摘 要： 研制了以虛擬儀器技術為核心的動平衡測試與分析系統。介紹了基于LabVIEW圖形化編程語言及NI公司的聲音振動工具包和PCI-4472數據采集卡組成的動平衡測試系統的設計方法。
關鍵詞： 動平衡；虛擬儀器；LabVIEW；數據采集卡
在現代工程技術領域中，動平衡測試分析已成為旋轉機械工程中的一個重要環節。目前所用的大部分動平衡儀器仍屬于傳統儀器，雖然已取得了良好的效果，但仍存在某些不足[1]。為適應現代動平衡的需要，提高測試精度，本文將虛擬儀器技術、數字信號處理技術與動平衡技術相結合，利用圖形化編程軟件LabVIEW及聲音振動工具包和NI公司的PCI-4472數據采集卡組建了基于虛擬儀器技術的動平衡測試系統。將動平衡測試技術的開發重點由過去硬件設計轉向數字化測量的軟件設計。
1 動平衡測試原理
剛性轉子總可以在不與轉子重心相互重合、同時與轉子軸線的2個校正平面上，加上(或減去)適當重量來達到動平衡[2]。轉子旋轉時支架上的軸承受到了“不平衡量”的壓力(包含著“不平衡量”的大小和相位信息)。動平衡測試系統的結構如圖1所示，在動平衡系統的轉子支撐點兩端各有1個速度傳感器用以拾取轉子的振動信號，而在轉子一側的光電傳感器是用來獲取相位基準以及轉速信息。3路信號送入數據采集卡后上傳至上位機對信號進行處理，通過一定的解算，得到所需校正量的大小和相位，據此就可以實現對轉子的不平衡校正。
將2個振動傳感器安裝在兩支撐處，則轉子不平衡振動信號經傳感器轉換成電壓信號，經數據采集卡送入虛擬儀器軟件進行分析處理。兩校正量的大小為[3]：
式中，FL、FR為不平衡質量產生的離心力；R1、R2為不平衡質量的校正半徑；ω為轉子轉速；fL、fR為兩支軸承上承受的動壓力；A、C為左、右校正平面至左、右支承軸承間的距離；B為左、右校正平面之間的距離。
其中，K為傳感器的靈敏度；VL、VR為左、右傳感器的輸出。
2 動平衡測試系統設計
該測試系統要實現對測試對象振動數據的采集、對采集的數據進行濾波，通過PCI總線傳輸到計算機上，利用LabVIEW軟件對數據進行分析和處理。如圖2所示，測試系統分為硬件和軟件2個部分。硬件部分主要實現數據采集和數據傳輸功能；軟件部分主要實現對數據的分析、處理、顯示和計算功能。
2.1 測試系統硬件
轉子系統的動平衡測試技術主要是通過轉子振動信號的峰值與相位，從而獲取轉子系統不平衡量的大小和相位信息的技術。本文設計的動平衡測試系統的硬件部分由數據采集模塊、左右支撐測振傳感器和相位測量光電傳感器組成。其中，數據采集模塊使用的是美國NI公司生產的基于PCI總線的PCI-4472數據采集卡。該卡是一種性能優良、高精度的適用于PC機模擬輸入的數據采集卡。它有8個差分模擬輸入通道，每個通道最大采樣率為102×4 ks/s，24 bit采樣分辨率，±10 V的電壓范圍，可以用模擬和數字2種觸發方式進行數據采集[4]，可應用于聲音信號處理和分析、音頻測試、振動和模態分析等一些需要高精度信號采集的場合。PCI-4472可以保證實現儀器的功能、精度和可靠性，為用戶提供功能靈活、性價比高的虛擬儀器和更好的硬件平臺。
本系統采用的硬件驅動程序是NI公司自帶的驅動程序MAX，同時MAX還是一個管理軟件，可以用來設置數據采集任務。當被測轉子旋轉后，安裝在左、右2個支撐架上的速度傳感器將包含不平衡信息的2路電壓信號輸出到PCI-4472數據采集卡的2個信號輸入端，與此同時，安裝在轉子上方的光電傳感器產生與轉子同頻同相的參考信號，通過數據采集卡輸入到計算機。
硬件部分主要完成數據采集功能并將采集到的數據傳輸到計算機中。由于該部分使用的是NI公司的數據采集卡，所以在與上位機通信時無需再編寫相應的驅動程序。在該設計中，數據采集卡共采集2個振動傳感器測量的2個轉子的振動量和1個光電傳感器測量的轉速的3路信號。在數據采集卡的數據采集方式上，為了保證較小的平衡相位誤差采用了鎖相環技術，實現信號的同步整周期采樣。由于由轉子的不平衡量所產生的振動信號與轉子的旋轉速度同頻，而轉子的轉動速度并不是恒定不變的，因此，如果采用定時器進行定時采樣，用快速傅里葉變換求頻譜，會造成較大的誤差，尤其是相位誤差，而鎖相環的特點是可以使輸入信號與輸出信號的相位始終保持一致，頻率保持一定的倍數關系。這樣，在轉子的一端選定一個基準點，通過光電傳感器每圈輸出1個脈沖，將此脈沖整形放大倍頻之后進行采樣，就實現了同步的整周期采樣，將采集到的信號進行處理后可以極大地降低相位誤差。
數據采集卡通過整周期采樣所獲得的數據已經包含了振動信號的幅值、相位及平衡轉速信息。由采集卡獲得的數據通過PCI總線上傳至PC機，由上位機的LabVIEW程序做進一步的分析、處理和解算，從而得到有關轉子的不平衡量的大小、相位以及轉速等信息并進行顯示。
2.2 測試系統軟件
本測試系統軟件開發工具使用的是中文版LabVIEW8.2及聲音振動工具包(Sound and Vibration Toolkit)。LabVIEW是目前公認的一種開發虛擬儀器較好的軟件平臺。聲音振動工具包將LabVIEW做出了進一步拓展[5]，簡化了許多聲音和振動測量的應用開發。本工具包擁有聲音和振動工具，包括了典型的音頻測試、聲學測試、振動分析、機器狀態控制等功能。利用LabVIEW進行程序的開發包括2個主要部分：(1)前面板即用戶界面的設計；(2)源代碼框圖程序的設計。前面板的用戶界面是用戶和計算機之間進行交互的橋梁，LabVIEW提供了功能強大的用于前面板設計的控件并且分門別類地放在控件模板中，可以使用它們設計出簡潔美觀、操作方便的用戶界面。
計算機通過數據采集卡采集3路信號，由虛擬儀器進行前置處理、頻譜分析、校正平面之間的分離解算，最終算出左右兩面的不平衡(g)、校正角度(°)、以及實測轉速(r/min)。儀器主界面如圖3所示。
程序框圖則是實現前面板功能的圖形化源代碼。前面板的所有功能如基本參數的設置、啟動系統的采樣、分析處理振動信號及兩校正平面上的不平衡量等都需要通過后面板的程序設計來實現，整個程序的流程框圖如圖4所示。
2.2.1 數據采集
數據采集模塊主要是用來對數據采集各種參數的控制，如采樣數、采樣速率、通道選擇等的控制，完成信號從傳感器到計算機的通信。LabVIEW7.1以后新增加了Express VI[5]，Express VI封裝了一些常用的功能，用戶只需在其屬性對話框對其進行簡單的設置即可無需再通過編程實現其功能。該模塊使用了Express VI中的DAQAssistant來設置數據采集卡。DAQAssistant完全以菜單形式驅動，不需要任何編程并且大大減少了測量的時間，只需簡單的鼠標點擊即可完成創建和配置數據采集的任務。雖然Express VI簡單方便但也缺少一些功能和靈活性，由于它的屬性只能在對話框中設置，所以不能實現人機交互設置。因此，想要實現人機交互設置就必須把Express VI轉變為標準VI。通過轉換用戶就可以在前面板交互式地配置采樣方式、采樣頻率、采樣點數等數據采集參數，而不需要在MAX中設置。
2.2.2 數據分析
該模塊包括頻域分析等與動平衡直接有關的轉速、基頻檢測和相關處理等。其操作界面如圖5所示。這一模塊主要是為了讓用戶詳細了解數據分析過程。
濾波器窗口：顯示濾波后的曲線，如圖5(a)所示。在數據采集的過程中不可避免地要參雜一些干擾噪聲信號，這些干擾信號不利于對原始信號的分析。本系統根據轉速變化比較平穩、振動比較頻繁等特點，采用了聲音振動工具包中的逆切比雪夫帶通濾波器(Inverse Chebyshev Band—Pass Filter)，由于控制轉速為600~8 000 r/h，所以采用了三階逆切比雪夫帶通濾波器，其上下限截止頻率可設為5~160 Hz，可使測量的幅值尤其是相位更加正確、穩定。
頻譜分析圖：顯示FFT變換左右支撐振動信號的幅值譜，結果如圖5(b)所示。頻譜分析中使用最普遍的FFT變換。根據動平衡機平衡與不平衡時振動速度信號的頻率譜差別查找不平衡時頻譜中振動信號的譜峰。在該模塊設計中使用了聲音振動工具包中的“SVT FFT Spectrum.vi”。在工具包中包含了比較綜合的多種專用于音頻和振動信號的頻譜分析VI，其參數表基本上囊括了進行頻譜分析的所需要的所有參數。
實際偏心量分布圖：自動檢測時，動態顯示每次測試的偏心量的變化情況，如圖5(c)所示。
實際相位分布圖：自動檢測時，動態顯示每次測試的偏相位角的變化情況，如圖5(d)所示。
2.2.3 結果計算與保存
該模塊主要完成不平衡量大小和相位的計算及結果的保存。通過在前面板中的參數設置，根據動平衡測試原理即可求出不平衡量的大小和相位。而數據存儲使用了LabVIEW中Express VI“寫入測量文件”，在該VI彈出的設置對話框中可以選擇文件的存儲格式、文本文件類型、二進制類型和帶XML的二進制類型，用戶可以根據不同目標選擇所要存儲的類型。本系統選擇了文本文件類型。
3 實驗結果
為驗證系統的性能，在DPH-I智能動平衡機上對轉子進行了平衡實驗。平衡前在2 400 r/min轉速下測得轉子的校正面上，不平衡量的最大值為51 g，在相同轉速下進行動平衡后，測得轉子的不平衡量減小到2 g以下，同時可以感覺到振感明顯減輕。
測試結果體現了測試過程便捷、測試數據精度較高的特點。在測試過程中，實現了數據采集、數據分析、結果顯示都由計算機自動處理的功能，減少了人工的干預，大大提高了測試的準確性。
虛擬儀器技術是計算機技術與儀器技術深層次結合的一門新興技術，在開發測試系統時具有其他開發工具所不具備的優勢，其圖形化編程模式可以大大提高軟件的開發速度，而且是專門針對測試系統所開發的軟件，因此具有強大的數據分析、數據控制和數據表達能力，更重要的是它以PC機和數據采集卡為通用硬件平臺，較之傳統儀器更加易于維護，并且成本大大降低。在通用硬件平臺確定之后，其功能主要是由軟件實現測試，而不像傳統儀器那樣主要是由硬件決定，比較容易實現技術的更新和功能的擴展。因此，將虛擬儀器應用于動平衡測試系統，可以使整個系統有較高的精度、縮短開發時間、降低成本。提高編程效率，并且具有良好的使用效果，系統易于維護和實現功能的擴展和升級，具有較好的發展前景。實驗表明，利用 LabVIEW 開發的本系統較為完美地完成了對不平衡量大小和相位的求解。
參考文獻
[1] 周井玲，吳國慶.基于LabVIEW的振動采集系統開發[J]. 微計算機信息，2004，20(9)：3-6.
[2] 唐治宏，劉景能，黃炳瓊，等.基于LabVIEW的便攜式動平衡測試系統研究[J].裝備制造技術，2007(6).
[3] 齊家敏，李智利，汪正祥.基于LabVIEW的動平衡測試系統設計[J].微計算機信息，2007(10).
[4] Nationnal Instruments Corporation.NI 4472 user manual.2001.
[5] National Instruments Corporation. LabVIEW 7 express
sound and vibration toolkit user manual.2004.