基于虛擬儀器技術的三維微振動測試系統

許子娟，尤傳富

（長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

機械在運行過程中，其狀態和故障表現為設備振動參數的變化，通過近幾十年的研究，微振動信號的特征能夠準確反映設備的狀態和故障情況。因此，對振動信號及時準確的分析，可以準確地知道機械的運行狀態并能及時發現產生故障的原因[1]，為設備的改進提供依據。

該文采用虛擬儀器結合數據采集卡研制的三維測試和分析系統，能解決復雜微振動的技術分析，克服了傳統振動測試儀的缺點，能夠分析器件振動過程中每個時刻的速度、位移和加速度，從而分析器件的整體振動狀態。

1 系統硬件的設計

系統從整體上可由傳感器、信號調理、數據采集卡、計算機平臺上的虛擬儀器控制面板構成。如圖1所示。

圖1 系統流程圖

1.1 傳感器的選擇

在該系統中主要測量機械振動的位移非電信號，結合傳感器的特點和實驗室設備的實際情況，選擇北京測試儀器廠HZ-8500電渦流位移傳感器，可進行非接觸式測量，具有抗干擾能力強、靈敏度高、使用方便的優點。

1.2 信號調理

信號調理的作用是將傳感器產生的信號進行緩沖、放大、衰減、隔離、濾波等，以獲得A/D所需的信號。

（1）放大。由傳感器產生的小信號必須經過放大來提高分辨率。當被放大后的信號最大動態電壓范圍剛好等于A/D的動態電壓范圍時，才可達到最大的測量準確度。

（2）隔離。由于被監控系統可能包含會損害計算機的高壓，出于安全方面的考慮，在計算機與傳感器之間進行隔離；隔離的另一個目的是為了避免使數據采集系統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。在實際檢測中，信號譜和噪聲譜是任意重疊的，用傳統的濾波方法不能有效地去除噪聲進而提取有用信號。小波變換利用信號與噪聲在時域和頻域的差別，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 數據采集卡

數據采集卡的任務是把模擬信號轉換成數字信號，形成計算機能夠處理的數據。一個典型的數據采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數字I/O、計數器/計時器等。數據采集卡與計算機的接口方式直接影響著數據傳輸的速度，ADC的性能和參數直接影響著采集數據的質量，應根據實際測量準確度選擇合適的ADC。數據采集卡與計算機的接口方式直接影響著數據傳輸的速度，在選取數據采集卡時要充分考慮接口方式對整個儀器系統的影響。INV306U-5164數據采集卡是美國國家儀器公司設計的一種多功能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

傳統的二維振動測試儀，只能測量物體表面內的位移。針對現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展到了空間任意曲線振動，開發了靈活適用、通用性強、準確度高、快速、自動化程度高的三維動態測試系統。

2.1 三維測試系統的整體結構圖

三維運動測試分析系統的核心實現技術——信號調理、模數轉換、采樣、數據采集終端軟件開發、虛擬操作人機界面和智能信息處理，如圖2所示。

圖2 三維測試系統結構圖

系統測得振動位移信號，就可以進行其他相關測試評價指標的分析。因此需用3個位移傳感器分別采集3路位移信號，信號經過數據采集卡（DAQ），通過I/O接口與計算機相聯。在計算機上進行虛擬人機界面操作、實時信息的測試處理與分析評價，分別得出位移-時間、速度-時間、加速度-時間的曲線圖，并對數據進行時域和頻域分析。

2.2 系統的通道方案設計

對于多路信號采集，如果它們之間沒有嚴格的時間關系，可以逐個分別采集。若它們之間在時間和相位上有嚴格的要求，則要同步或同時采集。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，系統的信號通道方案應根據被采集對象的具體要求而定。

該文采用同步3通道數據采集，每個通道都有采樣/保持器和A/D轉換器，各個通道的信號可以獨立進行采樣和A/D轉換，同時從3個通道采集信號，分別進行時域分析和頻域分析[3]。消除了分時采集的誤差，而且實現了同步轉換，每個通道轉換值完全順時對應，數據采集的速度快。如果系統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被測信號源附近加采樣/保持器和A/D轉換器，就近進行采樣保持和模數轉換。

3 系統的軟件設計介紹

圖3 系統軟件程序流程圖

該文軟件設計采用了NI公司的LabVIEW 8.5開發平臺。系統軟件設計流程圖如圖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庫和高級的分析子程序，函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。用戶只需調出儀表儀器功能、操作、數據處理、輸出顯示的圖標，輸入相關的配置參數，連好類似數據流程圖的框圖，就完成相應的編程工作。

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著不同的振動原因。小波分析理論是一種新的函數逼近工具和空間（時間）-頻率的局部變換分析方法[4]，它繼承和發展了Fourier分析理論，是調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，而且在時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，時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法，很適合探測正常信號中夾帶的瞬態反常現象并展示其成分。信號中的奇異點及不規則的突變部分經常攜帶有比較重要的信息，它是信號的重要特征之一。傳統的傅里葉變換缺乏時域局部性，它只能確定一個信號奇異性的整體性質，而難以確定奇異點在時域的位置及分布情況。利用小波變換系數模極大值與局部奇異性的關系，通過檢測小波變換系數模極大值的位置和幅度來完成對信號奇異性的檢測。

通過對實驗室現有的直流電機工作時振動信號進行測試及在線分析診斷，驗證了微振動三維測試系統的工作性能[5-7]。圖4和圖5為所測試信號的頻率譜和功率譜。

將系統分析處理后的信號數據存儲記錄到一個特定的存儲文件夾中，該路徑根據需要自由設定，可以隨時讀取、觀察存儲的數據波形，進行波形回放，并且可以做后續的處理。進入LabVIEW編寫的系統中，由位移得出速度和加速度，分別得出位移-時間、速度-時間、加速度-時間的曲線，并對數據進行時域和頻域分析[8]。對3個傳感器同時采集數據，就形成了3位的數學模型。在系統中導入Matlab進行相關計算，得到更多的指標值，如加速度、功率等。這樣測試系統就更加全面、更加科學[9]。

4 結束語

該文根據目前微振動測試與分析儀研究的實際情況，結合近幾年研究的一些具體實例，設計了一套基于虛擬儀器的微振動三維測試與分析系統，并通過了初步的實驗驗證，實現了信號的顯示、存儲、回放、實時分析、離線分析等功能。軟件采用圖形語言LabVIEW 8.5進行開發，使測試系統更加方便快捷，而且具有很好的擴展性，大大節約了成本。

圖4 頻率譜信號

圖5 功率譜信號

[1] 張雨，徐小林，張建華.設備狀態監測與故障診斷系統的理論和實踐[M].長沙：國防科技大學出版社，2000.

[2] 劉明才.小波分析及其應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3] 應懷樵.波形和頻譜分析與隨機數據處理[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[4] 周偉偉.Matlab小波分析高級技術[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2005.

[5] 陳道全，秦樹人，周傳德.基于虛擬儀器的監測記錄儀的設計[J].中國測試技術，2007，33（2）：4-6.

[6]郭艷珠.虛擬儀器在位移測試系統中的應用[J].電子設計工程，2011，19（5）：32-34.

[7] 劉存，李暉.現代監測技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[8] 張宗橙，張玲華.數字信號處理與應用[M].北京：國防工業出版社，1999.

[9] 孫桓，陳作模.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2001.