开放性[6-7]。本研究以LabVIEW为基础，配以压电式加速度传感器、IEPE信号调理器和数字示波器等设计了虚拟机械振动测试系统[7-9]，并对土槽试验台车的机械振动情况进行了测试分析，为研究土槽试验台架的机械振动对试验机具工作效率的影响程度打下基础。
1虚拟振动系统硬件部分设计
如图1所示，本振动分析系统硬件部分由加速度传感器、信号调节器、数据采集卡及计算机组成[10]，其作用是将被测部件机械振动的物理量转换成数字信号，再由振动系统软件部分进行分析研究。
1.1加速度传感器
测量振动与冲击的核心部件是传感器，传统测量振动最常用的传感器是加速度传感器，加速度传感器可以将振动源发出的机械振动信号快速转换成微弱电信号。加速度传感器采用IEPE压电式加速度传感器（简称IEPE，图1-a），IEPE相比其他类型的加速度传感器具有测量线性范围大、结构简单、工作可靠、抗干扰能力强、安装方便、频率范围宽等优点。
1.2IEPE信号调节器
IEPE传感器存在不能直接输出电压信号、混入的杂波太多等缺点，须要在数据采集卡与IEPE传感器之间安装1个IEPE信号调节器（图1-b），其主要目的是为IEPE传感器提供电能与放大IEPE传感器输出的微弱电压信号，并将经过放大与滤波后的电信号输送到数据采集卡中进行存储。
1.3数据采集
数据采集卡是传感器与计算机连接的一个桥梁，它采集传感器输出的电信号，并将电信号转换成数字形式保存为SCV格式文件，以便于后续分析与仿真。本试验系统采用DS1022C数字示波器（图1-c）来代替数据采集卡对电信号进行采集与转换，并能把所采集的波形直接显示在示波器的显示屏上，以便于作波形对比。
2虚拟振动系统软件部分设计
虚拟仪器的核心内容是利用计算机软硬件系统将需要大量硬件才能完成的功能用软件来虚拟代替实现硬件系统软件化，以便最大限度地降低振动测试成本，并能增强测试系统的功能及其灵活性[11]。[JP2]根据LabVIEW程序设计的模块化思想，针对土槽试验台振动信号的特点，编写振动测试系统分析部分的软件模块。为了把各个模块集成起来，设计主界面来实现各模块的调用。振动测试分析系统总的设计方案（图2）。
[FK（W13][TPCXR2.tif]
2.1数据采集模块
振动测试系统主要是拾取土槽试验台的振动信号和实现对各种参数的控制[12]，如对数据采集卡、采集通道的选择以及采样率、点数、段数的控制等。测试系统使用的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[13]，信号调理卡为SC-2040，可实现8通道同步采样和保持，而且各通道可以选择不同的增益。
假设传感器检测到的振动信号与采样信号分别用X（t）和g（t）表示，输入的振动信号用X（t）表示，经过采样离散的振动信号用X（nTs）来表示，采样的脉冲序列周期用Ts来表示，则采样的表达式如下：
Xs（nTs）=X（t）∑[DD（]+∞n=-∞[DD）]δ（t-nTs）=∑[DD（]+∞n=-∞[DD）]X（nTs）δ（t-nTs）。[JY]（1）
其中：δ（t）是单位脉冲序列，即采樣函数，图3为数据采集模块采样过程。
2.2数据处理模块
采集的信号中即存在有用的信息（如试验台架最大振幅），也存在很多干扰信号（如噪声干扰）[14]，所以数据处理的首要任务是对所采集信号进行数字滤波处理。由于土槽试验台车的工作频率在0～25 Hz，所以本系统在虚拟仪器软件平台所实现的滤波器为低通滤波器。
2.2.1时域分析模块
时域分析是指振动信号在时间域进行的方法，此分析模块主要是显示振动波形、统计各种特征值[15]。将滤波后的信号直接显示在LabVIEW前面板的示波器上，可以直观地对振动波形进行分析，此时的波形随时间变化而变化，在前面板中可以直接观察信号的变化情况和曲线的各个振动幅值。
2.2.2频域分析模块
根据分析时域是很难对振动信号的特征作出准确判断的[15]，所以在分析振动信号的过程中，频域分析是一项关键的分析技术，而频谱分析是在频率域对信号分析的重要技术[16]。相对于时域分析技术而言，频谱分析技术能够获得更多的有用信息，如各个频率成分的幅值分布、频率成分的能量分布、振动信号的总振级、振动信号的最大值频率、最大幅度值等。
2.2.3功率谱分析
功率谱分析是由功率的形式分析频谱图幅值，是研究机具平稳性重要的分析技术。在无穷多个随机序列中随机找出1个样本序列，并不能代表这个随机过程。然而无论选择哪一个序列，其自相关函数都是一样的，也就是由某一个序列计算出来的自相关函数能够描述整个过程的本质特点。因此，功率谱问题可以从自相关函数入手分析。
自功率谱密度是信号X（t）自相关函数的傅里叶变换，简称自功率谱。设X（t）自相关函数是RX（τ），则X（t）的自功率谱密度为：
[JZ（]Px（f）=∫+∞[KG-*2]-∞Rx（τ）e-f2πftdτ。[JZ）][JY]（2）
同时功率谱函数P（τ）为：
[JZ（]Px（τ）=∫+∞[KG-*2]-∞Rx（f）ej2πftdf。[JZ）][JY]（3）
若τ=0，可得：
[JZ（]Rx（τ）=lim[DD（X]T→∞[DD）][SX（]12T[SX）]∫+T[KG-*2]-TX2（t）dt=∫+∞[KG-*2]-∞Px（f）df。[JZ）][JY]（4）
组土槽试验台车的自功率谱密度函数：
[JZ（]Rx（0）=∫+∞[KG-*2]-∞Px（f）df=Pav。[JZ）][JY]（5）
即Px（f）曲线下和频率所包围的面积就是信号的平均功率，Px（f）就是信号的功率密度沿频率轴的分布，自功率谱密度表示信号的功率随频率的分布情况[17]。图4为功率谱分析程序框与功率谱密度程序框。
[FK（W+95mm][TPCXR4.tif]
根据以上对振动信号的理论分析与LabVIEW编程软件的特点，编写了基于LabVIEW的虚拟软件系统，图5为该振动分析软件程序面板。从图5可以看出，该振动分析程序主要采用多个Case选择结构与1个While循环结构。Case机构是为了避免多个应用程序同时运行，使之符合实际测试中的需要；采用Case结构的目的是使用相同数据的Ⅵ在同一个Case结构中，达到程序结构化设计使得程序框图更清晰、明了。采用While-loop便于实现菜单操作，只有点击主界面上部菜单后才能运行程序，同时也使得数据在结构中循环可以随时使用。另外，本程序主要使用了应用程序控制子模块中的动态调用Ⅵ（Open Application Reference）的功能函数。
3试验验证
为了验证本振动测试系统的可行性与正确性，对该系统进行试验和测试[17-18]，试验对象是土槽试验台车。在土槽试验台车行驶过程中对土槽车进行振动信号的采集并将所采集的信号转换成CSV格式的数据存储起来，导入到计算机中对振动信号进行各种分析与处理。图6为振动信号采集过程，图7为土槽试验台车在1.0 m/s车速下土槽车的波形图。
图7-a所示，波形图方框内的图形与试验时DS1022C型示波器波形一致，根据时域分析显示波形的振动最大幅值为2.053 74 cm。图7-b为土槽试验台车在1.0 m/s车速下土槽车前端振动信号的经过快速傅里叶变换后的频谱图。土槽车前端的自功率谱可以显示出土槽车前端的振动频率为8.87 Hz。从图7-c可以看出，在频率为16 Hz时振幅达到最大，为8.8 mm，在8.87 Hz时功率最大，达到8.5 W，这与上述给定的土槽车前端固有频率基本吻合。将以上对土槽试验台车振动数据的分析结果与实际情况作比较，发现该测试系统符合预期的试验结果，验证了该测试系统各程序模块的合理性与正确性，可见该测试系统可以广泛地用于农业机械的振动测试。
[FK（W9][TPCXR6.tif]
[FK（W10][TPCXR7.tif；S+3mm]
4結论
基于LabVIEW编程软件配以压电式加速度传感器、IEPE信号调节器与数字示波器的虚拟振动测试分析系统的设计，并通过对土槽试验台车的振动信号提取、处理与分析得出以下结论：（1）通过振动分析，得出土槽试验台车工作过程中的时域波形、频域波形以及频谱分析波形。通过LabVIEW仿真分析，可得振动最大幅值为2.053 74 cm，最大振动频率为16 Hz，最大功率为8.5 W。（2）通过对土槽试验台车的振动信号进行分析处理，为研究试验机具在不同工况下的振动情况进行研究打下良好基础。
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