【正文】 你們的殷切期望是我進步的動力，你們無私的關(guān)懷和安慰給了我戰(zhàn)勝困難的勇氣，親愛的爸爸媽媽感謝你們在物質(zhì)和精神上給予我的無私幫助，你們辛苦了！ 再次，我要感謝那些致力于振動檢測系統(tǒng)及相關(guān)研究的各位學(xué)者。 39 致謝 一個人的能力是有限的，但是他可以得到的幫助卻是無限的。正是在一種種方案的嘗試中我們發(fā)現(xiàn)了問題，在解決問題中我們進步了，得到了更好的方案，直至最后能夠滿足用戶的信息獲取，人機友好交互的需求。在遇到問題，然后解決問題的過程之中掌握了知識、技術(shù)，積累了經(jīng)驗，學(xué)習(xí)了方法，提高了查閱相關(guān)資料以及自我學(xué)習(xí)的能力。這里我們需要指出的是，由于現(xiàn)實條件所限，我們不能滿足由實際硬件采集信號的要求，此設(shè)計作為我們本科生的畢業(yè)設(shè)計，我們用 LABVIEW 軟件的仿真信號作為本系統(tǒng)的初始信號源，進行相關(guān)功能測試。 圖 信號回放程序圖 程序框圖如上所示，我們從左向右進行說明。在主程序中我們用事件結(jié)構(gòu)不同的事件分支來處理延時、調(diào)用回放子程序、與關(guān)閉。 31 如下圖所示即為第一部分，由創(chuàng)建路徑控件給出需要寫入的文件地址，上端左側(cè)為基路徑，我們采用默認路徑 ，即小文件夾圖標，而下面的名稱或相對路徑，我們創(chuàng)建一個輸入控件，其作用為我們寫入數(shù)據(jù)的文件命名，其后面 TDMS打開，我們選擇 open or create 選項，即在已存在文件是自動打開，不存在此文件名時能夠創(chuàng)建，禁用緩沖我們選擇Ｆ，否定，因為我們 信號產(chǎn)生速度較快，直接寫入速度跟不上，我們需要進行緩沖，我們把文件路徑傳遞給下一單元。與時域分析信號相比較，頻域分析可確定信號的頻率范圍和頻率組成，也可以確定系統(tǒng)的振動噪聲源，通過輸入輸出頻譜，我們可確定該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，對我們?nèi)S振動系統(tǒng)而言，便于發(fā)現(xiàn)故障原因。時域信號有均值，均方根值和有效值，我們利用 LABVIEW 自帶函數(shù)可以得到周期均方根值，峰峰值等有用信息，但是我們通常采用周期均方根值來表示信號振動的強度，我們采用周期均方根 對信號進行烈度報警。假設(shè)有限帶寬信號在 f(n)頻率以上沒有頻率分量，只有采樣時滿足采樣頻率是信號中最大頻率分量（有用信息的頻率，雜波除外）的兩倍以上，即： nff 2?采 ，我們才能將有用頻率的信號信息全部的采集過來，沒有遺失和改變。當然 25 我們 LABVIEW 軟件也可以對信號進行預(yù)處理，我們采用窗函數(shù)和濾波器對信號進行濾波處理。界面圖如下所示： 圖 信號回放功能顯示界面圖 參數(shù)設(shè)置界面 作為本系統(tǒng)界面的輔助設(shè)置，但起作用絕非輔助。首 先我們把該系統(tǒng)的名稱顯示出來，方便用戶了解本系統(tǒng)是做什么用的，功能是什么？我們時常要進行參數(shù)的設(shè)置，對參數(shù)進行修改，功能按鍵也是常用且必須得，所以我也 21 把它們設(shè)計到了前面板上，參數(shù)設(shè)置我們放在前面板上，有了信號的分析處理，其結(jié)果的輸出是最為必要的，基于上面的指導(dǎo)思路，我們把前面板分為三塊：儀器名稱、參數(shù)設(shè)置、信號輸出顯示。 圖 41 軟件設(shè)計流程圖 NI LABVIEW 軟件簡介 在前面緒論中我們曾經(jīng)提到了虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀，我們對虛擬儀器也有了一定的認識。 信號處理部分 我們對信號處理使用的是 LABVIEW 軟件，作為硬件的支撐，我們的 PC 機必須滿足運行 LABVIEW 的最低要求。通過模擬和數(shù)字濾波， NI 9234 可精確表示帶寬內(nèi)部信號并且抑制帶寬外信號。依照我們基于 16 本系統(tǒng)三軸路信號轉(zhuǎn)換的實際需求，轉(zhuǎn)換原始信號為電壓信號，支持同步采集，主板具有緩存功能，分辨率 12 位，采樣率 50kS/s,支持 Lab VIEW RT。 圖 12： 電機振動測定點位圖 IEPE 恒流源部分 所謂 IEPE 是 壓電集成電 路的縮寫，我們 ICP 型三軸壓電傳感器的輸出電壓信號十分弱小，不能進行較長距離的信號傳輸，在傳輸路徑過程中，我們需要對信號進行再次的穩(wěn)定與放大，跟系統(tǒng)的實際需求 :ICP 型三軸加速度傳感器 15 AD100 3X 的三軸向信號的放大需求，及穩(wěn)定電流 4mA 的電流值，我們選擇恒流源。工作溫度 40— 120 攝氏度。ICP 型即將 IC 電荷放大器內(nèi)置于三軸加速度傳感器，直接與壓電元件相連接，較少外界噪聲對其的干擾。 接線方式如下所示： 我們用恒流源為 AD1003X 加速度傳感器和 NI PCI4474 數(shù)據(jù)采集卡提供電源，分別將三軸加速度傳感器的三個軸向方向的加速度模擬信號分別接到數(shù)據(jù)采集卡的前三個通道上，數(shù)據(jù)采集卡通過 PCI 總線結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集卡的插卡直接插入計算機的 PCI 插槽中。 （ 4）雖然無線信號傳輸更為方便，是線路更加優(yōu)化，在工廠條件下更加安全，但是考慮到工廠電磁設(shè)備眾多，信號雜亂，為了傳感器信號能夠更為準確的得到采集，本系統(tǒng)的可靠性更強，我們采用有線傳輸方式。能在包括移動電話、 PDA、 無線耳機 、 筆記本電腦 、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進行無線信息交換。 隨著 PC 機龐大的數(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。 其上部分（振動信號處理部分）主要是 PC 機 LABVIEW 平臺數(shù)據(jù)實時處理模塊將信號進行分析處理后將圖像信號傳至計算機顯示器進行顯示，通過振幅閥值、頻率閥值的設(shè)定進行振動異常的報警也是由 PC 顯示器進行警示，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。 當今企業(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。 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。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。 隨著著計算機技術(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)運而生。 高速電機是近幾十年來電力技術(shù)、材料科學(xué)、機械工程、計算機發(fā)展的產(chǎn)物 。 研究意義 近十幾年來，我國的電機在理論研究方面、結(jié)構(gòu)方面以及原材料使用方面都有了較大改進；但是大型高速電機的制造和檢測方面我們與國外還存在著一定的差距。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，對電機運行監(jiān)測及故障診斷具有重要的現(xiàn)實意義。 三軸加速度傳感器研究現(xiàn)狀 20 世紀 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入市場的微型機械傳感器。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。 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。其中 PCIDAQ 插卡式方式使用數(shù)據(jù)采集卡以計算機平臺和虛擬儀 器軟件，可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。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行信號的傳輸，其安裝部位選擇微電機外殼與底座。 （ 2）電機的軸承是最能反映電機振動的部位，對電機軸承的檢測至關(guān)重要。 眾所周知，任何一個實際的集數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、分析的檢測系統(tǒng)是不可能凌架于物理原件之上的，而這個物理存在，對本振動檢測系統(tǒng)而言，由振動源的振動采集，直到輸入個人計算機進行分析的這個過程實現(xiàn)的物理依托就是本系統(tǒng)的硬件部分。反過來我們可以根據(jù)其電荷的多少來計算其發(fā)生應(yīng)變的大小，繼而計算其所受壓力的大小。 圖 傳感器實物圖 如上圖所示即為 AD1003X 傳感器，該傳感器壓電材料為壓電陶瓷，外殼為不銹鋼。（ 2）由于振動信號在傳遞過程中幅值要衰減，所以被測點應(yīng)盡量靠近振動產(chǎn)生的位置。 隨著計算機的發(fā)展越來越普及，功能越來越強大。使用浮接的連接方式可以避免對地噪聲，避免 BNC 連接器與金屬外殼，及與其他模塊、機箱的接觸有效地降低噪聲干擾。這個驅(qū)動安裝比較簡單，我們按照默認路徑進行安裝即可，重新啟動計算機后就可以了。對于本系統(tǒng)的設(shè)計也是一個基礎(chǔ)，一個平臺。 LABVIEW 圖形用戶界面設(shè)置 一個軟件系統(tǒng)用戶首先接觸的便是界面，我們系統(tǒng)所具有的功能應(yīng)該能在面板上得以體現(xiàn)，是否擁有友好的界面是系統(tǒng)實用很重要的一部分。 振動濾波信號顯示界面、振動趨勢圖界面及功率譜分析顯示界面在虛擬儀器系 統(tǒng)中界面如下圖所示： 22 圖 振動濾波信號顯示圖 圖 振動趨勢顯示圖 圖 功率譜分析顯示圖 23 數(shù)據(jù)回放界面設(shè)置 數(shù)據(jù)回放功能與主功能界面不同，我們不需要實時對其進行，我們決定不將其放入主界面之上，我們采用功能按鈕來調(diào)用回放功能子程序，我們在子程序節(jié)點設(shè)置中選擇“在調(diào)用時打開前面板”選項前打鉤。布爾開關(guān)形象生動、各種信息明確，這就是用戶所需要的。 圖 濾波器參數(shù)設(shè)置圖 在參數(shù)設(shè)置時，需要特別指出的是采樣頻率，采樣頻率決定了采樣的時間間 26 隔，將連續(xù)的模擬信號進行離散化的 采樣，這些采集過來的點所組成的信號，在時間上是間隔的，但是在幅值上卻是連續(xù)的。 我們在處理數(shù)字信號的過程中，不可能對一個無限長的信號進行分析，實際處理過程中，我們其實是在一段時間內(nèi)對在這段時間內(nèi)的這段信號 進行分析與處理，這樣就相當于把一個連續(xù)的模擬信號“切斷”，我們?nèi)∮杏靡欢芜M行分析與處理，而實現(xiàn)這個“切斷”功能就靠我們 LABVIEW 軟件提供的窗函數(shù)。 圖 烈度報警指示燈 29 譜分析模塊 上一模塊我們基于信號的時域特性，通過對加速度信號進行積分獲得速度信號，測得速度信號的周期均方根作為烈度報警的根據(jù)，一句話總結(jié)起來就是時域分析模塊。 30 圖 功率譜分程序圖 通過上面的程序框圖我們就可以很好的理解數(shù)據(jù)處理的全過程，對于本三軸振動系統(tǒng)來說，我們僅提供了其功率譜的顯示，其后續(xù)的處理工作并沒有，基于需要我們僅做出了功率譜分析，但其實我們 也可以做出其它的相關(guān)譜分析，如自相關(guān)分析等，我們根據(jù)實際需求可以增加功能，具有良好的功能拓展性，以滿足廣大群體客戶的實際需求。 圖 信號數(shù)據(jù) 的回放模塊 僅僅實現(xiàn)存儲不可以查看的話，存儲也是沒有意義的。我們在延時分支設(shè)置常量 10ms，選擇回放分支，選擇子程序圖標，右鍵點擊，設(shè)子子函數(shù)節(jié)點，選擇調(diào)用時顯示前面板，在執(zhí)行時我們即可以成功調(diào)用。 本章小結(jié) 我們通過 LABVIEW 軟件失信了信號的預(yù)處理、時域分析、頻域分析及相關(guān)信息的存儲及回放功能，人性化的界面清楚明了的顯示我們所需要的信息，方便快捷的參數(shù)設(shè)置。 35 圖 模擬數(shù)據(jù)設(shè)置 我們通過對仿真信號的分析測試，也可以對系統(tǒng)的功能進行判定。最值得高興地不僅是我們的畢業(yè)設(shè)計做出來了 ，而是其具有良好的拓展性與靈活性，我們可以將這種技術(shù)實際應(yīng)用與工業(yè)一線，為設(shè)備保障保駕護航，同時也為做相關(guān)的同行積累一點技術(shù)經(jīng)驗，希望為企業(yè)為國家能夠創(chuàng)造實際意義是最為可貴的。 隨著設(shè)計一步步的做，時間也是一天天的如白駒過隙般的過去了。還有顏老師自己那份對學(xué)術(shù)的認真，執(zhí)著，給我樹立了良好的榜樣，一個好老師不僅能夠“言傳 ’ ，更重要的是“身教”。在畢業(yè)設(shè)計過程 中遇到困難時 相互討論、相互幫助的，你們讓我明白了團隊合作的重要性，在解決難題的同時逐步培養(yǎng)了我的團隊協(xié)作能力，同時更增進了同學(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 [1] 張輝 柴偉 羅強 劉漫霞 三軸加速度傳感器安裝誤差標定方法研究 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