方軍強(qiáng)，周凡皓，周新聰，陳　凱，趙　璇，王　雄

(武漢理工大學(xué) a.高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院,可靠性工程研究所，武漢 430063)

基于LabVIEW的軸系振動(dòng)藍(lán)牙采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方軍強(qiáng)a,b，周凡皓a,b，周新聰a,b，陳凱a,b，趙璇a,b，王雄a,b

(武漢理工大學(xué) a.高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院,可靠性工程研究所，武漢 430063)

摘要：針對(duì)船舶軸系振動(dòng)測(cè)量過(guò)程中傳感器線(xiàn)路復(fù)雜引起的信號(hào)互相干擾、系統(tǒng)維護(hù)難度大等問(wèn)題，采用藍(lán)牙的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式,與傳統(tǒng)的導(dǎo)線(xiàn)式傳感器的采集結(jié)果的對(duì)比分析表明，采用藍(lán)牙技術(shù)傳感器線(xiàn)路簡(jiǎn)單，同時(shí)具有傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)同步,以及低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：軸系傳感器；LabVIEW；藍(lán)牙；數(shù)據(jù)傳輸；故障診斷

一般軸系振動(dòng)測(cè)量主要在軸系的多個(gè)重要測(cè)量點(diǎn)安裝傳感器，然后通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)把傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸送到采集電路和調(diào)理電路，通過(guò)調(diào)理把信號(hào)傳給PC上位機(jī)進(jìn)行分析。但是軸系測(cè)量點(diǎn)一多，就導(dǎo)致線(xiàn)路十分復(fù)雜，影響測(cè)量，不易于排錯(cuò)。如果測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)問(wèn)題，也需要很長(zhǎng)時(shí)間才能排除。為此，考慮采用藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)有多種優(yōu)點(diǎn)，比如，可以即插即用，還為傳感器提供一個(gè)設(shè)備連接群即形成一個(gè)微網(wǎng)，通過(guò)上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)情況[1-2]。

1系統(tǒng)原理

用LabVIEW采集軸系的振動(dòng)信號(hào)，用uTekl數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為參考，實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理見(jiàn)圖1。

圖1　實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理

其中傳感器1與LabVIEW的連接架構(gòu)如下：加速度傳感器1采集信號(hào)，把加速度信號(hào)變成電壓信號(hào)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換之后傳輸?shù)剿{(lán)牙發(fā)射裝置，藍(lán)牙接受裝置接收到數(shù)據(jù)后傳輸給LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，原理見(jiàn)圖2。

圖2傳感器1與LabVIEW連接架構(gòu)

傳感器2是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與uTekl采集系統(tǒng)相連輸入電腦，為了排除其他干擾，傳感器并排放在一起，這樣理論上2個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)基本是一樣的。通過(guò)比較LabVIEW采集的數(shù)據(jù)圖像和uTekl采集的數(shù)據(jù)圖像，來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

虛擬儀器技術(shù)是以軟件為核心，以PC機(jī)為主體，采集系統(tǒng)的硬件主要是安裝在軸系支座上加速度傳感器和藍(lán)牙發(fā)射模塊[3-5]。

考慮到壓電式傳感器具有重量輕，抗干擾強(qiáng)，產(chǎn)生電壓信號(hào)不需要外界電源的優(yōu)點(diǎn)，因此選用壓電式作為測(cè)量傳感器。壓電式傳感器的底部具有磁性，可以穩(wěn)固地貼在軸承支座上。藍(lán)牙發(fā)射模塊把傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給PC上位機(jī)軟件。

2.2軟件設(shè)計(jì)

采用NI公司的LabVIEW軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，基于LabVIEW的實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)性能上完全有保證[6-7]。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench)是美國(guó)國(guó)家儀器公司研制的一套主要應(yīng)用在控制測(cè)量領(lǐng)域中的，采用G語(yǔ)言的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境[8-10]。

2.2.1藍(lán)牙數(shù)據(jù)接受模塊

LabVIEW包含很多模塊，比如藍(lán)牙模塊和VISA模塊，同時(shí)支持USB，USART，RS232等通行協(xié)議。在LabVIEW中通過(guò)使用藍(lán)牙模塊編程可以很好地實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)與軸系傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。藍(lán)牙模塊位于數(shù)據(jù)通信/協(xié)議/藍(lán)牙模塊中。只需要根據(jù)該VI的相關(guān)提示搭建程序即可。方便簡(jiǎn)單，不需要對(duì)子VI進(jìn)行改寫(xiě)?？煽啃愿撸子诰幊?，程序穩(wěn)定性好，大大節(jié)省開(kāi)發(fā)程序的時(shí)間。藍(lán)牙模塊中常用的有搜索藍(lán)牙設(shè)備，創(chuàng)建藍(lán)牙偵聽(tīng)器，等待藍(lán)牙偵聽(tīng)器，搜索藍(lán)牙RFCOM，打開(kāi)藍(lán)牙連接，讀/寫(xiě)藍(lán)牙數(shù)據(jù)，關(guān)閉藍(lán)牙連接。

使用藍(lán)牙模塊進(jìn)行藍(lán)牙主機(jī)通信編程步驟：

1) 在藍(lán)牙范圍內(nèi)搜索本機(jī)藍(lán)牙設(shè)備和其他藍(lán)牙設(shè)備。

2) 創(chuàng)建藍(lán)牙服務(wù)器的服務(wù)，并返回藍(lán)牙通道，服務(wù)器可使用該通道偵聽(tīng)入站連接。

3) 等待其他設(shè)備請(qǐng)求連接。

4) 讀取或者寫(xiě)入需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

5) 斷開(kāi)與藍(lán)牙設(shè)備的連接。

2.2.2信號(hào)處理模塊

LabVIEW還有一個(gè)很強(qiáng)大的功能就是提供了和信號(hào)處理有關(guān)的大量函數(shù)VI，包括比較常用的FFT變換，譜分析，各種數(shù)字濾波器和小波變換等。程序員只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用VI即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析與處理。

2.2.3總體程序圖和前面板圖

基于藍(lán)牙的軸系振動(dòng)無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)程序圖見(jiàn)圖3、前面板見(jiàn)圖4。

圖3　采集系統(tǒng)原理

圖4　采集系統(tǒng)前面板

首先打開(kāi)藍(lán)牙，使用循環(huán)結(jié)構(gòu)接受傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)波形顯示，按停止按鈕后，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為功率譜進(jìn)行分析。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了證實(shí)該軸系振動(dòng)信號(hào)無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)的性能，以及數(shù)據(jù)的可靠性和分析的可靠性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析，并與uTekl采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)波形和分析波形進(jìn)行比較，見(jiàn)圖5～8。

圖5　uTekl采集的波形

圖6　uTekl采集分析的功率譜密度

圖7　LabVIEW采集的時(shí)域波形

圖8　LabVIEW處理的功率譜密度

通過(guò)LabVIEW采集的時(shí)域波形和uTekl采集的時(shí)域波形的比較，發(fā)現(xiàn)兩者在相同的時(shí)間點(diǎn)振動(dòng)波形輪廓一致且振幅大小基本相等。

通過(guò)LabVIEW處理的功率譜密度圖像和uTekl的功率譜圖像比較，發(fā)現(xiàn)兩者在700 Hz和1 600 Hz左右都有比較大的功率能量，且圖像的輪廓走勢(shì)基本一致。

因此采用藍(lán)牙技術(shù)和LabVIEW，采集的數(shù)據(jù)基本與uTekl相同，并且性能穩(wěn)定，系統(tǒng)的抗干擾性強(qiáng)，傳輸可靠。且解決了軸系傳感器與電腦間需要導(dǎo)線(xiàn)的問(wèn)題。

4結(jié)論

在干擾比較大的情況下藍(lán)牙不僅能改善傳感器多而引起的線(xiàn)路復(fù)雜不易維護(hù)的缺點(diǎn)，而且能繼續(xù)穩(wěn)定工作。之前的研究都是針對(duì)傳感器與上位機(jī)之間的有線(xiàn)連接，未見(jiàn)嘗試在軸系振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中使用藍(lán)牙的短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

在研究中仍發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)不足：通過(guò)上位機(jī)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)情況，但是能夠監(jiān)測(cè)的傳感器數(shù)量有限。藍(lán)牙可以在10 m范圍內(nèi)進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)傳輸，超過(guò)10 m信號(hào)不穩(wěn)定。

總的來(lái)說(shuō)，LabVIEW編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集與控制方面的程序時(shí)間短，而且設(shè)計(jì)出來(lái)的程序界面優(yōu)美，如果使用VB等文本編程語(yǔ)言編寫(xiě)藍(lán)牙通信需要大量時(shí)間，但是LabVIEW能很快地完成。此外，LabVIEW程序通俗易懂，便于維護(hù)和升級(jí)。且通過(guò)與專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)uTekl比較分析發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙與LabVIEW共同搭建的采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性高，具有實(shí)用價(jià)值。

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Design of Bluetooth Acquisition System for Shaft System Vibration Based on LabVIEW

FANG Jun-qianga,b, ZHOU Fan-haoa,b, ZHOU Xin-chonga,b, CHEN Kaia,b, ZHAO Xuana,b, WANG Xionga,b

(a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education;b. Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology , Wuhan 430063, China)

Abstract:The Bluetooth wireless data transmission mode is used to measure the shafting vibration to solve the problems of signal interference and difficulty of maintenance caused by complex circuit of the shaft sensor. The comparison of the results with the acquisition results with the conventional wire sensor shows that using Bluetooth technology can not only solve the problems caused by the sensor, but also has the advantages of stable transmission, strong anti-interference and data synchronization.

Key words:shaft sensor; LabVIEW; blue-tooth; communication; fault diagnosis

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.016

收稿日期：2015-12-10

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013-329-811-360)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NO.2014-yb-018)

第一作者簡(jiǎn)介：方軍強(qiáng)(1992—)，男，碩士生 E-mail:987059120@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0070-03

修回日期：2016-01-18

研究方向:故障診斷