【正文】 傅立葉變換 ( FFT )對數(shù)字信號進行時頻轉(zhuǎn)換 ,從而對電機的振動進行頻譜分析 ,得到振動的頻譜圖。 本課題還通過利用 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境帶有的小波變換的函數(shù)對測量信號進行信噪分離，以提高系統(tǒng)的對于非平穩(wěn)信號的檢測能力和檢測系統(tǒng)的抗干擾能力。虛擬儀器 (Virtual Instrument，簡稱 VI)是計算機技術(shù)、現(xiàn)代測控技術(shù)和電子儀器技術(shù)相互結(jié)合，滲透的產(chǎn)物。 它是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破。 虛擬儀器就是在以通用 PC機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計 和 定義 的 具有虛擬面板 的、 通過軟件實現(xiàn)的 測試功能 的 計算機儀器系統(tǒng)。 在系統(tǒng)運行時，用戶用鼠標點擊虛擬面板，就可操作這臺計算機 硬件平臺，就如同使用一臺 專用測量儀表。例如，為了提高儀器的性能，可加入一個通用的儀器模塊，或者更換一個儀器模塊，而不必重新購買整個儀器。 ，而不是事先由儀器廠商來定義的。 ，因而技術(shù)更新較快、成本較低、測試自動化程度較高，而且可與網(wǎng)絡(luò)及其它設(shè)備互聯(lián)。其中測控平臺主要包括傳感器、信號調(diào)理電路，將被測的非電量轉(zhuǎn) 化為標準電信號并加以放大、濾波、隔離。兩大平臺通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備（各種Ｉ /Ｏ接口設(shè)備、通信適配器、模塊化儀器機箱等）相互通信。如 圖 21所示 是 虛擬儀器的硬件 圖 構(gòu)成?；谟嬎銠C標準總線（如 PCI總線）的 DAQ數(shù)據(jù)采集卡組成的虛擬儀器系統(tǒng)，通常適用于一般的教學實驗、實驗室常規(guī)測試和低速結(jié)構(gòu)，可用在一般要求的自動測試系統(tǒng)。 1. I/O 接口層：將具有不同總線的各種儀器通過標準總線連接起來，同時 I/O接口層也提供了儀器驅(qū)動層和儀器之間的通信。 ：將計算機的數(shù)據(jù)分析和顯示能力與儀器驅(qū)動層融合在一起，為用戶開發(fā)虛擬儀器提供了必要的軟件工具與開發(fā)環(huán)境。 ：該層為廠商開發(fā)的或者用戶開發(fā)的測控系統(tǒng)管理層，用戶可以通過該層完成對儀器系統(tǒng)的硬件操作，被檢測對象的結(jié)果顯示、分析、處理等，是虛擬儀器系統(tǒng)的最高層。 自 NI公司于 1986年正式推出 ，經(jīng)過 20多年的不斷改進和完善，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展至 。 LabVIEW在包括航空、 汽車、半導體、自動控制 等世界范圍的眾多工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應用。 圖 22 虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) ，如面向數(shù)據(jù)采集的 DAQ庫函數(shù)、內(nèi)置GPIB、 VXI、串口等數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序；面向分析的高級數(shù)據(jù)庫，可進行信號處理、統(tǒng)計、曲線擬合以及復雜的分析工作；面向現(xiàn)實的大量儀器面板，如按鈕、滑尺、二維和三維圖形等。 ，支持 TCP/IP、動態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE)等網(wǎng)絡(luò)功能，便于用戶開發(fā)各種網(wǎng)絡(luò)測控、遠程儀器系統(tǒng)。 ，脫離 LabVIEW開發(fā)運行環(huán)境。主要用于實驗室驗證撓旋轉(zhuǎn)機械的強迫振動和自激振動特性。通過不同的選擇改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、軸系剛度、質(zhì)量不平衡、軸承的摩擦來模擬機器的運行狀態(tài)，由配置的檢測儀表來觀察和記錄其振動特性。下圖是試驗臺的基本配置。另外，用電渦流傳感器測量振動信號。它是利用電磁感應原理將被測信號（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等信號）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁阻傳感器是一種開磁路 變磁通式磁電傳感器，其原理圖如下所示： 圖 24 開磁路變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖 ZT1 型振動臺使用的是 T03 型磁阻傳感器，是針對測速齒輪而設(shè)計的發(fā)電型傳感器。線圈測速齒輪旋轉(zhuǎn)引起的磁隙變化，從而在探頭線圈中產(chǎn)生感應電動勢，其幅度與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高輸出電壓越高；輸出頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上尺數(shù)的乘積。當這個凹槽或凸鍵轉(zhuǎn)到探頭位置時，相當于探頭 與被測面間距宊變， 傳感器 會產(chǎn)生一個脈沖7 信號，軸每轉(zhuǎn)一圈，就會產(chǎn)生一個脈沖信號，產(chǎn)生的時刻表明了軸在每轉(zhuǎn)周期中的位置。 其原理圖如下所示 ： 圖 25 光電（鍵相）傳感器結(jié)構(gòu)圖 ZT1 型振動臺在使用光電傳感器時，軸上粘貼一定寬度的反光鋁箔，轉(zhuǎn)子 每轉(zhuǎn)一周輸出一個脈沖信號，通過信號線傳入數(shù)據(jù)采集卡。它主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（碼盤）、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏器件組成。 （ a） （ b） 圖 26 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 （ a）光電編碼器示意圖；（ b）二進制碼盤構(gòu)造 ZT1 型振動臺使用的是 ENB1024（ Φ 50mm）軸型旋轉(zhuǎn)編碼器，需電源 +12V。光敏軟件的排列與碼道一一對應。隨著旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速變化，輸出的方波的頻率與轉(zhuǎn)速成正比。傳感器內(nèi)的傳感器線圈和被測導體組成以線圈— 導體系統(tǒng)。 其工作原理如下圖所示： 圖 27 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)圖 調(diào)理器 傳感器信號調(diào)速器－調(diào)理器主要用于試驗臺永磁直流電動機的驅(qū)動調(diào)速 。 其次 ,該調(diào)理器信號處理電路可將電渦流位移傳感器的輸出信號調(diào)理為177。從調(diào)速器上電流、電壓表上的指示，可了解電機的負載功率、轉(zhuǎn)速及運轉(zhuǎn)情況。光電傳感器安裝于正對聯(lián)軸節(jié)反射標記處。在檢查無誤的情況下即可接通電源，啟動試驗臺。 圖 212 振動試驗系統(tǒng)接線示意圖 該調(diào)速器－調(diào)理器具有線路簡單、可靠、調(diào)節(jié)范圍寬、功率大、信號調(diào)理電路穩(wěn)定等特點，完全滿足模擬試驗臺各種試驗及信號輸出后續(xù)采集處理信號的需要。要把數(shù)據(jù)采集到計算機里并進行相應的處理，需要構(gòu)建一個完整的數(shù)據(jù)采集（ Data Acquisition， DAQ）系統(tǒng)。 圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 傳感器把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為電量；信號調(diào)理器對傳感器轉(zhuǎn)換的電信號進行放大、濾波、隔離等預處理； DAQ 設(shè)備主要是將模擬信號經(jīng)過脈沖序列的采樣后轉(zhuǎn)換成離散信號，然后再經(jīng)過量化，就將原來的模擬信號轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號，以便后面用計算機對信號進行處理。 差分（ Differential）接方式：信號的正負極分別接入兩個通道，所有輸入信號各自有自己的參考點，如圖 所示。當輸入信號有下列情況時，使用差分 DIFF 連接方式：低電平信號 (如小于 1V)；信號電纜比較長或沒有屏蔽，環(huán)境噪聲較大；任何一個輸入信號要求有一個單獨的參考點。當輸入信號復合下列條件時，使用單端連接方式：高電平信號 (如大于 1V)；信號電纜比較短 (通常小于 5m)或有屏蔽，環(huán)境無噪聲；所有信號可以共享一個公共參考點。 參考單端（ RSE）用于測試浮動信號，把信號參考點與儀器模擬輸入地連接起來，如圖 （ a） 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)計中，經(jīng)常還需要需要同時對多路信號進行數(shù)據(jù)采集，這就需要使用多通道數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)。這兩種方式各有其優(yōu)缺點：模擬多通道轉(zhuǎn)換共用 A/D 的優(yōu)點是通道成本低、結(jié)構(gòu)簡單，但各通道間轉(zhuǎn)換有時間差，因而采樣頻率要低一些；各通道獨立 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字多路轉(zhuǎn)換采樣頻率高，且各通道可以同時采集和轉(zhuǎn)換，沒有時間差，但其成本比較高。 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)信號類型進行適當選取。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。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。 4. 通道數(shù)：數(shù)據(jù)采集設(shè)備能輸入或輸出信號的路數(shù)。 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。 它的主要性能參數(shù)如下： PCI 總 線； 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)動能力： 24 mA 最大輸出范圍 05V 14 2 通道計數(shù) /定時器 最大量程： 05V 最大信號源頻率： 20 MHz 在 本課題的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組態(tài)過程中，用于 I/O 連接、并與 PCI6024E 相匹配的接線盒為 NI 的 BNC2120 屏蔽式接線盒。 NI BNC2120 除了標準接口外，還 有 2 個可以連接到DAQ 設(shè)備的自定義接口，同時其屏蔽的外盒確保了測量的準確性。 基于 LabVIEW的 數(shù)據(jù)采集 與儲存 的實現(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)動采集模塊 DAQmx— Data Acquisition 中的一些功能子模塊來 實現(xiàn)。其中在物理通道選擇中可以根據(jù)需要選擇采集信號的特征，如電壓、電流等信號 。而對于單通道和多通道采樣來說，只需要在前面板的通道設(shè)置中輸入單個或多個物理通道的名稱（多通道之間用逗號隔開）。 從 LabVIEW 7開始，系統(tǒng) 增加 了 Express VI新功能， 及 將一些常見的功能打包，封裝在簡單易用的，交互式的 VI程序中，從而幫助用戶簡化一些常用功能的開發(fā)過程。系統(tǒng)通過類似 Windows風格的交互式對話框使得一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置更加適合初學者和相關(guān)的工程師學習使用。雖然系統(tǒng)可以把 Express VI轉(zhuǎn)換為相應的系統(tǒng)圖形代碼，但是在轉(zhuǎn)換后也 就沒有配置對話框，于是相應的配置也就不能更改。 對于電機的轉(zhuǎn)速信號， ZT1 型轉(zhuǎn)子振動模擬試驗臺提供了三種測量方法，分別是磁阻傳感器、光電傳感器和編碼器。由于電子每轉(zhuǎn)一圈光電傳感器受到一次電平變化，丟失脈沖導致測量結(jié)果誤差較大。加之磁阻傳感器本身是一個開放的檢測系統(tǒng)，缺乏抗干擾措施，因而 也不使用。 編碼器采集到的脈沖信號如圖 38 所示。電渦流傳感器采集到的振動信號如圖 39 所示。 在 LabVIEW中 可實現(xiàn)對時域波形、經(jīng)過FFT的數(shù)據(jù)、時頻域分析數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果等進行存儲。 與數(shù)據(jù)采集一樣， LabVIEW不僅提供了圖形化的庫函數(shù)，在 LabVIEW 多個 Express VI配置庫函數(shù)來便于進行 程序 的 開發(fā)。使用數(shù)據(jù)庫技術(shù) 時 用戶可以創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫來管理復雜測試任務 圖 310 在 Excel中打開儲存振動和磁阻電壓信號的 lvm文件 17 、存儲測試數(shù)據(jù)并且能夠總結(jié)測試結(jié)果的自動測試系統(tǒng)。 保存的脈沖電壓信號和振動位移電壓信號的 lvm文件如圖 310所示。采集到的數(shù)據(jù) 可以在 Excel和 LabVIEW中打開和分析，還可以通過 Excel進行格式轉(zhuǎn)換，從而可以在其他數(shù)值計算軟件（如 Matlab）中讀取和進行相應的數(shù)值分析，極大地拓展了 LabVIEW數(shù)據(jù)采集的使用范圍。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計算機的高速處理能力為數(shù)字信號處理的廣泛應用打下堅實的基礎(chǔ)。相對于模擬信號的處理，計算機進行數(shù)字信號處理的穩(wěn)定性及可靠性好，受環(huán)境影響?。垢蓴_能力強，而且數(shù)據(jù)可以實時讀取。 在 LabVIEW中，系統(tǒng)也提供各種時、頻域分析處理的系統(tǒng)函數(shù)。隨著信號處理理論的發(fā)展，人們開始對信號進行時頻域分析，發(fā)展了短時傅立葉變換（ STFT）和小波分析等。本課題利用 LabVIEW的 MathScript節(jié)點編寫快速傅立葉變換（ FFT）算法，另外利用LabVIEW的數(shù)字信號處理工具包中的小波分解函數(shù)對采集到的振動信號進行小波去噪處理。當 N 較大時所需的運算量是很大的 。所以改進運算方法、減少運算量、提高運算效率是非常重要的。在定義 X(k)時要強調(diào)其隱含周期性和對稱性，實質(zhì)是 旋轉(zhuǎn)因子 kNW 具有周期性和對稱性。 FFT 算法基本上分為兩大類： 時域抽取 基 2FFT (簡稱 DITFFT)和 頻域抽取 基 2FFT (簡稱 DIF― FFT)。因為之中算法是由逐次分解時間序列得到的，所以叫時間抽取法，簡稱時選法。 將序列 x(n)按 n 為奇、 偶數(shù)分為 x1(n)、 x2(n)兩組序列 ,用 2 個 N/2 點 DFT 來完 成一個 N 點 DFT 的計算 ，即 12( ) ( 2 ) , 0 , 1 , . . . 1( ) ( 2 1 ) 2x r x r Nrx r x r?? ??? ??? （ 44） 用 N/2 點 X1(k)和 X2(k)表示序列 x(n)的 N 點 DFT X(k) 11222 ( 2 1 )00112222120011221 / 2 2 / 20012( ) ( ) ( )( 2 ) ( 2 1 )( ) ( )( ) ( )( ) ( ) , 0 , 1 , 2... , 1k n k nNNnnNNk r k rNNrrNNk r k k rN N NrrNNk r k k rN N