan。由you於yu我wo們men的de實shi驗yan環huan境jing軟ruan硬ying件jian完wan全quan是shi工gong業ye標biao準zhun的de產chan品pin，學xue生sheng在zai實shi驗yan中zhong開kai發fa的de許xu多duo虛xu擬ni儀yi器qi完wan全quan可ke以yi直zhi接jie應ying用yong到dao工gong程cheng實shi踐jian中zhong去qu。有you些xie畢bi業ye的de學xue生sheng，已yi經jing創chuang造zao出chu了le比bi傳chuan統tong的de測ce試shi儀yi器qi具ju有you更geng高gao智zhi能neng、更高性能價格比、gengjiakekaojibianyucaozuodexuniyiqi。womendegaodenggongchengjiaoyubuzaijinjinshirangxueshengzhangwojintianyiyoudekexuejishu
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