摘要：本文介紹了一種便攜式振動與壓力采集分析系統(tǒng)在汽車振動環(huán)境仿真實驗中的應(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平臺開發(fā)的功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序，實現(xiàn)了整車振動環(huán)境的仿真。

　　關(guān)鍵詞：振動測試 LabVIEW 環(huán)境仿真 隨機(jī)信號

　　0.引言

　　目前，中國的汽車工業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的時期，廠商間的競爭愈發(fā)激烈和日趨白熱化，汽車工業(yè)對于縮短開發(fā)周期，減少部件測試費(fèi)用的需求迫在眉睫。然而同發(fā)達(dá)國家相比，中國在模擬仿真技術(shù)這一重要領(lǐng)域的應(yīng)用水平落后于發(fā)達(dá)國家，這大大制約了我國汽車業(yè)的發(fā)展，所以如何構(gòu)建理想的仿真測試環(huán)境，更好的對車載電子設(shè)備進(jìn)行測試，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，通過原始行車間振動信號的采集、特定算法分析、振動臺振動信號輸入等步驟，實現(xiàn)了在試驗環(huán)境中完全仿真真實的整車振動環(huán)境。24位動態(tài)信號采集卡配合高精度的傳感器，充分的保證了測得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。設(shè)備核心部分應(yīng)用程序使用了LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(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)測試的新需求。便攜式工控機(jī)的設(shè)計，除了能更好的適應(yīng)各種測量環(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

　　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)信號類別不同分為振動測試部分和油壓測試部分，振動測試部分傳感器選用的是IEPE型3軸加速度傳感器，油壓測試部分選用了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動態(tài)信號采集卡，板卡內(nèi)置4~20mA的電流激勵，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，這使得整套系統(tǒng)能夠適用于各種惡劣的測試環(huán)境。

　　2.系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件使用 LabVIEW 開發(fā)，該程序提供了硬件配置，數(shù)據(jù)采集，信號分析到生成報表等一系列功能模塊。

　　在完成基本測試任務(wù)的同時，針對不同的汽車部件產(chǎn)品，通常還會有一些特殊的測試需求。以本次應(yīng)用為例，在對汽車輸油管進(jìn)行振動測試的同時，還希望對輸油管的油壓信號進(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，很好的完成了對附加的油壓信號的測試。

　　PCI-4472總共支持8通道的數(shù)據(jù)采集，在通道數(shù)上能夠滿足附加測試的需求(加速度3通道，油壓1通道)，而NI 提供的驅(qū)動—DAQmx，也為實現(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、采集信號的上下閾值、傳感器的靈敏度換算或是采樣率，應(yīng)用程序會自動完成對硬件設(shè)備的配置。這些配置信息可以保存為配置文件，以方便在不同測試環(huán)境下進(jìn)行實驗。

　　3.信號處理方法

　　3.1算法及優(yōu)化

　　車輛在行進(jìn)中產(chǎn)生的振動一般用一個各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)信號作為模型，而要描述這樣的一個隨機(jī)振動，通常用頻域統(tǒng)計的方法，即功率譜密度(Power Spectral Density，以下簡稱為PSD)。要在振動臺上模擬真實環(huán)境中車輛的振動情況，就需要在振動臺上輸入振動的PSD譜。那么準(zhǔn)確的獲得車輛行進(jìn)中振動信號的PSD譜就成為了仿真整車振動環(huán)境的關(guān)鍵。

　　該系統(tǒng)中采用的計算功率譜的方法是周期圖分析，設(shè)信號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的量

　　其中常數(shù)U是預(yù)先考慮到在譜估計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，這種功率譜的估計器稱為周期圖。如果窗不是矩形的， 則稱為修正周期圖。

　　在實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)：該種PSD譜估計的方法在L值取值較大時得到的結(jié)果并不理想，實際表現(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的目標(biāo)是不一致的，比較理想的情況是得到一個沒有有估計過程引起隨機(jī)變化的平滑譜估計。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x[n]分成K個等長(長度為L)的序列段，其中第r個序列段的周期圖為

　　周期圖平均包括對K個周期圖的估計 一起求平均，定義為

　　從圖4a和圖4b可以看出，經(jīng)過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)多次實驗后證明，K的取值越大，平滑效果越明顯，但是相應(yīng)的頻域分辨率也會越低。一般根據(jù)實際需要調(diào)整K與L的取值。

　　3.2去噪處理

　　考慮到實測環(huán)境的復(fù)雜性，以及振動信號本身的特點(diǎn)，該系統(tǒng)對可能產(chǎn)生的噪聲從軟、硬件兩個方面進(jìn)行了相應(yīng)的處理。

　　在硬件上，PCI-4472動態(tài)信號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設(shè)置數(shù)據(jù)采集的采樣率來控制。

　　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型對采集到的數(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，信號仍然會混疊部分高頻噪聲。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

　　層出不窮的新技術(shù)不斷地滿足著新的測試需要，也使測試測量行業(yè)不得不面對新的挑戰(zhàn)。振動測試所用的實驗數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗性的手工編輯變?yōu)榱似囆羞M(jìn)中采集到的真實數(shù)據(jù)，測試環(huán)境從單一的實驗室內(nèi)測量變?yōu)榱瞬煌囆羞M(jìn)中的實際測量。面對挑戰(zhàn)，我們從測量對象和測量環(huán)境的特點(diǎn)出發(fā)，兼顧測量的精確性、可靠性和靈活性，提供了一套完整的測試測量的解決方案，從而為更好的對車載設(shè)備進(jìn)行測試創(chuàng)造了條件。