基于DRVI平台的轴心轨迹与噪声测量实验设计

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　　摘  要：基于DRVI （Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument） 可重组虚拟仪器平台，设计开发了轴心轨迹测量与噪声测量实验。所设计实验及平台可有效测量转动装置轴心轨迹，并可根据测得的轴心轨迹判断转动机械装置的运转状态。在装置运转过程中，根据实验测得的噪声大小及来源可判断转动装置所发生故障的形式以及故障发生的具体位置。设计实验与工程实践联系密切，开发成果可应用到实际教学中，丰富了教学实验内容。
　　关键词：可重组虚拟仪器平台;轴心轨迹;噪声;转动装置
　　中图分类号：TM937.4            文献标志码：A
　　0 引言
　　随着计算机技术的高速发展，虚拟仪器技术应运而生。这项概念是由美国国家仪器公司率先提出的，它是用一种运用计算机通信技术对测试、测量相关领域进行辅助运算的新概念技术。虚拟仪器的诞生标志着测试技术领域进入了一个新时代，同时也改变了仪器行业的发展方向。
　　虚拟仪器技术分为硬件与软件2部分，该技术除了具有便捷的图形环境，还具有完善的接口通信功能。基于这2项功能，用户可以通过建立虚拟仪器面板，实现由软件对硬件的控制。这套控制流程不仅完全代替了传统实验系统，还体现出很多优点：虚拟仪器大大縮小了实验设施的规模，小巧便捷;“控件软化”使得设备易于后期维护与升级;用户采用不同的软硬件组合方式，自行定义仪器的功能使得整个系统的可重组性、容错性大大提高，进而提高实验效率。根据专业的统计估算显示，虚拟仪器所占的市场份额预计在21世纪50年代将上升到整个电子测量仪器的50%，这意味着虚拟仪器将逐渐发展为测试领域的主流技术方式。
　　1 DRVI平台构成及功能
　　该文采用的DRVI可重构虚拟仪器实验平台操作简单方便，十分适合课程教学。从设计思路上来说，DRVI将汽车和PC机的装配模式运用到自身的装配形式上，使其具有独树一帜的结构形式。它将测试系统的计算机部分具体地分为总安装底盘和可以实现不同功能的模块，将二者组装起来就可以形成虚拟仪器测试实验系统。至于该平台的自定义测试功能，将不同的功能模块按需组合就可以自身的实际需求定义不同的虚拟仪器功能。
　　DRVI实验平台采用的是软件总线和软件芯片连接搭配的构造形式。它的主体是一个带有软件控制线和数据线的软主板，可实现2方面的连接。一方面可插接软仪表盘、软信号发生器、软信号处理电路、软波形显示芯片等软件芯片组;另一方面能与A/D卡、I/O卡等硬件设备进行连接。其中软件总线具有的开放性以及COM/DCOM组件具有的即插即用特性使整个实验系统拥有了开源化，可重组化的特点。在DRVI平台上进行二次实验开发的过程中，无须担心编译、链接等环节，实验搭建过程易掌握，可实时根据自身的实际需求定义不同的虚拟仪器功能。实验者可直接在操作面板上通过简单地放置和删除软件芯片并进行连线，就能够搭建出具有自定义功能的测试实验平台。
　　2 轴心轨迹与噪声测量实验设计
　　2.1 实验设计方法
　　利用选定的传感器将采集到的外部信号通过平台的通信接口（转子实验台模块、数据采集仪）传输到计算机中，计算机端需要进行数据的处理与分析。因此对于该实验的控件选用，分析如下。首先，为了将数据采集进来，选择一个“USB采集卡”芯片;再选择一个二状态的“启/停按钮”芯片来启闭“USB采集卡”芯片，进而控制数据采集仪的启闭;另外，可以插入2个“数字滤波”芯片，分别负责x与y 2个方向的滤波，用来避免用电涡流传感器获取微小位移信号的时候受到的高频信号的干扰;再选择一个“FFT频谱运算”芯片来计算声传感器噪声信号的频谱，后续会进行倍频程的计算;选择2个“VBScript子程序”芯片，在其中编写VBScript代码进行数据的处理与运算;选择1个“矩形表头”芯片，做成一个转速表;选择1个“倍频程分析”芯片，其作用是采用FFT算法计算声音输入的噪声信号的倍频程谱;选择文字显示芯片来显示必要的提示信息，选择装饰芯片来绘制界面边框。以上是搭建轴心轨迹测量与噪声测量实验平台时的控件选用分析，在DRVI3.0的空白界面上插入上述芯片即可。最后通过设置不同 IC芯片特性窗中的参数以及调节特性窗中的线号值就可以完成轴心轨迹测量与噪声测量实验的设计与搭建。
　　2.2 实验过程及结果分析
　　该实验的内容分为2部分，主要部分是轴心轨迹的测量与观察，由于实验平台的转子试验台不会出现故障或其他严重的磨损情况，无法观察到故障时的轴心轨迹图，因此该实验的操作是调节电机转速，随着转速的变化，记录轴心轨迹曲线的变化情况，并分析实验结果。次要部分是跟随上述主要部分的操作来记录声压级，需要测量2种噪声。1） 启动转子试验台之前的初始背景噪音声压级。2） 在不同转速下装置运转的噪音声压级。
　　2.2.1 轴心轨迹测量分析
　　在转子试验台的配重盘上加一小重量2.8 g的螺钉作为不平衡重，轴心轨迹图会逐渐呈现椭圆形状，随转速升高轨迹变化的具体过程如下所述。
　　100转速级：转速为99.601 rpm时的轴心轨迹是不封闭的弧形曲线，弧型短，不光滑。200转速级：转速为212.84 rpm时的轴心轨迹是不封闭的弧形曲线，弧形变长，不光滑。300转速级：转速为298.88 rpm时的轴心轨迹是封闭的多重椭圆交错线，外包络线近似为椭圆，不光滑。400转速级：转速为409.72 rpm时的轴心轨迹是封闭的跳跃曲线，跳跃程度大大降低，外轮廓向椭圆过渡，不光滑。450转速级：转速为454.90 rpm时的轴心轨迹是封闭的不光滑曲线，不光滑形式为凸起和凹陷，说明有不对中的情况。外轮廓继续向椭圆过渡。500转速级：转速为500 rpm时的轴心轨迹是外轮廓近似为椭圆的封闭曲线。有很少的凸起与凹陷，不对中。略显光滑。
　　2.2.2 噪声测量分析
　　转子试验台不运转时，为了得到准确的装置运转噪声，必须分析环境噪声。转速为0时的分贝值为29 dB，即环境背景噪声为29 dB。而装置开始运转后的最低分贝是60 dB，两者之差远远大于10 dB。根据实验原理中环境噪声和被测声源之间的计算关系，此种情况可以忽略背景噪声对实际噪声的影响。
　　转子试验台不运转时，噪音声压级随着转速的升高整体上呈现增大的趋势，但具体会随着机器运转的平稳情况进行波动，例如在转速为298.88 rpm与1 293.1 rpn时，噪音声压级出现极大值，机器运转不平稳。
　　3 结语
　　该文介绍了轴心轨迹测量与噪声测量实验的设计过程，从理论分析入手，详细阐述了该实验的设计目的、设计方法、传感器的选用以及测试型实验的数据处理与结果分析。其中实验设计方法中涉及的具体内容包括实验设计思路、实验界面、系统线号值设定、轴心轨迹测量与噪声测量实验的设计原理图、轴心轨迹测量与噪声测量实验的流程框图。综上所述，所设计实验及平台可以作为实验指导教程的具体内容。
　　参考文献
　　[1]王卫国.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015（5）：215-217.
　　[2]刘伟伟.基于DRVI平台下的多传感器综合实验教学[J].实验技术与管理，2004（5）：10-11.
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