【正文】 測(cè)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(cè)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。 在這次在畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，從最初的選題到設(shè)計(jì)方案的擬定和論證、到 后期程序設(shè)計(jì)的技術(shù)指導(dǎo)、再到最后設(shè)計(jì)說明書的撰寫及格式的要求，在每個(gè)階段顏老師都認(rèn)真負(fù)責(zé)。最后由于硬件的限制，沒能真正的進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)檢測(cè)，我們僅用模擬數(shù)據(jù)代替。在本系統(tǒng)中，我們一步步的從振動(dòng)源的振動(dòng)到加速度信號(hào)采集與預(yù)處理、積分運(yùn)算、時(shí)域、頻域分析進(jìn)行，在軟件部分我們也是從信號(hào)的預(yù)處理一個(gè)模塊一個(gè)模塊的做烈度報(bào)警、功率譜分析，以及最后實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、回放功能。設(shè)置完成后點(diǎn)擊確定。其主旨結(jié)構(gòu)與寫入相似。直接連接至 while循環(huán)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)。 圖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序圖 32 第三部分最為簡單，其作用就是實(shí)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(cuò)誤，及時(shí)報(bào)錯(cuò)。 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(hào)作為本模塊的初始信號(hào)，加速度信號(hào)經(jīng)積分處理得到振動(dòng)速度信號(hào)，對(duì)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。 示意流程圖如下： 圖 烈度報(bào)警流程圖 有了程序，軟件便可以執(zhí)行，以便實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，為了用戶使用的靈活性與更改被測(cè)量振動(dòng)源發(fā)生改變時(shí)，參數(shù)的變化，我們需要可以對(duì)報(bào)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(bào)警閥值輸入控件，在三軸振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中報(bào)警閥值在前面板設(shè)置如右圖所示： 圖 報(bào)警閥值設(shè)置 其功能的實(shí)現(xiàn)，即發(fā)生振動(dòng)異常進(jìn)行報(bào)警時(shí)，由前面板度報(bào)警指示燈完成，而在本三軸振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之中，在前面板的顯示如圖所示，三個(gè)指示燈被標(biāo)注分別對(duì)X 軸方向、 Y 軸方向與 Z 軸 方向的振動(dòng)烈度，當(dāng)振動(dòng)超出報(bào)警閥值時(shí)，可以單路報(bào)警，如果兩路以上超出，則相應(yīng)報(bào)警。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。 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(hào)頻率的上限值與下限值，采樣頻率決定我們對(duì)數(shù)據(jù)采集的時(shí)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)。 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。 不管是振動(dòng)波形圖還是振動(dòng)趨勢(shì)圖表或者功率譜分析的顯示，我們均對(duì)標(biāo)簽欄進(jìn)行了修改，直接點(diǎn)擊切換，方便快捷。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(fèi)時(shí)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(jì)效率，也降低了學(xué)習(xí)者的難度。 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。而對(duì)于該數(shù)據(jù)采集卡的安裝我們也是非常輕松的。滿足我們對(duì)于本系統(tǒng)的全部需求，我們的選型是合理的。實(shí)物圖如下所示： 圖 ： YE8321型恒流源 該型號(hào)恒流源具體參數(shù)如下：激勵(lì)電壓： 24VDC； 激勵(lì)電流： 4mA/10mA 可選；響應(yīng)頻率： ；輸出信號(hào)： 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。 :表 ： 序號(hào) 安裝方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 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(shí)現(xiàn)加速度傳感器與被測(cè)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(jī)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(shí)現(xiàn)加速度傳感器與被測(cè)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(shí)現(xiàn)加速度傳感器與被測(cè)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。 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。它是基于壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理 而工作的。 基于 Lab VIEW 平臺(tái)開發(fā)一個(gè)振動(dòng)信號(hào)濾波、積分、存貯以及顯示的軟件，其三軸加速度信號(hào)有軟件模擬生成。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(hào)的傳輸方式不同。 基于整體設(shè)計(jì)的主旨思路，基于市場(chǎng)上多種多樣的各種硬件器材。根據(jù)該系統(tǒng)的需求，我們采用 ICP 型壓電傳感器。 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(jì)大型高速電機(jī)振動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，我們依據(jù)其原理及可行性分析，設(shè)計(jì)出以下方案，如下所述： 整體設(shè)計(jì)方案 振動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)由三部分組成：振動(dòng)信號(hào)采集部分、振動(dòng)信號(hào)處理部分及振動(dòng)信號(hào)的分析結(jié)果輸出部分。 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(cè)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。不同的缺陷與故障又會(huì)產(chǎn)生不同 頻率的振動(dòng)，幾乎所有的故障都可以通過振動(dòng)體現(xiàn)出來。由于 Lab VIEW 具有豐富的測(cè)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)?，F(xiàn)在對(duì)電機(jī)的安裝尺寸、功率特性、可靠性、電氣性等方面的要求也是越來越高，振動(dòng)狀態(tài)成為衡量電機(jī)能否持續(xù)可靠運(yùn)行的重要標(biāo)志之一。隨著電機(jī)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的變化、性能的改善，電機(jī)與電力電子技術(shù)的結(jié)合也是越發(fā)的緊密。我們?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 其中振動(dòng)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(dòng)具有典型的特征和允許閥值，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)，其振動(dòng)的幅值、形式及頻譜均會(huì)發(fā)生變化。 其中對(duì)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(tái)，在 20 余年的時(shí)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(chǎng)所接受，且已進(jìn)入中國，并獲得認(rèn)可。 5 為解決上述問題以及迫于實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)化與系統(tǒng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，關(guān)注生產(chǎn)勞動(dòng)的安全環(huán)境，我們基于電機(jī)檢測(cè)應(yīng)用最廣、監(jiān)測(cè)信息最多且發(fā)展較為成熟的振動(dòng)分析檢測(cè)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(shí)時(shí)性好；人工工作量??；信息處理方便、準(zhǔn)確；且價(jià)格低廉、設(shè)備簡單的實(shí)時(shí)過程檢測(cè)系統(tǒng)。 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(jì)思路，按照大型高速電機(jī) 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，我們根據(jù)市場(chǎng)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(gè) NIDAQ 插卡式虛擬儀器的設(shè)計(jì)： 三軸加速度傳感器選擇 現(xiàn)在市場(chǎng)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。加速度傳感器的信號(hào)至數(shù)據(jù)采集卡的傳輸方式選為有線傳輸。 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。 11 如前面所述本系統(tǒng)有硬件部分與軟件部分兩大部分組成，由于本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的一些約束，硬件方面我們采取模擬，我的任務(wù)主要在軟件部分。 壓電式 ICP 三軸加速度傳感器原理 壓電傳感器是一種有源傳感器。我們選擇靈敏度100mV/g,頻率響應(yīng) 13000Hz，加速度測(cè)量量程 30g以上，傳感器重量不超過 100g。 三軸加速度傳感器的安裝 根據(jù)大型高速電機(jī)自身相對(duì)傳感器足夠大，且可以在電機(jī)上打孔安裝的自身特點(diǎn)，結(jié)合《動(dòng)態(tài)測(cè)試中加速度傳感器安裝使用方法摸索及應(yīng)用》中實(shí)驗(yàn)得出的相關(guān)結(jié)論 ,我們決定采用 M5 螺釘連接安裝方式，安裝力矩 ，以 獲得最佳的頻響特性。更重要的是該型號(hào)為IEPE 型，專門用于傳感器 傳感器測(cè)試，也可作為電壓放大器使用，具有頻響范圍寬，穩(wěn)定性好，增益、激勵(lì)電流可調(diào)的特點(diǎn)。其擁有四個(gè) BNC連接器，具有同時(shí)對(duì) 4 路電壓信號(hào)同時(shí)予以實(shí)時(shí)采集的功能，分辨率 24 位，采樣頻率 ，最大測(cè)量輸入電壓范圍 5V— 5V，最大電壓范圍敏感度? V，板上存儲(chǔ)量 1023 樣本，動(dòng)態(tài)范圍 110dB，激勵(lì)電流 4mA，功耗 900mW功率較小，我們可以由 USB 接口提供電源直接提供。 數(shù)據(jù)采集卡的安裝 NI PCI4474型 4通道 24位動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡 可以完美的實(shí)現(xiàn)我們對(duì)三軸加速度傳感器的三個(gè)軸向方向感應(yīng)電壓的采集，其 NI 硬件與 LABVIEW 為同一個(gè)公司的產(chǎn)品，互相支持沒有不兼容現(xiàn)象。 以上主頻 2G 及以上內(nèi)存空間 10G 以上硬盤空間 Window XP 以上操作程序 通過上述對(duì) ICP 型三軸壓電傳感器 AD100 3X、聯(lián)能 IEPE 恒流源 YE 382 18 及 NI 9234 型 數(shù)據(jù)采集的介紹，大家對(duì)硬件部分的組成、功能都有了認(rèn)識(shí)，那么在實(shí)際電路中的連接我們由下圖所示： 圖 ： 硬件電路連線圖 我們初始信號(hào)由 ICP 型三軸加速度傳感器信號(hào)輸出 ,其包括三個(gè)軸向方向 X軸、 Y 軸、 Z 軸分別三個(gè)輸出端輸出至 YE 3821 恒流源，該恒流源由四個(gè)通道，我們選擇三個(gè)接入即可，其電源接 220V 交流電源，三路恒流源輸出直接接到 NI 9234 數(shù)據(jù)采集卡的前三個(gè)通道，由于該采集卡為四通道，所以有一個(gè)通道作為備用選項(xiàng)，而 NI 9234 數(shù)據(jù)采集卡通過 USB 接口傳至上位機(jī)，共后續(xù)的處理、顯示、及存儲(chǔ)。 20 隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器功能日趨完善，近年來更使得到了迅猛發(fā)展，它能夠更好的服務(wù)于我們，我總結(jié)有以下幾個(gè)方面原因，其與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比如下表所示： 表 [11]： 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 軟件使得開發(fā)維護(hù)費(fèi)用降低 開 發(fā)維護(hù)開銷高 技術(shù)更新周期短 技術(shù)更新周期長 關(guān)鍵是軟件 關(guān)鍵是硬件 價(jià)格低、可復(fù)用、可重配置性強(qiáng) 價(jià)格昂貴 用戶定義儀器功能 廠商定義儀器功能 開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展 封閉、固定 可與周圍設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)互連面向應(yīng)用 功能單一、互聯(lián)有限 LABVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，它是 NI 公司研發(fā)的產(chǎn)品。 由于前面板的地方是有限的，我們不可能將全部的顯示控件都放在前面板上，所以我們才用了選項(xiàng)卡控件進(jìn)行分頁分屏顯示，這樣我們就可以同時(shí)顯示三軸信號(hào)，也可以對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)、趨勢(shì)圖及功率譜進(jìn)行切換。常用的信號(hào)濾波器設(shè)置及報(bào)警閥值的設(shè)置在前面已經(jīng)講過，這里不再累贅講述。 在本系統(tǒng)中我采用的是 Butter worth 濾波器，其左側(cè)有七個(gè)輸入端，分別是高截止頻率、采樣頻率、初始化 /連續(xù)、階數(shù)、濾波器類型與輸入信號(hào) X，右側(cè)是濾波后的 X 信號(hào)與錯(cuò)誤輸出。量化其實(shí)是將采樣過來的某個(gè)點(diǎn)處的函數(shù)值精確到模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換的一個(gè)近似值，我們根據(jù)實(shí)際精確度的要求舍去或者進(jìn)位轉(zhuǎn)化為一個(gè)滿足要求的具體量值，再把這個(gè)數(shù)值轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)課識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)，供下一步處理。我們僅需把信號(hào)依次從左至右連接即可，這就是 LABVIEW 的方便之處。功率譜是基于傅里葉變 換的一種在頻率范圍內(nèi)的具有統(tǒng)計(jì)特征的波形分析方法，它是傅里葉的平方，能夠?qū)φ駝?dòng)的頻率各成份在頻域中的能量分配起到識(shí)別的作用。由于我們要把三個(gè)軸向方向的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并且存放于同一個(gè)文件，我們只需把文件路徑直接傳遞給 Y 軸和 Z 軸的“ TDMS 寫入”，而數(shù)據(jù)端則分別與生產(chǎn)者循