基于LabVIEW的軸系振動藍牙采集系統(tǒng)設計

方軍強，周凡皓，周新聰，陳　凱，趙　璇，王　雄

(武漢理工大學 a.高性能艦船技術(shù)教育部重點實驗室；b.能源與動力工程學院,可靠性工程研究所，武漢 430063)

基于LabVIEW的軸系振動藍牙采集系統(tǒng)設計

方軍強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 a.高性能艦船技術(shù)教育部重點實驗室；b.能源與動力工程學院,可靠性工程研究所，武漢 430063)

摘要：針對船舶軸系振動測量過程中傳感器線路復雜引起的信號互相干擾、系統(tǒng)維護難度大等問題，采用藍牙的無線數(shù)據(jù)傳輸方式,與傳統(tǒng)的導線式傳感器的采集結(jié)果的對比分析表明，采用藍牙技術(shù)傳感器線路簡單，同時具有傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，抗干擾性強，數(shù)據(jù)同步,以及低功耗的優(yōu)點。

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

一般軸系振動測量主要在軸系的多個重要測量點安裝傳感器，然后通過導線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，通過調(diào)理把信號傳給PC上位機進行分析。但是軸系測量點一多，就導致線路十分復雜，影響測量，不易于排錯。如果測量結(jié)果出現(xiàn)問題，也需要很長時間才能排除。為此，考慮采用藍牙技術(shù)。藍牙技術(shù)有多種優(yōu)點，比如，可以即插即用，還為傳感器提供一個設備連接群即形成一個微網(wǎng)，通過上位機可以實時監(jiān)測到每個傳感器的數(shù)據(jù)情況[1-2]。

1系統(tǒng)原理

用LabVIEW采集軸系的振動信號，用uTekl數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為參考，實驗臺原理見圖1。

圖1　實驗臺原理

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，把加速度信號變成電壓信號，通過AD轉(zhuǎn)換之后傳輸?shù)剿{牙發(fā)射裝置，藍牙接受裝置接收到數(shù)據(jù)后傳輸給LabVIEW進行數(shù)據(jù)處理，原理見圖2。

圖2傳感器1與LabVIEW連接架構(gòu)

傳感器2是通過導線與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個傳感器采集的數(shù)據(jù)基本是一樣的。通過比較LabVIEW采集的數(shù)據(jù)圖像和uTekl采集的數(shù)據(jù)圖像，來驗證系統(tǒng)的可行性。

2系統(tǒng)設計

2.1采集系統(tǒng)硬件設計

虛擬儀器技術(shù)是以軟件為核心，以PC機為主體，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，產(chǎn)生電壓信號不需要外界電源的優(yōu)點，因此選用壓電式作為測量傳感器。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。藍牙發(fā)射模塊把傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給PC上位機軟件。

2.2軟件設計

采用NI公司的LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，基于LabVIEW的實時測控系統(tǒng)性能上完全有保證[6-7]。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engneering Workbench)是美國國家儀器公司研制的一套主要應用在控制測量領(lǐng)域中的，采用G語言的圖形化開發(fā)環(huán)境[8-10]。

2.2.1藍牙數(shù)據(jù)接受模塊

LabVIEW包含很多模塊，比如藍牙模塊和VISA模塊，同時支持USB，USART，RS232等通行協(xié)議。在LabVIEW中通過使用藍牙模塊編程可以很好地實現(xiàn)PC上位機與軸系傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。藍牙模塊位于數(shù)據(jù)通信/協(xié)議/藍牙模塊中。只需要根據(jù)該VI的相關(guān)提示搭建程序即可。方便簡單，不需要對子VI進行改寫。可靠性高，易于編程，程序穩(wěn)定性好，大大節(jié)省開發(fā)程序的時間。藍牙模塊中常用的有搜索藍牙設備，創(chuàng)建藍牙偵聽器，等待藍牙偵聽器，搜索藍牙RFCOM，打開藍牙連接，讀/寫藍牙數(shù)據(jù)，關(guān)閉藍牙連接。

使用藍牙模塊進行藍牙主機通信編程步驟：

1) 在藍牙范圍內(nèi)搜索本機藍牙設備和其他藍牙設備。

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

3) 等待其他設備請求連接。

4) 讀取或者寫入需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

5) 斷開與藍牙設備的連接。

2.2.2信號處理模塊

LabVIEW還有一個很強大的功能就是提供了和信號處理有關(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。程序員只需要簡單地調(diào)用VI即可以實現(xiàn)對信號的分析與處理。

2.2.3總體程序圖和前面板圖

基于藍牙的軸系振動無線采集系統(tǒng)程序圖見圖3、前面板見圖4。

圖3　采集系統(tǒng)原理

圖4　采集系統(tǒng)前面板

首先打開藍牙，使用循環(huán)結(jié)構(gòu)接受傳輸過來的數(shù)據(jù)，把接收到的數(shù)據(jù)進行實時波形顯示，按停止按鈕后，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為功率譜進行分析。

3實驗結(jié)果分析

為了證實該軸系振動信號無線采集系統(tǒng)的性能，以及數(shù)據(jù)的可靠性和分析的可靠性，進行實驗數(shù)據(jù)采集和分析，并與uTekl采集的數(shù)據(jù)實時波形和分析波形進行比較，見圖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采集的時域波形

圖8　LabVIEW處理的功率譜密度

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

通過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，且圖像的輪廓走勢基本一致。

因此采用藍牙技術(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，傳輸可靠。且解決了軸系傳感器與電腦間需要導線的問題。

4結(jié)論

在干擾比較大的情況下藍牙不僅能改善傳感器多而引起的線路復雜不易維護的缺點，而且能繼續(xù)穩(wěn)定工作。之前的研究都是針對傳感器與上位機之間的有線連接，未見嘗試在軸系振動測量系統(tǒng)中使用藍牙的短距離無線數(shù)據(jù)通信。

在研究中仍發(fā)現(xiàn)以下幾點不足：通過上位機能實時監(jiān)測到每個傳感器的數(shù)據(jù)情況，但是能夠監(jiān)測的傳感器數(shù)量有限。藍牙可以在10 m范圍內(nèi)進行短距離數(shù)據(jù)傳輸，超過10 m信號不穩(wěn)定。

總的來說，LabVIEW編寫數(shù)據(jù)采集與控制方面的程序時間短，而且設計出來的程序界面優(yōu)美，如果使用VB等文本編程語言編寫藍牙通信需要大量時間，但是LabVIEW能很快地完成。此外，LabVIEW程序通俗易懂，便于維護和升級。且通過與專業(yè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)uTekl比較分析發(fā)現(xiàn)藍牙與LabVIEW共同搭建的采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性高，具有實用價值。

參考文獻

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[7] 于文波.基于LabVIEW的電工實驗輔助教學考試系統(tǒng)設計與應用[J].沈陽工程學院學報(社會科學版),2011(1):122-125.

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

基金項目：交通運輸部應用基礎(chǔ)研究項目(2013-329-811-360)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(NO.2014-yb-018)

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

中圖分類號：U664.21

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0070-03

修回日期：2016-01-18

研究方向:故障診斷