虛擬儀器設(shè)虛擬相關(guān)法測量相位差仿真儀設(shè)計27資料.docx

1、湖南科技大學課程設(shè)計（論文）湖南科技大學課程設(shè)計課程設(shè)計名稱：虛擬儀器課程設(shè)計學生姓名：學院：機電工程學院專業(yè)及班級：學號：指導教師：毛征宇郭迎福王靖1湖南科技大學課程設(shè)計（論文）2012年12 月 28 日湖南科技大學課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計任務(wù)書機電學院測控儀器系系主任：楊書儀學生班級： 2009 測控 1、 2、 3 班日期：2012.12.28一、設(shè)計目的：在學習和了解虛擬儀器及總線技術(shù)與LabVIEW開發(fā)平臺的基本原理和方法的基礎(chǔ)上，使學生理論與實踐相結(jié)合，深入了解虛擬儀器技術(shù)及 LabVIEW 編程技術(shù)在工程常見領(lǐng)域的測量與分析的應用，提高學生將虛擬儀器、測試技術(shù)和電子、機械、通訊

2、等多學科的綜合應用能力和實際動手能力。二、學生提交設(shè)計期限：在本學期2012 年 12 月 17 日至 2012 年 12 月 28 日完成，設(shè)計必須學生本人交指導老師評閱，指導教師將抽取約10左右的學生答辯。三、本設(shè)計參考材料：虛擬儀器 LabVIEW8.2基礎(chǔ)教程基于 LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計虛擬儀器技術(shù)分析與應用測試技術(shù)四、設(shè)計題目的選定：參考設(shè)計題目附后頁，必須選二題（一般信號分析的虛擬儀器設(shè)計和工程測試實驗教學虛擬儀器各一題）。五、設(shè)計要求：1、 查閱相關(guān)資料；2、 提出整體系統(tǒng)設(shè)計方案；3、 詳細設(shè)計虛擬儀器各部分的原理、組成及具體實現(xiàn)過程；4、 說明前面板控件布置、流程圖（節(jié)

3、點和圖框）編輯和數(shù)據(jù)流實現(xiàn)方法；5、 運行檢測（仿真檢測和實測檢測。）六、設(shè)計成果及處理說明書主要章節(jié)：1 設(shè)計成果（包括說明書、前面板窗口設(shè)計和程序代碼編輯及其程序軟件）；2 設(shè)計說明書格式及主要章節(jié)：a.封面（參照學院規(guī)定標準）；b.設(shè)計任務(wù)書（包括選定設(shè)計題目與要求，可復印）；c. 目錄d. 說明書正文；（主要包括系統(tǒng)總體方案分析及確定； 虛擬儀器設(shè)計步驟詳細介紹； 程序調(diào)試運行分析結(jié)果等）e. 設(shè)計總結(jié)及體會；f. 參考文獻七、設(shè)計所得學分及成績評定：本設(shè)計單獨算學分及成績：占2 個學分?？己伺c評分主要分四個方面：1 學生平時出勤及工作態(tài)度；2 虛擬儀器設(shè)計正確性及前面板布置實用、美觀

4、程度；3 說明書、軟件編寫規(guī)范、調(diào)試分析結(jié)果及獨立工作能力；4 答辯成績（部分學生） 。八、設(shè)計進度與答疑：1、 確定設(shè)計題目及查閱資料，并確定方案：12.1712. 18 日；2、 虛擬儀器設(shè)計及撰寫設(shè)計報告：12.1912.25 日；3、 運行調(diào)試檢測與修改，完成課程設(shè)計報告：12.26 12.28 日；4、 提交設(shè)計報告，部分學生答辯：12.26 12.30 日。學生簽名：指導老師簽名：學號：日期：日期：i湖南科技大學課程設(shè)計（論文）目錄第一章 虛擬相關(guān)法測量相位差仿真儀設(shè)計.11.1 設(shè)計要求 .11.2 設(shè)計原理 .11.2.1相關(guān)法求相位差的原理 .11.2.2相關(guān)法存在的問題 .

5、21.3程序設(shè)計 .31.3.1流程框圖設(shè)計 .31.3.2程序設(shè)計 .41.4程序調(diào)試及分析結(jié)果 .5第二章 振動測試虛擬儀器設(shè)計 .82.1設(shè)計要求 .82.2設(shè)計原理 .82.3軟件設(shè)計 .92.3.1前面板設(shè)計 .92.3.2程序設(shè)計 .112.4振動測試虛擬儀器調(diào)試 .132.4.1掃頻信號輸出調(diào)試 .132.4.2服務(wù)器設(shè)計調(diào)試 .132.4.3 客戶端調(diào)試.142.5 總結(jié) .15參考文獻 .16ii湖南科技大學課程設(shè)計（論文）第一章虛擬相關(guān)法測量相位差仿真儀設(shè)計1.1設(shè)計要求1、可測量兩個同頻正弦波信號的相位差；2、兩個正弦波信號的幅值、相位都可由用戶選擇設(shè)定；3、信號的采樣點

6、數(shù)可為16，32， 64，128，256， 512，1024，2048；4、采樣周期數(shù)可以選擇310；5、可以顯示相關(guān)計算結(jié)果。1.2設(shè)計原理1.2.1相關(guān)法求相位差的原理相 關(guān)法 利用 兩同 頻正 弦 信號 的延時 =O時的互 相關(guān) 函數(shù) 值與 基相 位差 的余弦 值成 正比 的原 理 獲得 相位 差。由 于噪 聲信 號通 常與 有效 信號相 關(guān)性 很小，因而該方法有很好的噪聲抑制能力。假設(shè)有 兩個同頻 信號 x(t)、 y(t)，都 被噪 聲污 染， 描述 如下x(t)=Asin( 0t 0) Nx(t)y(t)=Bsin( 0t 1) Ny(t)（ 1）其中 ， A， B分別為 x(t)

7、和 y(t)的幅 值； Nx ， Ny分別為 噪聲 信號。顯然 兩信 號的 相位 差 為 phasedif 1 0，但實 際中 是無 法知 道 1和 0的。用相關(guān)法求相差的原理如下，周期信號互相關(guān)函數(shù)的表達式為：（）1Tt yt)dt（ 2）R xyT 0x ( ) (其中，T為信號周期，將（2）式代入（1）式，可得：（）1TAsin ( 0t0 )N x ( t )Bsin( 0 (t)1 )N y ( t)dtR xyT 0當 0時，T（ ）1t0)N x ( t )Bsin(0 (tdtR xy 0Asin ( 01 ) N y ( t )T 0理想情況下，噪聲和信號不相關(guān)，且噪聲之間也

8、不相關(guān)，積分后得：R xy（ 0）AB10 )cos (2所以有：1湖南科技大學課程設(shè)計（論文）2Rxy (0)(1-1)phasedif10 arccos(AB另外，信號的幅值和在延時0 時的自相關(guān)函數(shù)值又有下述關(guān)系：A 2R x (0)B 2R y (0)（ 3 ）這樣，通過兩信號的直相關(guān)、互相關(guān)就可以求得它們的相位差。（ 1） 散時間表達式實際處理的是連續(xù)信號采樣后的離散點序列，因而，計算相關(guān)函數(shù)所用的計算式相應地也應該是離散時間表達式，下面是相應酌離散時間計算公式：Rxy ( 0 )1k1x n y n kn0Rx( 0 )1 k 1x 2 ( n )kn0R y( 0 )1k12kn

9、0y ( n )（ 1- 2）其中， k 為采樣點數(shù)。1.2.2相關(guān)法存在的問題（ 1）當信號中存在噪聲干擾時，用時延0 時的自相關(guān)函數(shù)值Rx(0) 求取信號幅值會引入較大誤差。問題的提出根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，噪聲信號也在0 時取得最大值，因而，當有效信號中含有噪聲信號時，信號的自相關(guān)最大值是有效信號和噪聲信號各自的自相關(guān)最大值疊加的結(jié)果，用式(3) 求取有效信號幅值的結(jié)果不準確。具體推證如下：對信號 x(t)=Asin(t ) N (t)，其 =0 時的自相關(guān)函數(shù)值Rx(0) 為：00x（ ）1TN x ( t) A sin(0 tR x 0limAsin ( 0 t0 )0 )N x (

10、t )dtTT01A 2 RN x (0)Rf ( 0)RNx (0)2式（ 3）中給出的信號幅值A(chǔ) 與 Rx（0）間的關(guān)系式不再成立。 解決方法2湖南科技大學課程設(shè)計（論文）含噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)如圖 1.1 所示 ( 假設(shè)噪聲為白噪聲 )- 由圖中可以看到，在到達一定值之后，含噪信號的自相關(guān)函數(shù)完全等于有效信號的自相關(guān)函數(shù)，這是由于噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)隨著時延的增大迅速衰減。據(jù)此，對于正弦信號含有噪聲的情況，完全可以用含噪信號自相關(guān)函數(shù)的次峰值來計算正弦波的幅值，此方法稱為次峰值取代法。（ 2）周期信號的自相關(guān)函數(shù)的離散計算式在所取總點數(shù)不等于整周期時存在計算誤差。這個問題可以用頻率跟蹤法

11、解決。所謂頻率跟蹤法： 就是即時測量信號的當前頻率，根據(jù)信號頻率確定采樣頻率和采樣總點數(shù)。這一方法同時也是解決FFT 方法測相差問題的有效方法。（ 3）相關(guān)法適用于對同頻正弦信號求取相差， 而對于含有多個頻率分量的周期信號不適用 。圖 1.1含白噪聲干擾的正弦信號的自相關(guān)函數(shù)1.3程序設(shè)計1.3.1程序框圖設(shè)計本設(shè)計未對相關(guān)法存在問題做相應的處理，其程序流程圖如下圖：3湖南科技大學課程設(shè)計（論文）圖 1.2程序流程圖1.3.2程序設(shè)計(1) 前面板設(shè)計1 、放 置 4 個數(shù)字控件，分別用于設(shè)置兩個正弦波的幅值和相位。2、放置一個輸出波形顯示器，可觀察兩個信號x(t)與 y(t)的信號波形；3

12、、放置三個數(shù)字控件，用于設(shè)置采樣點數(shù)、采樣頻率、信號頻率三個參量，為兩個正弦波信號發(fā)生器所共用；4 、放置一個開關(guān)型控件，用于使用者運行或關(guān)閉儀器；5、放置一個輸出顯示型數(shù)字控件，顯示相位差測量結(jié)果，單位為度；設(shè) 計虛擬相關(guān)法測量相位差仿真儀面板下圖所示：圖 1.3虛擬相關(guān)法測量相位差仿真儀面板4湖南科技大學課程設(shè)計（論文）（ 2） 程序圖設(shè)計執(zhí)行作用 信號處理 信號運算互相關(guān)操作，調(diào)入互相關(guān)圖標。在流程圖設(shè)計中用到了數(shù)組子模板上的索引數(shù)組圖標，用來獲取=0 時的互相關(guān)函數(shù)值，該值是互相關(guān)函數(shù)圖標第n 1 個輸出值?；ハ嚓P(guān)函數(shù)的所有的2n-1 個值都輸入到索引數(shù)組中，輸入端輸入?yún)?shù)設(shè)置為n-1

13、 時，其輸出即為第n 1 個互相關(guān)值。為得到相位差，執(zhí)行作用數(shù)學 基本與特殊函數(shù)三角函數(shù) 反余弦操作，調(diào)入反余弦函數(shù)，并進而實現(xiàn)相應運算，將相位差由弧度轉(zhuǎn)化為角度表示。流程圖如下圖所示圖 1.4虛擬相關(guān)法測量相位差仿真儀流程圖1.4仿真實驗（ 1）設(shè)置信號1 幅值為1V，初始相位為00；設(shè)置信號2 幅值為2V，初始相位為900 ；設(shè)置兩個信號的頻率均為1Hz，采樣頻率為10Hz，采樣點數(shù)為50 點。運行結(jié)果如圖 1.5 所示。圖中顯示得到的相位差為900 。5湖南科技大學課程設(shè)計（論文）圖 1.5仿真實驗前面板顯示（ 2）設(shè)置信號1 幅值為1V，初始相位為200 ；設(shè)置信號2 幅值為2V，初始

14、相位為 90 0；設(shè)置兩個信號的頻率均為1Hz，采樣頻率為10Hz，采樣點數(shù)為50 點。運行結(jié)果如圖1.6 所示。圖中顯示得到的相位差為70 0。圖 1.6隨機實驗（ 1）前面板顯示6湖南科技大學課程設(shè)計（論文）（ 3）設(shè)置信號1 幅值為1V，初始相位為50.5 0 ；設(shè)置信號2 幅值為2V，初始相位為 100.6 0 ；設(shè)置兩個信號的頻率均為1Hz，采樣頻率為10Hz，采樣點數(shù)為100 點。運行結(jié)果如圖9 所示。圖中顯示得到的相位差為50.1 0。圖 1.7隨機實驗（ 2）前面板顯示7湖南科技大學課程設(shè)計（論文）第二章振動測試虛擬儀器設(shè)計2.1 設(shè)計要求(1) 可測試振動實驗臺懸臂梁的加速度

15、；(2) 可測試振動實驗臺懸臂梁的振動頻率；(3) 可測試振動實驗臺懸臂梁的固有頻率；2.2設(shè)計原理本設(shè)計由計算機產(chǎn)生一 個頻率 連續(xù)變化 的正 弦激勵信 號，通過數(shù)據(jù)采集卡 進行D/A 轉(zhuǎn)化后輸出，經(jīng)功率放大器送到激振器，使被測懸臂梁產(chǎn)生受迫振動。用壓電晶體加速度傳感器拾取被測梁的振動信號。采用內(nèi)置電荷轉(zhuǎn)換電路的傳感器，將對應振動加速度的電荷量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌⒎糯蠛髠鬟f到數(shù)據(jù)采集卡，這種傳感器需要恒流源激勵。信號發(fā)生模塊產(chǎn)生正弦掃頻信號。數(shù)據(jù)采集模塊采集到反映振動加速度的電壓信號通過DataSocket傳輸?shù)接嬎銠C網(wǎng)絡(luò)上，同時監(jiān)測振動的頻率。數(shù)字濾波部分采用 “信號處理濾波器”函數(shù)子選板的B

16、utterworth濾波器VI ，設(shè)置為低通濾波，濾除信號中的噪聲和不需要的頻率成分。本次實驗選擇濾波器截止頻率400Hz。積分模塊用“數(shù)學- 積分與微分”函數(shù)子選板中的Integralx（ t ） VI ，進行加速度變化率的累加，求得當前速度；再進行速度變化率的累加，求得當前位移。趨勢項是測試系統(tǒng)中某些因素引起的隨時間變化的長周期系統(tǒng)誤差。本設(shè)計構(gòu)造了一個Detrend VI消除趨勢項。Detrend VI調(diào)用了最小二乘法擬合直線的Linear Fit VI擬合趨勢項，然后在數(shù)據(jù)中減去趨勢項。實驗中用共振頻率近似代替被測系統(tǒng)的固有頻率。在掃頻激振過程中記錄被測梁的振動頻率與對應加速度振幅，得

17、到其幅頻特性曲線。幅頻特性曲線峰值處就是實際測試的共振頻率。8湖南科技大學課程設(shè)計（論文）2.3. 軟件設(shè)計2.3.1前面板設(shè)計（ 1） 掃頻儀前面板放置一個停止按鈕及數(shù)字頻率設(shè)計輸出。采 用了一個布爾控件控制自動與手動兩種方式。為了便于顯示固有頻率處的幅頻特性曲線，采用慢掃頻間隔和快掃頻間隔。由于二階固有頻率可以用一階固有頻率乘以系數(shù)6.36 。在這里設(shè)置了兩個慢掃頻區(qū)間，包含了一階二階固有頻率。如圖2.1 所示 。圖 2.1掃頻儀前面板（ 2）振動試驗服務(wù)器前面板兩個波形圖顯示控件顯示頻率和加速度。返回按鍵控制數(shù)據(jù)采集及該程序是否結(jié)束。用布爾控件決定是否要記錄數(shù)據(jù)及是否查看結(jié)果，使用數(shù)字輸

18、入控件輸入采樣率、采樣數(shù)、傳感器電壓靈敏度。并通過網(wǎng)絡(luò)通信使用 DataSocket從網(wǎng)絡(luò)上接收加速度信號。如果傳輸有錯，則由“指示燈”指示出來。 前面板如圖2.2 所示。9湖南科技大學課程設(shè)計（論文）圖 2.2振動實驗服務(wù)器前面板（3）客戶端設(shè)計客戶端用來顯示各種信息，數(shù)字顯示用來顯示振動頻率和加速度振幅。圖形顯示控件顯示加速度信號的時域波形和幅值頻譜。旋鈕用來控制顯示的周期數(shù)。如圖 2.3 所示。圖 2.3振動實驗客戶端前面板10湖南科技大學課程設(shè)計（論文）2.3.2程序設(shè) 計（ 1）掃頻儀程序設(shè)計用數(shù)據(jù)采集VI 建立一個虛擬通道、輸出一定頻率的正弦波、連續(xù)采樣輸出任務(wù)。同時在自動模式下每

19、個循環(huán)加0.2 ，至到300 。當頻率進入慢掃頻區(qū) 間時 ，采 用慢 掃頻間 隔。同時 用全局變 量把頻率傳遞出去 。 如圖2.4 所示。圖 2.4 掃頻儀程序框圖（ 2）振動實驗服務(wù)器程序設(shè)計程序中數(shù)據(jù)采集助手設(shè)置為0 通道差分輸入，連續(xù)采樣，采樣率和采樣數(shù)在程序前面板上設(shè)置。通過全局變量接收激勵輸出頻率，以此頻率的2 倍作為低通濾波器的截止頻率。由于實驗中所用電路壓電晶體加速度傳感器給出的靈敏度參數(shù)以g 為單位，所以將電壓信號除以傳感器電壓靈敏度后再乘以重力加速度9.8 得到以m/s 2 為單位的振動加速度值。Dstr VI中對數(shù)據(jù)傳輸做了一些控制，讀者也可以用更簡便的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。傳

20、輸?shù)臄?shù)據(jù)為振動加速度波形數(shù)據(jù)和采樣率。服務(wù)器進行頻率分析和測試數(shù)據(jù)存取便于監(jiān)測和分析。如圖 2.5 所示11湖南科技大學課程設(shè)計（論文）圖 2.5振動實驗服務(wù)器程序框圖（ 3）振動測試客戶端程序設(shè)計程序中用DataSocket Read VI從網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)。用索引數(shù)組函數(shù)把加速度信號和采樣率分別索引出來。如圖 2.6 所示。圖 2.6振動測試客戶端程序框圖12湖南科技大學課程設(shè)計（論文）2.4振動測試虛擬儀器調(diào)試2.4.1 掃頻 信號 輸出 調(diào)試設(shè)置自動模式，頻率設(shè)置為66.2Hz ，慢掃頻間隔5000ms，快掃頻間隔250ms，慢掃頻區(qū)間一階為14 28，二階為 131 145 。如圖2.7 所示。圖 2.7掃描儀調(diào)試圖2.4.2服務(wù)器設(shè)計調(diào)試設(shè)置采樣率為2048S/s 、采樣數(shù)為1024s 、傳感器電壓靈敏度為0.151 。如圖 2.8所示。圖 2.8振動測試服務(wù)端調(diào)試13湖南科技大學課程設(shè)計（論文）2.4.3客戶端調(diào) 試數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂吩O(shè)為dstp:localhostwave。如圖2.9 所示。圖 2.9振動測試客戶端調(diào)試14湖南科技大學課程設(shè)計（論文）第三章總結(jié)本次課程設(shè)計由于我要考研，歷時一個星期，在這一個星期