南京工程学院
毕业设计说明书（论文）
作者：许立环学号：201100430
系部：机械工程学院
专业：机械设计制造及其自动化（制造技术）
题目：基于AVANT平台的振动信号采集及分析系统研
究
指导者：郑勇讲师
评阅者：
2014年5月南京
毕业设计说明书（论文）中文摘要
毕业设计说明书（论文）外文摘要
T i t l e s i g n a l a c q u i s i t i o n a n d a n a l y s i s s y s t e m
b a s e d o n A V A N T p l a t f o r m
A b s t r a c t
T esting is a basic method of people through the understanding of the objective world and made the experimental subjects of qualitative or quantitative information. Practical teaching shows,compared with other courses, the mechanical engineering testing is a relatively difficult subject. The knowledge of the mechanical engineering testing is systemic and abstract, analysis of the problem is based on the function of the system and not rigidly adhere to the details of the reality. The second is the diversity of perspectives on issues, using variety methods to solve the problem. Futhermore, during dealing with the information, it is difficult for students to understand the meaning of the formulas.
In the view of this situation, it is necessary to strengthen practice of extra-curricular learning. The instrument of data acquisition and analysis product by Hangzhou yiheng science and technology company has a integration of the functions which include data acquisition, real-time analysis and off-line analysis. It can analysis the data by time domain, frequency domain, relevance and power spectrnm. This article introduce how to use this instrument. Furthermore, it compare this instrument with virtual instrument.
Keywords:Mechanical testing Data collecting and analysis Off-line analysis Virtual instrument
目录
前言............................................................ - 1 - 第一章绪论 (2)
1.1 课题背景 (2)
1.2 课题研究的目的和意义 (3)
1.2.1课题研究的目的 (3)
1.2.2课题研究的意义 (4)
1.3课题研究的任务和内容 (4)
1.4 振动台振动特性研究简介 (5)
1.4.1 振动台介绍 (5)
1.4.2 振动台分类 (5)
第二章 AVANT数据采集与分析仪介绍 (7)
2.1 硬件系统 (7)
2.1.1 仪器简介 (7)
2.1.2 仪器参数 (8)
2.2 软件系统 (9)
2.2.1 实时信号分析 (9)
2.2.2离线分析介绍 (10)
2.3 传感器 (11)
第三章数据采集分析系统的总体方案设计 (13)
3.1 实验设备介绍 (13)
3.1.1测试模型 (13)
3.1.2 硬件设备介绍 (13)
3.2 测试操作准备 (15)
3.2.1 布点 (15)
3.2.2设备接线 (15)
3.3 测试操作过程 (16)
3.4 测试操作流程图 (16)
3.5 数据采集模块设计 (18)
3.5.1 采集模块功用 (18)
3.5.2 数据采集功能的使用 (18)
第四章基于AVANT平台信号分析 (20)
4.1 时域分析 (20)
4.1.1 信号分析意义 (20)
4.1.2 信号时域显示分析 (20)
4.2 频谱函数分析 (22)
4.2.1 频谱分析含义 (22)
4.2.2 频谱分析 (22)
4.3 自相关性分析 (24)
4.3.1 自相关分析含义 (24)
4.3.2 周期信号自相关分析 (24)
4.4 自功率谱分析 (25)
4.4.1 自功率谱密度函数意义 (25)
4.4.2 周期信号的自功率谱密度 (26)
4.5 实例分析 (27)
第五章信号数据的离线分析 (32)
5.1 离线分析的主要功能 (32)
5.2 离线分析实例 (32)
第六章 AVANT series与Labview数据采集分析的比较 (36)
6.1 虚拟仪器简介 (36)
6.1.1 虚拟仪器的基本概念 (36)
6.1.2 虚拟仪器的特点 (36)
6.2 两种数据采集分析仪器比较 (37)
第七章结论与建议 (40)
7.1 结论 (40)
7.2 继续研究的建议 (40)
参考文献 (42)
致谢 (43)
前言
20世纪是一个科技迅猛发展的时代，就制造业而言，出现了大量的先进制造技术。将这些先进技术应用于制造机床、汽车、飞机、火箭、机器人、电视机、计算机等各式各样的机电产品，充分满足和丰富了人类的生产和生活方式。这些先进技术的不断发展的同时也促进了机电产品本身的发展，诞生于20世纪50年代的数控机床揭开了机械机电产品发展史上新的一页，标志着信息化技术正式应用于机械产品。随后，信息技术，广泛应用于机械制造行业的各个领域，这其中以计算机技术、网络技术、通信技术等为代表。于是历史上在制造工业占主导地位的物质和能量两大要素被信息这一新型要素取代，随着技术的不断进步，信息这一主导要素逐渐成为制约现代制造工业的要点，同时也成为现代制造业中最重要的资源。进入21世纪后，信息在制造业的地位进一步提升，而获取信息，特别是准确，定量信息的重要手段就是测试。测试的地位也就不言而喻了。
大型、大功率化和小型、精密或微型化是现代机械设备与机电系统的发展的两个重要的方向，集机械、电子、信息、控制为一体的复杂机电系统是现代机械设备的主要特征和存在方式。种学科理论知识和现代工程试验技术能够解决这些机械设备的运行监测、故障诊断、维护与创新设计以及其他全寿命过程相关的问题。多学科的交叉涉及增加了这个问题的复杂性，所以现代工程试验的意义就尤为重大了，试验开发是机械设计创新过程中一个无法回避的重要方面，同时也是获取信息最重要的途径。
亿恒科技是一家国内领先、全球知名的数据采集、信号分析、振动控制、可靠性试验等领域的设备和技术方案提供商，拥有超过10年的行业应用经验，并拥有独立的具备专业化资质的可靠性实验室。
亿恒科技生产的AVANT系列数据采集仪、信号分析仪、声学分析仪、冲击测量仪、电荷放大器，SUPER系列振动控制器，PREMAX系列多通道数据采集系统、多轴多点(MIMO)振动控制器，和振动台检定系统、冲击台检定系统、传感器标定系统等，已成功的为国内外的航空航天、汽车、船舶、电子以及教育科研等行业客户提供了性能卓越的设备与解决方案。
第一章绪论
1.1 课题背景
测试是测量与试验（实验）的合称，两者的有机结合构成测试。测量是自然人为了计算出被测对象的具体准确的数值而进行的实验，试验则是探索并认识自然界某些未知事物求知过程。
人类认识、掌握自然规律的重要途径之一就是测试。测试这种方式是科学探索中接收自然传达的信息并从中获得感性认识重要途径，也是发展和检验已经获得的自然科学理论的基石。测试究其本质应属于信息科学范畴，所以被称为信息探测工程学。信息，正常情况下可理解为消息或是情报，信息不是物质范畴，所以不具备能量，但其传输却不可能离开物质能量。一般来说，传递信息的载体被称之为信号。人类能够认识世界，是因为自身感官能感觉到自然信息。人类的视觉、触觉、听觉等感官能感知物质的形状、颜色、温度变化、发出的声响等，尽管如此，感知事物的变化是人类感官难以精确完成的任务，因此，人类寻找能够拓展感官的工具。这个过程促进了传感器的诞生。传感器的研究和使用是信息探测工程学发展中一大飞跃。传感器技术的发展和创新，使人类具有了感知食物微小变化的能力，同时也让人类能够更理性的认识这个世界。作为工程测试技术基础的传感器技术得到迅猛发展得益于以电磁、光电、半导体、人造晶体为杰出代表的功能新型材料的出现以及微电子和超精密、微细加工技术的迅速发展。这种发展促进了研究人员设计出新型传感器，提高传感器性能以及增强传感器的功能、提高集成化程度，并促进传感器的小型、微型化等。微电子技术的发展为把某些较为复杂电路甚至微处理器和传感测量部件集成为一体提供了可能，这样集成处理后的传感器具有放大、校正、判断信号的功能，甚至可以进行信号的简单处理，这就是所谓的智能传感器。无论是气象、生物、海洋、雷达、通信以及传统的机械，电力等工程，信号的收集与测试都在其中占有重要地位。
举出机械材料工程中的一个例子，一段45钢，它的刚度，强度，任性等基
本性能能否满足结构的需要，这是在机械设计学必须要考虑的基本问题。但怎样获取材料的这些固有属性呢？众所周知，一段材料完成加工后，其固有属性已经确定。研究这些固有属性，就必须要依靠机械测试。通过外界固定频率的振动来冲击被测原件，事先放置好的传感器能够及时搜集测试件被激振动的具体信号。通过对这些信号的位移、速度、加速度等方面的研究，就能得到测试件的固有属性。
以时间为独立变量的直接观察或记录到的信号称其为信号的时域描述。信号的时域描述反应的是随时间变化时信号幅值的大小。时域描述反映的是信号随时间变化而变化的关系，不能反映信号中频率成分的特征。因此为了研究信号的个组成频率、相位等参数的信息，将时域信号复映到频域，得到信号的频谱。信号在时域中的波形能直观的反映出信号瞬时值随时间变化而变化的情况；在频域中的波形则反映信号的频率组成及其对应幅值、相角之大小。为了解决不同方面的问题，就需要掌握信号不同方面的特征，所以针对不同问题采用的描述信号的方式也不相同。比如，评定机器振动幅度，判别的依据是振动速度的均方根值。其均方根值越大，机器的振动幅度就越大。此时应该采用信号的时域描述，这样能很快求得均方根值。但是在寻找振源时，需要求得信号的频辨分量，这就应该采用频域描述。
本课题旨在熟练运用搭建由加速度传感器、亿恒公司AVANT MI-7016数据采集与信号分析仪等组成的三向振动台计算机测试分析系统的硬件平台。通过实验平台采集三向振动台的振动信号，并对采集到的信号进行时域，频域等方面的分析，并根据分析图的波形，推测出振动信号的各方面参数。
1.2 课题研究的目的和意义
1.2.1课题研究的目的
随着现代机械设备大型化、高速化发展趋势的不断增强，振动及噪声问题对机械设备及其结构的困扰日益突出。在设计现代机械和结构时，不但要分析其静态承载能力，而且要对动态特性进行测试分析。振动测试分析的核心是信号分析，只有运用正确的方法对信号进行处理分析，才能完成测试的任务。传统的傅里叶分析方法是针对平稳信号的一种经典信号分析方法，机
械设备的振动情况往往非常复杂，会表现出非平稳及非线性的特征，因此研究更有效的现代信号处理方法对振动测试有着重大意义。在现有的机械专业本科教学中，由于设备短缺，课程相对较少等方面的原因，学生在系统学习机械自动化课程时对机械振动测试的涉猎较少，学校也缺少相关的设备。然而，机械振动测试是机械设计乃至日后维护机器的必不可少的环节。因此，掌握一种完整的机械振动信号实验平台的使用方法，对于一个机械专业学生来说是十分重要的。AVANT数据采集与分析系统为振动和噪声分析的问题提供了专业解决方案，它提供通用实时信号分析，模态数据采集，冲击测量分析，声压分析等多方面灵活而综合的能力。AVANT数据采集与分析系统是亿恒科技公司开发的一套完整机械振动信号分析系统。它集信号采集，信号分析等功能于一体，仪器较为便捷，使用于教学实验环节。学校引进AVANT数据采集与分析系统，但是由于软件安装，分析平台未能成功搭建等原因，系统尚未投入使用。本课题致力于搭建由加速度传感器、亿恒公司AVANT
MI-7016数据采集与信号分析仪等组成的三向振动台计算机测试分析系统的硬件平台，并使用该平台完成一套完整数据采集，分析程序，做好相关的记录。
1.2.2课题研究的意义
AVANT数据采集与分析系统为振动和噪声分析的问题提供了专业解决方案，它提供通用实时信号分析，模态数据采集，冲击测量分析，声压分析等多方面灵活而综合的能力。
本课题研究旨在搭建由加速度传感器、亿恒公司AVANT MI-7016数据采集与信号分析仪等组成的三向振动台计算机测试分析系统的硬件平台，并开发基于AVANT平台的振动测试分析软件，完成数据采集、数据存储与读取信号显示、信号分析与处理等功能，并提供相应的软件测试报告，为后续的课题研究和课程教学打下良好基础。
1.3课题研究的任务和内容
首先搭建由加速度传感器、亿恒公司AVANT MI-7016数据采集与信号
分析仪等组成的三向振动台计算机测试分析系统的硬件平台。完成实验平台的搭建工作后，通过三向振动台制造出不同频率，幅值的信号并由实验
平台进行数据的采集和保存。然后使用软件系统对采集到的信号进行分
析，得出信号的基本参数，并对采集到的信号及实验系统做出一定的评论。
1.4 振动台振动特性研究简介
1.4.1 振动台介绍
振动台又称振动发生器或振动激励器。这是一种利用外部能量获得机械振动的装置，外部能量可以是电能、电液能或其他形式的能量。振动台工作原理是将激励信号输入线圈，在线圈的周围存在有磁场，通过产生的磁场力来驱动线圈和与之相联的工作台。电动式振动台能产生10Hz以上的振动信号，最大可激发200N的压力。电液压式振动台能制造出20Hz以下的振动信号，电液压式振动台产生的振动信号的性质由电伺服系统控制。振动台可以用来校准加速度计，也可用于固定频率振动信号采集分析的振动试验。
1.4.2 振动台分类
机械类
机械式振动台按振动原理的不同可分为不平衡重块式和凸轮式两种。不平衡重块式的工作原理是当不平衡重块旋转时会产生的离心力，利用此离心力来激振振动台台面，激振产生的力与不平衡力矩和转速的平方成正比。不平衡重块式振动台可以发出正弦振动，优点是结构简单，成本低，缺点是工作范围有限，只能在约5Hz~100Hz的频率范围工作，最大位移为6mm，最大加速度约10m/s2。振动台振动的位移取决于凸轮的偏心量的大小和曲轴的臂长，激振力随着运动部分的质量的增大而增大。机械式振动台在低频域内，当激振力较大时，振动台位移可以达到很大。但这种振动台不能应用于较高的频率，使用上限频率为20Hz左右。最大加速度为3 m/s2右，最大不足是加速度波形失真很大。
电液式
电液式振动台的工作原理是通过油压使传动装置产生振动。油压由小的电
动振动台驱动可控制的伺服阀控制。电液式振动台能产生很大的激振力和位移，激振力可达到10kN，位移可达到2.5m，而且即使振动频率很低时也可得到很大的激振力。能产生大激振力的电液式振动台比同等推力的电动式振动台价格便宜。电液式振动台的缺点是其较差的高频性能，工作频率上限低，波形失真大。电液式振动台因其推力大、振动位移大可以弥补电动振动台的缺点，在振动试验中仍然占有一席之地。
电动式
电动式振动台是目前使用最广泛的振动设备。它的振动频率范围宽，而且动态范围宽，容易实现手动或自动控制。另外它的加速度波形良好，非常适合产生随机波，而且可得到很大的加速度。电动式振动台的工作原理就是电磁感应，将一个通电导体放置在恒定磁场中时，通电导体将受到洛伦兹力的作用，而如果在半导体中通以交变电流时，半导体会产生振动。电动式振动台的驱动线圈处在一个磁感应强度很高的空隙中，需要的振动信号是从振动控制仪或信号发生器产生的，经过功率放大器将其放大后通到驱动线圈上，线圈产生转动，振动台就会产生需要的振动波形。
电动式振动台基本上由运动部件及运动部件悬挂、励磁及消磁单元、驱动线圈，导向装置、振动台台体以及支承装置五部分组成。驱动线圈和运动部件具有复杂的结构，常规方法无法进行一阶共振频率计算，所以基本上要靠经验估算，而这很容易造成设计失误。80年代末，702所科研人员首次用有限元计算的方法计算电动振动台运动部件的共振频率，这种方法使计算结果的准确度得到提高，而且便于对结构进行优化设计，使振动台的设计的可靠性大大增加了。
第二章 AVANT数据采集与分析仪介绍
2.1 硬件系统
2.1.1 仪器简介
亿恒科技公司的数据采集与分析仪是一个优秀的测量分析平台，这台仪器综合使用了最新的多DSP并行处理技术、高速数据传输技术和低噪声设计技术，为了保证高速的数据传输以及连接PC的方便性，仪器采用高速USB 2.0接口与PC机相连。它能综合解决数据采集和实时信号分析的任务，还能独立于计算机之外执行采集和分析计算任务，并且最大限度的利用内置的多DSP并行计算技术，这样的设计不仅能进行全面、精确分析，还能保证分析运算的实时性。
数据采集与分析仪的测试分析功能十分丰富,仪器具有 16个同步输入通道和4个信号源输出通道,能顺利完成多种测试分析任务。例如，综合测试振动噪声、监测设备运行状态、分析声学倍频程、测试声强与声功率、分析旋转机械的阶比以及进行小型结构模态分析试验等。
数据采集与分析仪除了硬件系统外，还配备了专业的模块化软件，帮
助仪器的使用人员更便捷更迅速地获得测试结果，仪器还能自动生成测试报告。
该数据采集分析仪有如下特点：
1. 并行同步数据采集
16个数据采集通道的数据采集都是同步进行的，每个通道的采样频率最高可以达到192KHz。
2. 实时处理
综合运用多DSP并行运算处理技术，独立工作而不受计算机限制，测量的数据以及分析的结果可以实时在屏幕上看到。
3. 高精确度与准确性
16个数据输入通道都有低噪声硬件设计、24位分辨率的ADC、以及数字抗混叠滤波器和内置模拟，有效地保证了高精度分析的顺利进行。
4. 强大的功能与准确性
AVANT SERIES是一个具有强大功能的测试平台，可以完成多项复杂任务。不同的应用软件配置在同一硬件平台上，能完成不同的分析任务，以满足不同测试分析需要。
5. 操作简单
应用软件基于图形化，软件的操作总体来说简单、便捷。软件具有严谨、丰富的测试参数设置窗口。
6. 携带方便
总体重量低于4千克，坚固的外壳，还有连续海量的数据记录功能，可以轻松的携带它到实验室或现场。数据采集与分析仪可以在任何工业环境下进行方便高效的数据采集。
2.1.2 仪器参数
2.2 软件系统
2.2.1 实时信号分析
此图为实时信号分析模块的主界面，很容易看出，本模块可以进行实时信号分析、数据记录和模态分析。本次主要使用实时信号分析和数据记录的功能。实时信号分析的功能主要是：在仪器采集振动信号的时候，使用事先定制好的函数对时域信号进行分析，保存后，只能看到一帧数据，即保存时显示在屏幕上的信号。如果想要对信号实现完整分析，就要使用数据记录的功能。记录好数据后，再使用离线分析软件对记录好的数据进
行分析。本软件系统也有离线分析功能。
实时信号分析进行前，需要对各通道主要参数进行设置，主要是各通道耦合方式，使用的传感器类型，传感器的灵敏度等。传感器的灵敏度由传感器生产厂家给出。
文件的存储有三种类型，自动存储、手动存储和数据记录。自动存储需设定存储的条件，当满足条件时，软件将保存选中的存储类容。手动存储需执行“命令”菜单-“手动存储F6”命令，软件将保存选中的存储内容。自动存储和手动存储的内容包括函数、当前窗格和所有窗格。数据记录功能将连续记录通道时域数据，并存储至计算机的硬盘，以备事后进行更详细的离线分析。需注意的是，数据将记录到自动生成的文件夹中，记录时文件夹的名字无法进行修改，多次记录数据容易混淆，必须记好数据参数与对应的文件夹名称。
2.2.2离线分析介绍
离线分析是将实现采集好的信号进行更详细的分析。本系统的使用离线分析功能时，必须将配套的密码狗插入所使用计算机的USB接口。打开离线分析软件后，导入要分析的信号。
导入信号后，在显示信号的窗口上截取一段较为稳定的信号进行分析。测试分析的内容包括：时域信号、频谱信号、自功率谱函数、互功率谱函数、倒谱、自相关函数、互相关函数、频响函数、相干函数、倍频谱函数
和柱状图。
2.3 传感器
传感器使用的是12个BK传感器。这是一种加速度传感器，耦合方式为ICP型。该传感器由丹麦Brüel & Kj?r公司设计，灵敏度高，本次使用的4508B型加速度传感器灵敏度大约为100mv/（G）。每个传感器生产时会不可避免的产生灵敏度误差，如果想要获得的信号更加精确，可以将传感器灵敏度的准确值输入对应通道口的参数设置中。
加速度传感器是一种能够测量由于加速度而产生的力的电子设备。加速度产生的力就是当物体在具有一定加速度时作用在物体上的力，例如，地球引力，也就是重力。加速度产生的力可以是个常量，比如说，g，当然也可以是变量。目前，加速度计分为两种：一种是角加速度计，另一种就是线加速度计。本次使用的是线加速度计。
加速度传感器根据原理的不同可分为
压电式
压电式加速度传感器，简称压电加速度计。压电式加速度传感器的工作原理是利用石英晶体或压电陶瓷的压电效应，即加速度计受到振动
时，质量块在压电元件上的作用力也随之变化。当加速度计的固有频率远高于被测振动频率时，则力的大小与被测加速度成正比。
压阻式
压阻式加速度传感器使用了世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有低功耗、体积小的特点，容易集成在各种数字和模拟电路中。压阻式加速度传感器被广泛应用于仪器的测试、设备振动的监测、汽车碰撞实验等领域。
电容式
电容式加速度传感器的工作原理是当电容的极距变化时，电容量C会发生变化。电容式加速度传感器，也叫电容式加速度计，是比较通用的加速度传感器。它在某些领域具有无可替代的作用，如手机移动设备，安全气囊等。电容式加速度传感器的生产采用了微机电系统（MEMS）工艺，
为大量生产提供了可行性的同时保证了较低的成本。
伺服式
伺服式加速度传感器是采用了闭环测试系统，具有良好的动态性能、较大的动态范围和精准的线性度。其工作原理是传感器的振动系统由
"m-k”系统组成，与普通加速度计相似，不同的是有一个电磁线圈接在质量m上，当有加速度信号输入到基座上时，产的振动使质量块偏离平衡位置，位移传感器检测出该位移的大小，伺服放大器放大该位移后并将之转换为电流输出，当该电流流过电磁线圈时，由于电磁感应的作用，永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，该力使质量块产生保持原来的平衡位置上的趋势，由此构成一个闭环系统，所以伺服式加速度传感器在闭环状态下工作。由于有反馈作用，提高测量精度，扩大了测量范围，增强了抗干扰的能力。高精度的特点使伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性制导系统和惯性导航中，也应用在高精度的振动测量和标定中。
B&K4508B型传感器属于压电式加速度传感器。
第三章数据采集分析系统的总体方案设计
3.1 实验设备介绍
3.1.1测试模型
3.1.2 硬件设备介绍
1. 电气控制箱，控制三向振动台两个振动电机的振动频率，控制电机的启停，如下图
2. 三向振动台两个电机搭建而成，启动后两个电机能产生不同方向上的振动，振动频率由电气控制箱控制。