何 蕓

HE Yun

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070）

基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

Vibration signal acquisition system of engine based on LabVIEW

何 蕓

HE Yun

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070）

本文基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承處振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分：硬件部分由傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成；軟件部分主要完成信號(hào)采集程序的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，表明系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

動(dòng)力機(jī)械工程；信號(hào)采集；LabVIEW；發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為車輛的核心部件，車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性等性能指標(biāo)都直接與其有關(guān)[1]，它的技術(shù)狀況直接決定了車輛是否能夠正常運(yùn)行。但由于該機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非線性和不確定性因素較多，為了減少設(shè)備故障造成的損失，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷分析，而振動(dòng)信號(hào)無(wú)疑是一個(gè)重要信息。發(fā)動(dòng)機(jī)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械，其激振力主要來(lái)源于活塞——曲柄機(jī)構(gòu)周期性運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力，以及氣缸內(nèi)氣體燃燒產(chǎn)生的周期性氣體壓力[2]。因此，對(duì)產(chǎn)生激振力的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)表面振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，對(duì)進(jìn)一步進(jìn)行故障診斷、排除故障隱患、防止事故的發(fā)生以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的物理儀器因功能單一、檢測(cè)結(jié)果可靠性差和成本較高等因素影響，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大制約。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了有別于傳統(tǒng)儀器的虛擬儀器，因其高性能的模塊化、硬件結(jié)合靈活的軟件功能，在機(jī)械測(cè)試與試驗(yàn)方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文基于LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，很好的實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)的采集。

1 采集系統(tǒng)的構(gòu)成

信號(hào)采集系統(tǒng)由傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)四部分組成。圖1為采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)據(jù)采集硬件的選擇需根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合和現(xiàn)有的技術(shù)資源確定，由于本采集系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室，其環(huán)境條件較惡劣，所以對(duì)采集系統(tǒng)硬件的要求較高。

圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 傳感器

傳感器選用壓電式加速度計(jì)，它將傳統(tǒng)的壓電式傳感器與電荷放大器集于一體，能直接與記錄和顯示儀器相連，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試精度和可靠性。其突出特點(diǎn)是：輸入阻抗低，抗干擾能力強(qiáng)，噪聲?。恍詢r(jià)比高，安裝方便，可通過(guò)磁座吸附在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表面，尤其適于多點(diǎn)測(cè)量；穩(wěn)定可靠，抗潮濕、粉塵和有害氣體；傳感器外殼絕緣，避免了測(cè)試環(huán)境的干擾，保證了測(cè)試的可靠性。本系統(tǒng)選用的壓電式加速度傳感器測(cè)量范圍：-100g～+100g, 靈敏度為：50.81mv/g，工作溫度范圍：-40～120℃。將傳感器垂直安裝在氣缸體與曲軸箱的連鑄體側(cè)壁，這樣采集的機(jī)體低頻段振動(dòng)信號(hào)直接反映了發(fā)動(dòng)機(jī)工作中振動(dòng)激勵(lì)源的信息[3]。

1.2 調(diào)理電路

調(diào)理電路將傳感器信號(hào)與計(jì)算機(jī)隔開(kāi)，放大弱信號(hào)，必要時(shí)進(jìn)行濾波處理。調(diào)理電路由信號(hào)隔直電路、交流信號(hào)放大電路、交流信號(hào)濾波電路和信號(hào)疊加電路等組成，經(jīng)過(guò)放大、濾波后的信號(hào)疊加后送入數(shù)據(jù)采集卡。由于本系統(tǒng)選用的傳感器產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)伴隨一定的干擾，在進(jìn)行加速度信號(hào)采集前，要對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)的提取。此外，還需要對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行放大處理，以滿足采集卡模擬輸入電壓范圍的要求。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是外界信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)的通道，在這個(gè)通道中要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、放大等功能。數(shù)據(jù)采集卡選用NI USB-6009，8路模擬輸入，2路模擬輸出，14位模數(shù)轉(zhuǎn)換，最高采樣頻率48kHz，電壓范圍-10V～+10V。用戶可以使用LabVIEW自帶的NI-DAQmx測(cè)量軟件進(jìn)行自定義測(cè)量系統(tǒng)編程。圖2是數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入電路。

圖2 模擬輸入電路

一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動(dòng)程序，該程序控制采集卡的硬件操作，通常這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶只需對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的源程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶砑雍托薷模涂梢詽M足系統(tǒng)硬件的需求。NI公司為基于NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了相應(yīng)的接口驅(qū)動(dòng)及VI函數(shù) (VI，Virtual Instrument)。本系統(tǒng)利用NI公司提供的數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序DLL文件在LabVIEW環(huán)境下完成數(shù)據(jù)采集程序的編寫。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集流程

軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW自帶子VI的基礎(chǔ)上，通過(guò)CLF方式（調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)方式）實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和圖形顯示等功能。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集利用NI-DAQmx模塊下的DAQmx Read.vi和DAQmx Clear Task.vi來(lái)控制DAQ采集卡實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，將外部模擬信號(hào)通過(guò)采集卡的A/D功能轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)USB總線連接到控制主機(jī)上；信號(hào)調(diào)理通過(guò)Filter.vi實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波；最后用寫入測(cè)量文件Express VI將濾波后的信號(hào)寫入測(cè)量文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和圖形的顯示。

2.2 采集參數(shù)設(shè)置

數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置的主要作用是對(duì)采集卡的工作參數(shù)進(jìn)行必要的設(shè)置，使之能夠進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)采集。這些參數(shù)設(shè)置的是否合理，關(guān)系到傳感器信號(hào)的采集乃至整套系統(tǒng)能否正常工作，因此具有重要的意義[4]。

2.2.1 采集通道設(shè)置

采集通道設(shè)置用來(lái)設(shè)置同時(shí)采集的輸入通道數(shù)。對(duì)于本系統(tǒng)選擇的數(shù)據(jù)采集卡而言，1至8路模擬輸入通道可同時(shí)采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)只用到其中兩個(gè)通道。

2.2.2 采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率設(shè)置

采集點(diǎn)數(shù)用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)的大小，本系統(tǒng)設(shè)為2048點(diǎn)，即存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)的采集點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)。采樣頻率則是對(duì)采集卡的采集頻率進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)采樣定理，本系統(tǒng)設(shè)置的采樣頻率為24000Hz。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

2.3 數(shù)據(jù)采集程序編寫

數(shù)據(jù)采集程序的編寫利用NI-DAQmx模塊下的相關(guān)VI進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集功能。首先使用DAQmx創(chuàng)建通道.vi創(chuàng)建加速度計(jì)的測(cè)試通道；其次用DAQmx定時(shí).vi和DAQmx配置輸入緩沖區(qū).vi分別對(duì)采樣頻率和緩沖區(qū)大進(jìn)行設(shè)置；然后，在DAQmx開(kāi)始任務(wù).vi的觸發(fā)下，利用DAQmx讀取.vi對(duì)設(shè)置的兩條輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并在前面板顯示波形；最后，利用DAQmx清除任務(wù).vi清除任務(wù)。最終的程序框圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

2.4 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是將采集到的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行保存，為后續(xù)的分析處理做參考。為了滿足不同數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式和性能需求，LabVIEW提供了多種類型的文件存儲(chǔ)格式，比如，文本文件（txt）、二進(jìn)制文件、數(shù)據(jù)記錄文件、基于文本的測(cè)量文件（LVM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件（TDM）和TDMS文件等。本文選擇基于文本的測(cè)量文件（LVM文件）進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這種文件格式的特點(diǎn)是它能將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按一定格式存儲(chǔ)在文本文件中，并且在數(shù)據(jù)前加上一些信息頭，例如采集時(shí)間等，可以由Excel等文本編輯器打開(kāi)查看其內(nèi)容。

2.5 系統(tǒng)驗(yàn)證

圖5 設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承處原始信號(hào)

圖6 采集儀采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承處原始信號(hào)

LabVIEW很大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是它提供了豐富的數(shù)據(jù)圖形化顯示控件，而且使用起來(lái)極其方便[5]。采用圖形的形式來(lái)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，能看出被測(cè)對(duì)象的變化趨勢(shì)，使虛擬儀器的前面板更加形象直觀。圖5是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承處原始信號(hào)，圖6是利用一數(shù)據(jù)采集與分析儀采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承處原始信號(hào)，通過(guò)對(duì)比圖5和圖6可知，本系統(tǒng)采集的信號(hào)是穩(wěn)定可靠的。

3 結(jié)論

1）本文基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承處振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和圖形顯示幾個(gè)功能，并通過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)證，證明本系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的；

2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承表面振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，為進(jìn)一步進(jìn)行故障診斷、事故預(yù)防和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益都有重要意義；

3）與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有價(jià)格低廉，使用性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單方便以及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 曹炳元.應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)與系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[2] 張小明,劉建敏,喬新勇.柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)的影響因素分析[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2008,(02).

[3] 廖東,符欲梅,周榮建.柴油機(jī)供油系統(tǒng)故障的振動(dòng)診斷法研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),1998,(05).

[4] 張曉娟.基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

[5] 趙易彬,周以琳.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005(10).

U464.132

B

1009-0134(2010)09-0196-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.60

2010-05-05

何蕓（1988 -），女，本科，主要從事信息工程及控制工程方向的研究。