浅谈农业机械测评系统的设计

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1测评系统的设计

软件开发平台选用Labwindows，充分发挥了软件的强大功能来完成农业机械测评要求，不但节省了硬件成本，且容易操作，同时也大大缩短了整个测试周期。测评系统的工作流程是:三向加速度传感器将被测振动信号转换为电量信号;再经电荷放大器的信号调理电路将电量信号进行放大、滤波转换为标准信号;然后，数据采集卡将电压信号转换为计算机可以处理的数字信号;最后，将数字信号送入计算机，在LabWindows/CVI平台下，调用编写的应用程序，得到计算结果，将结果输出到虚拟仪器的面板上。

1．1开发平台Labwindows介绍

编程软件采用Labwindows开发平台。LabWin-dows是NI公司推出的交互式C语言开发平台，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。本测评系统采用模块化和结构化的设计思想，先设计启动界面，然后进入主控界面，点击各个分模块进入分界面，可实现以下功能:1)手臂X，Y，Z3个方向振动加速度信号的采集、存储与实时显示;2)X，Y，Z三维振动加速度信号中心频率从6.3Hz到1250Hz的1/3倍频程带下频谱的数据存储与图形显示;3)频率加权网络的存储与显示;4)手传振动暴露的评价。

1．2数据采集模块的设计

数据采集为人体接触手传振动虚拟仪器测试系统提供数据源，是本虚拟仪器的基本组成部分。数据采集模块主要是控制振动信号的拾取，根据选择好的数据采集卡、采集通道，在数据采集前设置采样频率、点数。采集的数据通过一个数字滤波器进行滤波，滤波器的类型、低截止频率、高截止频率、阶次都在软件中设置为可选。数据采集模块包括数据采集面板的设计和程序编写，采集的信号可直接显示在图中，并用不同的曲线标出，曲线的颜色、线型等也可以在前面板中设置，并且将采集到的数据自动保存到指定的文件中;程序是面板的后方支援，使用库函数和回调函数来实现面板的每一个功能，编写程序实现数据的实

1．3频谱分析模块和加权模块的设计

频谱分析模块和加权模块共同为采集到的信号做分析处理，包括面板设计和程序编写，是本测试系统的重要组成部分。根据式(1)和式(2)，设计1/3倍频程滤波器，完成对数据的1/3倍频程谱分析;并依照加权因子表进行加权处理，最终结果将以数据表和图的形式表示，并实现存储和显示的功能。

1．3．11/3倍频程谱分析

滤波器的通频带宽度为f2～f1即在f1～f2的频率范围内的信号全部通过，中心频率为fc=(f2•f1)/2。滤波带的分割和中心频率值也有规定，一般规定几种“n”倍频程带滤波器，n的定义由下式确定，即f2/f1=2n(5)当n=1时，f2/f1=2，这样的频率比值所确定的频程称1/1倍频程，通常称倍频程，类此，n=1/3时，f2/f1=21/3，这样的频率比值所确定的频程称1/3倍频程。在此频带(f2～fl)的频谱，称1/3倍频程谱。对于农业机械手传振动来讲，由于1/3倍频程谱能够很好地体现整个频率带宽的分布情况。因此，对中心频率为6．3～1250Hz进行1/3倍频程谱分析尤为重要。本设计中，设计1/3倍频程滤波器，根据1/3倍频程谱分析得到各频带振动的能量分布，为振动控制提供参考，采取合理的措施，达到保护农民操作者免受振动危害和有助于开发新的手操作农业机械器具的目的。1/3倍频程是一种等比带宽的滤波器，在本设计中也体现出了它的优点。

1．3．2加权网络

加权网络包括加权因子表和加权结果两部分，频率计权反应的是不同频率产生对手伤害时假定的重要性，为了平衡不同频率处的振感差异，对整个频率段(6．3～1250Hz)内的各分频加速度值进行加权处理。频率加权应与频谱分析同步进行，通过计算得到加权结果，作为振动评价的数据来源。

1．4评价模块的设计

评价模块包括评价标准和评价结果两部分，是本测试系统的关键部分，需要进行面板设计和程序编写。根据式(3)和式(4)计算的结果，对照评价标准，可得到白指病发前的暴露时间和预期发生脉管异常的受暴露人员的分布百分数，此为本测评系统的最终结论。

2实例应用

为了验证本系统的可行性与实用性，将此系统应用在剪羊毛机的手柄振动上，系统中手传振动测量传感器采用BK4374型三向加速度传感器，利用其特制的夹具BK4392型Hand－ArmVibrationSet在不影响操作者工作的前提下，直接感应和接收手臂承受的振动信号;选用NISCXI－1523型电荷放大模块，将传感器产生的电荷信号转换为易于传输、处理的电压量信号;数据采集卡采用了Nl公司的6024E型多功能数据采集卡，它有12位A/D转换精度，采样率最大为20kHz，将采集到的模拟信号转换为数字信号，输入计算机。基于以上实验装置，按照本测评系统的设计，采集到所需要的数据，进行频谱分析，参照评价标准，做出评价结果，每一过程都能进行存储和显示。由此可以看到:本系统操作简单，根据相应的提示可完成操作，而且测试效率高，在很短的时间内就可以完成整个测试与分析过程。

3结论

本文设计的基于Labwindows软件平台的手臂振动测量与评价系统可用于直接测量手臂接受的振动量，并对暴露在振动中的手臂做出评价。测试与评价结果显示直观，面板设计人性友好、操作简便，不仅克服了传统测评方法计算繁琐、误差大、耗时长、投资大的缺点，而且提高了测试效率，加大了灵活性，很好地满足数字农业领域农业机械测量与评价的需要。

作者：姚燕慧童淑敏单位：内蒙古农业大学机电工程学院