如何用labview 振动速度测量做振动信号分析

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基于LabVIEW的机械振动信号分析系统的应用
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你可能喜欢概览:疲劳是由于对材料或部件的循环载荷而导致的局部损伤。随着材料所历经持续增长的循环载荷,每一分钟都可能会出现材料裂缝,并使材料发生断裂。结构因材料疲劳而失效可能会导致意外事故。因而,在结构和机械工程中,要求可靠的设计以防止结构疲劳。基于原型测试的疲劳寿命预测是产品开发过程中的重要组成部分。美国国家仪器公司对疲劳测试提供了疲劳分析和寿命预测的解决方案。下文将阐述疲劳分析和寿命预测中使用的硬件平台和工业中使用的疲劳分析方法。
*注意要使用这些函数,您需要安装LabVIEW8.5或其更高版本。
基于应力寿命的损伤估计
材料S-N 曲线
Palmgren-Miner准则
1. 疲劳分析
对材料和部件进行疲劳分析及预测寿命有几种可能的方法,包括应力-寿命、应变-寿命、裂纹扩展和点焊接头等方法。而应力-寿命方法是最为行之有效的技术,该方法在设计中被广泛应用。下图显示了基于应力-寿命模型的疲劳分析过程。
图1:应力寿命疲劳分析过程
疲劳分析需要进行实验测量,以获得部件或结构的局部载荷。固定在部件或结构上的应变片显示了他们在运行期间承受的载荷,通过应变测量获得结构局部应力随时间的变化信号。
载荷谱描述了部件运行寿命期间所经受载荷的统计分布,它可以用应力范围直方图来表示。载荷谱可以用一系列与疲劳损伤相关的简单恒幅载荷循环来表示部件或结构的复杂载荷历程。
通过将结构试验的实际测量数据与其材料样品实验室中获得的疲劳数据进行比较,可以估算出该结构的损伤程度。疲劳分析一般使用材料S-N曲线,其也被称为Wohler曲线,来描述材料的疲劳特性,其中S表示循环应力,N表示结构失效的循环次数。
利用材料的疲劳特性,可以对承受特定环境载荷的材料或部件进行总损伤的估算。您也可以使用该疲劳特性估算出的材料或部件寿命,及验证其是否符合设计要求。
2. 应力测量
当进行疲劳分析时,使用应变片来测量材料或部件上的应力。欲了解更多有关使用应变片的信息,请参考NI 开发者论坛上的应变片测量应变教程。
有两种计算材料或部件载荷谱的方法:时域和频域。
雨流循环计数是一种时域方法, 它将不规则的载荷转化为应力范围直方图(载荷谱)。欲了解更多有关雨流循环计数的信息,请参考ASTM E–1049疲劳分析中循环计数的计算标准。下图显示了雨流循环计数矩阵图,其表示了对材料或部件利用雨流循环计数方法所得到的载荷谱。
图2:雨流循环计数矩阵图
频域的方法也可以用于计算载荷谱。功率谱密度(PSD)是用于表示操作载荷的最常用方法。基于PSD,通过疲劳计算模型,您可以得到应力范围概率密度函数(PDF)。我们可以将应力范围PDF转化为应力范围直方图。有两种常见的估算载荷谱的实验方法:窄带(Bendat)方法和宽带(Dirlik)方法。
4. 基于应力寿命的损伤估计
对于高周期循环疲劳,您可以通过名义应力-寿命分析方法,使用应力循环计数和Palmgren-Miner线性损伤累加法则,估算出材料或部件的损伤。这种方法必须假定部件的应力变化小于材料的弹性极限,并且达到失效的载荷循环次数非常大。
基于应力-寿命的损伤估计包括以下步骤:
图3: 基于应力寿命的损伤估计过程
5. 材料S-N 曲线
S-N曲线描述了材料疲劳特性。该曲线表示材料疲劳损伤之前,在给定的应力水平下,该材料可以经受的循环载荷次数。下图显示了典型的材料S-N曲线。
图4:典型的材料S-N曲线
您也可以通过在实验室里对材料试件的进行交变的弯曲测试,获得材料的S-N曲线。如果没有实验获得的S-N数据,您可以使用材料的极限抗拉强度和其加工处理工艺来估算部件的S-N特性。通过给定材料的极限抗拉强度,就可以近似估计S-N曲线。并通过考虑其他因素,如负载类型、表面加工、材料尺寸和S-N曲线置信度等,您可以进一步优化S-N曲线的计算。
6. Palmgren-Miner准则
S-N曲线定义了在给定恒幅应力下材料的寿命(失效的循环次数)。实际上,部件的使用寿命估计需要考虑由载荷谱表示的不规则载荷导致的整体疲劳失效。Palmgren-Miner准则是一种使用材料S-N曲线对不规则和重复载荷进行线性累积损伤估计的方法。
根据Palmgren-Miner准则,构件的总损伤D是载荷谱上的任一应力水平Si产生损伤的线性总和。总损伤可以表示为
其中Ni表示材料S-N曲线上应力水平Si所对应的失效应力循环数,ni表示载荷谱上应力幅度Si所对应的应力循环数。
您可以使用损伤分布图表示载荷谱上任何应力水平Si的所对应的损伤分布,如下图所示。
图5 :损伤分布图
7. 分析VIs
LabVIEW振动疲劳分析包括一系列基于应力-寿命方法方法进行疲劳分析的VIs。分析函数包括峰谷检测、雨流循环计数、雨流直方图矩阵、载荷谱估计、S-N曲线生成和基于应力-寿命的损伤估计。
这些VIs 可以用于基于应力-寿命方法进行疲劳分析的每一个步骤,如下图所示。
图6:用于疲劳分析过程的VIs
vfa_峰谷计数VI将被测量的载荷信号转变为连续的波峰和波谷序列,您可以进一步对峰谷序列进行循环计数。
vfa_雨流循环计数VI根据ASTM E-1049标准,从波峰和波谷序列表示的不规则载荷获得循环应力直方图(载荷谱)。
vfa_雨流循环分类VI将雨流循环计数循环应力直方图转变为雨流循环计数矩阵图。
vfa_载荷谱(雨流法)VI使用雨流循环计数方法生成被测量载荷信号的载荷谱。
vfa_载荷谱(窄带法)VI使用窄带(Bendat)频域方法由被测量载荷信号的PSD生成载荷谱。
vfa_载荷谱(宽带法)VI使用宽带(Dirlik)频域方法由被测量载荷信号的PSD生成载荷谱。
vfa_基础S-N曲线VI基于材料极限抗拉强度生成基础S-N曲线。
vfa_S-N曲线修改VI通过考虑加载、表面加工、样品尺寸、冲孔效应和可靠性,利用加权系数来修改基础S-N曲线。
vfa_损伤估计VI基于材料S-N曲线估计在给定载荷谱下所造成的损伤。
vfa_S-N曲线图VI在X-Y曲线图上绘出材料S-N曲线。
vfa_直方柱图VI使用载荷谱数据在三维表面图上绘出直方柱图。
*注意要使用这些函数,您需要安装LabVIEW8.5或其更高版本。
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14 小时 38 分钟 ago&&&&&&&&基于LabVIEW的变频涡旋压缩机振动信号分析
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Labview振动信号处理程序
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Labview振动信号处理程序,进行快速傅里叶变换 进行频谱分析
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,真的很垃圾
不想说什么
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Labview振动信号处理程序单片机、电路板
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其他元器件
基于LabVIEW的虚拟振动测试分析系统
基于LabVIEW的虚拟振动测试分析系统
在现代工程技术领域,存在着大量的振动问题。例如,车辆在凹凸不平的路面上行驶所引起的振动;旋转机械由于质量不平衡在运行中的振动等。在绝大多数场合,振动都是有害的,它将影响设备的正常工作,引起机器构件的加速磨损,甚至导致急剧断裂而破坏。为了解决工程振动问题,机械振动测试系统随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试的需求与日俱增,并有着广泛的应用领域。但性能优越、成本低廉的测试系统市场很难见到。尤其在工
在现代工程技术领域,存在着大量的振动问题。例如,车辆在凹凸不平的路面上行驶所引起的振动;旋转机械由于质量不平衡在运行中的振动等。在绝大多数场合,振动都是有害的,它将影响设备的正常工作,引起机器构件的加速磨损,甚至导致急剧断裂而破坏。为了解决工程振动问题,机械振动测试系统随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试的需求与日俱增,并有着广泛的应用领域。但性能优越、成本低廉的测试系统市场很难见到。尤其在工程现场的振动测试,迫切需要低成本、高精度、高效率,同时方便灵活的测量仪器。
因此,笔者基于振动测试的这种需要,设计了一套以数据采集卡、信号调理电路和各类高精度的传感器为硬件,基于LabVIEW虚拟仪器软件开发平台的振动测试分析系统。此系统不但节省了硬件成本,而且容易操作,同时大大缩短了整个测试周期。 系统的硬件虚拟振动测试分析系统(如图1所示)分硬件和软件两个部分。硬件主要由传感器、信号调理器、数据采集卡和计算机构成,并有如下的关系。图1 系统的硬件构成振动信号量经过传感器转变为模拟量(电压、电流等),再经过信号调理器的放大、隔离、滤波等处理进入数据采集卡完成采样和量化,转变成计算机所能识别的数字量。然后经计算机进行进一步的处理,以便得到所需的信息。图1是振动测试系统的硬件结构示意图,在实际的应用中,系统的硬件可根据振动测试要求的不同选择不同的装置。系统的软件本系统的程序是在LabVIEW 8.20平台上开发的。在系统的编制过程中采用了结构化和模块化编程的基本思路。程序主要包括两大模块:数据采集和数据保存模块;数据读取和数据处理分析模块。在程序的设计过程中,将每个模块做成一个子VI,然后在主程序中调用,这样就可以加强程序的可读性和可维护性。系统的结构如图2所示。图2 系统总体结构图1 数据采集模块的设计数据采集提供了整个测试系统的数据来源,是虚拟仪器的基本组成部分。数据采集模块主要是实现振动信号的拾取及对各种参数的控制,例如对数据采集卡、采集通道的选择,以及采样频率、点数、段数的控制等。振动信号主要为随机信号和瞬态信号,因此对信号的采集设置了两种采样方式:(1)自由连续采集方式,即设置好采集参数后直接进行连续采集,适用于随机信号的采集;(2)信号触发采集,首先设置好触发条件,包括触发电平、触发沿、触发前预留点数等,图3为信号触发采集模块流程图,其中调用了LabVIEW中Data Acquisition 功能模板下的DAQmx create virtual channel.vi, DAQmx Timing.vi, DAQmx Trigger .vi.DAQmx Read.vi,DAQmx Start Task.vi等子函数。通过 这些模块可以实现采集振动瞬态信号,各子函数模块均可以图标形式放置在程序流程图中,这样不但增加了程序的可维护性,也增加了程序的可读性,使程序流程更加清晰明了。(自由采集方式与之类似,且相对简单,这里就不赘述。)2 信号分析模块的设计根据振动测试对信号分析处理的要求,主要从时域分析、幅值域分析、频域分析和时频联合分析方面进行程序设计。时域和幅值域分析模块:时域分析中主要是自相关分析和互相关分析。自相关用于判断信号的随机程度,也可以检测混在随机信号中的周期信号,互相关则反映了两随机变量的统计依赖关系。幅值域特性分析是每次实验必不可少的一步,该模块程序可以同时观测输入、输出信号的概率密度曲线、概率密度分布曲线,还可以直接求值,尤其是随机信号数字特征的偏态和峰值,可用于故障检测和分析。图3 信号触发采集模块流程图图4 数据分析处理模块后面板频域分析模块:频域分析功能最多,主要有功率谱分析、频响函数分析、倒频谱分析等。时域信号经傅里叶变换、频域转换为复数形式,故在显示分析时有很多的格式,如幅频谱、相频图、实频图、虚频图、奈奎斯特图、波特图、三维瀑布图等。时频联合分析模块:时频联合分析亦称时频局域化方法,是使用时间和频率的联合函数来表示信号。典型的线性时频表示有:短时傅里叶变换、小波变换和Gabor变换。时频联合分析在实际信号处理中,尤其是振动信号处理中,可以将信号在任意时刻的频域很好的表示出来。短时傅里叶变换是把信号划分为许多小的时间间隔,用傅里叶变换分析每个时间间隔,以便确定该段时间间隔存在的频率。为了使系统的分析功能更加完善,还设计了可辅助分析功能,如信号标尺输入、数字滤波以及窗函数等。整个数据分析处理模块程序的前面板由Tab控件来组织,用户可以通过单击Tab的不同页来查看相关的分析结果;后面板主要由一个While循环和2个Case结构组成,程序的后面板主要程序部分如图4所示。实例验证为了验证本系统的可行性与实用性,笔者在基于发动机转子动力学实验台上进行了实例验证。图5为Engine Runup (mIC)的Baseband FFT图、Water fall图、Badeplot图和Nyquist图。图5 Baseband FFT图、Water fall图、Badeplot图和 Nyquist图图6 短时傅里叶变换前面板图6所示为短时傅里叶变换分析程序面板,其横坐标表示时间,左边纵坐标表示频率,而右边纵坐标表示在各个时间、频率分量上的幅值(并用颜色表示强弱)。从该分布可以很清楚的看出信号频率强弱程度以及信号随时间变化的情况。该分析结果与重庆大学研制的测振仪等设备分析出的结果相符。
在现代工程技术领域,存在着大量的振动问题。例如,车辆在凹凸不平的路面上行驶所引起的振动;旋转机械由于质量不平衡在运行中的振动等。在绝大多数场合,振动都是有害的,它将影响设备的正常工作,引起机器构件的加速磨损,甚至导致急剧断裂而破坏。为了解决工程振动问题,机械振动测试系统随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试的需求与日俱增,并有着广泛的应用领域。但性能优越、成本低廉的测试系统市场很难见到。尤其在工程现场的振动测试,迫切需要低成本、高精度、高效率,同时方便灵活的测量仪器。
因此,笔者基于振动测试的这种需要,设计了一套以数据采集卡、信号调理电路和各类高精度的传感器为硬件,基于LabVIEW虚拟仪器软件开发平台的振动测试分析系统。此系统不但节省了硬件成本,而且容易操作,同时大大缩短了整个测试周期。 系统的硬件虚拟振动测试分析系统(如图1所示)分硬件和软件两个部分。硬件主要由传感器、信号调理器、数据采集卡和计算机构成,并有如下的关系。图1 系统的硬件构成振动信号量经过传感器转变为模拟量(电压、电流等),再经过信号调理器的放大、隔离、滤波等处理进入数据采集卡完成采样和量化,转变成计算机所能识别的数字量。然后经计算机进行进一步的处理,以便得到所需的信息。图1是振动测试系统的硬件结构示意图,在实际的应用中,系统的硬件可根据振动测试要求的不同选择不同的装置。系统的软件本系统的程序是在LabVIEW 8.20平台上开发的。在系统的编制过程中采用了结构化和模块化编程的基本思路。程序主要包括两大模块:数据采集和数据保存模块;数据读取和数据处理分析模块。在程序的设计过程中,将每个模块做成一个子VI,然后在主程序中调用,这样就可以加强程序的可读性和可维护性。系统的结构如图2所示。图2 系统总体结构图1 数据采集模块的设计数据采集提供了整个测试系统的数据来源,是虚拟仪器的基本组成部分。数据采集模块主要是实现振动信号的拾取及对各种参数的控制,例如对数据采集卡、采集通道的选择,以及采样频率、点数、段数的控制等。振动信号主要为随机信号和瞬态信号,因此对信号的采集设置了两种采样方式:(1)自由连续采集方式,即设置好采集参数后直接进行连续采集,适用于随机信号的采集;(2)信号触发采集,首先设置好触发条件,包括触发电平、触发沿、触发前预留点数等,图3为信号触发采集模块流程图,其中调用了LabVIEW中Data Acquisition 功能模板下的DAQmx create virtual channel.vi, DAQmx Timing.vi, DAQmx Trigger .vi.DAQmx Read.vi,DAQmx Start Task.vi等子函数。通过 这些模块可以实现采集振动瞬态信号,各子函数模块均可以图标形式放置在程序流程图中,这样不但增加了程序的可维护性,也增加了程序的可读性,使程序流程更加清晰明了。(自由采集方式与之类似,且相对简单,这里就不赘述。)2 信号分析模块的设计根据振动测试对信号分析处理的要求,主要从时域分析、幅值域分析、频域分析和时频联合分析方面进行程序设计。时域和幅值域分析模块:时域分析中主要是自相关分析和互相关分析。自相关用于判断信号的随机程度,也可以检测混在随机信号中的周期信号,互相关则反映了两随机变量的统计依赖关系。幅值域特性分析是每次实验必不可少的一步,该模块程序可以同时观测输入、输出信号的概率密度曲线、概率密度分布曲线,还可以直接求值,尤其是随机信号数字特征的偏态和峰值,可用于故障检测和分析。图3 信号触发采集模块流程图图4 数据分析处理模块后面板频域分析模块:频域分析功能最多,主要有功率谱分析、频响函数分析、倒频谱分析等。时域信号经傅里叶变换、频域转换为复数形式,故在显示分析时有很多的格式,如幅频谱、相频图、实频图、虚频图、奈奎斯特图、波特图、三维瀑布图等。时频联合分析模块:时频联合分析亦称时频局域化方法,是使用时间和频率的联合函数来表示信号。典型的线性时频表示有:短时傅里叶变换、小波变换和Gabor变换。时频联合分析在实际信号处理中,尤其是振动信号处理中,可以将信号在任意时刻的频域很好的表示出来。短时傅里叶变换是把信号划分为许多小的时间间隔,用傅里叶变换分析每个时间间隔,以便确定该段时间间隔存在的频率。为了使系统的分析功能更加完善,还设计了可辅助分析功能,如信号标尺输入、数字滤波以及窗函数等。整个数据分析处理模块程序的前面板由Tab控件来组织,用户可以通过单击Tab的不同页来查看相关的分析结果;后面板主要由一个While循环和2个Case结构组成,程序的后面板主要程序部分如图4所示。实例验证为了验证本系统的可行性与实用性,笔者在基于发动机转子动力学实验台上进行了实例验证。图5为Engine Runup (mIC)的Baseband FFT图、Water fall图、Badeplot图和Nyquist图。图5 Baseband FFT图、Water fall图、Badeplot图和 Nyquist图图6 短时傅里叶变换前面板图6所示为短时傅里叶变换分析程序面板,其横坐标表示时间,左边纵坐标表示频率,而右边纵坐标表示在各个时间、频率分量上的幅值(并用颜色表示强弱)。从该分布可以很清楚的看出信号频率强弱程度以及信号随时间变化的情况。该分析结果与重庆大学研制的测振仪等设备分析出的结果相符。
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