CN101696893A - 一种标准扭振信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种标准扭振信号产生方法。包括参数设置、信号产生、信号输出显示和输出过程；首先判断设置的参数是否合理，即是否满足下限＜幅值＜上限，如果不满足，重新设置参数，如果满足，进入信号产生过程；根据设置的参数，生成频率不同的两种顺序排列的仿真信号，首先生成频率1信号，将其存储在数组1中；再生成频率2信号，将其存储在数组2中，最后将两个数组中的信号依次放在一个统一的数组当中；将最终生成的信号以相同的采样频率连续输至D/A输出卡将信号输出。信号输出通道可选，输出频率可调，齿数可调，信号输出稳定，工作界面友好，可随时修改输出参数，读取数据方便，适用范围广。

Description

一种标准扭振信号产生方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种产生标准信号的方法，具体地说是一种产生和输出标准扭振信号的方法，属于动力工程领域。

(二)背景技术

在扭振仪的研制开发、使用阶段都需要进行标定，稳定可靠的扭振信号发生器(即扭振标定器)是用来对扭振测试仪器进行标定的重要手段。

传统的扭振标定器是机械式扭振标定台，有平行滑块式、万向节式、行星轮式、双电机式等多种类型。经文献检索发现有2篇相关文献涉及到机械式扭振标定台的内容。分别是：中国专利申请号为89202633.2、名称为“内燃机轴系扭振模拟实验台”的专利文件；《华中理工大学学报》，1997年7月第25卷第7期刊登的《轴系扭振实验台的研制》。这两篇文献研制的均是机械式扭振台，两个扭振台发出扭振信号原理一致，只是在结构布置、控制方法上不同。机械式扭振台由扭摆系统产生经齿盘发出的扭振信号通过整形后为疏密相间的方波信号。机械式扭振台由电机驱动，具有体积大、重量重、功耗大、容易磨损的缺点。

电子式扭振标定器，用电子线路来模拟轴系的扭振输出信号，具有没有机械磨损、体积小、重量轻、易携带的特点。国内外典型的电子式扭振标定器有美国亚特兰大科仪公司生产的2512型电子式扭振标定器，其是将一个400kHz的晶振输出信号，进行分频和重组合处理，最后使其轮流输出50个5000Hz和50个5063.3Hz的方波脉冲，这就相当于一个100齿的齿轮输出的前半转较慢、后半转较快的扭振信号。它只能输出固定转速、固定频率的信号，且输出的方波电压固定为5V。《内燃机工程》，2003年10月第24卷第5期刊登的《多功能电子式扭振标定器的研制》中对其进行了改进，实现了模拟的转速可调，模拟齿盘的齿数可在60齿/周、100齿/周、180齿/周三档可调，输出脉冲的电压幅值可调。这些电子扭振标定器还不能在线连续可调模拟齿盘的齿数，更不能调整模拟的扭振振幅。东南大学出版社，1994年12月出版的《轴系扭转振动的试验.监测和仪器》，采用8098单片机来产生一个三角形的扭角位移信号。改变前后半转的频率差，就可以得到不同的扭角振幅。上述电子式扭振标定器均采用了专用电路来实现各自的功能，需要进行专门的硬件开发；都还不能在线显示模拟的扭振信号参数及波形，不方便使用者进行信号对比。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种信号输出通道可选，模拟的转速、齿数及扭振振幅连续可调，输出信号电压可调，能在线显示的一种标准扭振信号产生方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括参数设置模块、信号产生模块、信号输出显示模块组成的软件和D/A输出卡；

在参数设置模块中设定如下参数：通道设置、齿数设置、幅值设置、频率设置、限压设置；参数设置模块读取以上参数后，判断参数设置是否合理，即是否满足下限＜幅值＜上限，如果不满足，重新设置参数，如果满足，将参数输入信号产生模块；

信号产生模块根据读取的参数，生成频率不同的两种顺序排列的仿真信号，首先生成频率1信号，将其存储在数组1中；再生成频率2信号，将其存储在数组2中，最后将两个数组中的信号依次放在一个统一的数组当中；所述信号的频率以的形式表示，其中周期数为齿数的二分之一，采样点数为

将最终生成的信号以计算采样点数时使用的采样频率连续输出，在输出信号的同时，计算此信号的扭角值，公式为：

$\mathrm{\θ}={\∫}_0^{t_n}({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})\mathrm{dt}=({\mathrm{\ω}}_c-\frac{{\mathrm{\ω}}_{c}n\frac{t_c}{N}}{t_n})t_n$

其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，t_c为最终输出信号的周期，为平均角速度，N为齿轮齿数，t_n为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元。

最后，通过D/A输出卡将信号输出。

本发明的主要特点是：

通过软件编程方式由普通D/A输出卡产生模拟的标准扭振信号，实现了模拟的标准扭振信号的多参数在线可调，这些参数是：输出通道、模拟的转速、模拟齿盘的齿数、模拟扭振的振幅、输出信号的电压。

将设定的信号进行模拟的转速、模拟齿盘的齿数、模拟扭振的振幅、输出信号的电压等参数以及时域波形的在线显示，方便使用者对被标定的扭振仪输出进行对比分析。

与现有技术相比，本发明的突出优点在于：

首先，本发明的扭振信号是通过软件编程及通用D/A输出卡实现的，不需要专用设备，不需要专门的硬件开发过程，具有易安装、便推广的特点。

其次，本发明能在线显示被模拟的扭振信号参数以及时域波形，可让使用者实时观察输出信号的参数。

最后，信号输出通道可选，输出转速可调，齿数可调，信号输出稳定，工作界面友好，可修改输出参数，读取数据方便，适用范围广。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的控制面板示意图；

图3是本发明运行后的控制面板示意图。

(五)具体实施方式

本发明由参数设置模块、信号产生模块、信号输出显示模块组成的软件和D/A输出卡依次连接构成的装置来实现。

结合图1，在参数设置模块中设定如下参数：通道设置、齿数设置、幅值设置、频率设置、限压设置；通道设置用来选择D/A输出卡的输出通道；齿数设置可以使输出的标准扭振信号适用于不同齿数的工作条件；幅值设置可以使输出信号的电压幅值随需要而改变；频率设置是设定两种不同的频率来模拟实际的扭振信号；限压设置起到保护电路和设备的作用。读取以上参数后，判断参数设置是否合理，即是否满足下限＜幅值＜上限，如果满足，继续下面流程；如果不满足，重新设置参数。

根据读取的参数，生成仿真信号，此信号是频率不同的两种信号的顺序排列，在此环节中，信号的频率以

的形式表示，其中周期数为齿数的二分之一，采样点数为

首先生成频率1信号，将其存储在数组1中；再生成频率2信号，将其存储在数组2中，最后将两个数组中的信号依次放在一个统一的数组当中。

将最终生成的信号以计算采样点数时使用的采样频率连续输出，由于信号在生成时由两部分组成，且频率不同，从而实现了连续输出不同频率的信号，即标准的扭振信号。在输出信号的同时，计算此信号的扭角值，公式如下：

$\mathrm{\θ}={\∫}_0^{t_n}({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})\mathrm{dt}=({\mathrm{\ω}}_c-\frac{{\mathrm{\ω}}_{c}n\frac{t_c}{N}}{t_n})t_n$

其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，t_c为最终输出信号的周期，

为平均角速度，N为齿轮齿数，t_n为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元。

将随时间变化的标准扭振信号和计算得到的扭角信号显示出来。

以上步骤都通过软件编程实现的。最后，通过D/A输出卡将信号输出，这时的信号便是标准的扭振信号。

以应用Labwindows/CVI软件为例，详细说明仪器实现相应功能的编程过程：

首先，使用Labwindows/CVI软件制作控制面板，面板如图2所示，依次将所需的控件安放在适当的位置，并对每个控件做相应的设置。

其次，根据第一步中各控件的设置，编写相应的程序来完成控件所要实现的功能。如图2所示，输出通道属于字符串控件，幅值上限、幅值下限、幅值、频率1、频率2和齿数属于数字控件，输出波形和标准扭角波形属于图形控件，它们均不需要设置回调函数；开始、暂停和退出属于按钮控件，它们需要设置回调函数，并编写相应的程序，是整个软件编写的核心部分。

开始按钮的回调函数程序编写方法如下：首先读取面板上输出通道、幅值上限、幅值下限、幅值、频率1、频率2和齿数的内容，判断幅值控件的数值是否在幅值上限和幅值下限数值的范围内，如果不在范围内，软件将自动终止本次操作，并发出错误提示，如果在范围内，软件将按照读取控件上的参数，根据前述信号频率的计算方法生成信号，它是随时间变化的信号幅值的数组；其次，软件按照控件上指定的通道将信号数组输送到D/A数据输出卡，通过数据输出卡将标准扭振信号输出；同时，将输出时间储存在另一个数组当中，并且使二者中的数值一一对应，以时间数组为横坐标值，信号幅值数组为纵坐标值，将其绘制在输出波形图形控件上；最后，根据前述的扭角计算公式计算输出波形的扭角随时间的变化规律，将扭角幅值储存在一个数组中，将对应的时间值储存在另一个数组当中，以时间数组为横坐标值，扭角幅值数组为纵坐标值，将其绘制在标准扭角波形图形控件上。

暂停按钮的回调函数程序编写方法如下：中止DAQ数据采集卡的输出任务，使数据输出卡停止输出信号的任务，便可停止仪器的工作，等待新的操作。

退出按钮的回调函数程序编写方法如下：终止DAQ数据采集卡的输出任务，退出操作面板显示，从而关闭了整套仪器。

再次，程序运行调试后，使用Labwindows/CVI自身具有的软件打包功能，将其编辑成安装文件，可以在任意一台装有DAQ数据输出卡驱动程序的计算机上安装运行，并且不要求此计算机安装有Labwindows/CVI软件。

最后，连接好硬件设备，按照步骤操作即可完成扭振仪的标定。

具体操作方式：

当使用者打开软件式扭振标定器文件后，即可出现如图2所示的工作界面，其左侧的输出参数为系统的默认值(常用参数)，使用者也可根据实际需要来自已设定输出参数，待参数设定完成后，用鼠标点击“开始”按钮，即可实现信号输出，同时可通过右侧的两个波形图观察波形和读取数据。

当标定完成后，可点击“暂停”按钮，停止输出，如需进行其它标定，可重新设置参数后，点击“开始”按钮后进行标定。当标定工作结束后，可点击“退出”按钮，即可关闭工作界面。

下面以交替输出50个5000Hz和50个5063Hz且幅值为2.5V的方波信号为例，如图3所示。

从图3可以看到：信号的输出通道选择的是6259/ao0，限定的输出电压幅值在负10V到正10V之间，输出信号为5000Hz和5063Hz的交变信号，幅值为2.5V.选择的齿数为100。在面板右部上方的波形控件中可以观察到输出波形时方波，幅值为2.5V，每个循环周期是0.01980秒；下方的波形控件中可以观察到标准扭角波形，其幅值为1.1度。

在输出波形前，改变面板左部的参数值，输出开始后均可由右部的波形控件上观察到类似于上例的波形。

Claims (2)

1.一种标准扭振信号产生方法，其特征是：包括参数设置、信号产生、信号输出显示和输出过程；

首先判断设置的参数是否合理，即是否满足下限＜幅值＜上限，如果不满足，重新设置参数，如果满足，进入信号产生过程，所述设置的参数包括：通道、齿数、幅值、频率、限压；

根据设置的参数，生成频率不同的两种顺序排列的仿真信号，首先生成频率1信号，将其存储在数组1中；再生成频率2信号，将其存储在数组2中，最后将两个数组中的信号依次放在一个统一的数组当中；所述信号的频率以

的形式表示，其中周期数为齿数的二分之一，采样点数为

将最终生成的信号以计算采样点数时使用的采样频率连续输至D/A输出卡；

最后，通过D/A输出卡将信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种标准扭振信号产生方法，其特征是：

在向D/A输出卡输出信号的同时，计算此信号的扭角值，所用的计算公式为：

其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，t_c为最终输出信号的周期，

为平均角速度，N为齿轮齿数，t_n为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元。

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