【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 要求逐漸增加轉(zhuǎn)子速度，可從示波器上觀察到不超出轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)操作范圍的振動(dòng)。 圖 212 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)接線(xiàn)示意圖 該調(diào)速器－調(diào)理器具有線(xiàn)路簡(jiǎn)單、可靠、調(diào)節(jié)范圍寬、功率大、信號(hào)調(diào)理電路穩(wěn)定等特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足模擬試驗(yàn)臺(tái)各種試驗(yàn)及信號(hào)輸出后續(xù)采集處理信號(hào)的需要。 11 第三 章 基于 LabVIEW 的 數(shù)據(jù)采集 和存儲(chǔ) 系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 理論概述 數(shù)據(jù)采集是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是 LabVIEW 的核心技術(shù)之一。要把數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)里并進(jìn)行相應(yīng)的處理，需要構(gòu)建一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集（ Data Acquisition， DAQ）系統(tǒng)。它包括傳感器（或變換器）、信號(hào)調(diào)理設(shè) 備、數(shù)據(jù)采集卡（或數(shù)據(jù)采集裝置）、驅(qū)動(dòng)程序、硬件配置管理軟件、應(yīng)用軟件和和計(jì)算機(jī)等。 圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 傳感器把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為電量；信號(hào)調(diào)理器對(duì)傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理； DAQ 設(shè)備主要是將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖序列的采樣后轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)量化，就將原來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)，以便后面用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。 由于被測(cè)信號(hào)可以分為接地和浮動(dòng)兩種類(lèi)型，因而測(cè)量系統(tǒng)可以分為差分（ Differential）、參考地單端（ RSE）、無(wú)參考地單端（ NRSE） 3 種類(lèi) 型。 差分（ Differential）接方式：信號(hào)的正負(fù)極分別接入兩個(gè)通道，所有輸入信號(hào)各自有自己的參考點(diǎn)，如圖 所示。差分連接方式只讀取信號(hào)兩極間的差模電壓，不測(cè)量共模電壓，這是較理想的連接方式，可以抑止環(huán)境噪聲。當(dāng)輸入信號(hào)有下列情況時(shí)，使用差分 DIFF 連接方式：低電平信號(hào) (如小于 1V)；信號(hào)電纜比較長(zhǎng)或沒(méi)有屏蔽，環(huán)境噪聲較大；任何一個(gè)輸入信號(hào)要求有一個(gè)單獨(dú)的參考點(diǎn)。 圖 32 差分連接方式 單端連接方式：所有信號(hào)都參考一個(gè)公共參考點(diǎn)，即儀 器放大器的負(fù)極，單端連接12 方式較差分連接方式多出一倍的檢測(cè)通道。當(dāng)輸入信號(hào)復(fù)合下列條件時(shí)，使用單端連接方式：高電平信號(hào) (如大于 1V)；信號(hào)電纜比較短 (通常小于 5m)或有屏蔽，環(huán)境無(wú)噪聲；所有信號(hào)可以共享一個(gè)公共參考點(diǎn)。單端連接方式又分為參考單端（ RSE）和非參考單端（ NRSE）。 參考單端（ RSE）用于測(cè)試浮動(dòng)信號(hào)，把信號(hào)參考點(diǎn)與儀器模擬輸入地連接起來(lái)，如圖 （ a） 所示。非參考單端（ NRSE）用于測(cè)試接地信號(hào)，所有輸入信號(hào)均已經(jīng)接地了，所以信號(hào)參考點(diǎn)不需要再接地，如圖 （ b） 所示。 （ a）參考單端 RSE （ b）非參考單端 NRSE 圖 33 單端連接方式 在虛擬儀器采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常還需要需要同時(shí)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這就需要使用多通道數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。多通道數(shù)據(jù)采集卡有兩種工作方式： (1)共用 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬多路轉(zhuǎn)換 (AMUX)，如圖 (a)所示； (2)各通道獨(dú)立 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字多路轉(zhuǎn)換 (DMUX)，如圖 (b)所示。這兩種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)：模擬多通道轉(zhuǎn)換共用 A/D 的優(yōu)點(diǎn)是通道成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但各通道間轉(zhuǎn)換有時(shí)間差，因而采樣頻率要低一些；各通道獨(dú)立 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字多路轉(zhuǎn)換采樣頻率高，且各通道可以同時(shí)采集和轉(zhuǎn)換，沒(méi)有時(shí)間差，但其成本比較高。 (a)模擬多路轉(zhuǎn)換共用 A/D (b)單獨(dú) A/D、數(shù)字多路轉(zhuǎn)換 圖 34 兩種多通道數(shù)據(jù)采集形式 數(shù)據(jù)采集設(shè)備一般會(huì)涉及到一下概念及參數(shù)： 1. 采樣周期：采樣脈沖相鄰 兩個(gè)脈沖的時(shí)間差，一般用 Ts 表示。 2. 采樣率：采樣率就是采樣周期的倒數(shù)，即 Fs=1/Ts，也就是 A/D 轉(zhuǎn)換的速率，一般根據(jù)信號(hào)類(lèi)型進(jìn)行適當(dāng)選取。在實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)中，如果有多個(gè)信號(hào)通過(guò)獨(dú)立的通道進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，而一般的數(shù)據(jù)采集卡是多個(gè)通道共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，在這種情況下，采集卡的采樣率就被所用的各個(gè)通道進(jìn)行平分；如果數(shù)據(jù)采集卡給出的采樣率指標(biāo)是單通道的，則各個(gè)通道就是同步采樣，各自使用獨(dú)立的 A/D轉(zhuǎn)換器。如 NI公司的 PCI6036E采集卡的采樣率為 200kS/s， DAQCard6062E 采集卡的采樣 率為 500kS/s。 ：是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度指標(biāo)，用 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字位數(shù)來(lái)表示。數(shù)據(jù)采集13 設(shè)備 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)值位數(shù)越多，分辨率就高，精度也越高。一個(gè) 16 位的采集卡，對(duì)于一個(gè)振幅為 5V的信號(hào)，能區(qū)分 V的小變化。 4. 通道數(shù)：數(shù)據(jù)采集設(shè)備能輸入或輸出信號(hào)的路數(shù)。一般為 16通道或 64通道。 PCI6024E采集卡概述及 采集卡組態(tài) 方案 數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括插卡式 (PCI 卡或 PCMCIA 卡 )的數(shù)據(jù)采集卡、分布式數(shù)據(jù)采集設(shè)備 (以 NI 公司的 Filed Point 和 Compact Field Point 為代表 )、 VXI 與 PXI 設(shè)備、 GPIB 或串口設(shè)備等。 根據(jù)信號(hào)的采集通道數(shù)和采集速率、控制點(diǎn)數(shù)、總線(xiàn)類(lèi)型等要求， 本課題的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用的是 National Instruments的 PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡 ，如圖 （ a）所示 。 它的主要性能參數(shù)如下： PCI 總 線(xiàn)； 8 通道 12 位 模擬輸入 ； 采樣率 200 kS/s； 最大電壓范圍 10V10V； 2 通道 12 位 模擬輸出 ； 最大 輸出 電壓范圍 10V10V 頻率范圍 10 kS/s （ a） PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡 （ b） BNC2120屏蔽式接線(xiàn)盒 圖 35 數(shù)據(jù)采集設(shè)備 雙向 8 通道數(shù)字 I/O； 單通道電流驅(qū)動(dòng)能力： 24 mA 最大輸出范圍 05V 14 2 通道計(jì)數(shù) /定時(shí)器 最大量程： 05V 最大信號(hào)源頻率： 20 MHz 在 本課題的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組態(tài)過(guò)程中，用于 I/O 連接、并與 PCI6024E 相匹配的接線(xiàn)盒為 NI 的 BNC2120 屏蔽式接線(xiàn)盒。 如圖 （ b）所示， 它主要包括 屏蔽外盒 、標(biāo)有信號(hào)標(biāo)簽的 BNC 連接器、模擬和數(shù)字輸出輸出 I/O 接口、 函數(shù)發(fā)生器和正交編碼器 、 溫度參考和熱電偶連接器 。 NI BNC2120 除了標(biāo)準(zhǔn)接口外，還 有 2 個(gè)可以連接到DAQ 設(shè)備的自定義接口，同時(shí)其屏蔽的外盒確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性。 此外，硬件組態(tài)中還使用 NI 公司 SH6868EP 型號(hào)的 68 針屏蔽電纜 。 基于 LabVIEW的 數(shù)據(jù)采集 與儲(chǔ)存 的實(shí)現(xiàn) 在傳統(tǒng)的 LabVIEW中，虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能主要是 用 NI的硬件驅(qū)動(dòng)采集模塊 DAQmx— Data Acquisition 中的一些功能子模塊來(lái) 實(shí)現(xiàn)。如圖 36 所示，實(shí)現(xiàn)過(guò)程為定義物理通道、設(shè)置采集信號(hào)類(lèi)型、設(shè)置采樣頻率和采樣觸發(fā)時(shí)序、開(kāi)始采集任務(wù)、設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)和讀取處理采 集信號(hào)等。其中在物理通道選擇中可以根據(jù)需要選擇采集信號(hào)的特征，如電壓、電流等信號(hào) 。 在采樣時(shí)序中也可以進(jìn)行連續(xù)采樣或脈沖采樣等設(shè)置。而對(duì)于單通道和多通道采樣來(lái)說(shuō)，只需要在前面板的通道設(shè)置中輸入單個(gè)或多個(gè)物理通道的名稱(chēng)（多通道之間用逗號(hào)隔開(kāi)）。 圖 36 典型 數(shù)據(jù)采集功能的 LabVIEW實(shí)現(xiàn)程序 由圖所示， LabVIEW提供了大量的面向數(shù)據(jù)采集的 DAQ庫(kù)函數(shù)、實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的完全圖形化編程，設(shè)計(jì)者無(wú)需編寫(xiě)任何文本形式的代碼，極大地降低了程序開(kāi)發(fā)的難度，也提高了效率。 從 LabVIEW 7開(kāi)始，系統(tǒng) 增加 了 Express VI新功能， 及 將一些常見(jiàn)的功能打包，封裝在簡(jiǎn)單易用的，交互式的 VI程序中，從而幫助用戶(hù)簡(jiǎn)化一些常用功能的開(kāi)發(fā)過(guò)程。 在這 40多個(gè)功能強(qiáng)大的 Express VI中，就有 DAQ assistant Express VI的數(shù)據(jù)采集配置庫(kù)函數(shù)，如圖 37所示。系統(tǒng)通過(guò)類(lèi)似 Windows風(fēng)格的交互式對(duì)話(huà)框使得一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置更加適合初學(xué)者和相關(guān)的工程師學(xué)習(xí)使用。 Express VI可以隨時(shí)更改相應(yīng)配置，但是看不到程序框圖。雖然系統(tǒng)可以把 Express VI轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的系統(tǒng)圖形代碼，但是在轉(zhuǎn)換后也 就沒(méi)有配置對(duì)話(huà)框，于是相應(yīng)的配置也就不能更改。 15 圖 37 DAQ assistant Express VI 數(shù)據(jù)采集的對(duì)象是 ZT1 型轉(zhuǎn)子振動(dòng)模擬試驗(yàn) 臺(tái) 。 對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)， ZT1 型轉(zhuǎn)子振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)提供了三種測(cè)量方法，分別是磁阻傳感器、光電傳感器和編碼器。通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下光電傳感器容易丟失脈沖。由于電子每轉(zhuǎn)一圈光電傳感器受到一次電平變化，丟失脈沖導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差較大。在電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò) 5000rpm時(shí)，用磁阻傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)采集卡采集到的高頻率脈沖信號(hào)部分發(fā)生畸變，脈沖的高電平建立時(shí) 間過(guò)短導(dǎo)致 LabVIEW DAQ 采集程序不能準(zhǔn)確檢測(cè)。加之磁阻傳感器本身是一個(gè)開(kāi)放的檢測(cè)系統(tǒng)，缺乏抗干擾措施，因而 也不使用。相對(duì)而言，光電編碼器精度高，工作穩(wěn)定不易受干擾，因此最后 采用光電編碼器。 編碼器采集到的脈沖信號(hào)如圖 38 所示。 圖 38 光電編碼器脈沖信號(hào)在 Lab VIEW中的 顯示 對(duì)電機(jī) X、 Y 方向的振動(dòng)位移信號(hào)的實(shí)時(shí)采集 選用的是兩臺(tái)屬相垂直放置的電渦流傳感器。電渦流傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)如圖 39 所示。 16 圖 39 電渦流傳感器振動(dòng)信號(hào)在 LabVIEW中的顯示 對(duì)采集數(shù)據(jù)或處理結(jié)果進(jìn)行存 儲(chǔ)是必要的。 在 LabVIEW中 可實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)域波形、經(jīng)過(guò)FFT的數(shù)據(jù)、時(shí)頻域分析數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果等進(jìn)行存儲(chǔ)。一般 可將其存儲(chǔ)為 lvm文件 、Excel文件 或文本文件，這幾種數(shù)據(jù)格式都可以方便數(shù)據(jù)的讀取，以便對(duì)其進(jìn)行二次分析，例如進(jìn)行離線(xiàn)信號(hào)處理、小波分析等，甚至可以直接讀入到一些有相同 數(shù)據(jù)文件接口的數(shù)值計(jì)算 軟件中進(jìn)行二次分析處理。 與數(shù)據(jù)采集一樣， LabVIEW不僅提供了圖形化的庫(kù)函數(shù)，在 LabVIEW 多個(gè) Express VI配置庫(kù)函數(shù)來(lái)便于進(jìn)行 程序 的 開(kāi)發(fā)。 但在 數(shù)據(jù)采集 領(lǐng)域 中 ， 為方便對(duì)大量 數(shù) 據(jù)的采集和分析以及 存儲(chǔ)查詢(xún)就可 不避免的涉及到數(shù)據(jù)庫(kù) 技術(shù)了。使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 時(shí) 用戶(hù)可以創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理復(fù)雜測(cè)試任務(wù) 圖 310 在 Excel中打開(kāi)儲(chǔ)存振動(dòng)和磁阻電壓信號(hào)的 lvm文件 17 、存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)并且能夠總結(jié)測(cè)試結(jié)果的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 由于數(shù)據(jù)量有限，因此只要需保存為 lvm 文件能夠在 Excel和 LabVIEW中讀寫(xiě)和分析。 保存的脈沖電壓信號(hào)和振動(dòng)位移電壓信號(hào)的 lvm文件如圖 310所示。由圖可見(jiàn) lvm文件包含了一般數(shù)據(jù)采集的配置信息，如采集通道、采集方式、分辨率、信號(hào)單位、用戶(hù)名稱(chēng)等。采集到的數(shù)據(jù) 可以在 Excel和 LabVIEW中打開(kāi)和分析，還可以通過(guò) Excel進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，從而可以在其他數(shù)值計(jì)算軟件（如 Matlab）中讀取和進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值分析，極大地拓展了 LabVIEW數(shù)據(jù)采集的使用范圍。 18 第四章 虛擬儀器信號(hào)分析與處理 數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號(hào)都是幅度和時(shí)間都取離散值的數(shù)字信號(hào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的高速處理能力為數(shù)字信號(hào)處理的廣泛應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同模擬信號(hào)可以在時(shí)域和頻域進(jìn)行分析一樣，數(shù)字信號(hào) 也可以在離散的時(shí)域和頻域進(jìn)行分析和運(yùn)算 。相對(duì)于模擬信號(hào)的處理，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的穩(wěn)定性及可靠性好，受環(huán)境影響小．抗干擾能力強(qiáng)，而且數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)讀取。同時(shí)隨著硬件技 術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的集成化成度高，體積小、功耗低、功能強(qiáng)、價(jià)格越來(lái)越便宜。 在 LabVIEW中，系統(tǒng)也提供各種時(shí)、頻域分析處理的系統(tǒng)函數(shù)。比如時(shí)域分析有：自相關(guān)分析、互相關(guān)分析 等 ；頻域中有傅立葉分析 、頻率響應(yīng)函數(shù)分析、加窗 FFT、細(xì)化功率譜、三分之一倍頻程分析等。隨著信號(hào)處理理論的發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，發(fā)展了短時(shí)傅立葉變換（ STFT）和小波分析等。這樣在 某些信號(hào)的分析或在故障診斷中，可以同時(shí)對(duì)故障發(fā)生的時(shí)間和 和信號(hào)的 頻率區(qū)域有一定的觀察判斷 。本課題利用 LabVIEW的 MathScript節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)快速傅立葉變換（ FFT）算法，另外利用LabVIEW的數(shù)字信號(hào)處理工具包中的小波分解函數(shù)對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波去噪處理。 傅立葉 變換 （ FFT） 快速 傅立葉 變換 （ FFT）原理 有限 長(zhǎng)度為 N 的有限長(zhǎng)序列 x(n)的 DFT 為： 10( ) ( ) , 0 , 1 , .. ., 1N knNnX k x n W k N??? ? ?? （ 41） N 點(diǎn) DFT 的復(fù)乘次數(shù)等于 2N 。當(dāng) N 較大