中北大学信息商务学院2012届毕业论文
振动测试平台设计
摘 要
随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向，采用虚拟仪器实现振动测试与分析也成为振动测试的发展趋势。
为了解决工程振动问题,机械振动测试系统随着振动测试技术理论的发展和生产对测试的需求与日俱增,并有着广泛的应用领域。在工程现场的振动测试中,迫切需要低成本、高精度、高效率,同时方便灵活的测量仪器。
振动测试试验系统是根据某些零部件振动测试的要求设计的 ,通过对被测系统施加各种波形的激励,使其产生振动,由传感器测量其振动的响应,将此信号进行调理放大,再由频谱分析仪获得系统的响应特性。
为此，本课题研究开发了以PC为硬件平台、以美国国家仪器(NI)公司开发的LabVIEW软件为开发平台，配合ADXL150传感器、和AT89C51组成的振动测试分析系统。采用虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW组建的振动测试分析系统，实现了对振动信号的采集、处理和分析的目的。
关键词：虚拟仪器，振动测试，LabVIEW，ADXL150传感器，AT89C51
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Design of vibration testing platform
Abstract
With the development of calculator and the software technology, the virtual instrument is becoming the development direction in text domains, and using virtual instrument has been a development trend to realize the text and analysis of vibration.
As the development and production of technology theory in vibration text, in order to solve the problem of vibration, the need of text in vibration text system increase with each passing day, and has extensive field of application. The vibration text in project spot, it is urgent to need measuring instruments that are low cost, high degree of accuracy, high efficiency, and at the same time convenient.
The vibration text system is desighed based on demand of some parts, to make it vibrate, all kinds of waveform stimulations are exerted to texted system.,then conditioning and enlarging the signal that transducer measures the responding of vibration in system,thenceforth obtain the responding characteristics by analyzer.
For this, the task has studyed and developed a vibration text system which take PC as hardware terrace, the labview that the United States nation instrument company opend up as software terrace, coordinate with ADXL150 transducer, signal conditioning and data collecter..Adopting the vibration text system which is made up by virtual instrument figured program language labview, realize the objective that collects,analyse and process vibration signal.
Keywords: Virtual instrument, Vibration text, Labview, ADXL150 transducer, AT89C51
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1 绪论
1.1课题研究的背景和意义
振动是自然界最普遍的现象之一。这类现象有的是由其本身固有的原因引起，有的是外界干扰引起。在运转的设备中，振动信号是最重要的信息来源。旋转机械的振动信号中包含着大量可反映设备运行状态的有用信息或称为信号特征。振动信号分析是旋转机械状态监测和故障诊断的重要组成部分，并在设备预测维修中发挥着重要作用。通过振动特征分析可以找出旋转机械设备70％的故障源，而且可以确保机器运转的安全性，避免事故的发生，同时结合较好的维修项目管理还可以显著降低机器的运行成本。
在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳动效率，甚至产生“振动病”或“运动病”，如常见的晕车、晕船现象就是由于小于1Hz的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市场上已有用于人体振动测量的传感器和测试仪出售。
振动测试分析仪器则将振动测试与分析技术转化为生产力，它随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增。从最初的机械式测振仪，发展到今天，各种应用物理学原理制成的传感器、FFT分析仪、结构动力学分析软件己在广泛使用。
随着电子技术和计算机技术的快速发展,微型计算机技术,尤其是微控制器(单片机)的发展极为迅速,其应用越来越广。单片机主要应用于控制领域,用以实现各种测试和控制功能。目前,单片机还广泛应用于工业测控、计算机外围设备、工业智能化仪表、生产过程的自动控制、军事和航空航天等领域。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用
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于各种控制领域。
而基于 MEMS微加速度计的振动测试系统具有尺寸小、功耗低 、灵敏度高、使用灵活等优点。因而在振动测、试倾斜测试惯性导航、智能引信等方面被广泛使用。在不远的将来随着计算机技术和软件技术的快速发展振动测试系统会在越来越多的行业得到更广泛的应用。
此外,为提高测试效率，降低测试成本，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等方面日益提高的测试要求，我们需要将虚拟仪器技术引入在振动测试领域,开发基于虚拟仪器的振动测试系统。 1.2振动测试技术发展现状和发展趋势
到目前为止，振动数据分析仪器的发展大体可分为四代：模拟类仪器、数字类仪器、智能化仪器和虚拟仪器。第一代模拟类仪器。是最早开发的振动分析系统。主要是由光电矢量瓦特计和测振仪等组成,其基本结构的共同特点是电磁机械式，要借助指针或光点等来显示测试结果；第二代数字类仪器。这类闪频式动平衡仪可以将模拟信号的测量转化为数字信号量，并以数字显示方式输出测量结果；第三代智能化仪器。这类仪器内置MCS51系列单片机,集测试、数据处理、平衡计算和图形显示等功能于一体，具有自动化测量仪器的最初特点。但其功能主要是以硬件(或固化软件)形式存在，不利于二次开发、功能复用和维护。而且数据存贮量小，处理速度慢，功能比较单一，精度有限；第四代虚拟仪器[3]。仪器主要功能可由①数据采集②数据测试和分析③结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成新的测量仪器。
目前的振动测量信号可以通过采用加速度传感器采集加速度变化，经过电路处理成为频谱，最终成为人能够直观的看到振动波形。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，因为振动产生加速度，利用这个特性，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出前一般都采用加速度传感器来测量振动信号。
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此外，虚拟仪器在我国的研究和开发有着十分现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提高我国仪器的整体水平，节省仪器开发的人力和费用。我们有理由相信，随着软件业和测试技术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增，高质量的测试仪器、设备和现代化的测试方法不断出现。20世纪20年代，由于汽轮发电机组等设备的发展，机械式测振仪已不能满足要求，于是磁电式传感器应运而生，实现非电量信号向电信号转换的电测量。二次大战后出现了压电式传感器，由于它具有体积小、重量轻、频率范围、动态量程大等特点，且既可测量振动，又可用于冲击测量，直到今天仍在广泛应用。近些年随着微电子技术的发展，又出现了可在各种恶劣环境下使用的压电传感器和内装阻抗变换器、放大器、滤波器的集成电路式压电传感器，简化了测试系统，大大地拓宽了这种传感器的应用范围，提高了抗干扰能力和测量的精度。而压阻传感器的出现和使用进一步拓宽了低频率的测量范围，与此同时，还陆续发展了各种换能原理的传感器和配套仪器，如变电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器等。
PC机性能的提高引发了测试仪器领域的一场革命性变化，即产生了插卡式加软件的所谓虚拟仪器。虚拟仪器是当前计算机的主流技术与应用开发软件和高性能模块化的硬件相结合的产物，可由用户自己设计和定义，用软件在屏幕上生成仪器控制面板，进行信号分析和处理。而国内生产的针对振动测试的设备大多是模拟式和数字式仪表，功能比较单一，与国外设备相比，精度较差，可靠性低。这些仪器基本上属于硬件组成的专用信号分析与处理仪器，一般不能存储记录。这就为国内开发高性能的动态测试分析仪提出了迫切要求，同时随着PC机的广泛应用，虚拟仪器技术用于动态测试领域已成为发展趋势。 1.3课题主要研究内容
本篇论文是以AT8C51单片机为控制核心，设计振动测试系统，在分析了信号分析处理的原理后，使用图形化编程语言LabVIEW进行振动测试与分析。整个系统按照模块化的思想，拟采用菜单的形式搭建如下5个功能模块：
(1)数据采集：以AT89C51为核心控制器，ADXL150作为所选择的传感器，包括信号放大电路、AD采集电路、双向检波电路、电压比较电路、模拟输出电路和存储器电路。
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