基于Labview的振动冲击测量系统设计

2017年4月第37卷第2期宇航计测技术Journal o! Astronautic Metrology and MeasurementApr.,2017Vol.37,No.2文章编号=1000-7202(2017) 02-0036-07 D01:10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.08基于Labview的振动冲击测量系统设计闫磊杨晓伟刘蠢朱刚焦蠢蠢(北京航天计量测试技术研究所，北京100076)摘要根据振动冲击试验设备测试要求，设计并研制一套测量系统。

系统基于虚拟仪器测量技术设计，通过采集振动冲击所产生加速度信号的频率和幅值，运用FFT技术进行信号处理和分析，完成对振动冲击试验设备的测量。

实验效果表明，该系统具有测量功能完善、测量结果准确可靠、软件操作简单等特点，能够满足目前在用的所有振动冲击试验设备的测量需求，在实践中已得到应用。

关键词振动冲击测量虚拟仪器中图分类号:TH825 文献标识码:ADesign for a Measurement System of Vibration and Shock Basedon LabviewYAN Lei YANG Xiao-wei LIU Xin ZHU Gang JIAO Xin-xin(Beijing Aerospace Institute!or Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076，China) Abstract In order to meet the demands o!measuring vibration and shock testing machines,the measurement system is developed.The system is designed by measuring technology o!virtual instrument.The system can measure the frequency and amplitude o!the acceleration signal,analyse the signal by FFT and realize the measurement.The experimental results demonstrate that the system has several characters ,such as perfect testing functions,accurate testing result and simple operation.The system can be used to calibrate all existing vibration and shock testing machines.This system had been used in practice.Key words Vibration Shock Measurement Virtual instrumentl引言振动冲击试验是航天器可靠性试验的重要组成 部分，可以模拟航天器实际运输、发射、飞行及着陆 过程中恶劣的力学环境，对航天器是否能够达到设 计规定的性能指标进行考核。

因此，对振动冲击试 验设备进行全面、准确、快速、有效的测量具有非常 重要的意义。

传统的振动冲击测量设备包括加速度传感器、电荷放大器、数字电压表、频率计、示波器、失真度测 量仪等。

这些计量设备功能单一、有限且不具备可 开发性，测量方法落后。

由于测量过程中使用仪器 设备较多,引人测量不确定度分量增多，导致测量误 差增大，对试验设备测量结果的判定带来影响。

随 着自动化测试技术的发展，采用虚拟仪器技术通过 应用程序将计算机与功能模块结合，在电子测量、自收稿日期：2016-07-07,修回日期：2016-10-26作者简介：闫磊（1980-)，男，高级工程师，主要研究方向：振动、冲击、空气声计量第2期基于Labview 的振动冲击测量系统设计.37 .动化检测系统中得到了广泛的应用[1]。

本文介绍 的振动冲击测量系统基于LabVIEW 设计完成，通过 建立一个虚拟仪器自动化测试系统，将测量信号采 集、仪器仪表控制、数据处理分析等功能集为一体， 并可根据使用需求进行软件功能扩展和二次开发， 在节约成本的同时，可以最大限度提升测试设备的 功能性，有效地提高振动冲击试验设备测量的准确 性和便捷性。

2系统总体方案及工作原理2.1系统总体方案振动冲击测量系统以现行的检定规程、校准规 范和国家标准为依据，充分利用虚拟仪器测量技术、 高速数据运算处理技术及海量数据存储技术，以多 通道信号同步采集、测量数据实时存储处理以及测 量结果直接判定等功能为核心进行设计。

鉴于振动 冲击试验设备的多样性特点，要求校准系统的硬件 技术指标，如测量频率范围、加速度量程等应尽可能 覆盖试验设备技术参数，软件设计要求具有振动冲 击信号采集、时域信号分析、频域信号分析、原始数 据保存、原始数据回放及实验报告自动生成等功能。

系统采用振动冲击传感器和便携式动态信号采 集卡搭建系统硬件部分，基于LabVIEW 开发平台实 现正弦振动测量、随机振动测量及经典冲击测量功 能的虚拟仪器软件开发，其系统框图如图1所示。

便携式动态信号采集卡图1振动冲击测量系统框图2.2工作原理数字式电动振动试验系统是目前使用最多振动 冲击试验设备，可用来产生正弦、随机、正弦加宽带 随机、窄带随机加宽带随机等振动激励和半正弦波、后峰锯齿波、梯形波等冲击激励，具有试验参数多、 实现功能全、应用范围广等特点。

以数字式电动振 动试验系统测量为例，对本系统工作原理进行说明:(1)根据检定规程要求，将多支传感器分别安在振动试验台工作台面上，与台面刚性连接，利用传感器将振动试验台的振动冲击信号转换为电信号；(2) 将动态信号采集卡与传感器连接，利用态信号采集卡采集传感器输出的电信号，通过FFT 分析和处理，将采集的电信号转换为振动冲击信号， 实现对振动试验台的加速度、频率、功率谱密度等参 数的测量；(3)参照规程中检定项目及检定方法要求用校准软件对所测量的振动冲击信号参数进行计 算，得到振动试验台示值误差、失真度、横向振动比、 动态范围等技术指标，对振动试验台的测量结果进 行判定。

3系统硬件设备系统硬件设备由计算机、动态信号采集卡及加 速度传感器组成。

对照被测试验设备的技术参数及 相应规程、规范和标准的要求[2]，其主要技术指标 如表1所示。

表1被测试验设备技术指标本系统选用美国P C B 公司生产的339M 37型三 轴振动加速度传感器，加速度量程上限500g ; 353B 04型振动加速度传感器，加速度量程上限 500g ;美国P C B 公司生产的350B 03型冲击加速度传感器，加速度量程上限可达10 000g ;动态信号采 集卡选用美国N I 公司生产的USB -4432型便携式 动态信号采集卡，采样率102.4kS /s，测量动态范围 可达102dB 。

以上设备技术参数均可满足振动冲击 试验设备测量需求。

振动冲击传感器设备项目技术要求数字式电动振动试验系统加速度量程0~ 100g 测量频率范围5H z ~ 2kH z 动态范围40d B 落体式冲击试验台加速度量程^3 000g脉冲持续时间^0.2m s 经典冲击测量随机振动测量正弦振动测量• 38 •宇航计测技术2017 年图2■■；■；!SSSSSS2SSSSSSSSSSSS5SSSSS5SSSSSSS5SSSSSSSSbss'■■SinjiincSniEcanrccSsniatfiiljiirasiaiinaaiaBiiirsicSsinEas^rEaliajn4系统软件设计系统软件基于LabVIEW 软件平台开发，结合振动冲击试验设备测量需求，设计便捷的人机交互界 面，可实现振动冲击信号米集、时域信号分析处理、频域信号分析处理、原始数据的保存与回看、实验报 告自动生成等功能，具有测量准确度高、测量功能完善、操作简单、实用高效等特点。

图2所示为本系统 软件主界面图。

1800 2000软件主界面系统软件主要参考JJG 948-1999《数字式电动 振动试验系统检定规程》、JJG 541 - 2005《落体式冲 击试验台检定规程》等现行振动冲击试验设备检定 规程中的相关要求[3,4]，对系统软件进行总体设计， 软件流程图如图3所示。

利用模块化的设计思想， 实现多个功能模块的设计，其主要模块包括:正弦定频、正弦扫频、随机40dB 、随机RMS 、随机加随机、随 机加正弦、经典冲击、采样通道设置等。

4.1正弦定频模块该模块用于实现正弦定频信号的测试功能。

利1经典冲击T随机加随机T随机加正弦丄随机IRMSI工随机40dBT正弦扫频X正弦定频图3软件流程图图4正弦定频模块数据显示窗口第2期基于Labview 的振动冲击测量系统设计.39 .用动态信号采集卡采集不同频率、不同幅值的正弦 信号，通过FFT 分析和处理，对米集到的正弦信号 加速度、速度、位移幅值和频率进行测量，计算幅值、 频率示值误差和失真度，图4所示为正弦定频模块 数据显示窗口。

4.2正弦扫频模块该模块通过对正弦扫频信号的测量，实现对振 动台横向振动比、台面加速度幅值均勻度、失真度及扫频速率等技术指标的考核。

图5所示为正弦扫频 模块界面。

图5正弦扫频模块界面进行正弦扫频测量时，将传感器按图6所示位 置放置。

三轴传感器放置在0点位置，单轴传感器 放置在4、f i 、C 、D 点位置，将传感器分别连接到动态 信号采集卡相对应的通道，软件根据不同位置传感 器的输出计算得出振动台横向振动比、台面加速度 幅值均匀度、失真度及扫频速率等。

逗对话框件包lm下际麵i S M J D 下际图6振动传感器放置位置图4.3随机40d B 模块该模块用于实现振动台动态范围测量。

利用动态信号采集卡采集随机信号，通过F F T 分析和处 理，计算得出振动台的动态范围。

4.4随机R M S 模块该模块用于对随机信号进行测量，通过对随机信号的FFT 分析和处理，计算得出振动台加速度总 均方根值示值误差、加速度功率谱密度示值误差、加 速度总均方根值控制精度和加速度功率谱密度控制 精度。

图7所示为随机RMS 模块界面。

4.5随机加随机模块该模块用于对随机加随机信号进行测量，通过 对信号的FFT 分析和处理，计算得出宽带随机信号 及窄带随机信号的加速度总均方根值示值误差、加 速度功率谱密度示值误差、加速度总均方根值控制 精度和加速度功率谱密度控制精度。