基于DRVI平臺的軸心軌跡與噪聲測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

韓德東

摘? 要：基于DRVI （Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument） 可重組虛擬儀器平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)了軸心軌跡測量與噪聲測量實(shí)驗(yàn)。所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及平臺可有效測量轉(zhuǎn)動裝置軸心軌跡，并可根據(jù)測得的軸心軌跡判斷轉(zhuǎn)動機(jī)械裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的噪聲大小及來源可判斷轉(zhuǎn)動裝置所發(fā)生故障的形式以及故障發(fā)生的具體位置。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐聯(lián)系密切，開發(fā)成果可應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，豐富了教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：可重組虛擬儀器平臺;軸心軌跡;噪聲;轉(zhuǎn)動裝置

中圖分類號：TM937.4? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這項(xiàng)概念是由美國國家儀器公司率先提出的，它是用一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)對測試、測量相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行輔助運(yùn)算的新概念技術(shù)。虛擬儀器的誕生標(biāo)志著測試技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，同時(shí)也改變了儀器行業(yè)的發(fā)展方向。

虛擬儀器技術(shù)分為硬件與軟件2部分，該技術(shù)除了具有便捷的圖形環(huán)境，還具有完善的接口通信功能?；谶@2項(xiàng)功能，用戶可以通過建立虛擬儀器面板，實(shí)現(xiàn)由軟件對硬件的控制。這套控制流程不僅完全代替了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還體現(xiàn)出很多優(yōu)點(diǎn)：虛擬儀器大大縮小了實(shí)驗(yàn)設(shè)施的規(guī)模，小巧便捷;“控件軟化”使得設(shè)備易于后期維護(hù)與升級;用戶采用不同的軟硬件組合方式，自行定義儀器的功能使得整個(gè)系統(tǒng)的可重組性、容錯(cuò)性大大提高，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)效率。根據(jù)專業(yè)的統(tǒng)計(jì)估算顯示，虛擬儀器所占的市場份額預(yù)計(jì)在21世紀(jì)50年代將上升到整個(gè)電子測量儀器的50%，這意味著虛擬儀器將逐漸發(fā)展為測試領(lǐng)域的主流技術(shù)方式。

1 DRVI平臺構(gòu)成及功能

該文采用的DRVI可重構(gòu)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺操作簡單方便，十分適合課程教學(xué)。從設(shè)計(jì)思路上來說，DRVI將汽車和PC機(jī)的裝配模式運(yùn)用到自身的裝配形式上，使其具有獨(dú)樹一幟的結(jié)構(gòu)形式。它將測試系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)部分具體地分為總安裝底盤和可以實(shí)現(xiàn)不同功能的模塊，將二者組裝起來就可以形成虛擬儀器測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。至于該平臺的自定義測試功能，將不同的功能模塊按需組合就可以自身的實(shí)際需求定義不同的虛擬儀器功能。

DRVI實(shí)驗(yàn)平臺采用的是軟件總線和軟件芯片連接搭配的構(gòu)造形式。它的主體是一個(gè)帶有軟件控制線和數(shù)據(jù)線的軟主板，可實(shí)現(xiàn)2方面的連接。一方面可插接軟儀表盤、軟信號發(fā)生器、軟信號處理電路、軟波形顯示芯片等軟件芯片組;另一方面能與A/D卡、I/O卡等硬件設(shè)備進(jìn)行連接。其中軟件總線具有的開放性以及COM/DCOM組件具有的即插即用特性使整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)擁有了開源化，可重組化的特點(diǎn)。在DRVI平臺上進(jìn)行二次實(shí)驗(yàn)開發(fā)的過程中，無須擔(dān)心編譯、鏈接等環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)搭建過程易掌握，可實(shí)時(shí)根據(jù)自身的實(shí)際需求定義不同的虛擬儀器功能。實(shí)驗(yàn)者可直接在操作面板上通過簡單地放置和刪除軟件芯片并進(jìn)行連線，就能夠搭建出具有自定義功能的測試實(shí)驗(yàn)平臺。

2 軸心軌跡與噪聲測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

利用選定的傳感器將采集到的外部信號通過平臺的通信接口（轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺模塊、數(shù)據(jù)采集儀）傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)端需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。因此對于該實(shí)驗(yàn)的控件選用，分析如下。首先，為了將數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，選擇一個(gè)“USB采集卡”芯片;再選擇一個(gè)二狀態(tài)的“啟/停按鈕”芯片來啟閉“USB采集卡”芯片，進(jìn)而控制數(shù)據(jù)采集儀的啟閉;另外，可以插入2個(gè)“數(shù)字濾波”芯片，分別負(fù)責(zé)x與y 2個(gè)方向的濾波，用來避免用電渦流傳感器獲取微小位移信號的時(shí)候受到的高頻信號的干擾;再選擇一個(gè)“FFT頻譜運(yùn)算”芯片來計(jì)算聲傳感器噪聲信號的頻譜，后續(xù)會進(jìn)行倍頻程的計(jì)算;選擇2個(gè)“VBScript子程序”芯片，在其中編寫VBScript代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與運(yùn)算;選擇1個(gè)“矩形表頭”芯片，做成一個(gè)轉(zhuǎn)速表;選擇1個(gè)“倍頻程分析”芯片，其作用是采用FFT算法計(jì)算聲音輸入的噪聲信號的倍頻程譜;選擇文字顯示芯片來顯示必要的提示信息，選擇裝飾芯片來繪制界面邊框。以上是搭建軸心軌跡測量與噪聲測量實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)的控件選用分析，在DRVI3.0的空白界面上插入上述芯片即可。最后通過設(shè)置不同 IC芯片特性窗中的參數(shù)以及調(diào)節(jié)特性窗中的線號值就可以完成軸心軌跡測量與噪聲測量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與搭建。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容分為2部分，主要部分是軸心軌跡的測量與觀察，由于實(shí)驗(yàn)平臺的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺不會出現(xiàn)故障或其他嚴(yán)重的磨損情況，無法觀察到故障時(shí)的軸心軌跡圖，因此該實(shí)驗(yàn)的操作是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速的變化，記錄軸心軌跡曲線的變化情況，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。次要部分是跟隨上述主要部分的操作來記錄聲壓級，需要測量2種噪聲。1） 啟動轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺之前的初始背景噪音聲壓級。2） 在不同轉(zhuǎn)速下裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音聲壓級。

2.2.1 軸心軌跡測量分析

在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺的配重盤上加一小重量2.8 g的螺釘作為不平衡重，軸心軌跡圖會逐漸呈現(xiàn)橢圓形狀，隨轉(zhuǎn)速升高軌跡變化的具體過程如下所述。

100轉(zhuǎn)速級：轉(zhuǎn)速為99.601 rpm時(shí)的軸心軌跡是不封閉的弧形曲線，弧型短，不光滑。200轉(zhuǎn)速級：轉(zhuǎn)速為212.84 rpm時(shí)的軸心軌跡是不封閉的弧形曲線，弧形變長，不光滑。300轉(zhuǎn)速級：轉(zhuǎn)速為298.88 rpm時(shí)的軸心軌跡是封閉的多重橢圓交錯(cuò)線，外包絡(luò)線近似為橢圓，不光滑。400轉(zhuǎn)速級：轉(zhuǎn)速為409.72 rpm時(shí)的軸心軌跡是封閉的跳躍曲線，跳躍程度大大降低，外輪廓向橢圓過渡，不光滑。450轉(zhuǎn)速級：轉(zhuǎn)速為454.90 rpm時(shí)的軸心軌跡是封閉的不光滑曲線，不光滑形式為凸起和凹陷，說明有不對中的情況。外輪廓繼續(xù)向橢圓過渡。500轉(zhuǎn)速級：轉(zhuǎn)速為500 rpm時(shí)的軸心軌跡是外輪廓近似為橢圓的封閉曲線。有很少的凸起與凹陷，不對中。略顯光滑。

2.2.2 噪聲測量分析

轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了得到準(zhǔn)確的裝置運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，必須分析環(huán)境噪聲。轉(zhuǎn)速為0時(shí)的分貝值為29 dB，即環(huán)境背景噪聲為29 dB。而裝置開始運(yùn)轉(zhuǎn)后的最低分貝是60 dB，兩者之差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 dB。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中環(huán)境噪聲和被測聲源之間的計(jì)算關(guān)系，此種情況可以忽略背景噪聲對實(shí)際噪聲的影響。

轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噪音聲壓級隨著轉(zhuǎn)速的升高整體上呈現(xiàn)增大的趨勢，但具體會隨著機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)情況進(jìn)行波動，例如在轉(zhuǎn)速為298.88 rpm與1 293.1 rpn時(shí)，噪音聲壓級出現(xiàn)極大值，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。

3 結(jié)語

該文介紹了軸心軌跡測量與噪聲測量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，從理論分析入手，詳細(xì)闡述了該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)方法、傳感器的選用以及測試型實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析。其中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中涉及的具體內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路、實(shí)驗(yàn)界面、系統(tǒng)線號值設(shè)定、軸心軌跡測量與噪聲測量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理圖、軸心軌跡測量與噪聲測量實(shí)驗(yàn)的流程框圖。綜上所述，所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及平臺可以作為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教程的具體內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]王衛(wèi)國.國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（5）：215-217.

[2]劉偉偉.基于DRVI平臺下的多傳感器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2004（5）：10-11.