0 引言
机械振动测量是工程测试中常见的内容,传统的测量手段通常是依靠功能单一、价格昂贵、可重配置性弱的硬件仪器完成的[1]。因此,研制一个成本低、精度高的振动测试系统有着非常重要的实际意义。随着科学技术的发展,特别是计算机在测试测量领域的广泛应用,产生了许多新的测试技术与方法。
虚拟仪器充分利用先进的科技技术,如计算机技术、模块化的数据采集调理电路及总线技术等,可以实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的特殊功能,常被称作“软件仪器”。它利用数据采集模块完成一般测量测试仪器的数据采集功能,利用计算机系统完成一般测量测试仪器的数据分析和输出显示等功能。虚拟仪器是计算机技术、现代测量技术共同发展的结晶,代表着当今仪器发展的最新趋势[2]。
本文介绍了基于LabVIEW2009,采用生产者—消费者模式设计的一种振动测试系统,并将其应用于齿轮传动的振动测量。
1 生产者—消费者模式及其实现
1.1 普通循环模型
一个典型的测试程序的过程可以简化为数据的采集、分析、存储和显示等。如果采用“普通循环”模型(如图1所示),其各程序模块顺序相连,由最后一个子VI用来判断实验是否结束、是否进入下一个循环。它的优点是程序结构简单,容易设计和理解。但是此模型的每个功能模块存在依赖关系,它只能单线程运行,即计算机必须从前到后依次执行,直到最后一个模块完成才执行下一个循环。例如尽管数据分析模块是一个相对比较缓慢的过程,但计算机还是必须先执行完它才进行下一个循环数据采集工作,这使得整个程序的执行速度也相对缓慢。
1.2 管道流水线模型
一种改进效率的方法就是采用“管道流水线”模型,可以同时运行这几个功能模块。当然同时运行并不是对同一数据同时运行这几项功能,而是程序在采集新的数据的同时,分析上一次循环迭代采集到的数据(如图2所示)。同时存储和显示上一次循环分析好的数据,这就有点类似于一个需要多道工序产品的生产作业流水线。流水线在一定程度上提高了程序的效率,但其每处理一个数据的时间取决于各步骤中耗时最长的那个,如果程序中总是同一个步骤耗时最长,那么使用“流水线”模型是个非常好的选择。但是实际程序行中,受数据传输线路影响,数据采集进电脑的速度可能时快时慢;而受计算机中其他程序的影响,计算机对数据的处理过程也可能时快时慢。流水线的速度总是取决于各工序中最慢的一个,如果能使用一个缓存,在采集数据达到最快、处理速度较慢的时候,把数据先存下来,等采集速度减慢或处理速度变快时再对缓存中的数据进行处理,程序的总体效率就可以进一步提高。
1.3 生产者—消费者模型概念及其实现方式
生产者—消费者设计模式包括一个或多个并行循环,每个循环以不同的速率执行任务。一个循环作为生产数据的循环,其他循环作为消费数据的循环。生产数据的循环控制所有消费数据的循环,并且使用一定的通信技术与它们进行通信。其程序模型如图3所示。
生产者—消费者模式使用队列对采集到的数据做一个缓存,可以避免使用其他通信方式造成的竞争、重复分析或数据丢失现象。生产者产生的数据放入队列的过程耗时极少。也就是说,数据采集有多快,就可以以多快的速度存放数据到缓存。程序的另一部分则不停地从队列中取出数据,对其进行处理。如上文的系统中,可以将数据采集作为生产者,数据分析、存储、显示作为消费者,这样就能进一步提高系统的效率[3]。本测试系统就是基于上述模型所设计的程序结构。
2 硬件构成
结合我们实验室现有硬件的实际情况,本系统由计算机、动态数据采集卡PCI 4472、被测减速器、加速度传感器、变频调速电机、变频器、转矩转速传感器及磁粉制动器等组成。
测试系统中的采集卡4472,提供8路伪差分模拟输入通道,24位分辨率,集成电路压电调节,信号输入范围10V~+10V,每通道采样速度可以达到102.4kS/s,动态范围为110dB,最大信号带宽45kHz,频率精度为±25ppm。转矩转速传感器和加速度传感器分别测量齿轮箱的输入轴转速信号和振动信号分别连接到采集卡的0、1通道,经模数转换后,采集信号到计算机中。
3 软件系统组成
对于虚拟仪器测试系统,其最核心的思想,就是利用计算机的硬软件资源,使本来需要硬件实现的技术软件化,以便最大限度地降低系统成本,增强系统的功能与灵活性,所以说软件是虚拟仪器系统的关键。本系统软件部分主要由数据采集、存储、查询、分析及报表生成等部分组成。
3.1 数据采集模块设计
正确选择采样参数,是得到理想离散数据的关键。采样频率是单位时间内采集的离散点数,根据不同的信号频率和不同的分析方法,需要选择不同的采样频率。对于本文介绍的齿轮传动系统,假设啮合频率为f′,需要分析到m次谐波(即m倍频),则采样频率fs取fs≥2.5×m×f′比较合适,当然这样做必须先滤掉信号中大于mf′的频率分量。本文测量中采用的采样频率为4kHz。
采集程序可以使用DAQ助手、API函数编程,本系统采用交流耦合的方式将转速信号和振动信号采集进计算机。
3.2 数据存储、查询模块设计
数据输入输出是测试系统最主要的功能之一,测试系统经常需要将测试数据保存在磁盘上,以便于日后调出进行分析对比或定期生成报表。LabVIEW提供了一种比较高效的、专门应用于信号存储的文件格式———TDMS,尤其在LabVIEW2009发布以来,TDMS文件读取的速度得到了大幅度的提升,不仅减少了存储的时间,也提高了存储数据的价值,尤其适合于数据量较大的采集信号文件。本系统采用以时间区分文件名的、基于生产者—消费者模式设计的TDMS格式文件存取以生成记录文件。
3.3 数据分析模块设计
在振动测试系统中,真实信号的特征往往容易受到噪声的干扰,使得信号中有用的特征信息也常常淹没在噪声之中。用小波进行信号的消噪既能有效地消除噪声,提高信噪比,又能很好地保存有用信号的突变和尖峰部分,具有自适应性,而且没有延时和失真,能较好地提高精度。因此,本系统基于生产者—消费者循环,采用小波对信号进行去噪,可得到振动信号的时域、频域和时频特征,其主程序和部分数据分析程序如图4、图5所示。
4 实验验证
基于生产者—消费者循环的齿轮传动测试系统主要由计算机、实验台、数据采集卡、传感器等组成,其中,齿轮传动的齿数为73/26,其系统结构图如图6所示。
由上述系统,进行了齿轮箱输入输出转速的测量,齿轮振动信号的采集、存储、回放、分析等实验,得到了较理想的结果,部分测试分析结果如图7所示。
图7为齿轮传动振动信号在输入轴转速分别为500r/min、750r/min、1000r/min、1250r/min时的小波去噪后的功率谱图,由齿轮啮合频率f啮=n×z60,故齿轮的理论啮合频率分别为217Hz、325Hz、433Hz、542Hz。从实验结果可以看出,在各转速下,功率谱的幅值随着转速的增加而逐渐增大,出现幅值的频率均在啮合频率的倍频程附近,说明振动主要是由传动误差引起的轮齿冲击造成的振动,在转速较高时出现了其他地方的牵连振动。
5 结束语
基于生产者—消费者模型,结合虚拟仪器LAB-VIEW建立了一套齿轮传动振动测试系统,该系统性能稳定,功能齐全,使用方便,同时还可以根据不同的要求对其进行扩展。所使用的的生产者—消费者循环能有效避免数据丢失、重复分析以及死循环等预想不到的后果,是其在齿轮传动测试系统中一个很好的应用,对新型齿轮传动测试系统开发有参考价值。
参考文献
[1] 徐艳华,倪雁冰,杨志永,等.基于虚拟仪器的机械振动测量技术[J].组合机床与自动化加工技术,2003(10):53-54.
[2] 杨忠仁,饶程,邹建,等.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报:自然科学版,2004,27(2):32-35.
[3] 阮奇桢.我和LabVIEW/一个NI工程师的十年编程经验[M].北京:航空航天大学出版社,2009:198-200.
本文作者：唐进元 李 松 邵 文
收稿日期:20100526
基金项目:国家自然科学基金项目资助(50875263)
作者简介:唐进元(1962- ),男,湖南永州人,教授
