【正文】 ，顯然傳統(tǒng)的檢測裝置已經(jīng)不能夠滿足大型高速電機(jī)的振動檢測 需求，現(xiàn)我們需開發(fā)設(shè)計一種基于大型高速電機(jī)振動檢測系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)安全監(jiān)測的需要。 研究意義 近十幾年來，我國的電機(jī)在理論研究方面、結(jié)構(gòu)方面以及原材料使用方面都有了較大改進(jìn)；但是大型高速電機(jī)的制造和檢測方面我們與國外還存在著一定的差距。對運(yùn)行的電機(jī)來說，明顯超過它所允許的幅值振動，將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子滑環(huán)和和電刷磨損加劇以及產(chǎn)生環(huán)火，使機(jī)組聯(lián)軸器不能正常工作，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致封閉系統(tǒng)的破壞；連接部件松弛和應(yīng)力增大，并危及電機(jī)的基礎(chǔ)部分；對電機(jī)及周 2 圍部件產(chǎn)生破壞及安全隱患，甚至釀成重大事故。為了提高國產(chǎn)大型高速 電機(jī)的質(zhì)量和運(yùn)行的可靠性，也為了適應(yīng)電機(jī)生產(chǎn)和工作的環(huán)境，使監(jiān)測的效率及不良隱患檢出率得到明顯的提升，開發(fā)一種高性價比的基于大型高速電機(jī)振動檢測系統(tǒng)也是當(dāng)今市場的迫切需求。 隨著著計算機(jī)技術(shù)以及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)新的儀器設(shè)計思想應(yīng)運(yùn)而生。相對于傳統(tǒng)的智能儀器來說，極大地降低了成本，大幅的縮短了開發(fā)周期，提供了全新的技術(shù)手段，改變了傳統(tǒng)儀器的模式和功能，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。我們設(shè)計基于美國 NI 公司的 Lab VIEW 2020 以及壓電式三軸加速度傳感器的大型高速電機(jī)振動檢測系統(tǒng)。由于 Lab VIEW 具有豐富的測試、控制、數(shù)據(jù)分析軟件包，以及其可視化 G 語言編程，可大幅度簡化開發(fā)。檢測系統(tǒng)可充分利用Lab VIEW 提供的各種功能，包括數(shù)據(jù)采集、串口控制、數(shù)據(jù)顯示、存儲等。開發(fā)此振動檢測系統(tǒng)使更多的用戶能夠利用振動檢測系統(tǒng)，對電機(jī)實行實時監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)故障征兆，使用戶及早更換故障零件，減少輪檢、大修次數(shù)，節(jié)約成本，創(chuàng)造更多的效益，并避免事故的發(fā)生，對電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測及故障診斷具有重要的現(xiàn)實意義。 研究現(xiàn)狀 電機(jī)檢測的研究現(xiàn)狀 早期的電機(jī)故障檢測與診斷主要是依靠人體的感官與工人的的經(jīng)驗，或者 借助簡單的工具來進(jìn)行檢測判斷。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的加速，機(jī)械設(shè)備的精密程度、復(fù)雜程度以及自動化程度更是越來越高，依靠簡單的檢測顯然不能滿足當(dāng)今的需求。到目前為止人們已經(jīng)研究出了多種現(xiàn)代化的診斷方法，按診斷方法主要分為：電流分析法、聲學(xué)法、溫度檢測法及振動分析法。（參考論文《電機(jī)振動故障巡檢系統(tǒng)的研究與開發(fā)》）。 其中振動分析法現(xiàn)已發(fā)展較為成熟：電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其振動具有典型的特征和允許閥值，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常或故障時，其振動的幅值、形式及頻譜均會發(fā)生變化。不同的缺陷與故障又會產(chǎn)生不同 頻率的振動，幾乎所有的故障都可以通過振動體現(xiàn)出來。通過傳感器檢測電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，并對信號進(jìn)行分析處 3 理，分析各信號參數(shù)，與已知振動特征對比，可以診斷出振動故障的原因與部位，得出維修方案。 三軸加速度傳感器研究現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 80 年代初，繼微壓力傳感器之后微加速度傳感器作為微型慣性組合測量系統(tǒng)的核心器件成為第二個進(jìn)入市場的微型機(jī)械傳感器。其中單軸加速度傳感器技術(shù)發(fā)展比較成熟，如美國 AD 公司、日本日立公司、加州大學(xué)分校 UCB、均開展較早，國內(nèi)也有清華大學(xué)、哈工大、北京大學(xué)、中北大學(xué)、東南大學(xué)等都相繼開展 了各種原理、各種結(jié)構(gòu)的微加速度傳感器的研究。 在單軸加速度傳感器的研究開發(fā)基礎(chǔ)之上，根據(jù)三軸傳感器信號獲取方式的不同 ,可以分為幾種不同的形式 :伺服平衡式、壓阻式、壓電式、電容式、光纖位移式、溫敏式 (熱對流式 )、真空微電子式、隧道式、光波導(dǎo)式、諧振式等形式這些采用不同原理的三軸加速度傳感器近年來都有一些報道 [5]。 例如秦皇島鑫華科技有限公司生產(chǎn)的 AD 系列 ICP 傳感器是內(nèi)裝微型 IC 放大器的壓電式三軸加速度傳感器，將傳統(tǒng)的壓電式傳感器與放大器集成在一起，簡化了測試系統(tǒng)，提高了精度。 可以達(dá)到以下幾點 : 結(jié)構(gòu)合理 ，電路優(yōu)化 配長電纜不影響測量精度 可直接傳至信號采集設(shè)備 有害防塵防潮放有害氣體 基于 Lab VIEW 的虛擬儀器研究現(xiàn)狀 伴隨著個人 PC 計算機(jī)配置的提升性能的優(yōu)化，使個人 PC 機(jī)的功能更是今非昔比，正是由于 PC 機(jī)的迅速發(fā)展，基于 PC 機(jī)的虛擬儀器也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來：從 1988 年虛擬儀器開始在國際市場上出現(xiàn)，到現(xiàn)在已有數(shù)以千計的虛擬儀器產(chǎn)品。 其中對虛擬儀器研究最為突出、發(fā)展最為成熟當(dāng)屬美國 NI公司的 Lab VIEW虛擬儀器開發(fā)平臺，在 20 余年的時間里已經(jīng)發(fā)展成為具有有好的界面、可視化 4 編程、以及 龐大的軟件包與數(shù)據(jù)庫，其強(qiáng)大的功能已廣泛被市場所接受，且已進(jìn)入中國，并獲得認(rèn)可。 近年來我國在虛擬儀器的研究也取得了很大的進(jìn)展，基于虛擬儀器形式的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷正適應(yīng)了當(dāng)今的生產(chǎn)需要與，順應(yīng)了發(fā)展方向，處在并將持續(xù)處在快速發(fā)展階段。 存在的問題，我的方案 過程檢測控制 SPC 雖然在理論上有了較大的發(fā)展，但是在實際應(yīng)用中由于科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件等的約束，還存在很多問題。很多企業(yè)并沒有 SPC 系統(tǒng)，采用檢測設(shè)備也是起到抽檢、把關(guān)的作用，使產(chǎn)品的質(zhì)量的不到有效地控制，生產(chǎn)的安全也得不到根本的保障。 在國內(nèi)的 運(yùn)用雖然得到了很大程度上的推廣，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不到普及，還存在如下問題： SPC 數(shù)據(jù)采集困難 應(yīng)用 SPC 的企業(yè)大多數(shù)是由檢測設(shè)備讀取到數(shù)據(jù)后，絕大部分的數(shù)據(jù)由人們手工完成采集與數(shù)據(jù)的處理，信息傳遞明顯滯后導(dǎo)致測量誤差過大、統(tǒng)計分析工作量過大、過程得不到及時的過程監(jiān)控等問題。 管理水平低 能夠?qū)嵤?SPC 的企業(yè)型不多，能夠嚴(yán)格按照 SPC 管理程序的企業(yè)更是少之又少，有的控制線長年不變，有的工人意識不夠，導(dǎo)致企業(yè)錢力物力也有投入但卻收效甚微。 當(dāng)今企業(yè)應(yīng)用的振動檢測系統(tǒng)，其大多是通過硬件來實現(xiàn)，不 僅造成上述問題，而且通用性差，一種儀器僅能實現(xiàn)一種功能或出廠時通過硬件來實現(xiàn)的功能，而不能夠根據(jù)企業(yè)自身特點自由發(fā)揮其主動效能，結(jié)構(gòu)死板，靈活度差。 也正是由于其通過硬件實現(xiàn)，導(dǎo)致 SPC 系統(tǒng)不能普及的很重要的一個原因是成本高，在企業(yè)的投入產(chǎn)出比中收益比較低，是企業(yè)不愿意把錢花在過程監(jiān)控上，雖然他們明白實時監(jiān)測的重要性與意義。 5 為解決上述問題以及迫于實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的自動化與系統(tǒng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，關(guān)注生產(chǎn)勞動的安全環(huán)境，我們基于電機(jī)檢測應(yīng)用最廣、監(jiān)測信息最多且發(fā)展較為成熟的振動分析檢測方法，結(jié)合最新的三軸 加速度傳感器技術(shù)及基于 Lab VIEW 的虛擬儀器技術(shù)開發(fā)一種實時性好；人工工作量?。恍畔⑻幚矸奖?、準(zhǔn)確；且價格低廉、設(shè)備簡單的實時過程檢測系統(tǒng)。 2. 方案論證 基于上述研究現(xiàn)狀及存在的問題，我們決定基于 Lab VIEW 和三軸加速度傳感器設(shè)計大型高速電機(jī)振動實時檢測系統(tǒng)，我們依據(jù)其原理及可行性分析，設(shè)計出以下方案，如下所述： 整體設(shè)計方案 振動實時檢測系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)由三部分組成：振動信號采集部分、振動信號處理部分及振動信號的分析結(jié)果輸出部分。其關(guān)系如圖 3 所示： 圖 3：振動檢測系統(tǒng)順序圖 在本系統(tǒng)中大型高速電機(jī)作為被測件為系統(tǒng)提供初始振動信號，安裝在大型高速電機(jī)上的三軸加速度傳感器跟隨電機(jī)一起振動，檢測其加速度信號經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鲂阅芨玫妮^為穩(wěn)定輸出，通過數(shù)據(jù)采集卡采集傳送至終端PC 機(jī)，完成振動信號的采集工作。 6 圖 4： 振動信號采集部分 振動信號處理部分是本振動監(jiān)測系統(tǒng)中的核心部分，主要由運(yùn)行于 PC 上的 LABVIEW 軟件平臺上的一個計算分析模塊來完成其主要振動信號的分析工作。該部分的結(jié)構(gòu)及流程是由數(shù)據(jù)采集卡 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后采集過來的振動信號傳至PC 機(jī)的 LABVIEW 平臺經(jīng)除噪濾波后，由核心模塊對其進(jìn)行頻域、振幅分析，核心模塊內(nèi)容詳見軟件部分說明，主要流程如下圖所示： 圖 5：振動信號處理部分 振動信號分析結(jié)果輸出模塊 振動信號分析結(jié)果輸出模塊作為本設(shè)計系統(tǒng)的終端模塊，其界面的友好程度，人機(jī)信息的交換程度很大程度上決定了該系統(tǒng)用戶使用的方便程度與滿意度。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的專用振動監(jiān)測系統(tǒng)不同，我們不采用示波器，沒有單獨的配置硬件設(shè)備，我們基于用戶 PC 機(jī)本身及 LABVIEW 軟件平臺來實現(xiàn)所需信息的 7 輸出顯示，異 常報警功能；并可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存檔與報告的生成。 其上部分（振動信號處理部分）主要是 PC 機(jī) LABVIEW 平臺數(shù)據(jù)實時處理模塊將信號進(jìn)行分析處理后將圖像信號傳至計算機(jī)顯示器進(jìn)行顯示，通過振幅閥值、頻率閥值的設(shè)定進(jìn)行振動異常的報警也是由 PC 顯示器進(jìn)行警示，其數(shù)據(jù)的存儲與報告的生成則由 LABVIEW 工具包插件及相應(yīng)程序復(fù)合完成后，數(shù)據(jù)存放于硬盤之上。其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 6：振動信號分析結(jié)果輸出模塊 軟件部分 作為系統(tǒng)的內(nèi)核，軟件部分擔(dān)任著信號的分析處理、數(shù)據(jù)存貯等核心功能，軟件結(jié)構(gòu)流程圖如下圖 所示： 打開 Lab VIEW 軟件，開始初始化程序，啟動數(shù)據(jù)采集驅(qū)動，開始采集三軸加速度傳感器傳遞過來的數(shù)據(jù)，由于在工作場地存在著各種噪聲以及電磁電路產(chǎn)生的信號干擾，信號數(shù)據(jù)中會存在大量的雜波，須經(jīng)濾波器將影響較大的雜波濾掉，為了檢測大型高速電機(jī)的振動速度，我們將加速度信號進(jìn)行積分處理，將得到的運(yùn)算值預(yù)設(shè)定警戒值相比較，若低于設(shè)定值則說明運(yùn)行平穩(wěn)正常，若高于警戒值則說明振動幅度過大，記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行報警。 8 流程圖如下： 圖 7：軟件處理流程圖 方案一 基于整體系統(tǒng)框圖的設(shè)計思路，按照大型高速電機(jī) 的實時監(jiān)測需求，我們根據(jù)市場現(xiàn)有的 ICP 壓電型三軸加速度傳感器，及 DAQ 數(shù)據(jù)采集裝置，來完成一個 NIDAQ 插卡式虛擬儀器的設(shè)計： 三軸加速度傳感器選擇 現(xiàn)在市場上三軸加速度傳感器已經(jīng)較為完善，其主要有壓電型、電阻型、應(yīng)變型等。根據(jù)該系統(tǒng)的需求，我們采用 ICP 型壓電傳感器。 圖 ： ICP 壓電型傳感器內(nèi)部原理圖 9 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 虛擬儀器系統(tǒng)主要有 PCIDAQ 插卡式、并行口式、 GPIB 總線式、 VXI 總線式及 PXI 總線式。其中 PCIDAQ 插卡式方式使用數(shù)據(jù)采集卡以計算機(jī)平臺和虛擬儀 器軟件，可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計算機(jī)總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換技術(shù)。隨著計算機(jī)的發(fā)展，其 PC 機(jī)箱、總線受限制、插槽數(shù)目不足等缺點正得到改善。 隨著 PC 機(jī)龐大的數(shù)量，以及插卡式儀器價格最便宜，因此其用途廣泛，特別適合于工業(yè)現(xiàn)場測控、各種實驗室和教學(xué)部門使用。 數(shù)據(jù)采集卡我們選用 NI 公司的 PCI 插卡式數(shù)據(jù)采集卡，其與 LAB VIEW 有著完美的兼容，是 A/D 轉(zhuǎn)換更加準(zhǔn)確，功能更加匹配，其構(gòu)成方式如下： 圖 9： DAQ 插卡式虛擬儀器系統(tǒng) 根據(jù)上述系統(tǒng)的 設(shè)計我們?yōu)榱藴y量電機(jī)的振動參數(shù)，主要是電機(jī)振動速度，我們根據(jù)位移傳感器對低頻比較敏感；而加速度傳感器對高頻比較敏感的特性，我們選擇 ICP 壓電式三軸加速度傳感器，我們把加速度傳感器安裝位置的選擇在了電機(jī)的兩側(cè)軸承外側(cè)，采用打孔螺栓安裝的方法，獲得最佳的頻響特性。加速度傳感器的信號至數(shù)據(jù)采集卡的傳輸方式選為有線傳輸。 基于整體設(shè)計的主旨思路，基于市場上多種多樣的各種硬件器材。我們設(shè)計與方案一不同的方案來進(jìn)行比對。在本方案我們決定采用電荷輸出型三軸加速度傳感器，采用結(jié)構(gòu)緊湊式的數(shù)據(jù)采集器，采用無線傳 輸?shù)姆绞竭M(jìn)行信號的傳輸，其安裝部位選擇微電機(jī)外殼與底座。 10 無線信號傳輸應(yīng)用最廣泛的兩種方式是紅外傳輸與藍(lán)牙傳輸，其中 紅外傳輸是以 紅外線 的方式傳遞 數(shù)據(jù) ，可以很 方便 地實現(xiàn)無線方式連接， 傳輸 速度快 ， 但是存在傳輸距離短，只能直線傳輸?shù)娜秉c。 藍(lán)牙 傳輸 ，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般 10m 內(nèi)）的 無線電 傳輸 技術(shù)。能在包括移動電話、 PDA、 無線耳機(jī) 、 筆記本電腦 、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速度 1Mbps(有效傳輸速度為 721kbps)、最大傳輸距離達(dá) 10 米，用戶不必經(jīng)過允許便可利用 的 ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué) )頻帶，在其上設(shè)立 79 個帶寬為 1MHz 的信道，用每秒鐘切換 1600 次的頻率、滾齒 (hobbing)方式的頻譜擴(kuò)散技術(shù)來實現(xiàn)電波的收發(fā) 。 綜合比較 方案一與方案二，其大體系統(tǒng)相同，工作原理及處理內(nèi)核均相同。不同之處在于加速度傳感器的選型不同；安裝位置不同；數(shù)據(jù)采集方式不同；信號的傳輸方式不同。