车辆振动测试分析的虚拟仪器设计与应用

1 引言

车辆的振动测量在大多数情况下需要在道路上进行，首先需要磁带机记录测试的振动信号，然后将试验数据带回实验室进行进一步的处理、分析。由于道路上有许多偶然因素的影响，可能导致试验分析结果中存在较大误差甚至得出错误结论。遇到这种情况只能重新回到路面重复一次试验，如此一来，整个试验的周期加长、试验设备增多，这样对教学实验来说很不实际，同时诸多仪器设备也给整个测量带来了不便。便携式车辆振动测试分析系统可以进行实时分析，在道路试验过程中得到分析结果。该测试分析系统是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形化用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操控的虚拟仪器系统[1]。

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件和测控功能平台。其中计算机硬件可以是各种类型的计算机，如台式、便携式、嵌入式计算机及工作站等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。

虚拟仪器的软件平台中最具有代表性的是美国国家仪器公司推出的LabVIEW，它是采用32 位的编译型的图形化语言作为其编程语言，集开发、调试和运行于一体，是一种强有力的虚拟仪器开发工具。LabVIEW 具有以下的特点：流程图式的编程环境，不需要预先编译就存在语法检测，调试过程中可使用的数据探针，丰富的库函数、数值分析、信号处理及设备驱动等[2]。编程者分别在LabVIEW 语言编程环境的前面板和程序流程图组建仪器人机界面和进行程序设计开发，以完成虚拟仪器特定的逻辑分析处理能力[3]。LabVIEW 软件是仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示的一种很好的选择。

2 车辆振动测试分析系统的组成

便携式车辆振动测试分析[4]系统就是利用虚拟仪器完成对车辆行驶过程中振动量的信号测量、数据分析及处理。它完全借助于计算机软件实现对振动信号的采集、显示、存取、分析处理等诸多功能。

该测试分析系统有两大部分组成：①传感器测量系统，它包括加速度传感器、电荷放大器及数据采集卡等，其作用是拾取表征车辆振动状态的各种信号或参数，并使之变成标准的模拟电信号和计算机能够识别的数字信号。②数据采集、显示、处理及分析系统，也就是虚拟仪器的核心部分，其作用是获得信号并显示具体振动值，同时进一步的相关分析、谱分析等分析处理。便携式车辆振动测试分析系统虽然主要部分为软件完成的数据分析处理，但它仍然需要传感器、信号调理器等硬件设备。这些硬件设备在任何振动测试分析系统中是必不可少的，它们构成了系统的测试前端。

3 振动测试分析系统程序设计

便携式车辆振动测试分析系统对信号的分析处理有两种工作方式：在线式和离线式信号分析仪。通常在线式用于信号的监测，实现实时测试分析；离线式则是先将信号记录下来，再进行分析，一般用于系统的动态特性测试，总体设计方案如图1 所示。

图1 测试分析系统的总体设计

3.1 数据采集模块的设计

数据采集提供了整个测试系统的数据来源，是虚拟仪器的基本组成部分[5]。数据采集模块主要是实现车辆振动信号的拾取及对各种参数的控制，比如对数据采集卡、采集通道的选择，以及采样频率、点数、段数的控制等。

振动量转化为计算机所能识别的数字量是一个复杂的过程，首先经过压电式传感器将机械振动量转换为模拟电量，然后通过模拟信号调理设备进行信号放大、隔离、滤波、同步采样及保持等处理，送入数据采集卡完成采样及量化转变为数字量送给计算机作进一步的处理。本测试分析系统使用的数据采集卡为一款基于笔记本计算机PCMCIA 插槽技术的DAQCARD-AI-16E-4 采集卡[6]，信号调理卡为SC-2040，可实现8 通道同步采样和保持，并且各通道可选择不同的增益。

图2 数据自由采集模块方框图

该模块中设置了两种采样方式：一种是自由连续采集，即设置好采集参数后直接进行连续采集，适用于随机平稳信号的采集；另一种是触发采集，设置好触发条件（包括触发电平、触发沿、触发前预保留点数等）后采集，适用于激励信号和脉冲信号的采集。

从图2 所示的信号自由采集模块流程图中，可以看出主要调用了LabVIEW 中Data Acquisition 功能块下Analog Input 中的AI Config.vi、AI Start.vi 及AI Read.vi 等子函数。通过这些模块可以实时采集实际的模拟信号，各子函数模块均可以图标形式放置在程序流程图中，这样不但增加了程序的可维护性，也增加了程序的可读性，使程序流程图更加清晰明了。 [p]

3.2 信号分析模块的设计

根据振动测试中对信号的分析和处理基本要求，主要从时域分析、幅值域分析、频率域分析和时频联合分析方面进行程序设计。主要功能包括：波形显示、滤波器设计、窗函数、概率统计、概率密度分布、自功率谱、互功率谱、倒功率谱、频响函数、自相关函数、互相关函数、短时傅里叶变换、Gabor 变换、小波变换、模态分析等。

3.2.1 时域和幅值域分析模块

时域分析中主要是波形显示、自相关分析和互相关分析。自相关用于判断信号的随机程度，也可以检测混在随机信号中的周期信号；互相关则反映了两个随机变量的统计依赖关系。图3 是TJ1040 汽车司机座椅在50km/h 车速下振动时域波形显示图。

图3 时域波形显示图

幅值域特性分析是振动试验必不可少的一项，该模块程序可以同时观测输入、输出信号的概率密度曲线、概率密度分布曲线，还可以直接求值，尤其对随机信号数字特征的偏态和峰值有关，用于故障检测分析和模态参数识别。

3.2.2 频率域分析模块

频率域分析功能较多，主要有功率谱分析、频响函数分析、倒频谱分析等。图4 是车辆振动实时波形及功率谱分析程序的方框图，从中可见完成这些功能只需调用虚拟仪器软件中相应的自功率谱计算、显示波形等子程序模块即可以实现。

图4 波形实时分析程序方框图

频响函数表示激振力和测量点响应之间的关系，频响函数分析在车辆的振动分析中具有相当重要的地位，频响函数曲线也是模态参数识别的依据。图5 是TJ1040 在50km/h 车速下车厢地板和司机座椅振动的频响函数（传递函数）曲线。以车厢地板的振动为激励信号，司机座位的振动为响应信号。计算方法采用H3 估计，激励信号和响应信号都加哈宁窗函数，显示方式为幅频－相干。从图中可以看到相干系数有多处峰值，而其中在2.34Hz 和15.23Hz 处相干系数为极值对应为0.9762 和0.9513，这分别发生在司机座椅和车厢地板的固有频率附近，正好与相干常常发生在固有频率处这一理论相吻合。

图5 车厢与座椅振动的频响函数

3.2.3 时频联合分析模块

时频联合分析亦称时频局域化方法，是用时间和频率的联合函数来表示信号。典型的线性时频表示有：短时傅里叶变换、小波变换和Gabor 变换。时频联合分析在振动信号处理中，能够很好的表示出信号在任一时刻的频域特性，下面以短时傅里叶变换为例说明时频联合分析模块的程序设计。

短时傅里叶变换是把信号划分为许多小的时间间隔，用傅里叶变换分析每个时间间隔，以便确定该段时间间隔存在的频率。

该程序前面板共有四部分组成：参数部分、短时傅里叶变换时频平面图、瞬时频谱图和信号时域波形图。图6 为TJ1040 在50km/h 的车速下的振动曲线短时傅里叶变换频谱图。由于采集的信号为车辆平顺性分析信号，截止频率为100Hz，因此频谱平面图100Hz 以上没有信号。1 通道是司机座椅的振动情况，振动能量主要分布在2～5Hz，从时域波形图、频谱平面图和瞬时频谱图可以看出在3.52s 时刻对应的频率为2.34Hz 和13.11Hz，此时振动能量最大即发生在座椅和车厢的固有频率之处。从图中可以看出该车的振动情况在频谱允许范围值内，说明该车具有良好的乘坐舒适性。 [p]

图6 短时傅里叶变换分析程序

4 系统对车辆平顺性试验应用

便携式车辆振动测试分析系统硬件环境为一台主频为PⅢ450，64M 内存的笔记本计算机和一块数据采集卡、同步采样保持卡，运行软件环境为Windows 98 下的LabVIEW 5.1。

运用该系统对TJ1040 在天津外环线作了平顺性试验，并对试验结果进行了实时分析，结果如图7所示。

图7 平顺性试验分析结果

该图是车速在50km/h（常用车速）时舒适性降低承受时间在ISO2631 指标体系中的分布情况，从图中可以看出在中心频率为6.3Hz 下，振动最厉害、承受的时间最短，可以看出舒适性降低界线承受的最低时间为190.72min（3.18h），发生在中心频率为6.3Hz 的1/3 倍频带上，与图形曲线完全相符。加速度加权均方根值为0.31704m/s2（等效均值LEQ110. 02224d B），参照标准该车的CD T 值已达到轻型客车评价指标的限值，符合轻型客车平顺性评价指标。

试验结果与用清华大学的DP-16 分析软件分析结果完全一致，这充分说明了该便携式车辆振动测试分析系统开发可行性与正确性。

5 结束语

基于虚拟仪器图形编程语言LabVIEW 组建的便携式车辆振动测试分析系统，减少了测试过程中的硬件设备，实现了对车辆振动信号的实时采集、处理、分析的目的。

参考文献
1 樊强，徐运涛．虚拟仪器测试系统简介. [J] 现代军事通讯，2001, 3(1): 16～19
2 National Instruments Corp．LabVIEW User Manual．[M] Austin, Texas USA．January 1998
3 吴国新，许宝杰，朱春梅．基于LabVIEW 的虚拟振动测试系统．[J] 北京机械工业学院学报，2000, 12(4): 39～43
4 赵永立．基于LabVIEW 的车辆振动测试分析系统研究.[D] 河北工业大学，2003
5 陈敏，汤晓安．虚拟仪器软件LabVIEW 与数据采集．[J]小型微型计算机系统，2001, 4(4): 501～503
6 National Instruments Corp. DAQCard E Series User Manual （Multifunction I/O Cards for PCMCIA）．[M] Austin, Texas USA．March 1999(end)