2023年全國(guó)碩士研究生考試考研英語(yǔ)一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁(yè)
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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)公司開發(fā)的LabVIEW軟件為開發(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’’,如常見的暈車、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)加到采樣開關(guān)的輸入端,采樣開關(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,作為采樣開關(guān)的輸出。在斷開期間采樣開關(guān)的輸出為零。于是在采樣開關(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)</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,把歸到采樣開關(guān)以后的系統(tǒng)中去,則采樣信號(hào)可描述為:</p><p><b> ?。?-4)</b></p><p>  由于處的的值就是,所以式(2-4)可變換為:</p><p><b> ?。?-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,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> ?。?-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>  (2-10)</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> ?。?-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)椋肷鲜?,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,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,就可免去自己編寫程序的繁瑣,而且LabVIEW作為開放的工業(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>  (1)具有圖形化的編程方式,設(shè)計(jì)者無(wú)需編寫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>  (6)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)。二次開發(fā)庫(kù)提供,LabVIEW\VB\VC\Delphi\C

60、++Builder 開發(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)域的問題轉(zhuǎn)化

82、成頻域的問題來(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

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