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1 引 言
随着全国铁路的六次大提速，车辆高速运行下的安全性可靠性已成为人们高度关注的一个问题。而安全运行、安全监测系统等都是需要以振动试验与测试技术做强力支持和保证的。基于此，本文选择了测取车体的振动加速度信号，设计了基于LabVIEW平台的人机界面。经检验，该系统能够对采集的加速度信号进行很好的处理，并能方便地选择巴特沃思滤波器的阶数，再根据运行结果确定所选的滤波器阶数是否合适，综合所有，得出最好的处理结果。
2 LabVIEW编程语言
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美国NI公司(NationalInstruments，国家仪器公司)推出的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件，是一种崭新的图形化编程语言(G语言)和开发环境，其源程序完全是图形化的框图，避免了基于文本模式的编程语言的困扰，为数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等各种应用提供必要的开发工具。因而，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受。
3 测试对象
由于道路不平顺，载重车车体在x方向(前后)、y方向(左右)和z方向(垂向)均产生了剧烈振动，影响行车安全，特别是y方向的振动，为进一步改进车体结构，加强越野能力，保障行车安全，采用加速度传感器对车体振动进行了在线检测，图1是y方向输出的典型信号。由于车体的剧烈运动，使三个方向的振动产生了耦合，形成车体耦合振动，因而y方向的加速度信号中出现了x方向和z方向的振动信号，采用频谱分析技术和带通滤波技术将y方向的振动加速度信号分离出来。
车体的振动频率fi与车的载重量有关，为此，对14种不同的载重量分别进行了测量，得到了14组振动加速度信号，我们选取了其中一组数据进行分析。
4 测试条件
采用压电晶体加速度传感器测量，传感器电压灵敏度：Sv=95 mV／g，不考虑横向效应；信号调理器的放大倍数：K=5；采样频率：fs=200 Hz；数据长度：N=1 024；A／D卡为双极性输出，数字信号为电压值(V)；由于车体振动严重，各传输线产生晃动，在信号中产生了宽带噪声，并存在直流分量；由于载重车后挂有拖箱，在信号中存在一定的低频成分。
5 信号处理
耦合振动是一种比较深层次的振动问题，车辆的耦合振动更为复杂，目前多采用模态分析，数值行算，有限元分析等方法求解。采用滤波方法进行粗略的提取，简单方便，运行速度快，有较好的实时性，用于粗略判别和分析，具有一定应用价值。 对一组长度为1024的实验数据进行处理，要获取y方向的加速度信号，就必须把耦合的x方向和z方向的振动信号滤除。(1)对信号进行FFT变换，得到一组中心频率不同的成分。分析频率成分，可知y方向加速度信号的中心频率在40 Hz左右。(2)设计巴特沃思带通滤波器，提取特定的频段。主要任务是根据通带和阻带的衰减要求确定滤波器的阶数。
5.1 频谱分析
FFT是一种高效实现离散傅氏变换的算法。离散傅氏变换的目的是把信号由时域变换到频域，从而可以在频域分析处理信息。
FFT变换图象(见图2前面板显示1)显示信号中有三个显著成份，频率低者为z向振动，中间为y向振动，即分析对象，频率高者为x向振动。注：信号中存在直流分量和低频成分。
调整频率分析图象中y轴的标尺，滤波前的信号成分数值如表1。
5.2滤波分析(采用巴特沃思滤波器)
滤波器的基本作用是选频，即允许信号中的某些领域成分通过，其他的频率成分受到抑制。前面已提到频谱分析图象中有三个显著成分，需要提取的分析对象是y方向即40Hz左右的频率，因此，采用只能允许信号中某段频率成分通过而抑制其余频率成分的带通滤波器。
对于数字滤波器，从设计方法上分类，有IIR滤波器(无限冲激响应数字滤波器)和FIR滤波器(有限冲激响应数字滤波器)之分。对数字滤波器的要求可归纳为具有带通频响特性。基于FIR和IIR滤波器的性能比较，选择IIR滤波器(如图3)就能满足系统要求，而且阶数低，容易实现。
除中心频率ω0之外仍需确定的带通滤波器参数有(如图4)：
①截止频率ωc；
②通带频率ωp及允许的最大衰减δp；
③阻带频率ωz及允许的最大衰减δz。
查看频谱分析图象：
ω=2πf f0=40Hz
fCH=42Hz fCL=38Hz
3dB带宽：B=4(Hz)
通带技术指标：fp=41(Hz) δp=0.015(dB)
阻带技术指标：fz=50(Hz) δz=52.25(dB)
设计的带通滤波器阶数不同，得到的响应不同，经过比较，找到最合适的阶数：n=4
因此，巴特沃思带通滤波器的参数如下：高截止频率为42 Hz，低截止频率为38Hz，滤波器阶数为4阶。前面板上的参数选定完毕后，运行结果显示如图5。
调整滤波后得的频率分析图象中Y轴的标尺，带通滤波器输出数值如表2。
5.3程序框图
LabVIEW软件设计分为四步：
(1)创建前面板：前面板是图形化用户界面，用于设置输文件路径和观察输出量，它模仿了实际仪器的面板。前面板包含了旋钮、按钮、图形和其他控制按钮，可在计算机显示器上直接观看结果。在车体振动加速度信号处理程序的前面板上，设置了4个Waveform Graph用于显示原始信号、频谱、滤波后的信号和滤波后的频谱。另外，还有文件输入路径和巴特沃思滤波器的参数设置设计。
(2)创建程序框图：在前面板窗口的主菜单Windows中选择Show Diagram，将前面板窗口切换到框图程序窗口，此时会看到与前面板对象对应的端口。根据需要在功能模板中找到所需的节点，并将节点图标放置到框图程序窗口。用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来形成一个完整的框图程序。
(3)创建图标：图标是一个虚拟仪器图形化符号，每一个VI都有一个默认的图标，显示在面板或框图窗口的右上角。
(4)运行和调试程序：运行和调试程序是任何一门编程语言编程的最重要的一步。在LabVIEW中，如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的RUN(运行)按钮会显示成一个折断的箭头，表示程序有错不能被执行。为了查找程序中的逻辑错误，可选择单步执行。调试程序时，还可以使用探针工具来查看数据流经某一根连接线时数据值的变化。
完整的车体振动加速度信号处理程序框图如图6所示。
6 结束语
研究车体的振动加速度信号可以有效地测试火车的安全运行情况。为了改善车体的抗振性能，需要测量其振动的强弱，进行频谱分析以了解其振动状态，寻找其振源，以便采取合理地的减振措施。基于Lab VIEW的车体振动加速度信号处理系统具有较好的实际应用能力。
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