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摘 要：介绍了一种采用虚拟仪器技术构建的三向振动台测试分析系统的设计与实现，包括系统总体方案设计，软硬件系统结构设计，并根据需要在LabVIEW平台上开发了相应的功能模块。最后对系统进行了实验验证。实践证明这种基于LabVIEW的测试分析系统具有很强的灵活性和可扩展性。
关键词：三向振动台；测试分析系统；数据采集；LabVIEW
0 引 言
振动测试实验可使学生加强对课堂所学知识的理解，同时也是研究机械振动规律的重要手段。振动测试在于通过传感器、放大器以及显示或记录仪器，测量机械、工程结构（或力学模型）运行中其重要部位的位移、速度、加速度等运动量，并了解机械或结构的动特性，如固有频率、固有振型、阻尼及刚度等，从而了解机械或结构的工作状态，为机械或结构的动力设计服务。另外振动信号可以反映机械的运行状态和结构的损伤。上世纪90年代，利用振动测试对运行机械的故障进行诊断和对工程结构的损伤进行检测已为众多科研工作者所重视。运行监测和故障诊断已逐渐成为由振动理论、振动测试和信号分析相结合而形成的一门重要学科。其中，振动测量和实验分析起着关键性的作用。
本文提出了一个基于虚拟仪器的思想、利用LabVIEW编程实现的三向振动台测试分析系统，既能用于高等院校的实验教学中，也可以用于一些工程实际中。
1 系统设计
1.1 三向振动台测试平台的设计
在分析了三向振动台结构及运动特点的基础上，决定以三向振动台为测试对象，设计并搭建了一个三向振动台的测试平台，该测试平台由三向振动台、传感器、电荷放大器、数据采集卡、计算机和应用软件等组成。
被测对象三向振动台由四根弹簧支撑置于底座之上，底座有可调节水平装置，以便移动振动台后可快速调节振动台的水平，为振动测试数据提供可靠性。振动电机放于水平导轨上下两侧，一边一个，两层导轨正交放置，且与电机的方向一致，以实现三个方向的振动。
1.2 系统的硬件配置
硬件平台是虚拟仪器的物理基础，所以为了完成虚拟仪器的设计首先要合理地选择硬件平台。本文设计的系统，硬件平台主要由三部分组成：传感器、数据采集卡（DAQ）、PC机。
1、传感器的选用
本系统为振动测试系统，测量的信号为振动的非电量信号（通常为位移、速度或加速度信号）。根据三向振动台的结构特点并考虑机构简单、安装方便等因素，选用压电式加速度传感器作为振动测量的传感器，使用电荷放大器作为其放大电路。通过软件加入积分环节则可以作为振动位移、速度的数据采集。本系统中的振动传感器采用三向压电加速度计YD-21，其频率范围为0.2～4000Hz，电荷灵敏度为X向：16.00 PC/ms-2；Y向：15.99 PC/ms-2；Z向：15.80 PC/ms-2。
2、数据采集卡的选用
数据采集卡的任务是把模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理的数组。本系统选用的数据采集卡为NI公司的USB6008，该数据采集卡为USB接口，采样精度为12位，采样率为10kS/s，有8路模拟输入通道，12条数字I/O线，2路模拟输出通道和1个计数器。
3、PC机的选用
硬件平台的核心是计算机，计算机的合理选择直接影响着整个系统的性能。考虑到该测试平台是学生做测试实验时所用，作为实验教学器材，本系统选用的是台式机。
1.3 系统软件的总体设计
在基于虚拟仪器的测试系统中，测试软件是整个测试系统最关键的部分，软件设计的好坏直接影响整个系统的性能，因此必须在充分了解设计任务的基础上，对系统进行总体设计。在三向振动台测试分析系统中，主要完成以下任务：数据采集、数据的存储与回放、信号分析、信号处理、测试报表的生成等方面。系统软件的总体结构框图。
（1）数据采集模块主要包括数据采集设置和数据采集两大功能，通过在仪器面板上对采集通道、采样频率、采样点数、电压的最大/最小值和信号连接方式等方面进行设定以完成数据采集设置；数据采集是利用LabVIEW的DAQmx模块的相关函数在控制面板上完成数据采集任務。
（2）数据的存储与回放模块主要完成对采集信号的进行存储，为了使输出的结果易于被其他软件查看和应用，采用了文本文件的格式，并能调出以前存储的采集结果进行时域频域分析和显示。
（3）信号分析模块由时域分析和频域分析2部分组成。时域分析包括自相关分析和互相关分析；频域分析包括频谱分析、功率谱分析、倒数谱分析几个部分组成。
（4）信号的处理模块主要由滤波器和窗函数的设置及设计，滤波器部分主要是滤波器的设置（类型的选择、截止频率和滤波阶数设置）和设计；窗函数主要是窗函数的类型选择和设计，一共设计了汉宁窗等6种窗函数。
2 程序设计及测试
2.1 程序设计
根据系统的总体设计，基于LabVIEW平台，采用面向对象的编程思想，严格的结构层次，独立的模块化设计方法，开发了测试分析系统。LabVIEW是美国NI公司推出的一种通用虚拟仪器开发软件，它包含了丰富的功能函数库和完备的总线设备驱动程序。LabVIEW的最大特点是其基于图形（Graphics）的编程方式：LabVIEW采用了框图而非传统的文本方式的编程方法。这种编程方法强调信号处理的实际过程，编程简单，调试方便，用LabVIEW软件设计的程序包括前面板程序（Front Panel）和框图应用程序（Block Diagram）两部分。前面板用来提供软件系统与用户的交互界面，是实现仪器的面板；框图应用程序主要用来对输入计算机的数据进行分析和处理，是仪器的内部设计，是程序的真正“内核”。
按照系统操作和测试内容的要求，绘出系统主程序执行流程图如图3所示，以流程图为程序设计的框架，利用LabVIEW函数和自编的子VI完成了总体设计中各模块的功能。软件的主界面如图4所示。由于系统涉及的内容较多，因而以数据的存储与回放模块为例简单说明其实现过程。该模块的运行界面如图5所示。数据回放时先进行通道选择，并可设置回放的起始和结束时间，按“截取”按钮即可将选定时间内的数据波形显示在下面的框图内，按“截取后保存”按钮即可将上述数据波形以文本形式加以保存。同时也可将采集后的数据以Word或Excel格式生成报表供日后使用。 为了在系统中响应多个模块，要求程序可分时执行多个任务，为此本系统采用了LabVIEW多线程技术。应用多线程技术，使操作系统可以同时处理多个任务，大大提高了系统的运行效率。
2.2 测试及结果分析
在测试前首先调整好三向振动台使其振动均匀，在变频器上设置好振动电机的转速，打开电荷放大器并调整好参数设置， 其次在程序的前面板上进行采样设置和滤波器、窗函数参数设置，运行程序得到。
3 结 语
使用LabVIEW平台开发三向振动台振动分析系统硬件结构简单，系统运行稳定，测试结果满足工程实际的需求。由于采用了模块化的编程思想，不但界面友好，还可以很方便地对系统进行扩充和维护，大大缩短了系统的开发时间。该测试分析系统用于教学实验环节可以降低测试实验成本，缩短试验周期改变了传统的实验教学模式，大大降低实践环节的固定资产投入，并提高教学质量。
参考文献：
[1] 刘 胜，张兰勇，章桂荣，刘 刚.LabVIEW 2009程序设计[M].北京：电子工业出版
社，2010.
[2] 张 桐，陈国顺，王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3] 丁勇山，蒋东翔，李 凯，熊 凯.基于LabVIEW振动数据采集与分析系统[J].振动
与冲击，2006，25（8）：482-484.
[4] 何亚农，王艾伦，赵跃龙.LabVIEW虚拟仪器技术在机械基础实验教学中的应用研究[J].
装备制造技术，2007，29（10）：78-80.
[5] 白 晶.虚拟仪器技术在机械工程测试实验教学中的应用一例[J].仪器仪表标准化与计
量，2004，20（1）：32-34.
[6] National Instruments Corp. DAQ Card E Series User Manual （Multifunction I/O Cards
for PCMCIA） [M]， Austin： National Instruments Corp，1999：183～188.
[7] Creating Quality UIs with NI LabVIEW interface based on LabVIEW，GSDzone.net
/community 《LabView開发者丛书》.
基金项目：1、江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（项目编号：
201211276320）
2、南京工程学院校级教改课题“面向现场工程师的机械类专业测试
技术课程的改革与实践”（项目编号：JG201109）
作者简介：郑勇（1978年10月—），男，江苏兴化人，南京工程学院机械工程
学院讲师，主要研究方向为计算机辅助测试、虚拟仪器技术等。
地址：江苏省江宁科学园弘景大道1号南京工程学院，邮编：211167. 电话：
电话：13915971712
关键词：三向振动台；测试分析系统；数据采集；LabVIEW
0 引 言
振动测试实验可使学生加强对课堂所学知识的理解，同时也是研究机械振动规律的重要手段。振动测试在于通过传感器、放大器以及显示或记录仪器，测量机械、工程结构（或力学模型）运行中其重要部位的位移、速度、加速度等运动量，并了解机械或结构的动特性，如固有频率、固有振型、阻尼及刚度等，从而了解机械或结构的工作状态，为机械或结构的动力设计服务。另外振动信号可以反映机械的运行状态和结构的损伤。上世纪90年代，利用振动测试对运行机械的故障进行诊断和对工程结构的损伤进行检测已为众多科研工作者所重视。运行监测和故障诊断已逐渐成为由振动理论、振动测试和信号分析相结合而形成的一门重要学科。其中，振动测量和实验分析起着关键性的作用。
本文提出了一个基于虚拟仪器的思想、利用LabVIEW编程实现的三向振动台测试分析系统，既能用于高等院校的实验教学中，也可以用于一些工程实际中。
1 系统设计
1.1 三向振动台测试平台的设计
在分析了三向振动台结构及运动特点的基础上，决定以三向振动台为测试对象，设计并搭建了一个三向振动台的测试平台，该测试平台由三向振动台、传感器、电荷放大器、数据采集卡、计算机和应用软件等组成。
被测对象三向振动台由四根弹簧支撑置于底座之上，底座有可调节水平装置，以便移动振动台后可快速调节振动台的水平，为振动测试数据提供可靠性。振动电机放于水平导轨上下两侧，一边一个，两层导轨正交放置，且与电机的方向一致，以实现三个方向的振动。
1.2 系统的硬件配置
硬件平台是虚拟仪器的物理基础，所以为了完成虚拟仪器的设计首先要合理地选择硬件平台。本文设计的系统，硬件平台主要由三部分组成：传感器、数据采集卡（DAQ）、PC机。
1、传感器的选用
本系统为振动测试系统，测量的信号为振动的非电量信号（通常为位移、速度或加速度信号）。根据三向振动台的结构特点并考虑机构简单、安装方便等因素，选用压电式加速度传感器作为振动测量的传感器，使用电荷放大器作为其放大电路。通过软件加入积分环节则可以作为振动位移、速度的数据采集。本系统中的振动传感器采用三向压电加速度计YD-21，其频率范围为0.2～4000Hz，电荷灵敏度为X向：16.00 PC/ms-2；Y向：15.99 PC/ms-2；Z向：15.80 PC/ms-2。
2、数据采集卡的选用
数据采集卡的任务是把模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理的数组。本系统选用的数据采集卡为NI公司的USB6008，该数据采集卡为USB接口，采样精度为12位，采样率为10kS/s，有8路模拟输入通道，12条数字I/O线，2路模拟输出通道和1个计数器。
3、PC机的选用
硬件平台的核心是计算机，计算机的合理选择直接影响着整个系统的性能。考虑到该测试平台是学生做测试实验时所用，作为实验教学器材，本系统选用的是台式机。
1.3 系统软件的总体设计
在基于虚拟仪器的测试系统中，测试软件是整个测试系统最关键的部分，软件设计的好坏直接影响整个系统的性能，因此必须在充分了解设计任务的基础上，对系统进行总体设计。在三向振动台测试分析系统中，主要完成以下任务：数据采集、数据的存储与回放、信号分析、信号处理、测试报表的生成等方面。系统软件的总体结构框图。
（1）数据采集模块主要包括数据采集设置和数据采集两大功能，通过在仪器面板上对采集通道、采样频率、采样点数、电压的最大/最小值和信号连接方式等方面进行设定以完成数据采集设置；数据采集是利用LabVIEW的DAQmx模块的相关函数在控制面板上完成数据采集任務。
（2）数据的存储与回放模块主要完成对采集信号的进行存储，为了使输出的结果易于被其他软件查看和应用，采用了文本文件的格式，并能调出以前存储的采集结果进行时域频域分析和显示。
（3）信号分析模块由时域分析和频域分析2部分组成。时域分析包括自相关分析和互相关分析；频域分析包括频谱分析、功率谱分析、倒数谱分析几个部分组成。
（4）信号的处理模块主要由滤波器和窗函数的设置及设计，滤波器部分主要是滤波器的设置（类型的选择、截止频率和滤波阶数设置）和设计；窗函数主要是窗函数的类型选择和设计，一共设计了汉宁窗等6种窗函数。
2 程序设计及测试
2.1 程序设计
根据系统的总体设计，基于LabVIEW平台，采用面向对象的编程思想，严格的结构层次，独立的模块化设计方法，开发了测试分析系统。LabVIEW是美国NI公司推出的一种通用虚拟仪器开发软件，它包含了丰富的功能函数库和完备的总线设备驱动程序。LabVIEW的最大特点是其基于图形（Graphics）的编程方式：LabVIEW采用了框图而非传统的文本方式的编程方法。这种编程方法强调信号处理的实际过程，编程简单，调试方便，用LabVIEW软件设计的程序包括前面板程序（Front Panel）和框图应用程序（Block Diagram）两部分。前面板用来提供软件系统与用户的交互界面，是实现仪器的面板；框图应用程序主要用来对输入计算机的数据进行分析和处理，是仪器的内部设计，是程序的真正“内核”。
按照系统操作和测试内容的要求，绘出系统主程序执行流程图如图3所示，以流程图为程序设计的框架，利用LabVIEW函数和自编的子VI完成了总体设计中各模块的功能。软件的主界面如图4所示。由于系统涉及的内容较多，因而以数据的存储与回放模块为例简单说明其实现过程。该模块的运行界面如图5所示。数据回放时先进行通道选择，并可设置回放的起始和结束时间，按“截取”按钮即可将选定时间内的数据波形显示在下面的框图内，按“截取后保存”按钮即可将上述数据波形以文本形式加以保存。同时也可将采集后的数据以Word或Excel格式生成报表供日后使用。 为了在系统中响应多个模块，要求程序可分时执行多个任务，为此本系统采用了LabVIEW多线程技术。应用多线程技术，使操作系统可以同时处理多个任务，大大提高了系统的运行效率。
2.2 测试及结果分析
在测试前首先调整好三向振动台使其振动均匀，在变频器上设置好振动电机的转速，打开电荷放大器并调整好参数设置， 其次在程序的前面板上进行采样设置和滤波器、窗函数参数设置，运行程序得到。
3 结 语
使用LabVIEW平台开发三向振动台振动分析系统硬件结构简单，系统运行稳定，测试结果满足工程实际的需求。由于采用了模块化的编程思想，不但界面友好，还可以很方便地对系统进行扩充和维护，大大缩短了系统的开发时间。该测试分析系统用于教学实验环节可以降低测试实验成本，缩短试验周期改变了传统的实验教学模式，大大降低实践环节的固定资产投入，并提高教学质量。
参考文献：
[1] 刘 胜，张兰勇，章桂荣，刘 刚.LabVIEW 2009程序设计[M].北京：电子工业出版
社，2010.
[2] 张 桐，陈国顺，王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京：电子工业出版社，2008.
[3] 丁勇山，蒋东翔，李 凯，熊 凯.基于LabVIEW振动数据采集与分析系统[J].振动
与冲击，2006，25（8）：482-484.
[4] 何亚农，王艾伦，赵跃龙.LabVIEW虚拟仪器技术在机械基础实验教学中的应用研究[J].
装备制造技术，2007，29（10）：78-80.
[5] 白 晶.虚拟仪器技术在机械工程测试实验教学中的应用一例[J].仪器仪表标准化与计
量，2004，20（1）：32-34.
[6] National Instruments Corp. DAQ Card E Series User Manual （Multifunction I/O Cards
for PCMCIA） [M]， Austin： National Instruments Corp，1999：183～188.
[7] Creating Quality UIs with NI LabVIEW interface based on LabVIEW，GSDzone.net
/community 《LabView開发者丛书》.
基金项目：1、江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（项目编号：
201211276320）
2、南京工程学院校级教改课题“面向现场工程师的机械类专业测试
技术课程的改革与实践”（项目编号：JG201109）
作者简介：郑勇（1978年10月—），男，江苏兴化人，南京工程学院机械工程
学院讲师，主要研究方向为计算机辅助测试、虚拟仪器技术等。
地址：江苏省江宁科学园弘景大道1号南京工程学院，邮编：211167. 电话：
电话：13915971712