許子娟，尤傳富

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

機(jī)械在運(yùn)行過程中，其狀態(tài)和故障表現(xiàn)為設(shè)備振動參數(shù)的變化，通過近幾十年的研究，微振動信號的特征能夠準(zhǔn)確反映設(shè)備的狀態(tài)和故障情況。因此，對振動信號及時(shí)準(zhǔn)確的分析，可以準(zhǔn)確地知道機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生故障的原因[1]，為設(shè)備的改進(jìn)提供依據(jù)。

該文采用虛擬儀器結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡研制的三維測試和分析系統(tǒng)，能解決復(fù)雜微振動的技術(shù)分析，克服了傳統(tǒng)振動測試儀的缺點(diǎn)，能夠分析器件振動過程中每個(gè)時(shí)刻的速度、位移和加速度，從而分析器件的整體振動狀態(tài)。

1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從整體上可由傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)平臺上的虛擬儀器控制面板構(gòu)成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

1.1 傳感器的選擇

在該系統(tǒng)中主要測量機(jī)械振動的位移非電信號，結(jié)合傳感器的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的實(shí)際情況，選擇北京測試儀器廠HZ-8500電渦流位移傳感器，可進(jìn)行非接觸式測量，具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 信號調(diào)理

信號調(diào)理的作用是將傳感器產(chǎn)生的信號進(jìn)行緩沖、放大、衰減、隔離、濾波等，以獲得A/D所需的信號。

（1）放大。由傳感器產(chǎn)生的小信號必須經(jīng)過放大來提高分辨率。當(dāng)被放大后的信號最大動態(tài)電壓范圍剛好等于A/D的動態(tài)電壓范圍時(shí)，才可達(dá)到最大的測量準(zhǔn)確度。

（2）隔離。由于被監(jiān)控系統(tǒng)可能包含會損害計(jì)算機(jī)的高壓，出于安全方面的考慮，在計(jì)算機(jī)與傳感器之間進(jìn)行隔離；隔離的另一個(gè)目的是為了避免使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受共模電壓差異的影響，對mV級的輸入信號，還提供噪聲抑制能力。

（3）濾波。該文利用小波變換分離開測試信號和噪聲信號[2]，目的是為了消除混入被測信號中的一些干擾信號。在實(shí)際檢測中，信號譜和噪聲譜是任意重疊的，用傳統(tǒng)的濾波方法不能有效地去除噪聲進(jìn)而提取有用信號。小波變換利用信號與噪聲在時(shí)域和頻域的差別，從而分離開測試信號與噪聲信號，因此可以在低信噪比情況下檢測信號。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡的任務(wù)是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，形成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等。數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的接口方式直接影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，ADC的性能和參數(shù)直接影響著采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際測量準(zhǔn)確度選擇合適的ADC。數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的接口方式直接影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，在選取數(shù)據(jù)采集卡時(shí)要充分考慮接口方式對整個(gè)儀器系統(tǒng)的影響。INV306U-5164數(shù)據(jù)采集卡是美國國家儀器公司設(shè)計(jì)的一種多功能DAQ，可用于各種電信號的采集、控制及處理后的輸出。

2 信號的三維測試分析

傳統(tǒng)的二維振動測試儀，只能測量物體表面內(nèi)的位移。針對現(xiàn)有測試方法的局限性，該文提出了三維振動測試的概念，從而把簡單的平面振動擴(kuò)展到了空間任意曲線振動，開發(fā)了靈活適用、通用性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、快速、自動化程度高的三維動態(tài)測試系統(tǒng)。

2.1 三維測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

三維運(yùn)動測試分析系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)技術(shù)——信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣、數(shù)據(jù)采集終端軟件開發(fā)、虛擬操作人機(jī)界面和智能信息處理，如圖2所示。

圖2 三維測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)測得振動位移信號，就可以進(jìn)行其他相關(guān)測試評價(jià)指標(biāo)的分析。因此需用3個(gè)位移傳感器分別采集3路位移信號，信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），通過I/O接口與計(jì)算機(jī)相聯(lián)。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬人機(jī)界面操作、實(shí)時(shí)信息的測試處理與分析評價(jià)，分別得出位移-時(shí)間、速度-時(shí)間、加速度-時(shí)間的曲線圖，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

2.2 系統(tǒng)的通道方案設(shè)計(jì)

對于多路信號采集，如果它們之間沒有嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系，可以逐個(gè)分別采集。若它們之間在時(shí)間和相位上有嚴(yán)格的要求，則要同步或同時(shí)采集。此外，被采集信號的變化速率不同，對輸入通道的要求也不同。因此，系統(tǒng)的信號通道方案應(yīng)根據(jù)被采集對象的具體要求而定。

該文采用同步3通道數(shù)據(jù)采集，每個(gè)通道都有采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，各個(gè)通道的信號可以獨(dú)立進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)從3個(gè)通道采集信號，分別進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析[3]。消除了分時(shí)采集的誤差，而且實(shí)現(xiàn)了同步轉(zhuǎn)換，每個(gè)通道轉(zhuǎn)換值完全順時(shí)對應(yīng)，數(shù)據(jù)采集的速度快。如果系統(tǒng)中的被測信號較分散，信號傳輸距離較長，會受到干擾。這種通道方案可以在每個(gè)被測信號源附近加采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，就近進(jìn)行采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)介紹

圖3 系統(tǒng)軟件程序流程圖

該文軟件設(shè)計(jì)采用了NI公司的LabVIEW 8.5開發(fā)平臺。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，其功能包括信號輸入、波形顯示、頻譜分析、波形存儲回放等。

LabVIEW語言含有大量的函數(shù)庫和高級的分析子程序，函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。用戶只需調(diào)出儀表儀器功能、操作、數(shù)據(jù)處理、輸出顯示的圖標(biāo)，輸入相關(guān)的配置參數(shù)，連好類似數(shù)據(jù)流程圖的框圖，就完成相應(yīng)的編程工作。

頻譜分析是振動信號處理的重要方法，頻譜圖的幅值有2種表示方法：（1）以振幅（均方根值或峰值）形式表示，稱為幅值譜；（2）以能量形式表示，稱為功率譜。把功率譜和頻譜用波形圖顯示就可以直觀地觀察看到功率譜和頻譜的變化，不同的頻率分布往往對應(yīng)著不同的振動原因。小波分析理論是一種新的函數(shù)逼近工具和空間（時(shí)間）-頻率的局部變換分析方法[4]，它繼承和發(fā)展了Fourier分析理論，是調(diào)和分析理論中最杰出的成就之一。它具有多分辨率分析的特點(diǎn)，而且在時(shí)頻兩域都具有表征信號局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變，時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法，很適合探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象并展示其成分。信號中的奇異點(diǎn)及不規(guī)則的突變部分經(jīng)常攜帶有比較重要的信息，它是信號的重要特征之一。傳統(tǒng)的傅里葉變換缺乏時(shí)域局部性，它只能確定一個(gè)信號奇異性的整體性質(zhì)，而難以確定奇異點(diǎn)在時(shí)域的位置及分布情況。利用小波變換系數(shù)模極大值與局部奇異性的關(guān)系，通過檢測小波變換系數(shù)模極大值的位置和幅度來完成對信號奇異性的檢測。

通過對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的直流電機(jī)工作時(shí)振動信號進(jìn)行測試及在線分析診斷，驗(yàn)證了微振動三維測試系統(tǒng)的工作性能[5-7]。圖4和圖5為所測試信號的頻率譜和功率譜。

將系統(tǒng)分析處理后的信號數(shù)據(jù)存儲記錄到一個(gè)特定的存儲文件夾中，該路徑根據(jù)需要自由設(shè)定，可以隨時(shí)讀取、觀察存儲的數(shù)據(jù)波形，進(jìn)行波形回放，并且可以做后續(xù)的處理。進(jìn)入LabVIEW編寫的系統(tǒng)中，由位移得出速度和加速度，分別得出位移-時(shí)間、速度-時(shí)間、加速度-時(shí)間的曲線，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析[8]。對3個(gè)傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)，就形成了3位的數(shù)學(xué)模型。在系統(tǒng)中導(dǎo)入Matlab進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到更多的指標(biāo)值，如加速度、功率等。這樣測試系統(tǒng)就更加全面、更加科學(xué)[9]。

4 結(jié)束語

該文根據(jù)目前微振動測試與分析儀研究的實(shí)際情況，結(jié)合近幾年研究的一些具體實(shí)例，設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的微振動三維測試與分析系統(tǒng)，并通過了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了信號的顯示、存儲、回放、實(shí)時(shí)分析、離線分析等功能。軟件采用圖形語言LabVIEW 8.5進(jìn)行開發(fā)，使測試系統(tǒng)更加方便快捷，而且具有很好的擴(kuò)展性，大大節(jié)約了成本。

圖4 頻率譜信號

圖5 功率譜信號

[1] 張雨，徐小林，張建華.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的理論和實(shí)踐[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，2000.

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