基于虛擬儀器的振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)

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1、基于虛擬儀器的振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)陳會(huì)蓮?周桂紅?趙曉順?鄭艷博?聶彩麗?劉淑霞????摘??要?以PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集板為主要硬件，以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)采集分析虛擬儀器系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)平穩(wěn)和非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和分析各功能模塊進(jìn)行了具體介紹，并以信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的噪聲、三角波與正弦波混合波形為例，重點(diǎn)分析了非平穩(wěn)信號(hào)的處理——小波分析的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。????關(guān)鍵詞?虛擬儀器?振動(dòng)信號(hào)?小波分析?LabVIEW????隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，設(shè)備現(xiàn)代化水平的不斷提高，對(duì)設(shè)備的性能要求也越來(lái)越高，因此設(shè)備的

2、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。設(shè)備故障振動(dòng)診斷是所有機(jī)械設(shè)備故障診斷使用最多的方法之一，振動(dòng)信號(hào)蘊(yùn)含了豐富的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，反映狀態(tài)變化的靈敏度高。此外，振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析的手段、方法和理論比較成熟，且易于實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)控與實(shí)時(shí)診斷。同時(shí)，隨著虛擬儀器（VirtualInstrument）技術(shù)的高度發(fā)展，為組建設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷儀器提供了全新的技術(shù)手段，它通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)采集分析虛擬儀器系統(tǒng)。采集監(jiān)測(cè)信號(hào)的特征信息

3、是設(shè)備故障診斷的第一步，其次是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理，最終對(duì)設(shè)備的當(dāng)前工況及其發(fā)展趨勢(shì)作出確切的判斷。????一、虛擬儀器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)????振動(dòng)信號(hào)采集分析虛擬儀器系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)可根據(jù)用戶(hù)的需要選擇硬件，以LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編制特定的軟件和顯示界面，并驅(qū)動(dòng)硬件采集數(shù)據(jù)。因此，同樣的硬件系統(tǒng)由于SA件的不同可字嘴不同的任務(wù)。本系統(tǒng)采用SG1040信號(hào)發(fā)生器模擬機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，并將其輸入PCI-9113A數(shù)據(jù)采集板，該板直接插入具備PCI插槽的PC機(jī)，構(gòu)成模擬量、數(shù)字量電壓信號(hào)的采集和輸出及計(jì)數(shù)定時(shí)系

4、統(tǒng)。采用32路單端輸入方式，對(duì)于其他不使用的輸入通道，按要求對(duì)地短接，以避免造成通道間串繞和損壞通道。儀器化界面和數(shù)據(jù)處理分析部分由圖形化編成語(yǔ)言LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)。????二、虛擬儀器系統(tǒng)軟件????系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊和趨勢(shì)分析模塊等構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)儀器采集模擬信號(hào)，通過(guò)軟件來(lái)控制和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集過(guò)程；數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)、調(diào)用等功能；數(shù)據(jù)處理分析模塊對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備振動(dòng)信息的特征提取；趨勢(shì)分析模塊最終達(dá)到獲得準(zhǔn)確判斷故障的目的

5、。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。????1．?dāng)?shù)據(jù)采集模塊????數(shù)據(jù)采集部分在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中占有重要的地位，采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響到后面的處理、分析和顯示等功能能否正確實(shí)現(xiàn)[1]。此模塊主要對(duì)設(shè)備的采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括通道的選擇、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣間隔、采樣頻率的設(shè)置等。在此模塊中通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（DLL）來(lái)支持PCI-9113A數(shù)據(jù)采集板，通過(guò)調(diào)用在LabVIEW的CLF(CallLibraryFunction)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集，把它們放到一個(gè)While循環(huán)里面，用布爾開(kāi)關(guān)控制循環(huán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。????2．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)管理模塊????數(shù)據(jù)

6、庫(kù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)、調(diào)用等功能，可以給系統(tǒng)以強(qiáng)大的技術(shù)支持。為了更有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢(xún)等功能在LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)中，采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。系統(tǒng)選用了MicrosoftAccess2003數(shù)據(jù)庫(kù)，它具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、功能強(qiáng)大和標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)。通過(guò)調(diào)用LabVIEW提供的LabSQL模塊中的ConnectionVIS,CommandVIS和RecordsetVIS實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存貯、添加、刪除、查詢(xún)等功能[2]。????3．?dāng)?shù)據(jù)處理與分析模塊????此模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)態(tài)和非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的處理。對(duì)穩(wěn)態(tài)的信號(hào)采用了傳統(tǒng)的時(shí)域和頻域分析方法，這

7、兩種方法在理論和應(yīng)用上都相當(dāng)成熟，本文不做具體敘述。工程振動(dòng)信號(hào)中存在大量的非平穩(wěn)動(dòng)態(tài)信號(hào)，對(duì)于這類(lèi)信號(hào)只靠單一的時(shí)域和頻域分析很難提取信號(hào)的特征信息，而小波分析在時(shí)頻域平面上，以不同的“分辨率”來(lái)觀察信號(hào)[3]。鑒于小波分析的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)主要利用小波分析處理非平穩(wěn)信號(hào)，通過(guò)調(diào)用LabVIEW中的MATLABScript語(yǔ)言節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。????小波分析是任取一個(gè)時(shí)間、頻率上都較為集中的小波，通過(guò)小波函數(shù)的平移和伸縮來(lái)構(gòu)造一個(gè)隨時(shí)間、頻率同時(shí)發(fā)生變化的小波系。小波分析的基本思想是用一簇稱(chēng)為小波函數(shù)的特定函數(shù)去逼近或表示一個(gè)信號(hào)。假定函數(shù)ψ（t

8、）∈L2（R）并滿(mǎn)足如小波變換的主要特點(diǎn)之一，是具有多重分辨率來(lái)刻畫(huà)信號(hào)的局部特征的能力，它適合用于探測(cè)正常信號(hào)中加帶瞬態(tài)的反?，F(xiàn)象并展示其成分，因此，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)分析需要用小波