應(yīng)用領(lǐng)域：現(xiàn)場測試 挑戰(zhàn)：構(gòu)造一個便攜式測試系統(tǒng)，將現(xiàn)場測得的加速度信號經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理直接得到鐵道車輛運行平穩(wěn)性指標(biāo)。 應(yīng)用方案：使用National Instruments 公司的LabVIEW 軟件、SCXI 設(shè)備以及便攜式計算機構(gòu)造一個應(yīng)用于現(xiàn)場測試的便攜式鐵道車輛平穩(wěn)性測試系統(tǒng)。 使用的產(chǎn)品：LabVIEW, SCXI 摘要：本文介紹了采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的便攜式鐵道車輛平穩(wěn)性測試儀。該測試儀器由National Instruments 公司的LabVIEW 軟件、SCXI 設(shè)備以及便攜式計算機構(gòu)成，利用LabVIEW 軟件強大的數(shù)學(xué)處理功能，通過對現(xiàn)場采集的加速度信號的頻譜密度函數(shù)進行加權(quán)統(tǒng)計運算，實時測量鐵道車輛運行品質(zhì)的Sperling 平穩(wěn)性指標(biāo)。 1平穩(wěn)性指標(biāo) 鐵道車輛在運行中產(chǎn)生的各種振動影響旅客乘坐的舒適度和裝運貨物的完整，衡量鐵道車輛運行品質(zhì)的主要技術(shù)參數(shù)是運行平穩(wěn)性指標(biāo)，目前我國采用的評定指標(biāo)是Sperling 平穩(wěn)性指標(biāo)。 Sperling 指標(biāo)是基于大量實驗而制定的，它用于評定車輛本身的運行品質(zhì)和旅客乘坐舒適度，運行品質(zhì)由車輛本身來衡量，而舒適度則還與旅客對振動環(huán)境的敏感度有關(guān)。用于舒適度評價的指標(biāo)由下式表示： 式中， j 為加速度峰值（cm/s/s），F(xiàn)（ f ）為頻率的加權(quán)修正函數(shù)，表示人對各種振動頻率的敏感性不同，在常用的頻率范圍內(nèi)，垂向和橫向的加權(quán)函數(shù)F（ f ）是不同的。 對于垂向振動的頻率加權(quán)函數(shù)： 以上公式是根據(jù)單一頻率的等幅振動得到的。由于車輛振動實際上是隨機振動，從車體上測得的加速度包含了車輛的整個自然頻率，因此需要將測得的振動加速度按頻率分組，統(tǒng)計每一頻率中不同加速度的W 值，總的平穩(wěn)性指標(biāo)按下式求得： 2虛擬儀器 虛擬儀器是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計算機系統(tǒng)的強度功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳遞、存儲等方面的限制，使用戶可以根據(jù)自己的需要“制造”自己的儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的最大特點是它的靈活性，它可以很方便地通過選擇不同的硬件配置和改變軟件來實現(xiàn)各種測控功能，使得硬件資源具備了再用性。由于采用了通用的硬件和計算機，使得系統(tǒng)的成本下降，開發(fā)周期縮短，維護的成本降低。 在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件是整個虛擬儀器的核心。National Instruments公司的LabVIEW 是一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)流圖形化虛擬儀器軟件平臺，具有豐富的信號處理函數(shù)和數(shù)值分析函數(shù)。 3便攜式平穩(wěn)性測量儀系統(tǒng)構(gòu)成 便攜式平穩(wěn)性指標(biāo)儀由加速度傳感器、SXCI 信號調(diào)試系統(tǒng)以及便攜式計算機組成。 3.1 系統(tǒng)硬件組成 傳感器采用了日本共和公司的應(yīng)變式加速度傳感器。 基于現(xiàn)場測試的要求，我們選擇了National Instruments 公司的SCXI 系統(tǒng)作為信號調(diào)理。加速度傳感器信號通過接線端子SCXI－1321接到系統(tǒng)中，SCXI－1321 端子可以提供橋路的各種連接方式，同時利用端子內(nèi)置電位器可以完成橋路的平衡。四通道隔離放大器SCXI－1121 提供4 路激勵信號，掃描速率為333ks/s，每通道的增益可以通過跳線調(diào)整1－2000 倍并提供低通濾波。由于SCXI－1211 模塊中的低通濾波器為一個三級RC 濾波器，濾波頻率只能設(shè)置為4Hz/10KHz,因此系統(tǒng)使用一個八通道可編程橢圓濾波器SCXI－1141 作為系統(tǒng)的濾波單元，軟件可選的低通濾波截止頻率為10Hz－25KHz，為八階橢圓濾波器，同時提供軟件可編程增益?？紤]現(xiàn)場測試的復(fù)雜性，后備了直流電源SCXI－1382。 數(shù)據(jù)采集卡DAQCard－AI－16E－4 直接插于筆記本電腦的PCMCIA接口。系統(tǒng)基本配置為單機箱8 通道，也可采用多機箱級連方式接入更多測點信號，同時每個機箱也可根據(jù)測試信號測點的需要插入不同的模塊。 [align=center] 圖1 SCXI測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 測試軟件全部采用LabVIEW 編制。軟件的算法設(shè)計依照國標(biāo)GB5599-85 規(guī)范進行。 [align=center] 圖2軟件流程框圖[/align] 將加速度信號進行頻譜分析，得到其頻譜分布函數(shù)，然后采用循環(huán)結(jié)構(gòu)對每一頻率進行平穩(wěn)性指標(biāo)計算，針對不同的頻率，循環(huán)內(nèi)部采用了分支結(jié)構(gòu)及公式框節(jié)點分別處理，最后由循環(huán)體得到的統(tǒng)計值經(jīng)公式框節(jié)點進行開10 次方運算得到最終結(jié)果。 程序同時對加速度信號進行時域統(tǒng)計運算，得到其平均值、最大（小）值、RMS。 [align=center] 圖3垂向平穩(wěn)性指標(biāo)計算程序內(nèi)核[/align] 程序用戶界面采用儀器化模式，上半部實時顯示信號的時間歷程，下半部左邊顯示加速度信號的統(tǒng)計結(jié)果和平穩(wěn)性指標(biāo)，右邊是程序控制區(qū)。 [align=center] 圖4程序用戶界面[/align] 測試信號的計算結(jié)果可根據(jù)需要存放在數(shù)據(jù)文件中，由后處理程序?qū)y量結(jié)果進一步處理。后處理程序能夠繪出平穩(wěn)性指標(biāo)的時間歷程變化曲線、隨速度以及路況（直線、曲線）的變化曲線等。 3.3 系統(tǒng)的價格 與英國TDM Tape Services Limited 公司生產(chǎn)的MKII 型便攜式平穩(wěn)性指標(biāo)儀相比，上述基于虛擬儀器開發(fā)的平穩(wěn)性指標(biāo)儀在價格上只有前者的三分之一，但在功能上遠遠超過前者。 目前該測試系統(tǒng)配置在青島四方車輛研究所，在現(xiàn)場測試中得到廣泛運用。 4結(jié)論 采用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的鐵道車輛平穩(wěn)性指標(biāo)儀功能完備、價格低廉，十分適合現(xiàn)場測試。使用National Instruments公司的LabVIEW和SCXI 設(shè)備開發(fā)虛擬儀器是一條捷徑。