基于研華PCI-1711采集卡的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 周 帥

0 前言

凡是有機(jī)械存在的地方，一般都有振動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)是造成工業(yè)機(jī)械故障的主要原因之一，嚴(yán)重時(shí)直接影響其壽命。對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行有效準(zhǔn)確的振動(dòng)測(cè)試和分析，是對(duì)其進(jìn)行故障診斷的重要依據(jù)[1]，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等功能，在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛。機(jī)械振動(dòng)頻率有時(shí)很高，根據(jù)采樣定理則，需要較高的采樣頻率，才能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)試，本文著重介紹一種使用研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡、北戴河研究所SD14T02型信號(hào)調(diào)理器及工控機(jī)構(gòu)成硬件平臺(tái)，利用多通道中斷采集方式（MADINT）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，使用圖形化編程軟件LabVIEW8.6開發(fā)系統(tǒng)軟件程序，使用TDMS文件格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，能夠滿足一般機(jī)械振動(dòng)測(cè)試要求。

1 振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中信號(hào)調(diào)理模塊采用北戴河實(shí)用電子技術(shù)研究所SD14T02型信號(hào)調(diào)理器，配合該所SD14N14內(nèi)裝電路壓電加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)與信號(hào)調(diào)理；數(shù)據(jù)采集模塊采用研華PCI1711數(shù)據(jù)采集卡對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡通過PCI接口接入研華工控機(jī)，構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，上位機(jī)使用虛擬儀器程序開發(fā)工具LabVIEW8.6進(jìn)行軟件開發(fā)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械部件的振動(dòng)參數(shù)測(cè)試、顯示、存儲(chǔ)及分析，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 加速度傳感器

壓電式加速度傳感器使用壓電材料作為轉(zhuǎn)換元件，其輸出的電壓或電荷大小與所測(cè)的振動(dòng)加速度大小成正比，具有量程大、準(zhǔn)確度和靈敏度高、工作可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，是目前振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)最常選用的傳感器。本系統(tǒng)選用的北戴河實(shí)用電子技術(shù)研究所的SD1414壓電加速度傳感器，靈敏度為10mV/(m/s2)。傳感器前端開有安裝螺紋孔，用于安裝磁性或其它固定件，可以吸附于被測(cè)部件，該傳感器結(jié)構(gòu)先進(jìn)，性能穩(wěn)定，環(huán)境性能好，使用壽命長，安裝方便。

2.2 動(dòng)態(tài)信號(hào)調(diào)理器

壓電式傳感器輸出的電信號(hào)是很微弱的電信號(hào)，其本身又有很大的內(nèi)阻，輸出的能量甚微[2]，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，SD14T02型信號(hào)調(diào)理器是一種具有雙積分功能的測(cè)量?jī)x器，與SD1414壓電加速度傳感器配合，可以組成理想的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的加速度、速度、位移等物理量的測(cè)量。功能齊全、可靠、用途廣泛。儀器的面板如圖2、3，前面板下端標(biāo)有“輸入”字樣的為輸入插座，是與傳感器電纜線插頭聯(lián)接的端口，通過該插座可以向內(nèi)裝電路加速度傳感器提供恒流源；后面板包含加速度、速度及位移輸出插座，可同時(shí)輸出加速度、位移及速度信號(hào)，但開啟電源后需要預(yù)熱15min才能進(jìn)行測(cè)試。

圖2 儀器前面板

圖3 儀器后面板

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

采用研華公司的PCI-1711多功能數(shù)據(jù)采集卡,符合PCI規(guī)格Rev2.1標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用。該卡具有16位單端模擬量輸入，12位A/D轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道的增益均可編程，同時(shí)提供了FIFO（先入先出）存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)1KA/ D采樣值，該卡采樣速率最高可達(dá)100KHz，能夠滿足一般振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高速采集需要，是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。

2.4 系統(tǒng)硬件連接

壓電加速度傳感器通過自帶信號(hào)輸入線與信號(hào)調(diào)理器前面板輸入連接，信號(hào)調(diào)理器自帶3根帶Q9插頭的輸出線，輸出線一端接信號(hào)調(diào)理器后面板速度、加速度及位移輸出，由于PCI-1711僅支持單端模擬量輸入，不支持差分輸入，同時(shí)為浮動(dòng)信號(hào)源提供一個(gè)參考地，因此輸出線另一端利用Q9（BNC）接頭引接2根導(dǎo)線分別接數(shù)據(jù)采集卡外接板卡輸入端口及參考地端口，如圖4所示。數(shù)據(jù)采集卡插入工控機(jī)空閑PCI插槽中。

圖4 信號(hào)源聯(lián)接示意圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5，程序主要包括數(shù)據(jù)采集程序、顯示存儲(chǔ)程序以及處理程序3部分?jǐn)?shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的高速采集，顯示存儲(chǔ)程序?qū)⒉杉恼駝?dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的波形顯示并將數(shù)據(jù)完整保存，數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的頻域、時(shí)域分析。使用圖形化虛擬儀器編程工具Lab VIEW8.6進(jìn)行編程，LabVIEW是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測(cè)試、測(cè)量與控制系統(tǒng)。它是專門為工程師和科學(xué)家而設(shè)計(jì)的直觀圖形化編程語言[2]。

該系統(tǒng)采用了研華公司的PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)卡驅(qū)動(dòng)程序中已經(jīng)封裝了LabVIEW編程工具包，同時(shí)帶有大量的例程供用戶使用參考，因此編程時(shí)只需要直接調(diào)用相關(guān)子VI或者對(duì)例程進(jìn)行修改即可。該采集卡支持采集方式主要有軟件觸發(fā)模擬量采集(MADSOFT)、單通道中斷模擬量采集 (ADINT)及多通道中斷模擬量(MADINT)采集等。軟件觸發(fā)模式采集速度較慢，單通道中斷方式僅適用于單個(gè)傳感器聯(lián)接，擴(kuò)展性不強(qiáng)，因此為保證振動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，程序采用多通道中斷模擬量采集方式編程,由于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度小于數(shù)據(jù)采集速度，這樣產(chǎn)生了沖突，為解決這一問題，利用LabVIEW中的隊(duì)列技術(shù)將高速采集的數(shù)據(jù)由采集程序內(nèi)部傳遞至存儲(chǔ)及顯示程序模塊中，運(yùn)行原理如圖6。

圖6 隊(duì)列技術(shù)實(shí)現(xiàn)

隊(duì)列輸出的數(shù)據(jù)類型為二維數(shù)組，利用數(shù)組索引將數(shù)組每一行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，即為對(duì)應(yīng)端口采樣數(shù)據(jù)。基于隊(duì)列技術(shù)的數(shù)據(jù)采集程序如圖7。

圖7 基于隊(duì)列技術(shù)的數(shù)據(jù)采集程序

圖8 采集參數(shù)設(shè)置框

欲使采集程序滿足測(cè)試要求，需要正確設(shè)置采集參數(shù)，多通道高速數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置框如圖8，其中，TrigSrc：觸發(fā)方式設(shè)置為Internal內(nèi)部觸發(fā)時(shí)即使用PCI-1711自帶82C54或與其兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器芯片觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，聯(lián)接有外部觸發(fā)源時(shí)，可設(shè)置為External。

外部觸發(fā)模式使用外部觸發(fā)源觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。

Count：每次采集A/D轉(zhuǎn)換數(shù)目，必須設(shè)置為NumChans的整數(shù)倍，同時(shí)還必須是FIFO大小的整數(shù)倍。

SampleRate：采樣頻率；

NumChans：設(shè)置從起始開始往后要掃描的通道數(shù)目，StarChan：設(shè)置要掃描的起始通道號(hào)；

CydicMode：設(shè)置循環(huán)模式。

FIFOSize：設(shè)置是否使用FIFO,不使用時(shí)設(shè)置為1,即每采集一次便產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，使用FIFO時(shí)必須設(shè)置為FIFO大小一半，即FIFO半滿時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。

GainList：設(shè)置相應(yīng)通道增益。

對(duì)于采樣率根據(jù)實(shí)際情況可進(jìn)行調(diào)整，有時(shí)由于采集程序占用CPU資源較大，采樣率較高時(shí)達(dá)不到采樣要求，可以通過增大Count值減少CPU使用率，提高采集數(shù)據(jù)處理速度。如果對(duì)實(shí)時(shí)顯示沒有太高的要求，一般使用緩沖器FIFO,即設(shè)置FIFOSize值為512，NumChans設(shè)置為16，StarChan設(shè)置為0通道，即對(duì)每個(gè)通道都進(jìn)行檢測(cè)，便于測(cè)試設(shè)備擴(kuò)展。

高速數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)是采集速度快，數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度要求較高，否則會(huì)出現(xiàn)采集“失真”現(xiàn)象，直接影響測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確性及可靠性，多通道采集情況下數(shù)據(jù)也不易管理。LabVIEW8.6中的高速數(shù)據(jù)采集流文件（TDMS）文件對(duì)原有TDM文件進(jìn)行了改進(jìn)，TDMStreaming文件屬性定義的接口簡(jiǎn)單，讀寫速度更快，對(duì)文件屬性值可作為參數(shù)輸入，便于數(shù)據(jù)管理及回放，因此采用TDMS文件格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)數(shù)據(jù)處理后期利用轉(zhuǎn)換工具將TDMS轉(zhuǎn)為Excel格式進(jìn)行轉(zhuǎn)存，滿足報(bào)表需要。

振動(dòng)參數(shù)采集存儲(chǔ)完成后即可對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理，頻譜識(shí)別是最常用和最有效的機(jī)械維護(hù)及故障檢測(cè)方法，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上85%以上的故障都可以用頻譜識(shí)別出來[4]，頻域分析也是數(shù)字信號(hào)處理最常用的方法，采用快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，計(jì)算信號(hào)的頻譜，通過頻譜分析信號(hào)的頻率組成成分，為機(jī)械設(shè)備故障分析或測(cè)試系統(tǒng)去干擾提供依據(jù)。LabVIEW提供了附加工具包（SVT）應(yīng)用于聲音與振動(dòng)信號(hào)處理，程序中利用LabVIEW內(nèi)部集成的頻率分析函數(shù)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，通常LabVIEW中Graph控件的橫軸坐標(biāo)是采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)，為使X軸坐標(biāo)為頻率，通過調(diào)用控件屬性節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)設(shè)置控件縮放系數(shù)，具體設(shè)置步驟如下，

（1）縮放系數(shù)=fs/N。

（2）X軸最小值=0。

（3）X軸最大值=fs/2。

其中fs為采樣率，N為采樣點(diǎn)數(shù)。目前機(jī)械振動(dòng)譜圖中頻率計(jì)算及讀譜的計(jì)算工作大多采用計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用相應(yīng)的頻率計(jì)算及讀譜軟件來完成，如MATLAB[3]。LabVIEW中提供了完善的MATLAB接口，程序開發(fā)過程中通過相應(yīng)接口實(shí)現(xiàn)與MATLAB的兼容，大大提高了測(cè)試軟件的性能。

測(cè)試環(huán)境對(duì)測(cè)試系統(tǒng)總是存在干擾，本測(cè)試系統(tǒng)主要的干擾來自電磁干擾，所有的電磁干擾都是有3個(gè)基本要素組合而產(chǎn)生的，它們是:干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備[5]。分析本系統(tǒng)存在的干擾源有外界干擾、工控機(jī)板卡間的電磁干擾以及電源不穩(wěn)定造成的噪聲干擾，當(dāng)被測(cè)試單位含有類似變頻器、大功率電機(jī)等元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。因此采集的信號(hào)必須進(jìn)行濾波，具體的濾波方式需要經(jīng)過多次試驗(yàn)進(jìn)行選擇，本測(cè)試系統(tǒng)一般采用的雙重濾波，由于被測(cè)頻率比較高，先進(jìn)行高通濾波器，濾掉板卡間電磁干擾產(chǎn)生的噪聲，然后利用中值濾波器濾掉變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，對(duì)于不同測(cè)試環(huán)境，用戶可以自行選擇濾波方式如小波去噪對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

4 結(jié)束語

該測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，適用于各種機(jī)械振動(dòng)參數(shù)的測(cè)試，軟件平臺(tái)通用性及擴(kuò)展性較強(qiáng)，測(cè)試系統(tǒng)軟件程序中的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示程序進(jìn)行模塊封裝后可在不同的測(cè)試系統(tǒng)中調(diào)用。同時(shí)LabVIEW8.6中數(shù)字信號(hào)處理工具中封裝了信號(hào)處理所需的大部分功能函數(shù)，因此只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的各種處理要求，在實(shí)際應(yīng)用中，其穩(wěn)定性及可靠性也得到了很好的驗(yàn)證。

[1]徐福祥,李慶文等.基于LabVIEW的工程機(jī)械振動(dòng)測(cè)試與分析系統(tǒng).儀器儀表與分析監(jiān)測(cè),2008(1),25-27.

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