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1.黃晨 2.吳聰 3.王亮
1、2，北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司； 3，大陸汽車(chē)電子（長(zhǎng)春）有限公司
摘要：本文介紹了一種便攜式振動(dòng)與壓力采集分析系統(tǒng)在汽車(chē)振動(dòng)環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分采用了基于虛擬儀器技術(shù)的NI的模塊化硬件，配合LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)振動(dòng)環(huán)境的仿真。
關(guān)鍵詞：振動(dòng)測(cè)試 LabVIEW 環(huán)境仿真 隨機(jī)信號(hào)
0.引言
目前，中國(guó)的汽車(chē)工業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期，廠商間的競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈和日趨白熱化，汽車(chē)工業(yè)對(duì)于縮短開(kāi)發(fā)周期，減少部件測(cè)試費(fèi)用的需求迫在眉睫。然而同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)在模擬仿真技術(shù)這一重要領(lǐng)域的應(yīng)用水平落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，這大大制約了我國(guó)汽車(chē)業(yè)的發(fā)展，所以如何構(gòu)建理想的仿真測(cè)試環(huán)境，更好的對(duì)車(chē)載電子設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，成為了困擾廠商的一大技術(shù)難關(guān)。
本文提供了一種方法，通過(guò)原始行車(chē)間振動(dòng)信號(hào)的采集、特定算法分析、振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)信號(hào)輸入等步驟，實(shí)現(xiàn)了在試驗(yàn)環(huán)境中完全仿真真實(shí)的整車(chē)振動(dòng)環(huán)境。24位動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡配合高精度的傳感器，充分的保證了測(cè)得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。設(shè)備核心部分應(yīng)用程序使用了LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其強(qiáng)大的調(diào)試功能和靈活的架構(gòu)使我們可以對(duì)程序?qū)崿F(xiàn)的功能進(jìn)行修改和補(bǔ)充，從而更好適應(yīng)測(cè)試的新需求。便攜式工控機(jī)的設(shè)計(jì)，除了能更好的適應(yīng)各種測(cè)量環(huán)境以外，保證了數(shù)據(jù)的可靠性以外，還為日后的擴(kuò)展需求提供了可能性。
1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
如圖1所示，該系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感器部分和數(shù)據(jù)采集部分兩部分組成。
傳感器部分根據(jù)信號(hào)類(lèi)別不同分為振動(dòng)測(cè)試部分和油壓測(cè)試部分，振動(dòng)測(cè)試部分傳感器選用的是IEPE型3軸加速度傳感器，油壓測(cè)試部分選用了IEPE型的壓力傳感器。IEPE型的傳感器精度較高，保證了數(shù)據(jù)采集的精確性。并且其安裝便捷，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)多變的環(huán)境。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分選用了NI的PCI-4472動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡，板卡內(nèi)置4~20mA的電流激勵(lì)，方便了IEPE型傳感器的連接，而且PCI-4472高達(dá)24bit的分辨率，110dB動(dòng)態(tài)范圍可以保證采集到加速度數(shù)據(jù)的精確性。系統(tǒng)的監(jiān)控終端選用了便攜式工控機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡直接安裝在工控機(jī)的PCI插槽上，工控機(jī)具有許多抗震抗干擾的設(shè)計(jì)，這使得整套系統(tǒng)能夠適用于各種惡劣的測(cè)試環(huán)境。
2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件使用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)，該程序提供了硬件配置，數(shù)據(jù)采集，信號(hào)分析到生成報(bào)表等一系列功能模塊。
在完成基本測(cè)試任務(wù)的同時(shí)，針對(duì)不同的汽車(chē)部件產(chǎn)品，通常還會(huì)有一些特殊的測(cè)試需求。以本次應(yīng)用為例，在對(duì)汽車(chē)輸油管進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試的同時(shí)，還希望對(duì)輸油管的油壓信號(hào)進(jìn)行采集分析。本套系統(tǒng)利用了數(shù)據(jù)采集卡多通道的特性以及應(yīng)用程序配置的靈活性，很好的完成了對(duì)附加的油壓信號(hào)的測(cè)試。
PCI-4472總共支持8通道的數(shù)據(jù)采集，在通道數(shù)上能夠滿(mǎn)足附加測(cè)試的需求（加速度3通道，油壓1通道），而NI 提供的驅(qū)動(dòng)—DAQmx，也為實(shí)現(xiàn)在軟件層面上配置采集參數(shù)創(chuàng)造了條件。應(yīng)用程序提供了如圖2所示的通道配置界面。
通道配置界面中可以直接選擇要使用的物理通道，配置通道的電流激勵(lì)、采集信號(hào)的上下閾值、傳感器的靈敏度換算或是采樣率，應(yīng)用程序會(huì)自動(dòng)完成對(duì)硬件設(shè)備的配置。這些配置信息可以保存為配置文件，以方便在不同測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
3.信號(hào)處理方法
3.1算法及優(yōu)化
車(chē)輛在行進(jìn)中產(chǎn)生的振動(dòng)一般用一個(gè)各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)作為模型，而要描述這樣的一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)，通常用頻域統(tǒng)計(jì)的方法，即功率譜密度（Power Spectral Density，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為PSD）。要在振動(dòng)臺(tái)上模擬真實(shí)環(huán)境中車(chē)輛的振動(dòng)情況，就需要在振動(dòng)臺(tái)上輸入振動(dòng)的PSD譜。那么準(zhǔn)確的獲得車(chē)輛行進(jìn)中振動(dòng)信號(hào)的PSD譜就成為了仿真整車(chē)振動(dòng)環(huán)境的關(guān)鍵。
該系統(tǒng)中采用的計(jì)算功率譜的方法是周期圖分析，設(shè)信號(hào)x[n]所加的窗函數(shù)為w[n]， L為加窗后截取的樣本數(shù)，其傅里葉變換為
那么作為一種功率譜估計(jì)的量
其中常數(shù)U是預(yù)先考慮到在譜估計(jì)中為了消除偏差而進(jìn)行歸一化所需要的。當(dāng)窗w[n]為矩形窗序列時(shí)，這種功率譜的估計(jì)器稱(chēng)為周期圖。如果窗不是矩形的， 則稱(chēng)為修正周期圖。
在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)：該種PSD譜估計(jì)的方法在L值取值較大時(shí)得到的結(jié)果并不理想，實(shí)際表現(xiàn)為在所有頻率處均有較大的起伏，而該起伏與要得到好的功率譜估計(jì)的目標(biāo)是不一致的，比較理想的情況是得到一個(gè)沒(méi)有有估計(jì)過(guò)程引起隨機(jī)變化的平滑譜估計(jì)。所以在系統(tǒng)中采用了平均周期圖法進(jìn)行了算法優(yōu)化。具體做法是將信號(hào)x[n]分成K個(gè)等長(zhǎng)（長(zhǎng)度為L(zhǎng)）的序列段，其中第r個(gè)序列段的周期圖為
周期圖平均包括對(duì)K個(gè)周期圖的估計(jì) 一起求平均，定義為
從圖4a和圖4b可以看出，經(jīng)過(guò)周期圖平均法處理后的PSD譜，其平滑效果要優(yōu)于處理之前。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)后證明，K的取值越大，平滑效果越明顯，但是相應(yīng)的頻域分辨率也會(huì)越低。一般根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整K與L的取值。
3.2去噪處理
考慮到實(shí)測(cè)環(huán)境的復(fù)雜性，以及振動(dòng)信號(hào)本身的特點(diǎn)，該系統(tǒng)對(duì)可能產(chǎn)生的噪聲從軟、硬件兩個(gè)方面進(jìn)行了相應(yīng)的處理。
在硬件上，PCI-4472動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡自帶了抗混低通疊濾波器，能夠有效濾除有效采樣頻率以上的噪聲，使得系統(tǒng)從硬件層面上排除了大部分高頻噪聲的干擾，濾波器的頻率閾值可以通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)采集的采樣率來(lái)控制。
在軟件上，應(yīng)用程序提供了IIR與FIR兩種數(shù)字濾波器，可以自定義高通、低通、帶通、帶阻以及梳狀濾波多種濾波器類(lèi)型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，使得噪聲的干擾降到最低。如圖5a和圖5b所示，如果采樣率較高，信號(hào)仍然會(huì)混疊部分高頻噪聲。在用應(yīng)用程序的低通濾波處理之后，獲得了比較理想的結(jié)果。
4結(jié)語(yǔ)
層出不窮的新技術(shù)不斷地滿(mǎn)足著新的測(cè)試需要，也使測(cè)試測(cè)量行業(yè)不得不面對(duì)新的挑戰(zhàn)。振動(dòng)測(cè)試所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性的手工編輯變?yōu)榱似?chē)行進(jìn)中采集到的真實(shí)數(shù)據(jù)，測(cè)試環(huán)境從單一的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量變?yōu)榱瞬煌?chē)行進(jìn)中的實(shí)際測(cè)量。面對(duì)挑戰(zhàn)，我們從測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境的特點(diǎn)出發(fā)，兼顧測(cè)量的精確性、可靠性和靈活性，提供了一套完整的測(cè)試測(cè)量的解決方案，從而為更好的對(duì)車(chē)載設(shè)備進(jìn)行測(cè)試創(chuàng)造了條件。
參考文獻(xiàn)：
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