[发明专利]一种基于虚拟仪器的音叉谐振频率快速测量方法

说明书

技术领域

本发明属于测试测量技术领域，涉及一种以虚拟仪器技术为基础，通过数字信号处理技术快速测量音叉谐振频率的方法。

背景技术

音叉可以被视为一个双端口网络，在被测量时，自身被正弦波信号激励起振，并且音叉的振幅随着激励正弦波频率变化而变化。音叉滤波器具有如下优点：结构简单，体积小，频率温度系数低、品质因数大、通频带窄，介入损耗小、寿命长等。因此，音叉滤波器目前被广泛应用到工业领域里的物料检测开关系统。

音叉滤波器需要闭环系统结合才能正常工作，闭环系统的设计依赖于它本身的谐振频率，音叉滤波器谐振频率可以通过理论计算和仿真分析等方法近似得出，但由于材料特性、加工工艺等因素影响，其结果往往与音叉滤波器的实际固有频率有一定的误差，这就需要测量音叉的实际谐振频率。

一种基于虚拟仪器的音叉谐振频率快速测量方法是通过计算机、声卡和智能测量软来实现的。图1给出了一种音叉频率特性的测量系统。该系统包括通用计算机，智能测量软件，声卡。组成系统的硬件设备均采用通用设备，不需要专门设计，既节省开支，操作起来也方便高效。

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

声卡是计算机进行声音处理的适配器，可作为虚拟仪器的数据采集卡和信号发生卡。它有三个基本功能：一是音乐合成发音功能；二是混音器功能和数字声音效果处理器(DSP)功能；三是模拟声音信号的输入和输出功能。声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。声卡工作应有相应的软件支持，包括驱动程序、混频程序和CD播放程序等。本发明中采用的声卡具有24位量化精度的4声道ADC(模数转换)和4声道DAC(数模转换)功能，最高支持192KHz的采样频率。

音叉固有频率的基本测量方法取决于加到被测量音叉的测试信号。传统的测量方法有扫频法测量和点频法测量。扫频法能快速测量出音叉的动态频率特性曲线，但该动态特性曲线峰值低于点频法测量所得的静态特性曲线，所测量的增益最大值处频率不够准确。点频法简单并能准确测量系统的静态特性曲线，从而也能准确测量音叉的固有频率。但对于像音叉这类机械滤波器，其起振时间较长，当涉及的频带较宽、频点较多时，该方法的测量时间相对较长，工作效率相对较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于虚拟仪器的音叉固有频率快速测量方法，克服了现有技术不足，提出了一种基于虚拟仪器的音叉固有频率快速测量方法，实现了音叉固有频率的快速测量。

本发明的技术方案：

该测量装置包括计算机(上位机)、智能测量软件和声卡。智能测量软件通过驱动声卡产生指定带宽和幅值的有色噪声信号，该信号作为音叉输入端激励信号，声卡数据采集通道采集得到相关数据。计算机上的智能测量软件通过数值计算、数字滤波处理、自功率谱分析测量出音叉的谐振频率。

所述的智能测量软件是在LABVIEW环境中编写的，包括配置声音输出和输入、产生高斯白噪声波形、Butterworth滤波器、写入声音输出与读取声音输入和自功率谱分析。软件的程序流程图如图3所示，具体如下：

配置声音输出和输入：配置声卡的每通道采样总数、采样模式、设备ID、采样率、通道数和每采样比特数。通过以上步骤，配置一个生成数据的声音输出和输入设备。

产生均匀白噪声波形：通过配置采样率、采样数和幅值生成一个均匀分布的伪随机波形信号。

Butterworth滤波器：通过调用Butterworth系数模块，根据实际需要设计生成一个目标带宽的数字Butterworth滤波器。均匀白噪声波形信号通过该数字滤波器及得到目标带宽有色噪声信号。

写入声音输出与读取声音输入：目标带宽有色噪声信号数据写入声音输出设备，同时从声音输入设备读取待分析的音叉输出信号数据。

自功率谱分析：对音叉输出端输出信号进行时域信号的单边且经缩放的自功率谱计算。该模块使用下列等式计算功率谱：