基于小波變換的旋轉機械振動測試系統

于 波 鄭 聽

(東北石油大學電子科學學院，黑龍江 大慶 163318)

隨著科學技術的迅速發展，工業生產水平不斷提高，旋轉機械在社會生產中發揮的作用越來越重要，機械設備的結構變得復雜，功能更加強大，機械化、智能化程度顯著提高。為了預防旋轉機械故障的發生，避免機械被迫停機帶來的損失，需要研發一種功能強大、界面友好，而且能夠對振動故障信號進行有效分析的綜合性故障診斷系統來保障旋轉機械的正常工作[1]。

為此，筆者介紹一種自行研發的基于小波變換的旋轉機械振動測試系統，該系統不但可以對振動故障信號進行頻譜分析，確定故障類型，還能夠通過小波變換對振動信號的突變點出現的時間進行確認，彌補了快速傅里葉變換分析結果缺少時間信息的不足。

1 總體設計①

基于小波變換的旋轉機械振動測試系統的研發，以計算機為硬件基礎，以LabVIEW和Matlab作為軟件開發平臺[2]?？紤]到在LabVIEW中直接實現小波變換的程序編譯過程復雜、可維護性差；而Matlab的小波分析技術更加成熟，編程設計更易于實現，不過Matlab中存在人機交互界面和數據采集功能較差的缺點，但這兩方面恰恰是LabVIEW的優勢所在。因此，本系統通過LabVIEW對Matlab節點的調用，實現LabVIEW和Matlab的結合，充分發揮了兩款軟件的優勢，使系統的綜合功能更強[3]。基于LabVIEW模塊化的設計思想，確定系統總體設計思路，具體設計方案如圖1所示。

圖1 旋轉機械振動測試系統的總體設計方案

2 系統軟件

在基于小波變換的旋轉機械振動測試系統中，根據總體設計方案，將軟件系統分為8個功能模塊：信號采集模塊、信號處理模塊、頻域分析模塊、小波分析模塊、頻域顯示模塊、小波分析結果顯示模塊、信號存儲和讀取模塊。利用LabVIEW和Matlab編程軟件分別實現各模塊的功能。

2.1 信號采集模塊

信號采集的主要目的是將傳感器檢測到的模擬電信號轉換為數字信號。測試系統是對聲信號進行檢測，進而實現分析處理及顯示等功能。數據采集卡所選用的是普通計算機內配置的聲卡。聲卡是模擬信號與數字信號之間的紐帶，通過話筒獲取聲音模擬信號，再通過模數轉換器，將模擬信號轉換成數字信號供計算機處理分析。在LabVIEW函數庫中提供了有關聲卡函數的子模板[4]，如圖2所示。

圖2 Sound read waveform子VI

2.2 信號處理模塊

通過聲卡所檢測到的振動信號通常會摻雜干擾信號，噪聲干擾是主要的干擾成分，且其頻率多為高頻。為使分析的結果更加準確，必須使用濾波器濾除干擾信號，測試系統所使用的濾波器為LabVIEW函數庫中信號處理子模板下的橢圓濾波器，如圖3所示。

圖3 LabVIEW中的橢圓濾波器程序

2.3 頻域分析和頻譜圖

頻域分析是將通過濾波器的信號進行快速傅里葉變換得到信號的頻譜，即在頻率域分析信號。測試系統采用快速傅里葉變換子VI處理信號，其程序如圖4所示。經過快速傅里葉變換后，對頻譜圖進行分析，可以得出信號的總振級、最大幅值和最大幅值的頻率[5]。選用Graph作為頻譜圖顯示控件，顯示界面如圖5所示。

圖4 快速傅里葉變換子VI

圖5 頻譜圖顯示界面

2.4 小波分析和結果顯示

快速傅里葉變換反映信號的總體特征，且頻譜圖中缺少時間信息，為了彌補快速傅里葉變換分析結果的不足，系統采用小波變換對信號進一步分析，在LabVIEW中通過設計樹狀迭代的濾波器組能夠實現小波變換，但是設計過程非常復雜，可維護性比較差。Matlab中附帶有多種小波基函數，可以通過簡潔、靈活的編程實現小波分析，系統通過LabVIEW對Matlab節點的調用，實現小波變換[6]，程序如圖6所示。振動信號經過小波分析后，能夠觀測到突變點出現的時間，依然選用Graph作為分析結果的顯示控件，結果如圖7所示。

圖6 LabVIEW調用Matlab Script節點實現小波變換

圖7 小波變換分析結果顯示

2.5 文件管理

旋轉機械振動測試分析系統不但能實現對數據的采集、處理及分析等功能，還能將處理后的數據記錄下來，存至PC機的硬盤或移動硬盤中，供與其他測量數據對比。操作系統是以文件管理的形式實現對數據的讀取與存儲的，文件管理模塊主要由數據存儲和數據讀取兩部分組成，該系統存儲、讀取數據的模塊如圖8、9所示。

圖8 數據存儲模塊

圖9 數據讀取模塊

2.6 系統總體功能的實現

將上述8個功能模塊按照G語言的編程思想并結合一些算法進行編程，就得到一個以LabVIEW為軟件平臺，通過調用Matlab Script，實現頻譜分析和小波分析的綜合性振動故障測試系統，其程序如圖10所示。

圖10 振動故障測試系統程序

振動數據分析系統的前面板如圖11所示。

圖11 振動數據分析系統前面板

3 結束語

基于小波變換的旋轉機械振動測試系統以LabVIEW為開發平臺，通過對Matlab Script的調用，更好地實現了小波變換的功能，克服了傅里葉變換缺少時間信息的缺點。同時設計了一種更加有效的時頻分析方法，利用小波變換對信號的分解與重構，可以很好地將信號中的突變點檢測出來。該系統功能強大，通過頻譜分析可以得到信號的總振級及最大幅值等重要參數，且可維護性更強，操作簡便，通過對前面板選項的選擇，可以直接觀測到頻譜圖和小波變換分析結果，系統還

設定了存儲和讀取功能，對于實時觀測信號用戶可以隨時對信號進行存儲，以方便以后的調用和對比研究。

[1] 劉祥樓,吳賀.基于LabVIEW新型虛擬函數信號發生器的開發[J].化工自動化及儀表,2005,32(6):65～67.

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[3] 周井玲,吳國慶.基于LabVIEW的振動采集系統開發[J].微計算機信息，2004,20(9):37～38.

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[6] 劉祥樓,余洋,賈東旭,等.基于虛擬儀器技術的環境噪聲監測儀的設計[J].中北大學學報(自然科學版),2009,30(6):570～573.