【正文】 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振動檢測系統(tǒng)也是當(dāng)今市場的迫切需求。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)。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。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。 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]。 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。 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。 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。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。根據(jù)該系統(tǒng)的需求，我們采用 ICP 型壓電傳感器。隨著計算機的發(fā)展，其 PC 機箱、總線受限制、插槽數(shù)目不足等缺點正得到改善。 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。 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)。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。無需做成 Compact DAQ 結(jié)構(gòu)，造成資源浪費。 基于 Lab VIEW 平臺開發(fā)一個振動信號濾波、積分、存貯以及顯示的軟件，其三軸加速度信號有軟件模擬生成。該部分將振動源的加速度信號轉(zhuǎn)化為我們計算機課識別的數(shù)字信號，供我們做進(jìn)一步的計算與分析。它是基于壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理 而工作的。 加速度也是空間矢量，我們要在立體空間對三個軸向加速度都進(jìn)行測量，我們可以通過壓電元件不同的方向的電荷量的不同來得到相應(yīng)軸向的加速度值。 傳感器的選用原則，我們基本上基于靈敏度與量程范圍、線性范圍、響應(yīng)特 13 性、穩(wěn)定性以及精確 度，在滿足此條件下選用經(jīng)濟(jì)型。檢測加速度量程： 50g— +50g；輸出阻抗： ? 100? ；重量 :96g。 :表 ： 序號 安裝方式 優(yōu)點 缺點 1 螺釘連接的安裝方式 連接牢固，可獲得最佳頻響特性 需要在事件上打孔，安裝準(zhǔn)備工作較為繁瑣 2 直接粘結(jié)的安裝方式 不需要在事件上打孔，安裝簡單、便捷 連接牢固性較差，頻響特性較差，不能用于外殼不絕緣 14 加速度傳感器的安裝 3 墊塊為膠木的安裝方式 不需在試件上打孔，安裝簡單，便捷，且能很好的實現(xiàn)加速度傳感器與被測件的絕緣，適用于所用加速度傳感器的安裝，在三種不同材料墊塊中，頻響特性最佳 連接牢固性較差，頻響特性較差 4 墊塊為有 機塊的安裝方式 不需在試件上打孔，安裝簡單，便捷，且能很好的實現(xiàn)加速度傳感器與被測件的絕緣 連接牢固性較差，頻響特性較差，三種墊塊中，頻響特性最差 5 墊塊為酚醛玻璃布板的安裝方式 不需在試件上打孔，安裝簡單，便捷，且能很好的實現(xiàn)加速度傳感器與被測件的絕緣 連接牢固性較差，頻響特性較差，三種墊塊中，頻響特性居中 除了傳感器的安裝方式，安裝位置也是十分關(guān)鍵的。因此本系統(tǒng)進(jìn)行單通道測量時，傳感器選擇安裝在位置 7，雙通道測量時分別安裝在垂直和水平方向的位置 1 和 2，進(jìn)行雙通道采集時還要考慮到如果兩個傳感器同時工作，不能靠得太近，否則會產(chǎn)生交叉感應(yīng) [10]。實物圖如下所示： 圖 ： YE8321型恒流源 該型號恒流源具體參數(shù)如下：激勵電壓： 24VDC； 激勵電流： 4mA/10mA 可選；響應(yīng)頻率： ；輸出信號： mAV 5/10? ,精度： %1?? ；噪聲：Vrms?50? ；輸入電壓： AC： 220V 50Hz；采用 BNC 接口輸入輸出，可在 085攝氏度工作，滿足我們的使用要求。 數(shù)據(jù)采集卡的選型 目前市場上的數(shù)據(jù)采集卡也是多種多樣，我們選擇數(shù)據(jù)采集在滿足通道要求情況下的參數(shù)主要有兩個，一個是轉(zhuǎn)換精度 ，另一個是采集速度。滿足我們對于本系統(tǒng)的全部需求，我們的選型是合理的。 圖 ： NI 9234 采集器與浮接信號源的連接示意圖 17 NI 9234 每一個模擬輸入通道都通過一個 50? 的電阻連接機箱，我們通過將機箱接地處理，可使噪聲最小化；每個通道都具有過壓保護(hù)功能；每個通道的模擬輸入信號經(jīng)過緩沖、調(diào)理后， 由 24 位 DeltaSigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號進(jìn)行采樣。而對于該數(shù)據(jù)采集卡的安裝我們也是非常輕松的。我們將其輸出的 USB 接頭直接插入計算機的 USB接口即可。 本章 小結(jié) 通過本章我們了解了我們所需要的主要硬件配置，其工作原理與主要作用。 19 硬件是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)與支撐，而軟件則是振動檢測系統(tǒng)分析的大腦，是系統(tǒng)的上層建筑，軟件部分的設(shè)計，決定了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理是否精確，功能是否完善、人機交互是否友好等直接與用戶體驗相關(guān)的性能，直接決定了本系統(tǒng)的用戶群是否滿意，所以軟件設(shè)計是我們系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。作為目前國際上唯一的使用 G 語言編程的虛擬儀器軟件，它把以前我們工程人員從復(fù)雜、繁瑣、費時的編程之中解放出來，我們可以通過菜單或圖表的提示來選擇功能，使用線條把各功能連接簡單圖標(biāo)的方法 來編輯程序，簡單、明朗，大大提高了工程設(shè)計效率，也降低了學(xué)習(xí)者的難度。 主界面設(shè)計 在一個主界面要給用戶提供最常用的信息，最為必要的信息。 不管是振動波形圖還是振動趨勢圖表或者功率譜分析的顯示，我們均對標(biāo)簽欄進(jìn)行了修改，直接點擊切換，方便快捷。在回放過程中我們對原始信號進(jìn)行回放并分析其功率譜，以便對于信號的一個分析。 參數(shù)設(shè)置模板界面在主界面中的一部分，也是較為突出的。 信號預(yù)處理模塊 在硬件部分中， IPC 型傳感器內(nèi)置模塊、信號調(diào)理電路其實均是對信號的預(yù)處理，其作用就在于使后續(xù)的信號分析處理能夠更加的準(zhǔn)確，更加的有效。 不難理解高截止頻率與低截止頻率的含義，其作為濾波器允許通過信號頻率的上限值與下限值，采樣頻率決定我們對數(shù)據(jù)采集的時間間隔或者頻率，而濾波器類型，我們可以通過此控件選 擇此濾波器的類型，是選擇高通濾波器、低通濾波器、 Band stop 濾波器，階數(shù)控件我們可以選擇濾波器階數(shù)，我們通常選擇 2 階，初始化 /連續(xù)控件我們可以選擇是初始化函數(shù)還是連續(xù)。我們所遵循的規(guī)律叫做采樣定律。采樣我們需要考慮頻率，那么量化我們也需要考慮量化誤差。 本模塊我們思路簡單明了，通過上一模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，由于是加速度數(shù) 27 據(jù)，我們需要根 據(jù)電機的振動速度信號幅值進(jìn)行報警，我們需要先做積分處理，得到速度信號，再處理信號提取時域信息，與報警閥值作比較運算，如果大于報警閥值我們進(jìn)行報警，如果運行正常，我們繼續(xù)檢測其振動狀態(tài)，流程圖如下所示： 圖 烈度報警流程圖 時域振動的幅值往往能給我們以直觀的信息，簡單而且使用，本功能模塊我們實現(xiàn)基于均方根值的烈度報警功能。 示意流程圖如下： 圖 烈度報警流程圖 有了程序，軟件便可以執(zhí)行，以便實現(xiàn)相應(yīng)的功能，為了用戶使用的靈活性與更改被測量振動源發(fā)生改變時，參數(shù)的變化，我們需要可以對報警閥值加以設(shè)定的功能，如上面程序比較控件所創(chuàng)建的輸入控件，即為報警閥值輸入控件，在三軸振動檢測系統(tǒng)中報警閥值在前面板設(shè)置如右圖所示： 圖 報警閥值設(shè)置 其功能的實現(xiàn)，即發(fā)生振動異常進(jìn)行報警時，由前面板度報警指示燈完成，而在本三軸振動檢測系統(tǒng)之中，在前面板的顯示如圖所示，三個指示燈被標(biāo)注分別對X 軸方向、 Y 軸方向與 Z 軸 方向的振動烈度，當(dāng)振動超出報警閥值時，可以單路報警，如果兩路以上超出，則相應(yīng)報警。 進(jìn)行頻譜分析，我們首先介紹一下常用的譜分析，所謂頻域分析是根據(jù)信號的頻率來估計和分析信號的組成成份和特征量，對信號本身進(jìn)行頻域分析常見的方法有相位譜、功率譜、幅度譜、能量譜等，我們可以獲得不同頻率分量上的幅值、相位、功率等參數(shù)。 在本譜分析模塊，其主旨思路是這樣的，由于程序結(jié)構(gòu)具有貫通性，順序下來，我們不再做本模塊的流程圖，我們依然采用的是濾波器濾波以后的信號作為本模塊的初始信號，加速度信號經(jīng)積分處理得到振動速度信號，對速度進(jìn)行頻譜分析，獲得功率譜圖，我們用波形圖控件予以顯示。 首先 我們看下系統(tǒng)之中的程序框圖，由于程序較大，我們在截屏是不能保持其完整性，我們分為了三個部分，第一個部分，給予路徑；第二個部分，數(shù)據(jù)寫入；第三個部分，關(guān)閉 TDMS 及報錯。 圖 數(shù)據(jù)存儲程序圖 32 第三部分最為簡單，其作用就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入完成后，關(guān)閉 TDMS 文件，如果在其過程之中有錯誤，及時報錯。 本系統(tǒng)設(shè)計理念即為模塊化設(shè)計，當(dāng)我們基于回放功能，設(shè)置了回放功能鍵，當(dāng)點擊時我們調(diào)用回放子程序。直接連接至 while循環(huán)關(guān)閉節(jié)點。條件結(jié)構(gòu)的控件是一個枚舉型控件，我們把“Ｘ軸”、“Ｙ軸”、“Ｚ軸”分別作為該 33 控件的三個選項，與之相對應(yīng)的便是條件結(jié)構(gòu)的三個分支，也分別被命名為“Ｘ軸”、“Ｙ軸”、“Ｚ軸”，其相應(yīng)的分支結(jié)構(gòu)處理相應(yīng)的軸路信號。其主旨結(jié)構(gòu)與寫入相似。 34 我相信通過上一章的表述 已經(jīng)對三軸振動檢測系統(tǒng)的軟硬件平臺，其功能分析模塊及原理都有了比較明確地了解。設(shè)置完成后點擊確定。 37 設(shè)計總結(jié) 這次 基于 Lab VIEW 和三軸加速度傳感器的振動信號測量系統(tǒng)的設(shè)計，是我第一次進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計，也這是這次畢業(yè)設(shè)計給了我一次將書本上于學(xué)到的理論知識應(yīng)用于實踐的機會，將我們曾經(jīng)學(xué)到的許多科目聯(lián)系到了一起，也是對知識掌握能力、綜合運用的一個檢驗。在本系統(tǒng)中，我們一步步的從振動源的振動到加速度信號采集與預(yù)處理、積分運算、時域、頻域分析進(jìn)行，在軟件部分我們也是從信號的預(yù)處理一個模塊一個模塊的做烈度報警、功率譜分析，以及最后實現(xiàn)存儲、回放功能。我們有嘗試就會有收獲，立足于用戶的實際需求，基于用戶使用的習(xí)慣，我們分別發(fā)現(xiàn)以上結(jié)構(gòu)不能夠滿足同時觀測三軸信息的需求，結(jié)構(gòu)死板、不能滿足數(shù) 據(jù)采集與寫入速度匹配的問題。最后由于硬件的限制，沒能真正的進(jìn)行實際數(shù)據(jù)檢測，我們僅用模擬數(shù)據(jù)代替。希望我們以后的路也能夠一步步的走好，實現(xiàn)一個有高度的人生。 在這次在畢業(yè)設(shè)計的整個過程中，從最初的選題到設(shè)計方案的擬定和論證、到 后期程序設(shè)計的技術(shù)指導(dǎo)、再到最后設(shè)計說明書的撰寫及格式的要求，在每個階段顏老師都認(rèn)真負(fù)責(zé)。 其次，我要感謝我的父母，是你們含辛茹苦的撐起這個家給我 提供了這么一個安靜的學(xué)習(xí)環(huán)境。在畢業(yè)設(shè)計過程 中遇到困難時 相互討論、相互幫助的，你們讓我明白了團(tuán)隊合作的重要性，在解決難題的同時逐步培養(yǎng)了我的團(tuán)隊協(xié)作能力，同時更增進(jìn)了同學(xué)們間的友誼，現(xiàn)在的你們早已成為了我最親密的戰(zhàn)友和兄弟！ 40 參考文獻(xiàn) [1] 張輝 柴偉 羅強 劉漫霞 三軸加速度傳感器安裝誤差標(biāo)定方法研究 傳感技術(shù)學(xué)報 [2] 尚亮 周先國 韓新紅 基于 LABVIEW 的加速度傳感器運動信息采集平臺設(shè)計 計算機測量與控制 [3] 劉妤 溫志渝 楊紅韻 多軸微加速度傳感器研究進(jìn)展 傳感 器與微系統(tǒng) 2020年第 26 卷第 4 期 [4] 郭海鴻，李曉星 .非接觸應(yīng)變測量的數(shù)字散斑相關(guān)方法的研究 .現(xiàn)代制造工程， 2020 (11)： 9698。這次畢業(yè)設(shè)計由最初的對振動檢測體統(tǒng)不太了解到現(xiàn)在可以用虛擬儀器做振動檢測分