1　引　言

随着科学技术和工业生产的飞速发展，信号分析技术和模态分析技术广泛地应用于结构的动态设计和振动噪声控制等诸多方面。国内目前有很多信号测试分析系统和实验模态分析系统，但价格昂贵，多为离线分析，工作量大、费时，效果也不好。

　　本文作者结合国家自然基金课题和美国Emerson公司资助论文课题的研究工作，研制出了一种基于Windows98操作平台，集高速数据采集、信号实时分析、模态分析等功能为一体的结构实验分析系统。

2　系统总体构成

系统主要由数据采集卡、结构实验分析系统软件和计算机配以相应的加速度、噪声、温度和压力等传感器及电荷放大器以及其它计算机外设所组成。

　　(1)数据采集卡
　　本系统采用一块智能化、4通道独立程控增益、8通道采集的高速数据采集板；适合大动态范围信号的采集，可根据需要不断切换量程；板上有80C196单片机控制采集数据，可实现在Windows下高速实时地数据采集，为取得实时可靠的数据提供了硬件保障。

　　(2)结构实验分析软件
　　结构实验分析软件是本系统的核心，通过它实现对设备测试数据的统一存储和管理；完成计算机与数据采集器之间的双向通讯；实现设备状态的特征提取、自动辨识以及实验模态分析等等。

3
系统软件设计

3.1　总体框架
　　软件部分是系统的关键部分，总体框架如图1。

图1 系统软件总体结构框架

3.2　主要功能模块设计
　　系统由数据库管理模块、信号采集控制模块、信号分析模块、模态分析模块、辅助管理等模块组成。

　　信号采集控制模块实现与数据采集卡双向数据通讯，从数据采集卡读取数字信号，存入实时数据库，并与信号分析模块协调工作，实现在线分析等功能。
　　信号分析模块对采集的数据进行信号分析和处理，包括时域分析和频域分析。

　　模态分析模块可以创建结构的三维几何模型，提供基于传递函数的频域正交多项式总体拟合的方法识别复模态参数，进行模态参数识别，可以根据指定的模态阶数进行结构模型的动态模拟。

　　数据库管理模块主要是负责采样数据的管理、采 样信息的记录等工作，为了满足实时性的要求，数据结构为自定义数据结构，存取迅速。

3.3　在线信号采集实时分析

　　在线信号采集分析的实时问题的解决是软件部分的关键技术。本系统根据实际需要，采用多线程技术，建立信号采集、信号分析和界面主控管理等多个线程，各线程相互消息驱动，协调工作，实现了信号的实时采集分析，如图2所示。

图2 线程流程图

主控模块接收用户信号采集信息后，启动各个线程。信号采集控制线程进行连续采样，采集一个样本后，产生实时分析消息，通知信号分析线程进行信号分析，分析结束后通知图形显示线程进行结果显示。三个线程均和实时数据库产生数据联系。信号采集控制线程将原始数据存入数据库，信号分析线程从实时数据库读取原始数据，将分析结果存入实时数据库，图形显示线程从实时数据库读取分析结果数据。

　　数据管理采取内存和外存相结合的存储方式，避免读取数据占用过多的CPU时间。采样和处理同时进行，达到了实时采集分析的目的。

4　结构实验系统的工程应用

4.1　往复机械振动分析

　　测试对象为Motorola手机电路板生产设备，工作节拍为0.5s，对其上件往复机构进行了在线测试，在在线监测时间里，存在六个振动密集区，信号在不同的时间段内，振动的频率和幅值是变化的。振动信号的频率在145~340Hz范围内，主要频率有150Hz、175.5Hz、230Hz、300Hz和320Hz，其中175.5Hz频率点处的幅值最大，说明该设备存在故障隐患。

4.2　压缩机实验模态分析

　　实验对象是美国Emerson公司生产的某型号全封闭式压缩机。分析频率选择在0~2000Hz频率范围内，相干系数均在0.6以上，可以保证实验结果的可靠性。

　　经过分析得到六阶模态。表1列出了各阶模态的频率和阻尼比，从各阶模态曲线拟合的结棋来看，根据所识别的模态参数计算得到的信号和实测信号无较大差异，因此可以说模态参数的识别结果是可靠的。

5　结　论

本系统研制成功后在国家自然基金课题和美国Emerson公司资助论文课题研究和兄弟院校的课题研究中得到了广泛应用，收到了良好的效果。