基于LabVIEW的車体振動加速度信號處理

1 引 言

隨著全國鐵路的六次大提速，車輛高速運行下的安全性可靠性已成為人們高度關注的一個問題。而安全運行、安全監測系統等都是需要以振動試驗与測試技術做強力支持和保証的。基于此，本文選擇了測取車体的振動加速度信號，設計了基于LabVIEW平台的人机界面。經檢驗，該系統能夠對采集的加速度信號進行很好的處理，并能方便地選擇巴特沃思濾波器的階數，再根据運行結果确定所選的濾波器階數是否合适，綜合所有，得出最好的處理結果。

2 LabVIEW編程語言

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美國NI公司(NationalInstruments，國家儀器公司)推出的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件，是一种嶄新的圖形化編程語言(G語言)和開發環境，其源程序完全是圖形化的框圖，避免了基于文本模式的編程語言的困扰，為數据采集、儀器控制、測量分析和數据顯示等各种應用提供必要的開發工具。因而，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受。

3 測試對象

由于道路不平順，載重車車体在x方向(前后)、y方向(左右)和z方向(垂向)均產生了劇烈振動，影響行車安全，特別是y方向的振動，為進一步改進車体結构，加強越野能力，保障行車安全，采用加速度傳感器對車体振動進行了在線檢測，圖1是y方向輸出的典型信號。由于車体的劇烈運動，使三個方向的振動產生了耦合，形成車体耦合振動，因而y方向的加速度信號中出現了x方向和z方向的振動信號，采用頻譜分析技術和帶通濾波技術將y方向的振動加速度信號分离出來。

車体的振動頻率fi与車的載重量有關，為此，對14种不同的載重量分別進行了測量，得到了14組振動加速度信號，我們選取了其中一組數据進行分析。

4 測試條件

采用壓電晶体加速度傳感器測量，傳感器電壓靈敏度：Sv=95 mV∕g，不考慮橫向效應；信號調理器的放大倍數：K=5；采樣頻率：fs=200 Hz；數据長度：N=1 024；A∕D卡為雙极性輸出，數字信號為電壓值(V)；由于車体振動嚴重，各傳輸線產生晃動，在信號中產生了寬帶噪聲，并存在直流分量；由于載重車后挂有拖箱，在信號中存在一定的低頻成分。

5 信號處理

耦合振動是一种比較深層次的振動問題，車輛的耦合振動更為复雜，目前多采用模態分析，數值行算，有限元分析等方法求解。采用濾波方法進行粗略的提取，簡單方便，運行速度快，有較好的實時性，用于粗略判別和分析，具有一定應用价值。 對一組長度為1024的實驗數据進行處理，要獲取y方向的加速度信號，就必須把耦合的x方向和z方向的振動信號濾除。(1)對信號進行FFT變換，得到一組中心頻率不同的成分。分析頻率成分，可知y方向加速度信號的中心頻率在40 Hz左右。(2)設計巴特沃思帶通濾波器，提取特定的頻段。主要任務是根据通帶和阻帶的衰減要求确定濾波器的階數。

5.1 頻譜分析

FFT是一种高效實現离散傅氏變換的算法。离散傅氏變換的目的是把信號由時域變換到頻域，從而可以在頻域分析處理信息。

FFT變換圖象(見圖2前面板顯示1)顯示信號中有三個顯著成份，頻率低者為z向振動，中間為y向振動，即分析對象，頻率高者為x向振動。注：信號中存在直流分量和低頻成分。

調整頻率分析圖象中y軸的標尺，濾波前的信號成分數值如表1。

濾波器的基本作用是選頻，即允許信號中的某些領域成分通過，其他的頻率成分受到抑制。前面已提到頻譜分析圖象中有三個顯著成分，需要提取的分析對象是y方向即40Hz左右的頻率，因此，采用只能允許信號中某段頻率成分通過而抑制其余頻率成分的帶通濾波器。

對于數字濾波器，從設計方法上分類，有IIR濾波器(無限衝激響應數字濾波器)和FIR濾波器(有限衝激響應數字濾波器)之分。對數字濾波器的要求可歸納為具有帶通頻響特性。基于FIR和IIR濾波器的性能比較，選擇IIR濾波器(如圖3)就能滿足系統要求，而且階數低，容易實現。

除中心頻率ω0之外仍需确定的帶通濾波器參數有(如圖4)：

查看頻譜分析圖象：

ω=2πf f0=40Hz
fCH=42Hz fCL=38Hz

因此，巴特沃思帶通濾波器的參數如下：高截止頻率為42 Hz，低截止頻率為38Hz，濾波器階數為4階。前面板上的參數選定完畢后，運行結果顯示如圖5。

LabVIEW軟件設計分為四步：

(1)創建前面板：前面板是圖形化用戶界面，用于設置輸文件路徑和觀察輸出量，它模仿了實際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制按鈕，可在計算机顯示器上直接觀看結果。在車体振動加速度信號處理程序的前面板上，設置了4個Waveform Graph用于顯示原始信號、頻譜、濾波后的信號和濾波后的頻譜。另外，還有文件輸入路徑和巴特沃思濾波器的參數設置設計。

(2)創建程序框圖：在前面板窗口的主菜單Windows中選擇Show Diagram，將前面板窗口切換到框圖程序窗口，此時會看到与前面板對象對應的端口。根据需要在功能模板中找到所需的節點，并將節點圖標放置到框圖程序窗口。用數据連線將這些端口和節點的圖標連接起來形成一個完整的框圖程序。

(3)創建圖標：圖標是一個虛擬儀器圖形化符號，每一個VI都有一個默認的圖標，顯示在面板或框圖窗口的右上角。

(4)運行和調試程序：運行和調試程序是任何一門編程語言編程的最重要的一步。在LabVIEW中，如果一個VI程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的RUN(運行)按鈕會顯示成一個折斷的箭頭，表示程序有錯不能被執行。為了查找程序中的邏輯錯誤，可選擇單步執行。調試程序時，還可以使用探針工具來查看數据流經某一根連接線時數据值的變化。

完整的車体振動加速度信號處理程序框圖如圖6所示。

研究車体的振動加速度信號可以有效地測試火車的安全運行情況。為了改善車体的抗振性能，需要測量其振動的強弱，進行頻譜分析以了解其振動狀態，尋找其振源，以便采取合理地的減振措施。基于Lab VIEW的車体振動加速度信號處理系統具有較好的實際應用能力。