1实验原理
根据传统实验可知，机械振动实验中用到实验仪器有信号发生器、功率放大器、激振器、压电传感器、测振仪和示波器等，实验常受到实验条件、仪器设备的限制。而基于LabVIEW的机械振动实验平台，通过图形化编程，采用在LabVIEW虚拟仪器开发环境中开发的信号发生器、测振仪和示波器代替了传统实验平台中的部分物理仪器，不仅实现了真实仪器的功能，同时将信号通过数据采集送入计算机进行分析，处理和显示，界面形象直观，操作简单。图1为基于LabVIEW的机械振动实验平台的实验原理图，由信号发生器产生的正弦信号，经功率放大器GF-1放大后推动激振器JZ-1。该激振器最大可产生286g，此正弦激振力强迫使镗杆发生振动，再由压电传感器YD-12将镗杆的振动信号转变成电信号，通过数据采集将该电信号送至PC机进行分析处理，同时将该电信号和经过功率放大器的信号分别送至基于Lab-VIEW所仿真的示波器的X、Y端，最后输出显示李沙育图形（“李沙育图形”，即“李萨如图形”，主要是用来对比两个频率相同或成倍数关系的正弦信号的相位关系）并得到输入和输出的相位差，而且可人机界面上直接读出机械振动的位移、速度和加速度值，以及振动系统的幅频特性曲线和相频特性曲线，提高了效率，减少了误操作。
2基于LabVIEW的虚拟仪器的开发
该实验平台中，采用的的虚拟仪器主要有三部分，即信号发生器，测振仪和特性曲线。根据实验所需，采用LabVIEW8.60编程分别实现了不同虚拟仪器的功能：信号发生器用于生成实验所需的信号，常用的信号为正弦波信号；测振仪用于通过采集信号计算分析并输出显示振动的加速度、速度、位移数值，同时将所采集的信号输入到虚拟示波器的X端，并与从功率放大器输入到虚拟示波器Y端的信号进行叠加，通过虚拟示波器显示输入信号的叠加情况，测量显示李沙育图形，从而获得两信号相位差。特性曲线部分用于根据实验所得数据显示振动系统的幅频特性曲线和相频特性曲线。下面分别介绍各虚拟仪器部分的具体情况。图2为采用LabVIEW8.60开发的信号发生器的程序框图，该信号发生器可以产生5Hz到2000Hz的正弦波信号和方波信号。图3为信号发生器的程序前面板，其中“正弦波”、“方波”开关用于控制生成信号的种类，“正弦波调频”和“方波调频”旋钮用于调节所生成信号频率的大小，该数值可以通过其下方的显示控件实时显示数据的变化情况，而且还可以通过在旋钮下方的空格中输入数值来改变所生成信号频率的大小，更加方便调节。“正弦波调幅”和“方波调幅”以及与之相对应的数值显示控件的作用与调频旋钮的作用类似，用于调节和显示。前面板上的波形显示控件用于显示信号发生器所产生的信号波形，显示仪表用于显示所生成信号幅值的大小，该数值为所产生信号幅值的均方根值，即有效值。“延时控制”控件用于调节程序运行速度，通过输入数值（单位为ms）调节大小可以使我们更清楚的观察输出数据和信号的变化情况。测振仪主要由测振仪和特性曲线两部分组成。图4为测振仪部分的程序前面板，其中“X通道”、“Y通道”按钮分别用于控制波形显示控件X、Y端口信号的通断，该波形显示控件实现示波器的功能用于显示两输入信号的叠加情况。“读取”按钮用于控制是否读取所采集的信号，并在读取的同时进行处理分析将结果通过四个数值显示控件显示出来。图5为特性曲线部分程序前面板，其中“幅频特性曲线”和“相频特性曲线”两个按钮开关分别用于控制与其相对应的曲线的生成，两个波形显示控件分别用于显示对应的特性曲线。
3基于LabVIEW的机械振动实验教学的仿真
该机械振动实验平台是基于PC机和NI公司的NIELVIS、NIUSB6251模块化的软硬件平台。实验前先连接好设备，通过USB接口将计算机与实验平台连接，并用导线将功率放大器的输入端分别与ELVIS板的BNC1＋、BNC1－接线端相连，用于将信号发生器产生的信号送至功率放大器；再将功率放大器的输出端接到ELVIS板的ACH0＋、ACH0－接线端口。然后用同样的方法将压电传感器的接线端接到ELVIS板的ACH1＋、ACH1－接线端，用于采集压电传感器生成的电信号。然后将功率放大器的输出端接至激振器的输入端，并将激振器、压电传感器置于镗杆上。设备连接好后，先选择信号发生器程序，再运行程序。根据实验要求选择正弦波，然后通过调节与其相对应的旋钮调节信号的频率和幅值，直到达到实验要求。然后，选择测振仪程序，点击测振仪选项卡，并使“X通道”、“Y通道”按钮处于开启状态，然后点击“读取”按钮，此时程序开始输出加速度、速度、位移数值（实验数据的变化通过调节信号发生器生成信号的频率来完成），并输出李沙育图形，得出两信号的相位差，运行结果如图6所示。最后，选择特性曲线选项卡，分别点击“幅频特性曲线”和“相频特性曲线”两个按钮开关，则波形显示控件上会分别显示出幅频特性曲线和相频特性曲线，如图7所示。
4结语
根据上述设计仿真运行可知，该平台不仅能实现传统实验平台的功能，而且具有成本低、操作简单、精度高、容易升级和良好的人机界面等优点。将虚拟仪器技术应用到实验中不仅减少了有关测量硬件的投入，而且可通过PC机实现信号的采集、分析、处理和显示等，大大超出了传统仪器所能实现的功能。通过LabVIEW图形化编程和传统实验教学相结合，不仅可使教学更生动，效果更好，而且可以充分发挥学生的积极性和创造性，提高学生的动手能力，达到提高教学质量的目的。
作者：李雪丽 张素香 李进霞 单位：中原工学院
