基于LabVIEW的發(fā)動機振動信號采集系統(tǒng)

何 蕓

HE Yun

（武漢理工大學 信息工程學院，武漢 430070）

基于LabVIEW的發(fā)動機振動信號采集系統(tǒng)

Vibration signal acquisition system of engine based on LabVIEW

何 蕓

HE Yun

（武漢理工大學 信息工程學院，武漢 430070）

本文基于LabVIEW圖形化編程語言，實現了發(fā)動機曲軸軸承處振動信號采集系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分：硬件部分由傳感器、調理電路、數據采集卡和計算機組成；軟件部分主要完成信號采集程序的設計。通過對比驗證，表明系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

動力機械工程；信號采集；LabVIEW；發(fā)動機振動

0 引言

發(fā)動機作為車輛的核心部件，車輛的動力性、經濟性、可靠性和環(huán)保性等性能指標都直接與其有關[1]，它的技術狀況直接決定了車輛是否能夠正常運行。但由于該機械系統(tǒng)結構復雜、非線性和不確定性因素較多，為了減少設備故障造成的損失，需對發(fā)動機運行狀態(tài)進行監(jiān)測和診斷分析，而振動信號無疑是一個重要信息。發(fā)動機是往復運動機械，其激振力主要來源于活塞——曲柄機構周期性運動時產生的慣性力，以及氣缸內氣體燃燒產生的周期性氣體壓力[2]。因此，對產生激振力的發(fā)動機機構表面振動信號進行采集與監(jiān)測，對進一步進行故障診斷、排除故障隱患、防止事故的發(fā)生以及提高發(fā)動機的經濟性有著重要的現實意義。

傳統(tǒng)檢測發(fā)動機振動的物理儀器因功能單一、檢測結果可靠性差和成本較高等因素影響，在實際應用中受到很大制約。隨著計算機技術的發(fā)展，出現了有別于傳統(tǒng)儀器的虛擬儀器，因其高性能的模塊化、硬件結合靈活的軟件功能，在機械測試與試驗方面應用越來越廣泛。本文基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺設計了一套發(fā)動機振動信號采集系統(tǒng)，很好的實現了發(fā)動機表面振動信號的采集。

1 采集系統(tǒng)的構成

信號采集系統(tǒng)由傳感器、調理電路、數據采集卡和計算機四部分組成。圖1為采集系統(tǒng)的結構框圖。數據采集硬件的選擇需根據具體的應用場合和現有的技術資源確定，由于本采集系統(tǒng)的應用場合為發(fā)動機實驗室，其環(huán)境條件較惡劣，所以對采集系統(tǒng)硬件的要求較高。

圖1 采集系統(tǒng)結構框圖

1.1 傳感器

傳感器選用壓電式加速度計，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，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。其突出特點是：輸入阻抗低，抗干擾能力強，噪聲小；性價比高，安裝方便，可通過磁座吸附在發(fā)動機缸體表面，尤其適于多點測量；穩(wěn)定可靠，抗潮濕、粉塵和有害氣體；傳感器外殼絕緣，避免了測試環(huán)境的干擾，保證了測試的可靠性。本系統(tǒng)選用的壓電式加速度傳感器測量范圍：-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壁，這樣采集的機體低頻段振動信號直接反映了發(fā)動機工作中振動激勵源的信息[3]。

1.2 調理電路

調理電路將傳感器信號與計算機隔開，放大弱信號，必要時進行濾波處理。調理電路由信號隔直電路、交流信號放大電路、交流信號濾波電路和信號疊加電路等組成，經過放大、濾波后的信號疊加后送入數據采集卡。由于本系統(tǒng)選用的傳感器產生的振動信號伴隨一定的干擾，在進行加速度信號采集前，要對傳感器輸出信號進行濾波處理，實現對原始振動信號的提取。此外，還需要對測量信號進行放大處理，以滿足采集卡模擬輸入電壓范圍的要求。

1.3 數據采集卡

數據采集卡是外界信號進入計算機的通道，在這個通道中要實現A/D轉換、放大等功能。數據采集卡選用NI USB-6009，8路模擬輸入，2路模擬輸出，14位模數轉換，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測量軟件進行自定義測量系統(tǒng)編程。圖2是數據采集卡模擬輸入電路。

圖2 模擬輸入電路

一般來說，數據采集卡都有自己的驅動程序，該程序控制采集卡的硬件操作，通常這個驅動程序是由采集卡的供應商提供，用戶只需對驅動程序的源程序進行適當的添加和修改，就可以滿足系統(tǒng)硬件的需求。NI公司為基于NI數據采集設備的數據采集系統(tǒng)提供了相應的接口驅動及VI函數 (VI，Virtual Instrument)。本系統(tǒng)利用NI公司提供的數據采集設備驅動程序DLL文件在LabVIEW環(huán)境下完成數據采集程序的編寫。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 數據采集流程

軟件設計基于LabVIEW自帶子VI的基礎上，通過CLF方式（調用動態(tài)鏈接庫方式）實現驅動程序的調用，從而實現數據采集、信號調理、數據存儲和圖形顯示等功能。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

數據采集利用NI-DAQmx模塊下的DAQmx Read.vi和DAQmx Clear Task.vi來控制DAQ采集卡實現模擬信號的數據采集，將外部模擬信號通過采集卡的A/D功能轉化為數字信號，再通過USB總線連接到控制主機上；信號調理通過Filter.vi實現信號濾波；最后用寫入測量文件Express VI將濾波后的信號寫入測量文件，進行數據的存儲和圖形的顯示。

2.2 采集參數設置

數據采集參數設置的主要作用是對采集卡的工作參數進行必要的設置，使之能夠進行正常的數據采集。這些參數設置的是否合理，關系到傳感器信號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 采集通道設置

采集通道設置用來設置同時采集的輸入通道數。對于本系統(tǒng)選擇的數據采集卡而言，1至8路模擬輸入通道可同時采集數據。本系統(tǒng)只用到其中兩個通道。

2.2.2 采樣點數和采樣頻率設置

采集點數用來設置數據存儲緩沖區(qū)的大小，本系統(tǒng)設為2048點，即存儲在緩沖區(qū)內的采集點數為2048點。采樣頻率則是對采集卡的采集頻率進行設置，根據采樣定理，本系統(tǒng)設置的采樣頻率為24000Hz。

圖3 數據采集流程

2.3 數據采集程序編寫

數據采集程序的編寫利用NI-DAQmx模塊下的相關VI進行組合，實現發(fā)動機振動信號的數據采集功能。首先使用DAQmx創(chuàng)建通道.vi創(chuàng)建加速度計的測試通道；其次用DAQmx定時.vi和DAQmx配置輸入緩沖區(qū).vi分別對采樣頻率和緩沖區(qū)大進行設置；然后，在DAQmx開始任務.vi的觸發(fā)下，利用DAQmx讀取.vi對設置的兩條輸入通道進行數據讀取，并在前面板顯示波形；最后，利用DAQmx清除任務.vi清除任務。最終的程序框圖見圖4所示。

圖4 數據采集程序框圖

2.4 數據的存儲

數據的存儲是將采集到的信號參數進行保存，為后續(xù)的分析處理做參考。為了滿足不同數據的存儲格式和性能需求，LabVIEW提供了多種類型的文件存儲格式，比如，文本文件（txt）、二進制文件、數據記錄文件、基于文本的測量文件（LVM）、數據存儲文件（TDM）和TDMS文件等。本文選擇基于文本的測量文件（LVM文件）進行數據的存儲，這種文件格式的特點是它能將動態(tài)數據按一定格式存儲在文本文件中，并且在數據前加上一些信息頭，例如采集時間等，可以由Excel等文本編輯器打開查看其內容。

2.5 系統(tǒng)驗證

圖5 設計系統(tǒng)采集到的發(fā)動機曲軸軸承處原始信號

圖6 采集儀采集到的發(fā)動機曲軸軸承處原始信號

LabVIEW很大的一個優(yōu)勢就是它提供了豐富的數據圖形化顯示控件，而且使用起來極其方便[5]。采用圖形的形式來顯示測試數據及分析結果，能看出被測對象的變化趨勢，使虛擬儀器的前面板更加形象直觀。圖5是本設計系統(tǒng)采集到的發(fā)動機曲軸軸承處原始信號，圖6是利用一數據采集與分析儀采集到的發(fā)動機曲軸軸承處原始信號，通過對比圖5和圖6可知，本系統(tǒng)采集的信號是穩(wěn)定可靠的。

3 結論

1）本文基于LabVIEW圖形化編程語言，實現了對發(fā)動機曲軸軸承處振動信號采集系統(tǒng)的設計，整個系統(tǒng)實現了信號采集、信號調理、數據存儲和圖形顯示幾個功能，并通過系統(tǒng)驗證，證明本系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的；

2）對發(fā)動機曲軸軸承表面振動信號進行采集和存儲，為進一步進行故障診斷、事故預防和提高發(fā)動機的經濟效益都有重要意義；

3）與傳統(tǒng)的數據采集系統(tǒng)相比，基于LabVIEW的數據采集系統(tǒng)具有價格低廉，使用性強，開發(fā)周期短，數據處理簡單方便以及便于維護等優(yōu)點。

[1] 曹炳元.應用模糊數學與系統(tǒng)[M].北京：科學出版社,2005.

[2] 張小明,劉建敏,喬新勇.柴油機缸蓋振動信號關聯(lián)維數的影響因素分析[J].裝甲兵工程學院學報,2008,(02).

[3] 廖東,符欲梅,周榮建.柴油機供油系統(tǒng)故障的振動診斷法研究[J].重慶大學學報,1998,(05).

[4] 張曉娟.基于LabVIEW的發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)研究[D].西北農林科技大學,2008.

[5] 趙易彬,周以琳.基于LabVIEW的數據采集系統(tǒng)[J].青島科技大學學報,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。