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電子電路]基于labview和三軸加速度傳感器的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)-閱讀頁(yè)

2024-11-30 09:51本頁(yè)面
  

【正文】 P 以上操作程序 通過(guò)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(guò) USB 接口傳至上位機(jī),共后續(xù)的處理、顯示、及存儲(chǔ)。是我們對(duì)實(shí)際振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)有了全面的了解。為后續(xù)的軟件處理做好準(zhǔn)備。 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)。 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(lái)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(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用降低 開(kāi) 發(fā)維護(hù)開(kāi)銷高 技術(shù)更新周期短 技術(shù)更新周期長(zhǎng) 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(kāi)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(jiǎn)稱,它是 NI 公司研發(fā)的產(chǎn)品。 LABVIEW 功能非常強(qiáng)大,其為我們提供了大量的處理函數(shù)及控件,就像平時(shí)的電路圖、流程圖一樣,容易上手。我們把系統(tǒng)做好的目的便在于能夠很好地給用戶提供信息,那么在這里我們對(duì)界面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。首 先我們把該系統(tǒng)的名稱顯示出來(lái),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。 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(yè)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。在每一路先號(hào)前,我們也對(duì)信號(hào)進(jìn)行了說(shuō)明, X 軸方向振動(dòng)信號(hào)、 Y 軸方向振動(dòng)信號(hào)或者 Z 軸方向振動(dòng)信號(hào)都是清楚明了。在回放時(shí)我們需要對(duì)回放信號(hào)所存儲(chǔ)的文件路徑進(jìn)行選擇,然后對(duì)信號(hào)的軸向進(jìn)行選擇,停止按鈕結(jié)束本程序的執(zhí)行。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。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(guò),這里不再累贅講述。另外還有回放開(kāi)關(guān),保存路徑等均在界面設(shè)置模塊,操作方便簡(jiǎn)單。 24 圖 參數(shù)設(shè)置界面圖 LABVIEW 功能模塊設(shè)計(jì) 正如前面所述, 我們基于 LABVIEW 軟件的上述特點(diǎn),基于前面板上的所需要實(shí)現(xiàn)的功能,來(lái)對(duì)我們振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件處理模塊進(jìn)行編輯,作為該系統(tǒng)信號(hào)處理、分析的模塊,也是系統(tǒng)的核心,我們根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求出發(fā),針對(duì)每一個(gè)功能,編輯相應(yīng)的程序模塊,來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。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。 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。 圖 濾波器參數(shù)設(shè)置程序圖 而這些濾波器參數(shù)設(shè)置在前面板上的界面如下圖所示,我們可以通過(guò)前面板的輸入控件方便的進(jìn)行輸入,我們可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置,類型的選擇等對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)置。而如果時(shí)間間隔較長(zhǎng),或者采樣數(shù)較少的話有可能造成信號(hào)信息的丟失,這是我們?cè)谛盘?hào)處理時(shí)所不允許的。假設(shè)有限帶寬信號(hào)在 f(n)頻率以上沒(méi)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(guò)來(lái),沒(méi)有遺失和改變。量化其實(shí)是將采樣過(guò)來(lái)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?cè)谀軡M足要求情況下,即能夠根據(jù)數(shù)字信號(hào)還原原始信息的原則,盡量減少計(jì)算情況下進(jìn)行。 Hanning 窗又叫升余弦窗,使用它可以降低旁瓣高度,但也會(huì)增加主瓣寬函數(shù)如下: 烈度報(bào)警模塊 經(jīng)過(guò)上個(gè)模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波與加窗,實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)采集與量化之后,就滿足了我們進(jìn)一步分析處理的條件,那么這一模塊就屬于我們對(duì)信號(hào)信號(hào)進(jìn)行分析的功能模塊了。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(lái)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。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。至此則完成烈度報(bào)警模塊。那么在這一模塊我們對(duì)信號(hào)的另一方面頻率進(jìn)行 分析,并將分析結(jié)果予以顯示。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(guò)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。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。 本模塊的設(shè)計(jì)步驟如下,前面部來(lái)的分部分不再累贅表述,從濾波器濾波后的信號(hào)始,我們先將其動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為波形數(shù)據(jù),如下圖所示,該控件左側(cè) 有三個(gè)輸入接口,第一個(gè) Y 就是代表輸入信號(hào),第二個(gè) t0 代表開(kāi)始時(shí)間,我們選擇了獲取當(dāng)前時(shí)間控件,含義即為把當(dāng)前時(shí)間設(shè)為開(kāi)始時(shí)間,第三個(gè) d t 即是時(shí)間間隔含義,時(shí)間間隔就等于采樣頻率的倒數(shù),我們選擇取倒控件,左側(cè)連接采樣頻率輸入控件,右側(cè)連接 d t,而控件右側(cè)即是波形數(shù)據(jù)輸出,后接波形圖對(duì)功率譜予以顯示。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 以上模塊基本滿足了信號(hào)的時(shí)域分析、頻域分析等相關(guān)功能,我們對(duì)信號(hào)的分析雖然實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析的功能,但是對(duì)過(guò)往的數(shù)據(jù)我們不能沒(méi)有記錄,沒(méi)有保存,對(duì)于故障的診斷沒(méi)有了報(bào)警之前的信號(hào)數(shù)據(jù),這樣的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是不完整的,不合理的,本模塊我們基于 TDMS 的存儲(chǔ)控件進(jìn)行了對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及功率譜的存儲(chǔ)及回放功能,更加完善功能,滿足客戶的實(shí)際需求,是有必要的。 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(xiě)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(xiě)入數(shù)據(jù)的文件命名,其后面 TDMS打開(kāi),我們選擇 open or create 選項(xiàng),即在已存在文件是自動(dòng)打開(kāi),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(xiě)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。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(xiě)入”,而數(shù)據(jù)端則分別與生產(chǎn)者循環(huán)過(guò)來(lái)的 Y 軸及 Z 軸的數(shù)據(jù),而后我們把文件路徑與報(bào)錯(cuò)傳遞給第三部分。我們將文件路徑直接給到“ TDMS 關(guān)閉”,將報(bào)錯(cuò)也由“ TDMS 關(guān)閉”轉(zhuǎn)送給“ Error”即可。既然我們要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的功能,就必須有查看的功能與之相匹配。在主程序中我們用事件結(jié)構(gòu)不同的事件分支來(lái)處理延時(shí)、調(diào)用回放子程序、與關(guān)閉。While 循環(huán)的關(guān)閉我們選擇主程序的關(guān)閉按鈕,創(chuàng)建公式節(jié)點(diǎn)。 我們?cè)?while 循環(huán)中新建時(shí)間結(jié)構(gòu),添加時(shí)間分支,右鍵點(diǎn)擊,設(shè)置本分支處理事 件,我們選擇回放功能按鈕,選擇值改變,點(diǎn)擊確定即可。 圖 數(shù)據(jù)回放模塊 信號(hào)數(shù)據(jù)的回放模塊主體結(jié)構(gòu)我們才用了一個(gè)條件結(jié)構(gòu)來(lái)選擇軸向信號(hào)。 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(shuō)明。而每次讀取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度我們?cè)O(shè)為 100 個(gè)數(shù)據(jù),偏移量決定了起始的位置,為了不重復(fù)讀取相同的數(shù)據(jù),而是按照寫(xiě)入順序連續(xù)的讀取,我們把偏移量與循環(huán)次數(shù)掛鉤,用循環(huán)次數(shù)乘以每次的讀取數(shù)據(jù),作為偏移量。后面尾隨的是 TDMS 關(guān)閉與程序報(bào)錯(cuò)??偝绦蚩驁D見(jiàn)附錄。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 模擬數(shù)據(jù)生成 對(duì)于其中任意一 路信號(hào)進(jìn)行設(shè)置,我們打開(kāi)屬性可以對(duì)信號(hào)的類型,頻率、幅值添加噪聲、以及采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)置。我們?cè)趨?shù)設(shè)置前面板也可對(duì)信號(hào)的頻率、幅值與噪聲幅值進(jìn)行設(shè)定。對(duì)本系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下圖所示: 圖 振動(dòng)濾波信號(hào) 36 圖 振動(dòng)信號(hào)趨勢(shì)圖 圖 振動(dòng)信號(hào)功率譜 本章小結(jié) 上面兩個(gè)分別對(duì)于時(shí)域、頻域的成功分析的分析結(jié)果可知,我們的程序完全能夠?qū)崿F(xiàn)其 所賦予的功能,既然對(duì)模擬數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn),那么對(duì)于實(shí)際采集數(shù)據(jù)也具有相同的功能。在遇到問(wèn)題,然后解決問(wèn)題的過(guò)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?,F(xiàn)在不管是對(duì)大型高速電機(jī)、傳感器的類型、工作原理及選型原則、數(shù)據(jù)采集卡的選型,還是對(duì) LABVIEW 軟件本身,都有了深刻的理解。我很高興我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)果也相應(yīng)的一步步進(jìn)行,一步步的實(shí)現(xiàn)。 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上我也進(jìn)行了多次嘗試,從最初的通過(guò)條件結(jié)構(gòu)分支分別處理相應(yīng)軸向的振動(dòng)信號(hào),到分別順序執(zhí)行相應(yīng)軸路信號(hào)的分析,直到最后確定的基于生產(chǎn)者 /消費(fèi)者循環(huán)結(jié)構(gòu),功能實(shí)現(xiàn)模塊化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念。正是在一種種方案的嘗試中我們發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題,在解決問(wèn)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。例如存儲(chǔ)模塊,我們將全部數(shù)據(jù)進(jìn)行了存儲(chǔ),這樣就會(huì)有大量的冗余數(shù)據(jù),沒(méi)能實(shí)現(xiàn) 38 出現(xiàn)報(bào)警自動(dòng)存儲(chǔ)故障信息的功能,參數(shù)設(shè)置未能全部實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。這都是本次畢 業(yè)設(shè)計(jì)中的不足之處,在以后的學(xué)習(xí)工作過(guò)程之中還要予以學(xué)習(xí),逐步提高自身水平,做出更好地設(shè)計(jì)。大學(xué)生活悄然過(guò)去,回憶那曾經(jīng)一起學(xué)習(xí)的教室,回憶那大家刻苦鉆研的情景,割不斷的不舍與懷念,那大家對(duì)于知識(shí)與夢(mèng)想孜孜不倦的追求。 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(wú)限的。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,我就得到了許多人的幫助和關(guān)懷,在 此,特向他們深情的說(shuō)一聲:謝謝! 首先,我想感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師顏丙生老師。對(duì)我們技術(shù)上的指導(dǎo),生活上的關(guān)心。正是顏老師這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度,才不斷鞭策我努力向前,最終按時(shí)完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。你們的殷切期望是我進(jìn)步的動(dòng)力,你們無(wú)私的關(guān)懷和安慰給了我戰(zhàn)勝困難的勇氣,親愛(ài)的爸爸媽媽感謝你們?cè)谖镔|(zhì)和精神上給予我的無(wú)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。 最后,我要感謝我的同組同學(xué),王爭(zhēng)、劉彪,和小陳等。 [5]馮雪 數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)與性用 上海交通大學(xué) [6] 蔡共宣 工程測(cè)試與信號(hào)處理 華中科技大學(xué)出版社 P838 9510186187 [7] 李穎 基于 LABVIEW 電機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)研究 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) [8] 隋紅林 王華 LABVIEW 下普通數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)與調(diào)用 《微計(jì)算機(jī)信息》 2020 年第 25 卷 [9] 蔣威 基于虛擬儀器電機(jī)振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng) 浙江大學(xué) [10]胡仁喜 高海賓 LABVIEW2020 入門(mén)到精通 機(jī)械工業(yè)出版社 P3 [11] NI 數(shù)據(jù)采集卡使用說(shuō)明書(shū) [12] ICP 型加速度傳感器的使用說(shuō)明 41 附錄 :
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