【正文】 觸的便是界面，我們系統(tǒng)所具有的功能應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。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的方法 來編輯程序，簡單、明朗，大大提高了工程設計效率，也降低了學習者的難度。虛擬儀器就是通過應用程序?qū)⒂嬎銠C與功能模塊結(jié)合起來，用戶可以通過有好的圖形界面來操控計算機，從而完成被測量數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、顯示存儲等操作，這就是虛擬儀器。 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，所以軟件設計是我們系統(tǒng)設計的重中之重。對于本系統(tǒng)的設計也是一個基礎(chǔ)，一個平臺。 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。查閱相關(guān)資料得： 雙核 CPU 。我們將其輸出的 USB 接頭直接插入計算機的 USB接口即可。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。而對于該數(shù)據(jù)采集卡的安裝我們也是非常輕松的?；谏鲜鎏攸c與功能， 9234 能夠很好地實現(xiàn)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換需求。 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)換器對輸入信號進行采樣。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。滿足我們對于本系統(tǒng)的全部需求，我們的選型是合理的。 基于上述參數(shù)需求，我們選擇了 NI 9234動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，實物圖如下： 圖 NI 9234 動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡 本采集卡為 C 型總線結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動可在 windows 系統(tǒng)運行。 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。 隨著計算機的發(fā)展越來越普及，功能越來越強大。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。 我們選擇市場上的江蘇聯(lián)能公司生產(chǎn)的 IEPE 適配器 YE8321型恒流源，該恒流源有四個通道，可滿足我們對于三軸向方向信號的傳輸放大需求，電流值4mA/10mA 可選，可為我們的 4mA 傳感器信號進行配備。因此本系統(tǒng)進行單通道測量時，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 [10]。（ 2）由于振動信號在傳遞過程中幅值要衰減，所以被測點應盡量靠近振動產(chǎn)生的位置。 :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。本傳感器采用直流 24V 電源，輸出方式采用M5 出線。檢測加速度量程： 50g— +50g；輸出阻抗： ? 100? ；重量 :96g。 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。 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、響應特 13 性、穩(wěn)定性以及精確 度，在滿足此條件下選用經(jīng)濟型。 三軸加速度傳感器的選型 本振動檢測系統(tǒng)之中的檢測對象為高速電機，我們選用江蘇靖江所生產(chǎn)的的JGA 型高速電機，其主 要參數(shù)如表 所示： 型號 轉(zhuǎn)速（ r/min） 電機參數(shù) 功率 (Kw) 電壓 (V) 頻率 (Hz) 電流（ I） JGA110/ 210000 380 350 根據(jù)上述電機振動的檢測需求，我們傳感器的性能指標提出相應的要求，為了使該系統(tǒng)的適用范圍更大，我們對加速度傳感器的要求較高。 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軸向的加速度值。反過來我們可以根據(jù)其電荷的多少來計算其發(fā)生應變的大小，繼而計算其所受壓力的大小。它是基于壓電材料的壓電效應為轉(zhuǎn)換原理 而工作的。 12 三軸加速度傳感器部分 三軸加速度傳感器是將電機振動源的加速度振動信號轉(zhuǎn)化為我們 可以分析、計算、處理的電信號的核心轉(zhuǎn)換原件，是我們本系統(tǒng)的核心部件，也是我們本系統(tǒng)的第一步，也是最為重要的一環(huán)、其性能的優(yōu)略，決定了本系統(tǒng)的靈敏度、回程誤差等重要性能指標，其作用的重要性不言而喻。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，供我們做進一步的計算與分析。 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。 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。 綜上所述：我們確定方案為方案一。無需做成 Compact DAQ 結(jié)構(gòu)，造成資源浪費。 （ 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。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。實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速度 1Mbps(有效傳輸速度為 721kbps)、最大傳輸距離達 10 米，用戶不必經(jīng)過允許便可利用 的 ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)學 )頻帶，在其上設立 79 個帶寬為 1MHz 的信道，用每秒鐘切換 1600 次的頻率、滾齒 (hobbing)方式的頻譜擴散技術(shù)來實現(xiàn)電波的收發(fā) 。 藍牙 傳輸 ，是一種支持設備短距離通信（一般 10m 內(nèi)）的 無線電 傳輸 技術(shù)。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。 基于整體設計的主旨思路，基于市場上多種多樣的各種硬件器材。 數(shù)據(jù)采集卡我們選用 NI 公司的 PCI 插卡式數(shù)據(jù)采集卡，其與 LAB VIEW 有著完美的兼容，是 A/D 轉(zhuǎn)換更加準確，功能更加匹配，其構(gòu)成方式如下： 圖 9： DAQ 插卡式虛擬儀器系統(tǒng) 根據(jù)上述系統(tǒng)的 設計我們?yōu)榱藴y量電機的振動參數(shù)，主要是電機振動速度，我們根據(jù)位移傳感器對低頻比較敏感；而加速度傳感器對高頻比較敏感的特性，我們選擇 ICP 壓電式三軸加速度傳感器，我們把加速度傳感器安裝位置的選擇在了電機的兩側(cè)軸承外側(cè)，采用打孔螺栓安裝的方法，獲得最佳的頻響特性。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。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)。根據(jù)該系統(tǒng)的需求，我們采用 ICP 型壓電傳感器。其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 6：振動信號分析結(jié)果輸出模塊 軟件部分 作為系統(tǒng)的內(nèi)核，軟件部分擔任著信號的分析處理、數(shù)據(jù)存貯等核心功能，軟件結(jié)構(gòu)流程圖如下圖 所示： 打開 Lab VIEW 軟件，開始初始化程序，啟動數(shù)據(jù)采集驅(qū)動，開始采集三軸加速度傳感器傳遞過來的數(shù)據(jù)，由于在工作場地存在著各種噪聲以及電磁電路產(chǎn)生的信號干擾，信號數(shù)據(jù)中會存在大量的雜波，須經(jīng)濾波器將影響較大的雜波濾掉，為了檢測大型高速電機的振動速度，我們將加速度信號進行積分處理，將得到的運算值預設定警戒值相比較，若低于設定值則說明運行平穩(wěn)正常，若高于警戒值則說明振動幅度過大，記錄數(shù)據(jù)并進行報警。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。 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。 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，設計出以下方案，如下所述： 整體設計方案 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。 也正是由于其通過硬件實現(xiàn)，導致 SPC 系統(tǒng)不能普及的很重要的一個原因是成本高，在企業(yè)的投入產(chǎn)出比中收益比較低，是企業(yè)不愿意把錢花在過程監(jiān)控上，雖然他們明白實時監(jiān)測的重要性與意義。 管理水平低 能夠?qū)嵤?SPC 的企業(yè)型不多，能夠嚴格按照 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，導致企業(yè)錢力物力也有投入但卻收效甚微。很多企業(yè)并沒有 SPC 系統(tǒng)，采用檢測設備也是起到抽檢、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。 近年來我國在虛擬儀器的研究也取得了很大的進展，基于虛擬儀器形式的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷正適應了當今的生產(chǎn)需要與，順應了發(fā)展方向，處在并將持續(xù)處在快速發(fā)展階段。 可以達到以下幾點 : 結(jié)構(gòu)合理 ，電路優(yōu)化 配長電纜不影響測量精度 可直接傳至信號采集設備 有害防塵防潮放有害氣體 基于 Lab VIEW 的虛擬儀器研究現(xiàn)狀 伴隨著個人 PC 計算機配置的提升性能的優(yōu)化，使個人 PC 機的功能更是今非昔比，正是由于 PC 機的迅速發(fā)展，基于 PC 機的虛擬儀器也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來：從 1988 年虛擬儀器開始在國際市場上出現(xiàn)，到現(xiàn)在已有數(shù)以千計的虛擬儀器產(chǎn)品。 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]。 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。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。（參考論文《電機振動故障巡檢系統(tǒng)的研究與開發(fā)》）。隨著科學技術(shù)日新月異的發(fā)展，工業(yè)化進程的加速，機械設備的精密程度、復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今的需求。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