作者

焦新濤(1979～)，男，華南師范大學(xué)教師，主要研究方向?yàn)楣こ绦盘柼幚砼c故障診斷

應(yīng)用領(lǐng)域

噪聲、振動與聲振粗糙度NVH(Noise、VibrATion、Harshness),是衡量汽車制造質(zhì)量的 一個(gè)綜合性問題，它給汽車用戶的感受是最直接和最表面的。它是國際汽車業(yè)各大整車制 造企業(yè)和零部件企業(yè)關(guān)注的問題之一。有統(tǒng)計(jì)資料顯示，整車約有1/3的故障問題是和車 輛的NVH問題有關(guān)系，而各大公司有近20%的研發(fā)費(fèi)用消耗在解決車輛的NVH問題上。對 于汽車而言，NVH問題是處處存在的。研究設(shè)計(jì)噪聲振動信號分析系統(tǒng)，對于解決相應(yīng)的 NVH問題具有一定意義。

挑戰(zhàn)

利用凌華科技生產(chǎn)高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI9846和LabVIEW8.6 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號的采集，并能對信號進(jìn)行分析處理。由于在離散頻譜分析的過程中不可避免的存在各種誤差，如何提高頻譜分析的精度，對信號進(jìn)行頻譜校正，是系統(tǒng)需要解決的問題。

使用產(chǎn)品

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采用凌華科技PCI9846，軟件采用LabVIEW8.6，操作系統(tǒng)為Windows XP。

解決方案

基于虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，利用凌華科技生產(chǎn)的具有4通道，16為采樣精度，最高采樣率 達(dá)到40MS/s的高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI9846和LabVIEW8.6 設(shè)計(jì)數(shù) 據(jù)采集分析系統(tǒng)，在系統(tǒng)中采用比值校正法、能量重心校正法、FFT+FT連續(xù)細(xì)化分析 傅立葉變換法和相位差法等離散頻譜校正方法對信號進(jìn)行頻譜校正分析，提高信號分析精度。

一個(gè)完整的信號分析系統(tǒng)通常由3部分組成：信號的獲取與采集、信號的分析與處理和結(jié)果的輸出與顯示。傳統(tǒng)的測試儀器基本上是以硬件或固化的軟件形式存在，儀器由生產(chǎn)廠家來定義、制造。傳統(tǒng)儀器的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，靈活性差，沒有擺脫獨(dú)立使用，手工操作的模式,整個(gè)測試過程幾乎僅限于簡單的模仿人工測試的步驟，不適于一些較為復(fù)雜及測試參數(shù)較多的場合[1]。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器(Virtual Instrument)具有高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：智能化程度高，處理能力強(qiáng)，復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低，可操作性強(qiáng)等[2]?；谔摂M儀器的優(yōu)點(diǎn)，利用PCI9846和LabVIEW設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，用于汽車NVH分析。

一、系統(tǒng)組成

虛擬儀器正在成為當(dāng)今世界流行的一種儀器構(gòu)成方案。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),結(jié)合相應(yīng)的硬件和軟件,完成數(shù)據(jù)的采集和處理。其結(jié)構(gòu)是開放式的，它把計(jì)算機(jī)平臺與具有標(biāo)準(zhǔn)接口的硬件模塊以及與開發(fā)測試軟件結(jié)合起來構(gòu)成儀器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有通用性、靈活性，便于開發(fā)測試應(yīng)用。

1.1 硬件構(gòu)成

硬件系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為主體,以插入其中的數(shù)據(jù)采集卡為主要功能部件。被測信號由數(shù)據(jù)采集卡接收后,傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)部,由相應(yīng)的軟件進(jìn)行后續(xù)的分析處理工作，因此數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器能否成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在[3]。

本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡是凌華科技生產(chǎn)的PCI9846。PCI9846是凌華科技的一款具有4通道，采樣精度達(dá)到16位，采樣頻率達(dá)到40MS/s的高速數(shù)字化儀，提供高精度、低噪音及高動態(tài)范圍性能，高密度且高精準(zhǔn)度，專為輸入信號頻率高達(dá)20MHz的高頻和高動態(tài)范圍的信號而設(shè)計(jì)。模擬輸入范圍可以通過編程設(shè)置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V。配備了容量高達(dá)512MB的板載內(nèi)存的PCI9846，擺脫了PCI總線的約束，使之能儲存更長時(shí)間的波形[4]。

1.2 軟件平臺

軟件部分是虛擬儀器的心臟，目前，應(yīng)用較廣泛的基于虛擬儀器的圖形化編程軟件開發(fā)平臺主要是美國國家儀器公司NI (National Instrument)開發(fā)的LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺)。LabVIEW是一種基于G(Graphic)語言的圖形編程開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，用作開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儀器控制軟件和分析軟件的標(biāo)準(zhǔn)語言，使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，對于科學(xué)研究和工程應(yīng)用來說是很理想的語言。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)[5]。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。它可以增強(qiáng)構(gòu)建使用者的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。

LabVIEW含有種類豐富的函數(shù)庫，在很大程度上縮短了開發(fā)周期,而且開發(fā)的應(yīng)用程序易于維護(hù)和擴(kuò)展功能。應(yīng)用LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析應(yīng)用軟件的開發(fā),將數(shù)據(jù)采集卡PCI9846和靈活方便的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺LabVIEW結(jié)合起來，可以降低開發(fā)成本，又可以縮短開發(fā)周期,使開發(fā)變得方便高效。

1.3 LabVIEW控制采集卡

PCI9846提供了LabVIEW驅(qū)動，安裝驅(qū)動時(shí)會自動查找LabVIEW目錄，然后將必要的文件復(fù)制到相應(yīng)的文件夾中去，如果系統(tǒng)中沒有安裝LabVIEW或者其版本低于6.0，驅(qū)動安裝程序會彈出一個(gè)對話框提示更新LabVIEW的版本。LabVIEW驅(qū)動程序安裝完成后，在就可以在LabVIEW中使用PCI9846來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集了[4]。

LabVIEW驅(qū)動安裝完成后，在函數(shù)選板會增加如圖1所示相應(yīng)的項(xiàng)，在本文中直接使用其中的DAQPilotExpressVI，根據(jù)提示完成相應(yīng)設(shè)置后即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(圖2)。

二、 信號分析

數(shù)據(jù)采集完成后，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以從中提取相應(yīng)信息。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析主要集中在頻域。信號分析處理是LabVIEW的一個(gè)重要組成部分，它提供了大量的專業(yè)性很強(qiáng)的信號分析處理函數(shù)，對于信號的常見分析直接利用LabVIEW現(xiàn)成函數(shù)即可滿足要求，但用來對信號進(jìn)行較復(fù)雜處理時(shí)需自行編寫函數(shù)。

諧波信號離散傅立葉變換和頻譜分析的頻率、幅值和相位都可能存在較大誤差，從理論上分析單頻率諧波信號加矩形窗時(shí)離散頻譜分析的幅值最大誤差可達(dá)36.4%;即使加其它窗時(shí)，也不能完全消除此誤差，加Hanning窗并只進(jìn)行幅值恢復(fù)時(shí)的最大幅值誤差仍高達(dá)15.3%;不論加何種窗函數(shù)，離散頻譜分析的相位最大誤差高達(dá)±90度，頻率最大誤差為±0.5個(gè)頻率分辨率。因此，頻譜分析的結(jié)果在許多領(lǐng)域只能定性而不能精確地定量分析和解決問題，大大限制了該技術(shù)的工程應(yīng)用，特別是在機(jī)械振動和故障診斷中的應(yīng)用受到極大限制。所以要對離散頻譜分析得到的各頻率成分參數(shù)進(jìn)行校正，以得到較為精確的頻率、幅值和相位估計(jì)值。所以需要研究離散頻譜的校正理論和技術(shù)以消除或大幅度減小這個(gè)誤差，提高分析精度。對于單頻率成分或間隔較遠(yuǎn)的多頻率成分的離散頻譜進(jìn)行校正[6]。

目前國內(nèi)外有四種對幅值譜或功率譜進(jìn)行校正的方法[6]：比值校正法(內(nèi)插法)，能量重心校正法，F(xiàn)FT+FT連續(xù)細(xì)化分析傅立葉變換法和相位差法;相位差法又分為時(shí)移法、改變窗長法和綜合法。從理論上分析，在信號不含噪聲的情況下比值法和相位差法是精確的校正方法，而能量重心法和FFT+FT譜連續(xù)細(xì)化分析傅立葉變換法是精度很高的近似方法。

隨著離散頻譜校正技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，越來越廣泛地被應(yīng)用于分析各種實(shí)際問題和各類動態(tài)信號分析系統(tǒng)中。離散頻譜校正理論已在或?qū)⒃谙铝蓄I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用：

(1) 各類動態(tài)信號分析儀及計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng);

(2) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號，具有滑動軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，工作轉(zhuǎn)速大多很穩(wěn)定，且需要相位作為分析參數(shù)，此時(shí)采用比值校正法最佳;

(3) 發(fā)動機(jī)等扭振信號，對于穩(wěn)態(tài)扭振信號，只需要精確求出各諧次幅值，由于三點(diǎn)卷積校正法不受轉(zhuǎn)速有小波動的影響，是穩(wěn)態(tài)扭振信號的最佳選擇;

(4) 儀器儀表領(lǐng)域中的應(yīng)用，已經(jīng)應(yīng)用到渦街流量計(jì)和電力系統(tǒng)電參量等需要精密頻率測量計(jì)算出物理量的儀器儀表中;

(5) 電力系統(tǒng)諧波分析;

(6) 激光多普勒測速中提高精度;

(7) 高精度的頻率與幅值校準(zhǔn)系統(tǒng)，目前國內(nèi)在精確標(biāo)定動態(tài)信號的頻率和幅值的儀器方面還是空白，利用比值校正法配合高精度A/D板可以研制出標(biāo)定儀器，填補(bǔ)這方面的空白;

(8) 精密分析各類振動信號頻譜;

(9) 循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)分析，采用離散頻譜來校正解調(diào)后的調(diào)制頻率和幅值，大幅度提高分析精度，能夠更準(zhǔn)確的提取故障信息;

(10) 雷達(dá)精密測距和電子對抗的軍事領(lǐng)域。

2.1 比值校正法(內(nèi)插法)

這種方法利用頻率歸一化后差值為1的主瓣峰頂附近二條譜線的窗譜函數(shù)比值，建立一個(gè)以歸一化校正頻率為變量的方程，解出歸一化校正頻率，進(jìn)而進(jìn)行頻率、幅值和相位校正;這種方法適用于已知所加對稱窗函數(shù)傅立葉變換的理論表達(dá)式情況下的離散頻譜校正。 校正頻率為：比值校正法的特點(diǎn)：

(1) 適用于已知?dú)w一化窗函數(shù)頻譜解析表達(dá)式的一種通用離散頻譜校正方法;可以精確校正單頻率諧波信號離散頻譜的頻率、幅值和相位，大大提高離散譜分析的精度;

(2) 從理論和實(shí)踐上系統(tǒng)地解決了間隔較大(5個(gè)頻率分辨率以上)的多頻率成分的參數(shù)(頻率、幅值和相位)精確求解的問題;

(3) 算法簡單，計(jì)算速度快;

(4) 不考慮信號中噪聲的影響，比值法是一種精確的校正方法，校正后頻率、幅值和相位為理論值，但會在數(shù)字計(jì)算中受到數(shù)字截?cái)嗾`差的影響而產(chǎn)生很小的誤差;

(5) 不適用于頻率成分過于密集的信號和連續(xù)頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

校正頻率為：

2.2 能量重心校正法

該方法是根據(jù)對稱窗函數(shù)離散頻譜的能量重心無窮逼近坐標(biāo)原點(diǎn)或在原點(diǎn)附近的這一特性推導(dǎo)出的一種離散頻譜校正方法，是一種適用于加各種對稱窗的通用離散頻譜校正方法。以Hanning窗為例，由于其窗旁瓣的功率譜值很小，根據(jù)其能量重心的特性，若令X為[-0.5,0.5]范圍內(nèi)，就可以用主瓣內(nèi)功率譜值較大的幾條譜線精確地求得主瓣的中心坐標(biāo)。設(shè)采樣頻率為fs，作譜點(diǎn)數(shù)為N，主瓣內(nèi)峰值的譜線號為m，Yi為功率譜第i條譜線值，x0為主瓣中心,其頻率校正公式為：

能量重心校正法的特點(diǎn)：

(1) 適用于任何加對稱窗函數(shù)頻譜的一種通用離散頻譜校正方法，可大幅度提高離散頻譜的分析精度;

(2) 與其它校正方法相比，其能對多段平均功率譜直接進(jìn)行校正;

(3) 算法簡單，計(jì)算速度快;

(4) 負(fù)頻率成分和間隔較近的多頻率成分產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象所帶來的誤差對精度的影響小;

(5) 校正精度與窗函數(shù)有關(guān)，加Hanning窗時(shí)具有較高的校正精度;

(6) 校正精度與參與校正的點(diǎn)數(shù)有關(guān)，點(diǎn)數(shù)越多，對單頻率成分的校正精度越高，但要求相鄰兩個(gè)譜峰的頻率間隔越大;

(7) 不考慮信號中噪聲的影響，能量重心法是一種精度較高的近似校正方法，校正后頻率、幅值和相位不是理論值，但誤差很小;

(8) 不適用于頻率成分過于密集的信號和連續(xù)頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

2.3 FFT+FT連續(xù)細(xì)化分析傅立葉變換法

該方法實(shí)質(zhì)是用FFT作全景譜，針對要細(xì)化的局部再用改進(jìn)的連續(xù)傅立葉變換FT進(jìn)行運(yùn)算，以得到局部細(xì)化精度極高的頻譜。對采樣信號作FFT后，在指定的一個(gè)頻率區(qū)間[f1,f2]，包含在區(qū)間[0，fs]內(nèi)，進(jìn)行L點(diǎn)等間隔譜分析。

FFT+FT連續(xù)細(xì)化分析傅立葉變換法的特點(diǎn)：

(1) 適用于任何加對稱窗函數(shù)頻譜的一種通用離散頻譜校正方法，可大幅度提高離散頻譜的分析精度;可以在不增加采樣長度的前提下，大大提高頻率分辨率以及幅值和相位的計(jì)算精度;

(2) 計(jì)算速度比其它方法慢得多，不適合用作實(shí)時(shí)頻譜分析與校正;

(3) 與復(fù)調(diào)制細(xì)化選帶頻譜分析方法不同，由于沒有加大窗的長度，所以僅能對信號局部頻率的幅值和相位進(jìn)行細(xì)化運(yùn)算，而不能將已經(jīng)非常密集、發(fā)生主瓣重疊和干涉的多頻率信號分離成沒有發(fā)生主瓣重疊和干涉的多個(gè)單頻率成分信號，所以也不適用于頻率成分過于密集的信號和連續(xù)頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

2.4 相位差法

相位差法分為時(shí)移法、改變窗長法和綜合法。其實(shí)質(zhì)是對同一信號進(jìn)行連續(xù)采樣得到兩段時(shí)間序列，其中第二段時(shí)域序列比第一段滯后一定的點(diǎn)數(shù)，對這兩段時(shí)域加相同或不同的窗函數(shù)，分別進(jìn)行兩次不同或相同點(diǎn)數(shù)的FFT(或DFT)分析，利用對應(yīng)峰值譜線的相位差進(jìn)行離散頻譜校正，該方法適用于加各種對稱窗情況下的離散頻譜校正。相位差校正法有三種方法：第一種方法是改變窗長法，第二種方法是時(shí)域平移法，第三種方法是綜合校正法，即時(shí)域平移+改變窗長+加不同窗函數(shù)法，該方法適用于加各種對稱窗情況下的離散頻譜校正。

這種方法是用兩段時(shí)間序列FFT后的相位之差進(jìn)行頻譜校正，原始單頻率成分信號采連續(xù)兩段樣本，然后對這兩段作傅利葉變換，利用其對應(yīng)離散譜線的相位差校正出譜峰處的準(zhǔn)確頻率和相位的校正方法。對兩段信號都是加相同的窗函數(shù)后再進(jìn)行離散傅里葉變換，變換后的相頻函數(shù)在窗函數(shù)主瓣內(nèi)不但都具有線性關(guān)系，而且斜率相同，則有：

相位差校正法的特點(diǎn)：

(1) 通用性好，其校正方法不受所加窗函數(shù)不同的影響，是適用于加任何對稱窗函數(shù)的一種通用離散頻譜校正方法;

(2) 算法簡單，計(jì)算速度快;

(3) 抗噪聲干擾的能力較強(qiáng);

(4) 不考慮信號中噪聲的影響，相位差法是一種精確的校正方法，校正后頻率、幅值和相位為理論值，但會在數(shù)字計(jì)算中受到數(shù)字截?cái)嗾`差的影響產(chǎn)生很小的誤差;

(5) 不適用于頻率成分過于密集的信號和連續(xù)頻率成分信號離散頻譜分析的校正。

在本系統(tǒng)中，為了提高數(shù)據(jù)分析精度，根據(jù)比值校正法、能量重心校正法、FFT+FT連續(xù)細(xì)化分析傅立葉變換法和相位差法四種常用頻譜校正方法原理，在LabVIEW8.6中編寫相應(yīng)函數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜校正處理。

三、 總結(jié)

利用凌華科技高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI9846和LabVIEW，結(jié)合四種最新頻譜校正方法，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，用于汽車振動數(shù)據(jù)分析。