淺談農(nóng)業(yè)機(jī)械測評系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1測評系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)平臺選用Labwindows，充分發(fā)揮了軟件的強(qiáng)大功能來完成農(nóng)業(yè)機(jī)械測評要求，不但節(jié)省了硬件成本，且容易操作，同時(shí)也大大縮短了整個(gè)測試周期。測評系統(tǒng)的工作流程是:三向加速度傳感器將被測振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為電量信號;再經(jīng)電荷放大器的信號調(diào)理電路將電量信號進(jìn)行放大、濾波轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號;然后，數(shù)據(jù)采集卡將電壓信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號;最后，將數(shù)字信號送入計(jì)算機(jī)，在LabWindows/CVI平臺下，調(diào)用編寫的應(yīng)用程序，得到計(jì)算結(jié)果，將結(jié)果輸出到虛擬儀器的面板上。

1．1開發(fā)平臺Labwindows介紹

編程軟件采用Labwindows開發(fā)平臺。LabWin-dows是NI公司推出的交互式C語言開發(fā)平臺，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來，利用它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)設(shè)計(jì)人員編寫檢測系統(tǒng)、自動(dòng)測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。本測評系統(tǒng)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，先設(shè)計(jì)啟動(dòng)界面，然后進(jìn)入主控界面，點(diǎn)擊各個(gè)分模塊進(jìn)入分界面，可實(shí)現(xiàn)以下功能:1)手臂X，Y，Z3個(gè)方向振動(dòng)加速度信號的采集、存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)顯示;2)X，Y，Z三維振動(dòng)加速度信號中心頻率從6.3Hz到1250Hz的1/3倍頻程帶下頻譜的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與圖形顯示;3)頻率加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)與顯示;4)手傳振動(dòng)暴露的評價(jià)。

1．2數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集為人體接觸手傳振動(dòng)虛擬儀器測試系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源，是本虛擬儀器的基本組成部分。數(shù)據(jù)采集模塊主要是控制振動(dòng)信號的拾取，根據(jù)選擇好的數(shù)據(jù)采集卡、采集通道，在數(shù)據(jù)采集前設(shè)置采樣頻率、點(diǎn)數(shù)。采集的數(shù)據(jù)通過一個(gè)數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，濾波器的類型、低截止頻率、高截止頻率、階次都在軟件中設(shè)置為可選。數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集面板的設(shè)計(jì)和程序編寫，采集的信號可直接顯示在圖中，并用不同的曲線標(biāo)出，曲線的顏色、線型等也可以在前面板中設(shè)置，并且將采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到指定的文件中;程序是面板的后方支援，使用庫函數(shù)和回調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)面板的每一個(gè)功能，編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)

1．3頻譜分析模塊和加權(quán)模塊的設(shè)計(jì)

頻譜分析模塊和加權(quán)模塊共同為采集到的信號做分析處理，包括面板設(shè)計(jì)和程序編寫，是本測試系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)式(1)和式(2)，設(shè)計(jì)1/3倍頻程濾波器，完成對數(shù)據(jù)的1/3倍頻程譜分析;并依照加權(quán)因子表進(jìn)行加權(quán)處理，最終結(jié)果將以數(shù)據(jù)表和圖的形式表示，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和顯示的功能。

1．3．11/3倍頻程譜分析

濾波器的通頻帶寬度為f2～f1即在f1～f2的頻率范圍內(nèi)的信號全部通過，中心頻率為fc=(f2•f1)/2。濾波帶的分割和中心頻率值也有規(guī)定，一般規(guī)定幾種“n”倍頻程帶濾波器，n的定義由下式確定，即f2/f1=2n(5)當(dāng)n=1時(shí)，f2/f1=2，這樣的頻率比值所確定的頻程稱1/1倍頻程，通常稱倍頻程，類此，n=1/3時(shí)，f2/f1=21/3，這樣的頻率比值所確定的頻程稱1/3倍頻程。在此頻帶(f2～fl)的頻譜，稱1/3倍頻程譜。對于農(nóng)業(yè)機(jī)械手傳振動(dòng)來講，由于1/3倍頻程譜能夠很好地體現(xiàn)整個(gè)頻率帶寬的分布情況。因此，對中心頻率為6．3～1250Hz進(jìn)行1/3倍頻程譜分析尤為重要。本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)1/3倍頻程濾波器，根據(jù)1/3倍頻程譜分析得到各頻帶振動(dòng)的能量分布，為振動(dòng)控制提供參考，采取合理的措施，達(dá)到保護(hù)農(nóng)民操作者免受振動(dòng)危害和有助于開發(fā)新的手操作農(nóng)業(yè)機(jī)械器具的目的。1/3倍頻程是一種等比帶寬的濾波器，在本設(shè)計(jì)中也體現(xiàn)出了它的優(yōu)點(diǎn)。

1．3．2加權(quán)網(wǎng)絡(luò)

加權(quán)網(wǎng)絡(luò)包括加權(quán)因子表和加權(quán)結(jié)果兩部分，頻率計(jì)權(quán)反應(yīng)的是不同頻率產(chǎn)生對手傷害時(shí)假定的重要性，為了平衡不同頻率處的振感差異，對整個(gè)頻率段(6．3～1250Hz)內(nèi)的各分頻加速度值進(jìn)行加權(quán)處理。頻率加權(quán)應(yīng)與頻譜分析同步進(jìn)行，通過計(jì)算得到加權(quán)結(jié)果，作為振動(dòng)評價(jià)的數(shù)據(jù)來源。

1．4評價(jià)模塊的設(shè)計(jì)

評價(jià)模塊包括評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)結(jié)果兩部分，是本測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，需要進(jìn)行面板設(shè)計(jì)和程序編寫。根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算的結(jié)果，對照評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可得到白指病發(fā)前的暴露時(shí)間和預(yù)期發(fā)生脈管異常的受暴露人員的分布百分?jǐn)?shù)，此為本測評系統(tǒng)的最終結(jié)論。

2實(shí)例應(yīng)用

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性，將此系統(tǒng)應(yīng)用在剪羊毛機(jī)的手柄振動(dòng)上，系統(tǒng)中手傳振動(dòng)測量傳感器采用BK4374型三向加速度傳感器，利用其特制的夾具BK4392型Hand－ArmVibrationSet在不影響操作者工作的前提下，直接感應(yīng)和接收手臂承受的振動(dòng)信號;選用NISCXI－1523型電荷放大模塊，將傳感器產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)換為易于傳輸、處理的電壓量信號;數(shù)據(jù)采集卡采用了Nl公司的6024E型多功能數(shù)據(jù)采集卡，它有12位A/D轉(zhuǎn)換精度，采樣率最大為20kHz，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入計(jì)算機(jī)。基于以上實(shí)驗(yàn)裝置，按照本測評系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采集到所需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行頻譜分析，參照評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，做出評價(jià)結(jié)果，每一過程都能進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。由此可以看到:本系統(tǒng)操作簡單，根據(jù)相應(yīng)的提示可完成操作，而且測試效率高，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以完成整個(gè)測試與分析過程。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于Labwindows軟件平臺的手臂振動(dòng)測量與評價(jià)系統(tǒng)可用于直接測量手臂接受的振動(dòng)量，并對暴露在振動(dòng)中的手臂做出評價(jià)。測試與評價(jià)結(jié)果顯示直觀，面板設(shè)計(jì)人性友好、操作簡便，不僅克服了傳統(tǒng)測評方法計(jì)算繁瑣、誤差大、耗時(shí)長、投資大的缺點(diǎn)，而且提高了測試效率，加大了靈活性，很好地滿足數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)業(yè)機(jī)械測量與評價(jià)的需要。

作者：姚燕慧童淑敏單位：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院