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微机智能自动化动静态测试分析技术的研究

应怀樵 刘进明

（东方振动和噪声技术研究所  100088）

1、前言

   东方所从1985年着手研制DASP数据自动采集与处理系统以来，时间已过了一个年代，90年代以来微机发展一日千里，用微机进行全数字化动静态测试分析的理想，现在终于成为现实了，东方所在本所研究课题组的共同努力下研制开发出的INV东方科卡和DASP数据自动采集和处理系统，实现了科学实验的大容量，多通道数据采集，显示，示波，读数，波形分析，频谱分析，数字滤波，波形的积分和微分，计算分析，存储，打印，拷贝过程的全部自动化，只要有一台普通台式微机，便携式或笔记本机，装入INV（英维）东方科卡和DASP大容量数据（信号）自动采集和处理系统软件，就建成了记录处理系统（若要成为信号处理和模态分析系统，则要增加抗混淆滤波器）。这种用INV“东方科卡”类似的各种功能卡与微机结合，再加上DASP（达世普）这样的专门软件，就建成了强有力的记录分析系统，既具有磁带记录功能又具有光线示波器，电子示波器和信号处理机功能，其性能远远优于磁带机，配上各种专用软件，便可以成为一台性能广泛的多功能数据（信号）记录和处理系统，且价格十分便宜，它们是科技工作者的得力助手，是科学试验的强有力工具，用微机进行智能自动化动静态数据（信号）的测试分析和处理，是科学试验的记录分析方法的一次“革命”，是科学试验和工程测量的记录分析走过从笔记录，光线示波记录到磁带记录的三个阶段，现在已开始进入第四代磁盘（光盘）记录和微机测试分析的时代。PCCATAI（PC卡泰）的前景十分光明！PC卡泰——微机卡式自动测试分析仪器——虚拟仪器正在向我们大步走来！这第四代的测试记录分析设备，将对科学实验和工程测量产生无比深远的的影响，它的关键性进行在于能实现“自动化”和“智能化”。东方所已站在这次测试分析技术革命的最前列。愿意以INV东方科卡，DASP数据自动化采集处理系统和INV 303/306智能信号采集与分析处理系统的二十大先进技术等最新成果奉献给广大的科技工作者。以期使INV东方科卡和DASP数据自动化采集分析软件成为科技工作者的得力助手！

2、微机全数字化动静态测试分析的关键

    科学技术的发展使微机已日趋普及，且越来越便宜。微机正在迅速进入办公室、进入家庭……。动静态测试分析是科学试验，工程测量，国防，工农业生产和设备管理中的不可缺少的关键性的一个环节。国家和整个人类的活动中为动静态测量分析需耗费大量的人力和物力。但是，直到现在大量的模拟量测试设备和装置仍然垄断着动静态测试领域。然而用微机进行的全数字化动静态测试分析手段已经向模拟测试手段发起了强有力的攻势。用微机进行全数字化动静态测试分析的时代很快就要到来了。长期以来，影响数字化测试分析的技术关键在于三个方面：

    （1）模数转换器（A/D变换器）芯片的精度，速度和价格是一大关键。现已解决了。早期的A/D变换器芯片只有6bit(64等分)～8bit(256等分)，好一点的达到10bit(1024等分)精度较差。而且转换率只有几KHz～几十KHz。到100KHz已不得了，它们的价格又很昂贵，1980年左右，为7T08配一个8bit的A/D要价１千多美元。随着微电子技术的发展，现在的A/D变换器发展很快，变换位数成为：10bit (1024)、12Bit (4096)、14bit (16384)、16bit (65536)，甚至更高的都出现了。大路货已达12bit，它们对应的动态范围相当于 66DB→78DB→90DB→100DB。

    　速率：40 KHz,100 KHz,200 KHz,500 KHz,1 MHz,10 MHz甚至更高的都已出现.

　    价格：现已愈来愈便宜，100 KHz，12bit的AD芯片不到200元人民币一个。

    （2）存储芯片（ROM）和磁盘的容量，速度和价格是第二大关键，现已经解决了。

     当年：内存　4K，8K，64K，就不得了。

           硬盘　10M，20M，40M就很好了。

     价格：硬盘10M→1000元，20M→2000元。

           现在100M＜1000元，500M＜2000元， 1G＜2000元。

    （3）往内存和硬盘存储数据和调取数据和处理分析的技术，不间断存储的容量和速率是一个关键，东方所已解决了。

      ①、不间断存储的容量：

      早期256点，512点，1024点，4096点，8192点，最好16Ｋ点到32K点，东方所不间断内存存储数据点长度任意可选：从1-512点，1024点，4096点，400K点， 4000K点（8M字节），32M点（64M字节）。现在国内很多还停留在一个段地址， 即64K字节（32K点）的水平。

      ②、存储的频率：

      早期1K，2K，…，10K，32KHz，现在：以东方科卡和DASP来说，存储的频率：东方所现在可以达到可从0.001Hz（1000秒采存一次）到100KHz，200KHz，500KHz，1MHz或更高，静态、动态和高速信号都可以一台机器解决了。

      ③、往硬盘存储速率：

      早期：几十Hz ～ 几百Hz的存贮率；

      现在：几十KHz，一百二十KHz，一百六十KHz，或者二百KHz存储，东方所都已实现了。

      ④、早期：采集时不能停下来，若停下来则采的数据就无用了。

      现在：东方所可以任意存储随时采样，随时停止，达到真正的数字磁带机功能。

　　　早期采1K数据点，4K数据点或者16K数据点/32K存储，64K字节等数字，一旦设定， 就不能停止。如HP进口的采集仪仍然这样。

      ⑤、分析数据长度：

      早期和一般单位的产品不间断采样分析点为256点，512点，1024点，4096点；

      东方所：可以从1～512点～1K～4K～400K～4000K～3200K的连续分析，即可做到达32,000,000（三千二百万）数据点的分析。同时，可做到任意点（不需要2的幕次方数据点）数据的分析处理。

      （4）微机速度越来越高，精度也越来越高，促使全数字化早日来临

      微机：从8位～16位～32位～64位机，精度越来越高；

      CPU：从8086～286～386～486～586和686，计算速度和总线速度越来越快；

      早期算一个1024点FFT用汇编要500MS左右，现在仅需12MS左右，若用DSP硬件则达几十微秒的数量级。

      （5）总之，现在全数化精度，速度和价格已经能赶上和远远超过模拟测试分析设备了：如模拟磁带机40DB ～ 46DB，数字化后达78DB ～ 83DB。

3、用微机全数字化动静态测试分析的重大意义

（1）应用个人计算机（PERSONAL COMPUTER）一般称为微机加上各种功能卡（如东方科卡），测试卡，滤波卡，通信卡（FAX），声霸卡，视频卡，网卡，加上DASP（达世普）等各种专用软件组成了用徽机进行全数字化动静态测试分析的卡式仪器（CARD INSTRUMENT），包括图象和声音设备的全功能的理想已成为现实了。

（2）应用微机进行全数字化动静态测试的优点是可实现“自动化”。由于微机是一个电脑，因此，配上各种程序，可以很容易地实现测试分析的自动化。这是以往模拟设备较难实现的。

（3）应用微机进行动静态测试的最大优点是可实现“智能化”。人类的各种科学实践累积下来的经验都可以形成各种“专家系统”，这些专家系统——“智能的集总”，可以注入电脑。因此，使一个微机测试的卡式自动化测试分析仪器设备得以实现。即实现了PCCATAI（PERSONAL COMPUTER CARD AUTO TEST ANALYSIS INSTRUMENT）。 PCCATAI（PC卡泰），正在以泰山一样从地平线上崛起。

（4）PCCATAI的崛起是动静态测试分析技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑，未来的“PC卡泰“，完全可以覆盖计算机辅助测试（CAT）的全部领域，几乎能替代所有的模拟测试设备。它的重大意义在于她尚是一块处女地，等待着我们去开拓，她有许多未知等待我们去填补，“PC卡泰”的前景十分光明！

4、用微机全数字化测试分析--“PC卡泰”--“虚拟仪器”的光辉前景

    综上所述，由于PC卡泰具有：

    ⑴功能多；⑵精度高；⑶速度快；⑷自动化；⑸智能化；⑹重量轻；⑺体积小；⑻功耗低；⑼价格低；⑽寿命长；等十大特长，以及实时的远距传输、分析与控制。因此，她的前景是非常光辉的，就东方所的INV303/306系统而言，她目前已经可以替代：

⑴电子示波器和瞬态记录仪（16-32路）；

⑵磁带记录器（16-32路）；

⑶静动态数据记录处理机；

⑷各种数字电压表，频率计；

⑸各种波谱分析仪功能（时域，幅域，频域，概率，相干，互谱，倒谱，传递，相干，谱阵，滤波，熵谱，倒熵谱等）；

⑹模态分析与结构动力学修改，结构灵敏度分析，结构动力有限元分析与全部振动试验和分析；

⑺故障诊断和状态检测的在线监测功能；

⑻各种信号处理，噪声分析，随机振动试验分析，应力应变频度分析，地震和天然脉动记录分析；

⑼生物医学分析；

⑽桩基检测与承载力计算；

⑾地基基础的瑞利波速测试和动刚度测仪；

⑿爆炸震动过程和各种物理量的记录分析功能。

5、结束语

十年前，虽然我们看到了微机发展的前景，老实说，那时没有看得象现在这样的深刻。只是由于某种“特殊”的原因，迫使我们进入了呼吁和开发用微机进行全数字化的测试分析的研究探讨，特别使我感触深的是我们下决心要用微机代替磁带记录器和信号分析仪是因为当时的某种人为的原因，使我们无法使用磁带记录仪和如7T08这样的低档信号分析仪。在这时搞科研非常困难的条件下，没有设备，没有资金，经过同行和专家们的支持，压力变动力，坏事变好事，使得我们经过这十年的辛勤耕耘，投入了约50～60万元的研究开发费用和大量的人力，我们取得了重大的丰硕的成果，东方所COINV（CHINA ORIENT INSTITUTE OF NOISE ＆ VIBRATION）推出的INV303/306系统和东方科卡与DASP系统，使我们捷足先登，站到了我国开发PC卡泰系统（虚拟仪器）的最前列，在这个光荣的时刻，当然我们要感谢中国知识分子之间的这种“压力”和“动力”，我更要大声疾呼，我们要攻下这“PC卡泰”的这座“泰山”！从世界范围来说，我们的起步并不晚，国外也已开始在搞PC卡泰——虚拟仪器了。我们有勤劳优秀知识分子的廉价劳动力，我们有引进的先进的飞速发展的硬件芯片，加上我们的聪明智慧，我们能达到国际先进水平或国际领先水平。我们中国知识分子要团结起来！抛弃存在于我们之间的几千年的“文人相轻妒贤忌能的恶疾”，不要内耗，要团结，要光明磊落，只有团结才有力量，我们应面向世界，放眼未来，攻下“PC卡泰”，迎接PC卡泰时代、芯片时代的早日到来！让伟大的中华民族，让中华民族知识分子在世界上有更光辉的未来！让良好的学风，“玻尔所”的学风发扬光大！为振兴中华，为世界做出更大的贡献！

“INV”是东方振动和噪声技术研究所的缩写，是所标；

“INV”也是INVENTED和INVENTOR，是创新和发明者，是发明者的“联合国”；

“INV”也是INVITATION，是一份请柬，她邀请广大专家和科技工作者前来光临指导！欢迎大家来交流和研讨！