車輛振動測試分析的虛擬儀器設計與應用
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車輛的振動測量在大多數情況下需要在道路上進行，首先需要磁帶機記錄測試的振動信號，然后將試驗數據帶回實驗室進行進一步的處理、分析。由于道路上有許多偶然因素的影響，可能導致試驗分析結果中存在較大誤差甚至得出錯誤結論。遇到這種情況只能重新回到路面重復一次試驗，如此一來，整個試驗的周期加長、試驗設備增多，這樣對教學實驗來說很不實際，同時諸多儀器設備也給整個測量帶來了不便。便攜式車輛振動測試分析系統可以進行實時分析，在道路試驗過程中得到分析結果。該測試分析系統是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形化用戶界面的軟件組成的測控系統，是一種由計算機操控的虛擬儀器系統[1]。
虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件和測控功能平臺。其中計算機硬件可以是各種類型的計算機，如臺式、便攜式、嵌入式計算機及工作站等。計算機管理著虛擬儀器的硬軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。
虛擬儀器的軟件平臺中最具有代表性的是美國國家儀器公司推出的LabVIEW，它是采用32 位的編譯型的圖形化語言作為其編程語言，集開發、調試和運行于一體，是一種強有力的虛擬儀器開發工具。LabVIEW 具有以下的特點：流程圖式的編程環境，不需要預先編譯就存在語法檢測，調試過程中可使用的數據探針，豐富的庫函數、數值分析、信號處理及設備驅動等[2]。編程者分別在LabVIEW 語言編程環境的前面板和程序流程圖組建儀器人機界面和進行程序設計開發，以完成虛擬儀器特定的邏輯分析處理能力[3]。LabVIEW 軟件是儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示的一種很好的選擇。
2 車輛振動測試分析系統的組成
便攜式車輛振動測試分析[4]系統就是利用虛擬儀器完成對車輛行駛過程中振動量的信號測量、數據分析及處理。它完全借助于計算機軟件實現對振動信號的采集、顯示、存取、分析處理等諸多功能。
該測試分析系統有兩大部分組成：①傳感器測量系統，它包括加速度傳感器、電荷放大器及數據采集卡等，其作用是拾取表征車輛振動狀態的各種信號或參數，并使之變成標準的模擬電信號和計算機能夠識別的數字信號。②數據采集、顯示、處理及分析系統，也就是虛擬儀器的核心部分，其作用是獲得信號并顯示具體振動值，同時進一步的相關分析、譜分析等分析處理。便攜式車輛振動測試分析系統雖然主要部分為軟件完成的數據分析處理，但它仍然需要傳感器、信號調理器等硬件設備。這些硬件設備在任何振動測試分析系統中是必不可少的，它們構成了系統的測試前端。
3 振動測試分析系統程序設計
便攜式車輛振動測試分析系統對信號的分析處理有兩種工作方式：在線式和離線式信號分析儀。通常在線式用于信號的監測，實現實時測試分析；離線式則是先將信號記錄下來，再進行分析，一般用于系統的動態特性測試，總體設計方案如圖1 所示。
圖1 測試分析系統的總體設計
數據采集提供了整個測試系統的數據來源，是虛擬儀器的基本組成部分[5]。數據采集模塊主要是實現車輛振動信號的拾取及對各種參數的控制，比如對數據采集卡、采集通道的選擇，以及采樣頻率、點數、段數的控制等。
振動量轉化為計算機所能識別的數字量是一個復雜的過程，首先經過壓電式傳感器將機械振動量轉換為模擬電量，然后通過模擬信號調理設備進行信號放大、隔離、濾波、同步采樣及保持等處理，送入數據采集卡完成采樣及量化轉變為數字量送給計算機作進一步的處理。本測試分析系統使用的數據采集卡為一款基于筆記本計算機PCMCIA 插槽技術的DAQCARD-AI-16E-4 采集卡[6]，信號調理卡為SC-2040，可實現8 通道同步采樣和保持，并且各通道可選擇不同的增益。
圖2 數據自由采集模塊方框圖
從圖2 所示的信號自由采集模塊流程圖中，可以看出主要調用了LabVIEW 中Data Acquisition 功能塊下Analog Input 中的AI Config.vi、AI Start.vi 及AI Read.vi 等子函數。通過這些模塊可以實時采集實際的模擬信號，各子函數模塊均可以圖標形式放置在程序流程圖中，這樣不但增加了程序的可維護性，也增加了程序的可讀性，使程序流程圖更加清晰明了。
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