【正文】 你們的殷切期望是我進(jìn)步的動(dòng)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?cè)谖镔|(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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)及相關(guān)研究的各位學(xué)者。 39 致謝 一個(gè)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(jìn)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(jī)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(shí)、技術(shù)，積累了經(jīng)驗(yàn)，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(shí)條件所限，我們不能滿足由實(shí)際硬件采集信號(hào)的要求，此設(shè)計(jì)作為我們本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們用 LABVIEW 軟件的仿真信號(hào)作為本系統(tǒng)的初始信號(hào)源，進(jìn)行相關(guān)功能測(cè)試。 圖 信號(hào)回放程序圖 程序框圖如上所示，我們從左向右進(jìn)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(shí)、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(rèn)路徑 ，即小文件夾圖標(biāo)，而下面的名稱或相對(duì)路徑，我們創(chuàng)建一個(gè)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(xiàng)，即在已存在文件是自動(dòng)打開，不存在此文件名時(shí)能夠創(chuàng)建，禁用緩沖我們選擇Ｆ，否定，因?yàn)槲覀?信號(hào)產(chǎn)生速度較快，直接寫入速度跟不上，我們需要進(jìn)行緩沖，我們把文件路徑傳遞給下一單元。與時(shí)域分析信號(hào)相比較，頻域分析可確定信號(hào)的頻率范圍和頻率組成，也可以確定系統(tǒng)的振動(dòng)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(duì)我們?nèi)S振動(dòng)系統(tǒng)而言，便于發(fā)現(xiàn)故障原因。時(shí)域信號(hào)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(hào)振動(dòng)的強(qiáng)度，我們采用周期均方根 對(duì)信號(hào)進(jìn)行烈度報(bào)警。假設(shè)有限帶寬信號(hào)在 f(n)頻率以上沒有頻率分量，只有采樣時(shí)滿足采樣頻率是信號(hào)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(hào)信息全部的采集過來，沒有遺失和改變。當(dāng)然 25 我們 LABVIEW 軟件也可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，我們采用窗函數(shù)和濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。界面圖如下所示： 圖 信號(hào)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(shí)常要進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，功能按鍵也是常用且必須得，所以我也 21 把它們?cè)O(shè)計(jì)到了前面板上，參數(shù)設(shè)置我們放在前面板上，有了信號(hào)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(hào)輸出顯示。 圖 41 軟件設(shè)計(jì)流程圖 NI LABVIEW 軟件簡(jiǎn)介 在前面緒論中我們?cè)?jīng)提到了虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀，我們對(duì)虛擬儀器也有了一定的認(rèn)識(shí)。 信號(hào)處理部分 我們對(duì)信號(hào)處理使用的是 LABVIEW 軟件，作為硬件的支撐，我們的 PC 機(jī)必須滿足運(yùn)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(hào)并且抑制帶寬外信號(hào)。依照我們基于 16 本系統(tǒng)三軸路信號(hào)轉(zhuǎn)換的實(shí)際需求，轉(zhuǎn)換原始信號(hào)為電壓信號(hào)，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(jī)振動(dòng)測(cè)定點(diǎn)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(hào)十分弱小，不能進(jìn)行較長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸，在傳輸路徑過程中，我們需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次的穩(wěn)定與放大，跟系統(tǒng)的實(shí)際需求 :ICP 型三軸加速度傳感器 15 AD100 3X 的三軸向信號(hào)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(duì)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(gè)軸向方向的加速度模擬信號(hào)分別接到數(shù)據(jù)采集卡的前三個(gè)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(jì)算機(jī)的 PCI 插槽中。 （ 4）雖然無線信號(hào)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(hào)雜亂，為了傳感器信號(hào)能夠更為準(zhǔn)確的得到采集，本系統(tǒng)的可靠性更強(qiáng)，我們采用有線傳輸方式。能在包括移動(dòng)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。 隨著 PC 機(jī)龐大的數(shù)量，以及插卡式儀器價(jià)格最便宜，因此其用途廣泛，特別適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。 其上部分（振動(dòng)信號(hào)處理部分）主要是 PC 機(jī) LABVIEW 平臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理模塊將信號(hào)進(jìn)行分析處理后將圖像信號(hào)傳至計(jì)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(dòng)異常的報(bào)警也是由 PC 顯示器進(jìn)行警示，其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與報(bào)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(dāng)今企業(yè)應(yīng)用的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其大多是通過硬件來實(shí)現(xiàn)，不 僅造成上述問題，而且通用性差，一種儀器僅能實(shí)現(xiàn)一種功能或出廠時(shí)通過硬件來實(shí)現(xiàn)的功能，而不能夠根據(jù)企業(yè)自身特點(diǎn)自由發(fā)揮其主動(dòng)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(jiǎn)化了測(cè)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(cè)法及振動(dòng)分析法。 隨著著計(jì)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(jì)思想應(yīng)運(yùn)而生。 高速電機(jī)是近幾十年來電力技術(shù)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)發(fā)展的產(chǎn)物 。 研究意義 近十幾年來，我國(guó)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(cè)方面我們與國(guó)外還存在著一定的差距。開發(fā)此振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使更多的用戶能夠利用振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(duì)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)及故障診斷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 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(cè)量系統(tǒng)的核心器件成為第二個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的微型機(jī)械傳感器。很多企業(yè)并沒有 SPC 系統(tǒng)，采用檢測(cè)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(dòng)信號(hào)采集部分 振動(dòng)信號(hào)處理部分是本振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心部分，主要由運(yùn)行于 PC 上的 LABVIEW 軟件平臺(tái)上的一個(gè)計(jì)算分析模塊來完成其主要振動(dòng)信號(hào)的分析工作。其中 PCIDAQ 插卡式方式使用數(shù)據(jù)采集卡以計(jì)算機(jī)平臺(tái)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(jìn)行信號(hào)的傳輸，其安裝部位選擇微電機(jī)外殼與底座。 （ 2）電機(jī)的軸承是最能反映電機(jī)振動(dòng)的部位，對(duì)電機(jī)軸承的檢測(cè)至關(guān)重要。 眾所周知，任何一個(gè)實(shí)際的集數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、分析的檢測(cè)系統(tǒng)是不可能凌架于物理原件之上的，而這個(gè)物理存在，對(duì)本振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)而言，由振動(dòng)源的振動(dòng)采集，直到輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的這個(gè)過程實(shí)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(jì)算其發(fā)生應(yīng)變的大小，繼而計(jì)算其所受壓力的大小。 圖 傳感器實(shí)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(dòng)信號(hào)在傳遞過程中幅值要衰減，所以被測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量靠近振動(dòng)產(chǎn)生的位置。 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展越來越普及，功能越來越強(qiáng)大。使用浮接的連接方式可以避免對(duì)地噪聲，避免 BNC 連接器與金屬外殼，及與其他模塊、機(jī)箱的接觸有效地降低噪聲干擾。這個(gè)驅(qū)動(dòng)安裝比較簡(jiǎn)單，我們按照默認(rèn)路徑進(jìn)行安裝即可，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后就可以了。對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是一個(gè)基礎(chǔ)，一個(gè)平臺(tái)。 LABVIEW 圖形用戶界面設(shè)置 一個(gè)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(shí)用很重要的一部分。 振動(dòng)濾波信號(hào)顯示界面、振動(dòng)趨勢(shì)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(dòng)濾波信號(hào)顯示圖 圖 振動(dòng)趨勢(shì)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(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)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?cè)谧映绦蚬?jié)點(diǎn)設(shè)置中選擇“在調(diào)用時(shí)打開前面板”選項(xiàng)前打鉤。布爾開關(guān)形象生動(dòng)、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(shí)，需要特別指出的是采樣頻率，采樣頻率決定了采樣的時(shí)間間 26 隔，將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行離散化的 采樣，這些采集過來的點(diǎn)所組成的信號(hào)，在時(shí)間上是間隔的，但是在幅值上卻是連續(xù)的。 我們?cè)谔幚頂?shù)字信號(hào)的過程中，不可能對(duì)一個(gè)無限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)際處理過程中，我們其實(shí)是在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)在這段時(shí)間內(nèi)的這段信號(hào) 進(jìn)行分析與處理，這樣就相當(dāng)于把一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)“切斷”，我們?nèi)∮杏靡欢芜M(jìn)行分析與處理，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)“切斷”功能就靠我們 LABVIEW 軟件提供的窗函數(shù)。 圖 烈度報(bào)警指示燈 29 譜分析模塊 上一模塊我們基于信號(hào)的時(shí)域特性，通過對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分獲得速度信號(hào)，測(cè)得速度信號(hào)的周期均方根作為烈度報(bào)警的根據(jù)，一句話總結(jié)起來就是時(shí)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(duì)于本三軸振動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)際需求。 圖 信號(hào)數(shù)據(jù) 的回放模塊 僅僅實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)不可以查看的話，存儲(chǔ)也是沒有意義的。我們?cè)谘訒r(shí)分支設(shè)置常量 10ms，選擇回放分支，選擇子程序圖標(biāo)，右鍵點(diǎn)擊，設(shè)子子函數(shù)節(jié)點(diǎn)，選擇調(diào)用時(shí)顯示前面板，在執(zhí)行時(shí)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(hào)的預(yù)處理、時(shí)域分析、頻域分析及相關(guān)信息的存儲(chǔ)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(duì)仿真信號(hào)的分析測(cè)試，也可以對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行判定。最值得高興地不僅是我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用與工業(yè)一線，為設(shè)備保障保駕護(hù)航，同時(shí)也為做相關(guān)的同行積累一點(diǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，希望為企業(yè)為國(guó)家能夠創(chuàng)造實(shí)際意義是最為可貴的。 隨著設(shè)計(jì)一步步的做，時(shí)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(duì)學(xué)術(shù)的認(rèn)真，執(zhí)著，給我樹立了良好的榜樣，一個(gè)好老師不僅能夠“言傳 ’ ，更重要的是“身教”。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程 中遇到困難時(shí) 相互討論、相互幫助的，你們讓我明白了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，在解決難題的同時(shí)逐步培養(yǎng)了我的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，同時(shí)更增進(jìn)了同學(xué)們間的友誼，現(xiàn)在的你們?cè)缫殉蔀榱宋易钣H密的戰(zhàn)友和兄弟！ 40 參考文獻(xiàn) [1] 張輝 柴偉 羅強(qiáng) 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(bào) [2] 尚亮 周先國(guó) 韓新紅 基于 LABVIEW 的加速度傳感器運(yùn)動(dòng)信息采集平臺(tái)設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)