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1.黃晨 2.吳聰 3.王亮
1、2，北京中科泛華測控技術(shù)有限公司； 3，大陸汽車電子（長春）有限公司
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，減少部件測試費用的需求迫在眉睫。然而同發(fā)達國家相比，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)的精準性。設(shè)備核心部分應(yīng)用程序使用了LabVIEW開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)，其強大的調(diào)試功能和靈活的架構(gòu)使我們可以對程序?qū)崿F(xiàn)的功能進行修改和補充，從而更好適應(yīng)測試的新需求。便攜式工控機的設(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，數(shù)據(jù)采集卡直接安裝在工控機的PCI插槽上，工控機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，在對汽車輸油管進行振動測試的同時，還希望對輸油管的油壓信號進行采集分析。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)境下進行實驗。
3.信號處理方法
3.1算法及優(yōu)化
車輛在行進中產(chǎn)生的振動一般用一個各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機信號作為模型，而要描述這樣的一個隨機振動，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。那么準確的獲得車輛行進中振動信號的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，該系統(tǒng)對可能產(chǎn)生的噪聲從軟、硬件兩個方面進行了相應(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)備進行測試創(chuàng)造了條件。
參考文獻：
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