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)

1、機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：基于LABVIE慚口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)目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document .緒論1. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 研究背景1. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 研究意義1. HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 研究現(xiàn)狀2. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 電機(jī)

2、檢測(cè)的研究現(xiàn)狀 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 三軸加速度傳感器研究現(xiàn)狀3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 基于Lab VIEW 的虛擬儀器研究現(xiàn)狀 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 存在的問題，我的方案4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document .方案論證5. HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 整體設(shè)計(jì)方案 5 HYPERLINK l bo

3、okmark24 o Current Document .振動(dòng)信號(hào)采集部分 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document .振動(dòng)信號(hào)處理部分 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果輸出模塊 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 軟件部分 7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 方案一8. HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 方案二9. HYPE

4、RLINK l bookmark38 o Current Document 最終方案的確定.10我的研究目標(biāo)11.振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)11 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 三軸加速度傳感器部分1.2 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 壓電式ICP三軸加速度傳感器原理 12 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 三軸加速度傳感器的選型 15 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 三軸加速度傳感器的安裝

5、13 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document IEPE恒流源部分.14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 數(shù)據(jù)采集部分 1.5 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 數(shù)據(jù)采集卡的選型 15 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 數(shù)據(jù)采集卡的安裝 12 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 信號(hào)處理部分 17 HYPERLINK l bookmark60 o Curr

6、ent Document 硬件電路的連接17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 本章小結(jié).18.振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)20 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document NI LABVIEW 軟件簡(jiǎn)介1.9 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document LABVIEW圖形用戶界面設(shè)置21 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 主界面設(shè)計(jì)20 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 輸

7、出界面設(shè)置22 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 回放界面設(shè)置23 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 參數(shù)設(shè)置界面 23 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document LABVIEW功能模塊設(shè)計(jì) 24 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 信號(hào)預(yù)處理模塊 24 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 烈度報(bào)警模塊 26 HYPERLINK l bookmark82 o

8、Current Document 譜分析模塊 29 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 30 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 信號(hào)數(shù)據(jù)的回放模塊 32 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 本章小結(jié)33 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 3.振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)仿真測(cè)試35 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 仿真信號(hào)生成 34 HYPERLINK

9、 l bookmark96 o Current Document 仿真分析結(jié)果 35 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 結(jié).36 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 設(shè)計(jì)總結(jié)38 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 致謝40 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 參考文獻(xiàn)41附錄42基于Lab VIEW和三軸加速度傳感器的振 動(dòng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì).緒論研究背景隨著近幾十年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 科

10、學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了與生產(chǎn)方式進(jìn) 一步適應(yīng)，滿足大型高速拖動(dòng)的需求（如拖動(dòng)大型發(fā)電機(jī)的形式實(shí)驗(yàn)及拖動(dòng)大型 風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)、球磨機(jī)等設(shè)備的高速運(yùn)行），大型高速電機(jī)在我國(guó)也得到 了迅速的發(fā)展。高速電機(jī)是近幾十年來電力技術(shù)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)發(fā)展的產(chǎn)物。 如今高速電機(jī)在機(jī)械工程（高速磨床、銃床等加工）、國(guó)防工業(yè)（飛機(jī)環(huán)境控制 系統(tǒng)、電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)、電能存儲(chǔ)系統(tǒng)）等發(fā)面獲得了廣泛應(yīng)用，對(duì)提高設(shè)備性能 具有重要意義。隨著電機(jī)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的變化、性能的改善，電機(jī)與電力電子技 術(shù)的結(jié)合也是越發(fā)的緊密。現(xiàn)在對(duì)電機(jī)的安裝尺寸、功率特性、可靠性、電氣性 等方面的要求也是越來越高，振動(dòng)狀態(tài)成為衡量電機(jī)能否持

11、續(xù)可靠運(yùn)行的重要標(biāo) 志之一。世界上發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研制出轉(zhuǎn)速達(dá)到 20萬(wàn)RPM以上的大型高速電機(jī)，我 國(guó)的也可達(dá)到17萬(wàn)R/min,顯然傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置已經(jīng)不能夠滿足大型高速電機(jī) 的振動(dòng)檢測(cè)需求，現(xiàn)我們需開發(fā)設(shè)計(jì)一種基于大型高速電機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)的需要。研究意義近十幾年來，我國(guó)的電機(jī)在理論研究方面、結(jié)構(gòu)方面以及原材料使用方面都 有了較大改進(jìn)；但是大型高速電機(jī)的制造和檢測(cè)方面我們與國(guó)外還存在著一定的 差距。對(duì)運(yùn)行的電機(jī)來說，明顯超過它所允許的幅值振動(dòng)， 將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子滑環(huán)和 和電刷磨損加劇以及產(chǎn)生環(huán)火，使機(jī)組聯(lián)軸器不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致封 閉系統(tǒng)的破壞；連接部件松弛和應(yīng)力增大，并

12、危及電機(jī)的基礎(chǔ)部分；對(duì)電機(jī)及周 圍部件產(chǎn)生破壞及安全隱患，甚至釀成重大事故。為了提高國(guó)產(chǎn)大型高速電機(jī)的 質(zhì)量和運(yùn)行的可靠性，也為了適應(yīng)電機(jī)生產(chǎn)和工作的環(huán)境， 使監(jiān)測(cè)的效率及不良 隱患檢出率得到明顯的提升，開發(fā)一種高性價(jià)比的基于大型高速電機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系 統(tǒng)也是當(dāng)今市場(chǎng)的迫切需求。隨著著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)新的儀器設(shè)計(jì)思想應(yīng)運(yùn)而 生。相對(duì)于傳統(tǒng)的智能儀器來說，極大地降低了成本，大幅的縮短了開發(fā)周期， 提供了全新的技術(shù)手段，改變了傳統(tǒng)儀器的模式和功能，顯示出了廣闊的應(yīng)用前 景。我們?cè)O(shè)計(jì)基于美國(guó)NI公司的Lab VIEW 2010以及壓電式三軸加速度傳感器 的大型高速電機(jī)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

13、由于 Lab VIEW具有豐富的測(cè)試、控制、數(shù)據(jù)分 析軟件包，以及其可視化G語(yǔ)言編程，可大幅度簡(jiǎn)化開發(fā)。檢測(cè)系統(tǒng)可充分利用 Lab VIEW提供的各種功能，包括數(shù)據(jù)采集、串口控制、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)等。開 發(fā)此振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使更多的用戶能夠利用振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 及早發(fā)現(xiàn)故障征兆，使用戶及早更換故障零件，減少輪檢、大修次數(shù)，節(jié)約成本， 創(chuàng)造更多的效益，并避免事故的發(fā)生，對(duì)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)及故障診斷具有重要的現(xiàn) 實(shí)意義。研究現(xiàn)狀電機(jī)檢測(cè)的研究現(xiàn)狀早期的電機(jī)故障檢測(cè)與診斷主要是依靠人體的感官與工人的的經(jīng)驗(yàn)，或者借助簡(jiǎn)單的工具來進(jìn)行檢測(cè)判斷。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的加 速，機(jī)械

14、設(shè)備的精密程度、復(fù)雜程度以及自動(dòng)化程度更是越來越高， 依靠簡(jiǎn)單的 檢測(cè)顯然不能滿足當(dāng)今的需求。到目前為止人們已經(jīng)研究出了多種現(xiàn)代化的診斷 方法，按診斷方法主要分為：電流分析法、聲學(xué)法、溫度檢測(cè)法及振動(dòng)分析法。（參考論文電機(jī)振動(dòng)故障巡檢系統(tǒng)的研究與開發(fā)）。其中振動(dòng)分析法現(xiàn)已發(fā)展較為成熟：電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，具振動(dòng)具有典型 的特征和允許閥值，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)，其振動(dòng)的幅值、形式及頻譜 均會(huì)發(fā)生變化。不同的缺陷與故障又會(huì)產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)， 幾乎所有的故障都 可以通過振動(dòng)體現(xiàn)出來。通過傳感器檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，分析各信號(hào)參數(shù)，與已知振動(dòng)特征對(duì)比，可以診斷出振動(dòng)故障的原

15、因與部位， 得出維修方案。三軸加速度傳感器研究現(xiàn)狀20世紀(jì)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(cè)量系統(tǒng)的核心器件成為第二個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的微型機(jī)械傳感器。其中單軸加速度傳 感器技術(shù)發(fā)展比較成熟，如美國(guó) AD公司、日本日立公司、加州大學(xué)分校 UCB、 均開展較早，國(guó)內(nèi)也有清華大學(xué)、哈工大、北京大學(xué)、中北大學(xué)、東南大學(xué)等都 相繼開展了各種原理、各種結(jié)構(gòu)的微加速度傳感器的研究。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(hào)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(duì)流式）、真空微電子式、隧道式、光波導(dǎo)式、諧振式

16、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(bào)道5 o例如秦皇島鑫華科技有限公司生產(chǎn)的 AD系列ICP傳感器是內(nèi)裝微型IC放 大器的壓電式三軸加速度傳感器，將傳統(tǒng)的壓電式傳感器與放大器集成在一起， 簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，提高了精度。可以達(dá)到以下幾點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)合理，電路優(yōu)化2、配長(zhǎng)電纜不影響測(cè)量精度3、可直接傳至信號(hào)采集設(shè)備4、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(gè)人PC計(jì)算機(jī)配置的提升性能的優(yōu)化，使個(gè)人 PC機(jī)的功能更是今 非昔比，正是由于PC機(jī)的迅速發(fā)展，基于PC機(jī)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(guó)際市場(chǎng)上出現(xiàn)，到現(xiàn)在已有數(shù)

17、以千計(jì)的虛 擬儀器產(chǎn)品。其中對(duì)虛擬儀器研究最為突出、發(fā)展最為成熟當(dāng)屬美國(guó)NI公司的Lab VIEW 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，在20余年的時(shí)間里已經(jīng)發(fā)展成為具有有好的界面、可視化編程、以及龐大的軟件包與數(shù)據(jù)庫(kù)，其強(qiáng)大的功能已廣泛被市場(chǎng)所接受， 且已進(jìn) 入中國(guó)，并獲得認(rèn)可。近年來我國(guó)在虛擬儀器的研究也取得了很大的進(jìn)展，基于虛擬儀器形式的狀 態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷正適應(yīng)了當(dāng)今的生產(chǎn)需要與， 順應(yīng)了發(fā)展方向，處在并將持續(xù) 處在快速發(fā)展階段。存在的問題，我的方案過程檢測(cè)控制SPC雖然在理論上有了較大的發(fā)展，但是在實(shí)際應(yīng)用中由于 科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件等的約束，還存在很多問題。很多企業(yè)并沒有SPC系統(tǒng)，采用檢測(cè)設(shè)備也是起

18、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。在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用雖然得到了很大程度上的推廣， 但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不到普及，還存在 如下問題：1、SPC數(shù)據(jù)采集困難應(yīng)用SPC的企業(yè)大多數(shù)是由檢測(cè)設(shè)備讀取到數(shù)據(jù)后，絕大部分的數(shù)據(jù)由人 們手工完成采集與數(shù)據(jù)的處理，信息傳遞明顯滯后導(dǎo)致測(cè)量誤差過大、統(tǒng)計(jì)分析 工作量過大、過程得不到及時(shí)的過程監(jiān)控等問題。2、管理水平低能夠?qū)嵤㏒PC的企業(yè)型不多，能夠嚴(yán)格按照 SPC管理程序的企業(yè)更是少之 又少，有的控制線長(zhǎng)年不變，有的工人意識(shí)不夠，導(dǎo)致企業(yè)錢力物力也有投入但 卻收效甚微。.通用性差當(dāng)今企業(yè)應(yīng)用的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，具大多是通過硬件來實(shí)現(xiàn)

19、，不僅造成上述問 題，而且通用性差，一種儀器僅能實(shí)現(xiàn)一種功能或出廠時(shí)通過硬件來實(shí)現(xiàn)的功能， 而不能夠根據(jù)企業(yè)自身特點(diǎn)自由發(fā)揮其主動(dòng)效能，結(jié)構(gòu)死板，靈活度差。.成本高也正是由于其通過硬件實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致 SPC系統(tǒng)不能普及的很重要的一個(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要性與意義。為解決上述問題以及迫于實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)化與系統(tǒng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量， 關(guān)注生產(chǎn)勞動(dòng)的安全環(huán)境，我們基于電機(jī)檢測(cè)應(yīng)用最廣、監(jiān)測(cè)信息最多且發(fā)展較 為成熟的振動(dòng)分析檢測(cè)方法，結(jié)合最新的三軸加速度傳感器技術(shù)及基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)開發(fā)一種實(shí)時(shí)性好； 人

20、工工作量小；信息處理方便、準(zhǔn)確； 且價(jià)格低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)過程檢測(cè)系統(tǒng)。.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(shè)計(jì)大型高速電機(jī)振動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)， 我們依據(jù)其原理及可行性分析，設(shè)計(jì) 出以下方案，如下所述：整體設(shè)計(jì)方案振動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)由三部分組成： 振動(dòng)信號(hào)采集部分、振動(dòng)信號(hào)處理部分及振動(dòng)信號(hào)的分析結(jié)果輸出部分。其關(guān)系如圖3所示：圖3:振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)順序圖.振動(dòng)信號(hào)采集部分在本系統(tǒng)中大型高速電機(jī)作為被測(cè)件為系統(tǒng)提供初始振動(dòng)信號(hào)，安裝在大型高速電機(jī)上的三軸加速度傳感器跟隨電機(jī)一起振動(dòng)，檢測(cè)其加速度信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鲂阅芨玫妮^為穩(wěn)定輸

21、出，通過數(shù)據(jù)采集卡采集傳送至終端 PC機(jī)，完成振動(dòng)信號(hào)的采集工作。引箕他起機(jī)座振動(dòng)等振動(dòng)雜波信號(hào)大型 高速 電機(jī) 振動(dòng) 源三軸度傳數(shù) 據(jù) 采集 卡信號(hào)電段環(huán)境下的電段信號(hào)雜波圖4:振動(dòng)信號(hào)采集部分.振動(dòng)信號(hào)處理部分振動(dòng)信號(hào)處理部分是本振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心部分，主要由運(yùn)行于PC上的LABVIEW軟件平臺(tái)上的一個(gè)計(jì)算分析模塊來完成其主要振動(dòng)信號(hào)的分析工 作。該部分的結(jié)構(gòu)及流程是由數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后采集過來的振動(dòng)信號(hào)傳至 PC機(jī)的LABVIEW 平臺(tái)經(jīng)除噪濾波后，由核心模塊對(duì)其進(jìn)行頻域、振幅分析， 核心模塊內(nèi)容詳見軟件部分說明，主要流程如下圖所示：圖5:振動(dòng)信號(hào)處理部分詳見 軟件 流程圖數(shù)據(jù)采集

22、卡振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果輸出模塊振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果輸出模塊作為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的終端模塊，具界面的友好程 度，人機(jī)信息的交換程度很大程度上決定了該系統(tǒng)用戶使用的方便程度與滿意 度。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的專用振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同，我們不采用示波器，沒有單獨(dú)的配 置硬件設(shè)備，我們基于用戶PC機(jī)本身及LABVIEW軟件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)所需信息的輸出顯示，異常報(bào)警功能；并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存檔與報(bào)告的生成。其上部分（振動(dòng)信號(hào)處理部分）主要是 PC機(jī)LABVIEW 平臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理 模塊將信號(hào)進(jìn)行分析處理后將圖像信號(hào)傳至計(jì)算機(jī)顯示器進(jìn)行顯示，通過振幅閥值、頻率閥值的設(shè)定進(jìn)行振動(dòng)異常的報(bào)警也是由PC顯示器進(jìn)行警示，其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與報(bào)告的生成則

23、由LABVIEW 工具包插件及相應(yīng)程序復(fù)合完成后，數(shù)據(jù)存 放于硬盤之上。其主要結(jié)構(gòu)如下圖所示：PC機(jī)液晶 顯示屏輸出 波形及頻譜PC 機(jī)振動(dòng)異?？蒸揞l率超限LABVIE W平臺(tái) 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí) 處理模塊數(shù)據(jù)存替并 生成報(bào)告圖6:振動(dòng)信號(hào)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(dān)任著信號(hào)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(dòng)數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)，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(chǎng)地存在著各種噪聲以及電磁電路產(chǎn) 生的信號(hào)干擾，信號(hào)數(shù)據(jù)中會(huì)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(cè)大型高速電機(jī)的振動(dòng)速度

24、， 我們將加速度信號(hào)進(jìn)行積分處理， 將得 到的運(yùn)算值預(yù)設(shè)定警戒值相比較，若低于設(shè)定值則說明運(yùn)行平穩(wěn)正常，若高于警 戒值則說明振動(dòng)幅度過大，記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行報(bào)警。流程圖如下:初始化程序啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡調(diào)用濾波器子程序調(diào)用積分理數(shù)子程序分析處理結(jié)果顯小井保存正常異常發(fā)出警報(bào)圖7:軟件處理流程圖方案一基于整體系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)思路，按照大型高速電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求， 我們根 據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有的ICP壓電型三軸加速度傳感器，及 DAQ數(shù)據(jù)采集裝置，來完成一 個(gè)NI-DAQ插卡式虛擬儀器的設(shè)計(jì)： 1、三軸加速度傳感器選擇現(xiàn)在市場(chǎng)上三軸加速度傳感器已經(jīng)較為完善，其主要有壓電型、電阻型、應(yīng) 變型等。根據(jù)該系統(tǒng)的需求，我們采

25、用ICP型壓電傳感器。圖2.2-1 : ICP壓電型傳感器內(nèi)部原理圖2、數(shù)據(jù)采集卡的選擇虛擬儀器系統(tǒng)主要有 PCI-DAQ插卡式、并行口式、GPIB總線式、VXI總 線式及PXI總線式。其中PCI-DAQ插卡式方式使用數(shù)據(jù)采集卡以計(jì)算機(jī)平臺(tái)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)。它充分利用了計(jì)算機(jī)總線、 機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換技術(shù)。隨著計(jì) 算機(jī)的發(fā)展，其PC機(jī)箱、總線受限制、插槽數(shù)目不足等缺點(diǎn)正得到改善。隨著PC機(jī)龐大的數(shù)量，以及插卡式儀器價(jià)格最便宜，因此其用途廣泛，特 別適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。數(shù)據(jù)采集卡我們選用NI公司的

26、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(zhǔn)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(shè)計(jì)我們?yōu)榱藴y(cè)量電機(jī)的振動(dòng)參數(shù)，主要是電機(jī)振動(dòng)速度， 我們根據(jù)位移傳感器對(duì)低頻比較敏感；而加速度傳感器對(duì)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(jī)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。加速 度傳感器的信號(hào)至數(shù)據(jù)采集卡的傳輸方式選為有線傳輸。方案二基于整體設(shè)計(jì)的主旨思路，基于市場(chǎng)上多種多樣的各種硬件器材。我們?cè)O(shè)計(jì) 與方案一不同的方案來進(jìn)行比對(duì)。在本方案我們

27、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(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行信號(hào)的傳輸， 其安裝部位選擇微電機(jī)外殼與底座。無(wú)線信號(hào)傳輸應(yīng)用最廣泛的兩種方式是紅外傳輸與藍(lán)牙傳輸， 其中紅外傳輸 是以紅外線的方式傳遞數(shù)據(jù)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)線方式連接， 傳輸速度快，但 是存在傳輸距離短，只能直線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。藍(lán)牙傳輸，是一種支持設(shè)備短距離通信(一般 10m內(nèi))的無(wú)線電傳輸技術(shù)。 能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn) 行無(wú)線信息交換。實(shí)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(dá)10米，用戶不必經(jīng)過允許便可利用 2.4

28、GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、 醫(yī)學(xué))頻帶，在其上設(shè)立79個(gè)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(kuò)散技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電波的收發(fā)。最終方案的確定綜合比較方案一與方案二，其大體系統(tǒng)相同，工作原理及處理內(nèi)核均相同。 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(hào)的傳輸方式不同。我們來對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比：(1)三軸加速度傳感器具內(nèi)置IC放大器，在檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)直接將 主信號(hào)放大，比將信號(hào)傳輸出來后將混入噪聲雜波的信號(hào)同時(shí)放大信號(hào)要好，當(dāng)今傳感器正由結(jié)構(gòu)性向物性型轉(zhuǎn)變，物性型加速度傳感器受結(jié)構(gòu)而改變影響較 小，故選用壓電式加速

29、度傳感器。(2)電機(jī)的軸承是最能反映電機(jī)振動(dòng)的部位，對(duì)電機(jī)軸承的檢測(cè)至關(guān)重要。(3)由于本系統(tǒng)較小，采用三軸方向三路信號(hào)，我們采用 4通道的DAQ 插卡式數(shù)據(jù)采集即可滿足要求。無(wú)需做成 Compact DAQ結(jié)構(gòu)，造成資源浪費(fèi)。(4)雖然無(wú)線信號(hào)傳輸更為方便，是線路更加優(yōu)化，在工廠條件下更加安 全，但是考慮到工廠電磁設(shè)備眾多，信號(hào)雜亂，為了傳感器信號(hào)能夠更為準(zhǔn)確的 得到采集，本系統(tǒng)的可靠性更強(qiáng)，我們采用有線傳輸方式。綜上所述：我們確定方案為方案一。10我的研究目標(biāo)如前面所述本系統(tǒng)有硬件部分與軟件部分兩大部分組成，由于本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的一些約束，硬件方面我們采取模擬，我的任務(wù)主要在軟件部分。基于L

30、ab VIEW平臺(tái)開發(fā)一個(gè)振動(dòng)信號(hào)濾波、積分、存貯以及顯示的軟件， 其三軸加速度信號(hào)有軟件模擬生成。希望系系統(tǒng)可以移植到其他的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 中，再結(jié)合硬件實(shí)物后，能夠形成切實(shí)的功能，形成實(shí)時(shí)性好、功能完善、經(jīng)濟(jì) 使用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠在生產(chǎn)中切實(shí)的發(fā)揮作用。.振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)眾所周知，任何一個(gè)實(shí)際的集數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、分析的檢測(cè)系統(tǒng)是不可能凌 架于物理原件之上的，而這個(gè)物理存在，對(duì)本振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)而言，由振動(dòng)源的振 動(dòng)采集，直到輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)的物理依托就是本系統(tǒng)的 硬件部分。4據(jù)集 474型軸電速傳器 TCP三E加度感據(jù)析位 數(shù)分上機(jī)高速 電機(jī) 振動(dòng) 源其主要三軸加速

31、度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)據(jù)采集卡組成（包括軟件運(yùn)行 依托工作計(jì)算機(jī)）。該部分將振動(dòng)源的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為我們計(jì)算機(jī)課識(shí)別的數(shù) 字信號(hào)，供我們做進(jìn)一步的計(jì)算與分析。接線方式如下所示：我們用恒流源為 AD100-3X加速度傳感器和NIPCI-4474數(shù)據(jù)采集卡提供電源，分別將三軸加速度傳感器的三個(gè)軸向方向的加 速度模擬信號(hào)分別接到數(shù)據(jù)采集卡的前三個(gè)通道上，數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線結(jié) 構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集卡的插卡直接插入計(jì)算機(jī)的PCI插槽中。11三軸加速度傳感器部分三軸加速度傳感器是將電機(jī)振動(dòng)源的加速度振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為我們可以分析、 計(jì)算、處理的電信號(hào)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)

32、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(biāo)，其作用的重要性不言而喻。壓電式ICP三軸加速度傳感器原理壓電傳感器是一種有源傳感器。它是基于壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理 而工作的。壓電材料在發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，材料的表面會(huì)產(chǎn)生 電荷聚集的現(xiàn)象。反過來我們可以根據(jù)其電荷的多少來計(jì)算其發(fā)生應(yīng)變的大小， 繼而計(jì)算其所受壓力的大小。而具體到我們加速度傳感器上的話，由于其質(zhì)量是 固定不變的，而如我們所熟知的牛頓經(jīng)典定律F =ma ,加速度大小自然可以得出。加速度也是空間矢量，我們要在立體空間對(duì)三個(gè)軸向加速度都進(jìn)行測(cè)量，我們可以通過壓電元件不同的方

33、向的電荷量的不同來得到相應(yīng)軸向的加速度值。ICP型即將IC電荷放大器內(nèi)置于三軸加速度傳感器，直接與壓電元件相連接， 較少外界噪聲對(duì)其的干擾。三軸加速度傳感器的選型本振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之中的檢測(cè)對(duì)象為高速電機(jī)， 我們選用江蘇靖江所生產(chǎn)的的JGA型高速電機(jī)，其主要參數(shù)如表 3.1.2所示:型號(hào)轉(zhuǎn)速(r/min)電機(jī)參數(shù)功率(Kw)電壓(V)頻率(Hz)電流(I)JGA-110/3.02100003.03803505.0根據(jù)上述電機(jī)振動(dòng)的檢測(cè)需求，我們傳感器的性能指標(biāo)提出相應(yīng)的要求，為 了使該系統(tǒng)的適用范圍更大，我們對(duì)加速度傳感器的要求較高。我們選擇靈敏度 100mV/g,頻率響應(yīng)1-3000Hz,加速度

34、測(cè)量量程30g以上，傳感器重量不超過100g。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(yīng)特12性、穩(wěn)定性以及精確度，在滿足此條件下選用經(jīng)濟(jì)型。 基于上述原則我們選用了秦皇島鑫華科技有限公司生產(chǎn)的生產(chǎn)的ICP封裝三軸壓電加速度傳感器AD100-3X。圖3.1.2AD100-3X傳感器實(shí)物圖如上圖所示即為AD100-3X傳感器，該傳感器壓電材料為壓電陶瓷，外殼為 不銹鋼。性能參數(shù)如下：靈敏度：100mV/g；非線性度：W1%,頻率響應(yīng)：0.5-5000Hz; 安裝諧振頻率：20KHz;檢測(cè)加速度量程：-50g+50g；輸出阻抗：E100G;重 量:96g;工作溫度-40120

35、攝氏度。本傳感器采用直流 24V電源，輸出方式采用 M5出線。三軸加速度傳感器的安裝根據(jù)大型高速電機(jī)自身相對(duì)傳感器足夠大，且可以在電機(jī)上打孔安裝的自身特點(diǎn)，結(jié)合動(dòng)態(tài)測(cè)試中加速度傳感器安裝使用方法摸索及應(yīng)用中實(shí)驗(yàn)得出的相關(guān)結(jié)論,我們決定采用M5螺釘連接安裝方式，安裝力矩20-30Kgf.cm,以獲得 最佳的頻響特性。:表 3.1.3:廳P安裝方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)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(zhǔn) 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(jiǎn) 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13加速度傳感器的安裝3墊塊為膠木的安不需在試件

36、上打孔，安裝簡(jiǎn)單， 便捷，且能很好的實(shí)現(xiàn)加速度傳 感器與被測(cè)件的絕緣，適用于所 用加速度傳感器的安裝， 在三種 /、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(jī)塊的 安裝方式不需在試件上打孔，安裝簡(jiǎn)單， 便捷，且能很好的實(shí)現(xiàn)加速度傳 感器與被測(cè)件的絕緣連接牢固性較差，頻響特性 較差，二種墊塊中，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(jiǎn)單， 便捷，且能很好的實(shí)現(xiàn)加速度傳 感器與被測(cè)件的絕緣連接牢固性較差，頻響特性 較差，二種墊塊中，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?？紤]到被測(cè)部位的振動(dòng)狀態(tài)和傳感器的工作環(huán)境，以及傳感

37、器高的可靠性和靈敏度、寬的頻響范圍，需要遵循以下2個(gè)原則：（1）選擇結(jié)構(gòu)阻尼小、剛度高的位置作為被測(cè)點(diǎn)。（2）由于振動(dòng)信號(hào)在傳遞過程中幅值要衰減，所以被測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量靠近振動(dòng)產(chǎn)生的位根據(jù)GB 10068.1-1988 （代替GB 28071981）旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動(dòng)測(cè)定方法及限值中的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)點(diǎn)數(shù)為7個(gè)。因此本系統(tǒng)進(jìn)行單通道測(cè)量時(shí)，傳感器選擇安裝在位置7,雙通道測(cè)量時(shí)分別安裝在垂直和水平方向的位置1和2,進(jìn)行雙通道采集時(shí)還要考慮到如果兩個(gè)傳感器同時(shí)工作，不能靠得太近，否則會(huì)產(chǎn)生交叉感應(yīng)10。圖12:電機(jī)振動(dòng)測(cè)定點(diǎn)位圖IEPE恒流源部分所謂IEPE是壓電集成電路的縮寫，我們ICP型三軸壓電傳感器的輸

38、出電壓 信號(hào)十分弱小，不能進(jìn)行較長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸，在傳輸路徑過程中，我們需要對(duì) 信號(hào)進(jìn)行再次的穩(wěn)定與放大，跟系統(tǒng)的實(shí)際需求：ICP型三軸加速度傳感器14AD-100 3X的三軸向信號(hào)的放大需求，及穩(wěn)定電流 4mA的電流值，我們選擇包 流源。我們選擇市場(chǎng)上的江蘇聯(lián)能公司生產(chǎn)的 IEPE適配器YE8321型恒流源，該 包流源有四個(gè)通道，可滿足我們對(duì)于三軸向方向信號(hào)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(hào)進(jìn)行配備。更重要的是該型號(hào)為 IEPE型，專門用于傳感器傳感器測(cè)試，也可作為電壓放大器使用，具有頻響范 圍寬，穩(wěn)定性好，增益、激勵(lì)電流可調(diào)的特點(diǎn)。實(shí)物圖如下所示：圖3

39、.2-1 : YE8321型恒流源該型號(hào)恒流源具體參數(shù)如下：激勵(lì)電壓：24VDC ;激勵(lì)電流：4mA/10mA可選；響應(yīng)頻率：0.3Hz-100kHz;輸出信號(hào)：10V/5mA,精度：1% ；噪聲： 50Vrms ;輸入電壓：AC: 220V 50Hz;采用BNC接口輸入輸出，可在0-85攝 氏度工作，滿足我們的使用要求。其連線部分參見圖3.5 :硬件電路電路接線圖所示。數(shù)據(jù)采集部分隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展越來越普及，功能越來越強(qiáng)大?，F(xiàn)在我們已經(jīng)習(xí)慣于使用 計(jì)算機(jī)來處理速度、壓力、流量、位移等物理量，而把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可 以識(shí)別的數(shù)據(jù)信號(hào)就需要數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡的選型目前市場(chǎng)上的數(shù)據(jù)采集卡也是

40、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(gè)，一個(gè)是轉(zhuǎn)換精度，另一個(gè)是采集速度。依照我們基于15本系統(tǒng)三軸路信號(hào)轉(zhuǎn)換的實(shí)際需求，轉(zhuǎn)換原始信號(hào)為電壓信號(hào)，支持同步采集, 主板具有緩存功能，分辨率12位，采樣率50kS/s,支持Lab VIEW RT?；谏鲜鰠?shù)需求，我們選擇了 NI 9234動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)物圖如下:AIO+AIO-AI1 + AI1-AI2+AI2-AI3+AI3-圖3.3.1-1 NI 9234動(dòng)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(dòng)可在windows系統(tǒng)運(yùn)行。其擁有四個(gè)BNC 連接器，具有同時(shí)對(duì)4路電壓信號(hào)同時(shí)予以實(shí)時(shí)采集的功能，分辨率 24位，

41、采 樣頻率51.2kS/s ,最大測(cè)量輸入電壓范圍 -5V 5V,最大電壓范圍敏感度 1.19 NV,板上存儲(chǔ)量1023樣本，動(dòng)態(tài)范圍110dB，激勵(lì)電流4mA ,功耗900mW 功率較小，我們可以由USB接口提供電源直接提供。滿足我們對(duì)于本系統(tǒng)的全 部需求，我們的選型是合理的。模擬信號(hào)的輸入，我們采用浮接方式。使用浮接的連接方式可以避免對(duì)地噪 聲，避免BNC連接器與金屬外殼，及與其他模塊、機(jī)箱的接觸有效地降低噪聲 干擾。如下圖所示，在浮接信號(hào)源連接之中，我們信號(hào)源的正端連接BNC接線16NI 9234每一個(gè)模擬輸入通道都通過一個(gè) 50建的電阻連接機(jī)箱，我們通過將 機(jī)箱接地處理，可使噪聲最小化

42、；每個(gè)通道都具有過壓保護(hù)功能； 每個(gè)通道的模 擬輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖、調(diào)理后，由24位Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行 采樣。通過模擬和數(shù)字濾波，NI 9234可精確表示帶寬內(nèi)部信號(hào)并且抑制帶寬外 信號(hào)。基于上述特點(diǎn)與功能，9234能夠很好地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換需求。.2數(shù)據(jù)采集卡的安裝NI PCI-4474型4通道24位動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡可以完美的實(shí)現(xiàn)我們對(duì)三軸加速度傳感器的三個(gè)軸向方向感應(yīng)電壓的采集，其 NI硬件與LABVIEW的同一個(gè)公司 的產(chǎn)品，互相支持沒有不兼容現(xiàn)象。而對(duì)于該數(shù)據(jù)采集卡的安裝我們也是非常輕 松的。安裝新的硬件之前，我們需要對(duì)電腦安裝 NI-DAQ m)B動(dòng)程

43、序軟件，以便讓 windows能夠檢測(cè)到硬件產(chǎn)品。這個(gè)驅(qū)動(dòng)安裝比較簡(jiǎn)單，我們按照默認(rèn)路徑進(jìn)行 安裝即可，重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后就可以了。本數(shù)據(jù)采集卡屬于NI公司C系列產(chǎn)品，采用的是USB接口可以實(shí)現(xiàn)熱插拔， 所以本硬件的安裝沒有難度。我們將其輸出的USB接頭直接插入計(jì)算機(jī)的USB接口即可。信號(hào)處理部分我們對(duì)信號(hào)處理使用的是LABVIEW 軟件，作為硬件的支撐，我們的PC機(jī) 必須滿足運(yùn)行LABVIEW的最低要求。查閱相關(guān)資料得：1、雙核CPU 20G以上主頻2、2G及以上內(nèi)存空間3、10G以上硬盤空間4、Window XP以上操作程序硬件電路的連接通過上述對(duì)ICP型三軸壓電傳感器 AD-100 3X、

44、聯(lián)能IEPE恒流源YE 3821、17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：1EPE球黑 NI 9234USBSMH上副恒流版4曾件）圖3.5: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，具包括三個(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US改口傳至上位機(jī)，共后

45、續(xù)的處理、顯 示、及存儲(chǔ)。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， 是我們對(duì)實(shí)際振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)有了全面的了解。對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是一個(gè)基礎(chǔ), 一個(gè)平臺(tái)。為后續(xù)的軟件處理做好準(zhǔn)備。184.振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)與支撐，而軟件則是振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分析的大腦，是系 統(tǒng)的上層建筑，軟件部分的設(shè)計(jì)，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(jī)交互是否友好等直接與用戶體驗(yàn)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(shè)計(jì)是我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重。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

46、 一定的認(rèn)識(shí)。虛擬儀器就是通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)， 從而完成被測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、 顯示存儲(chǔ)等操作，這就是虛擬儀器。19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：4.111:虛擬儀器傳統(tǒng)儀器軟件使得開發(fā)維護(hù)費(fèi)用降低開發(fā)維護(hù)開銷高技術(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、

47、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。 作為目前國(guó)際上唯一的使用 G語(yǔ)言編程的虛擬儀器軟件，它把以前我們工程人 員從復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)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(jiǎn)單圖標(biāo)的方法來編輯程序，簡(jiǎn)單、明朗，大 大提高了工程設(shè)計(jì)效率，也降低了學(xué)習(xí)者的難度。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。LABVIEW圖形用戶界面設(shè)置一個(gè)軟件系統(tǒng)用戶首先接觸的便是界面，我們系統(tǒng)所具有的功能應(yīng)該能在面 板上得以體現(xiàn)，是否擁有友

48、好的界面是系統(tǒng)實(shí)用很重要的一部分。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)。主界面設(shè)計(jì)在一個(gè)主界面要給用戶提供最常用的信息， 最為必要的信息。首先我們把該 系統(tǒng)的名稱顯示出來，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20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。主界面如下圖所示：三軸振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)傣獲想宣 3f 3EJ L OW41

49、得啕feWSK一 W烈度報(bào)警已物汨吃也密|班端國(guó)圖4.2.1主界面輸出顯示界面決定輸出結(jié)果是否友好的自然是數(shù)據(jù)的輸出界面， 也是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵之所 在，我們本程序可以進(jìn)行濾波信號(hào)的顯示，振動(dòng)信號(hào)的趨勢(shì)圖，功率譜分析，以 及信號(hào)與功率譜的回放。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。不管是振動(dòng)波形圖還是振動(dòng)趨勢(shì)圖表或者功率譜分析的顯示，我們均對(duì)標(biāo)簽欄進(jìn)行了修改，直接點(diǎn)擊切換，方便快捷。在每一路先號(hào)前，我們也對(duì)信號(hào)進(jìn)行 了說明，X軸方向振動(dòng)信號(hào)、Y軸方向

50、振動(dòng)信號(hào)或者Z軸方向振動(dòng)信號(hào)都是清楚 明了。振動(dòng)濾波信號(hào)顯示界面、振動(dòng)趨勢(shì)圖界面及功率譜分析顯示界面在虛擬儀器 系統(tǒng)中界面如下圖所示：21圖4.2.2-1振動(dòng)濾波信號(hào)顯示圖圖4.2.2-2振動(dòng)趨勢(shì)顯示圖圖4.2.2-3功率譜分析顯示圖22數(shù)據(jù)回放界面設(shè)置數(shù)據(jù)回放功能與主功能界面不同，我們不需要實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行，我們決定不將 其放入主界面之上，我們采用功能按鈕來調(diào)用回放功能子程序， 我們?cè)谧映绦蚬?jié) 點(diǎn)設(shè)置中選擇“在調(diào)用時(shí)打開前面板”選項(xiàng)前打鉤。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。在回放過程中我們對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行回放并分析其功率譜，

51、 以便對(duì)于信 號(hào)的一個(gè)分析。界面圖如下所示：0500100015002D0025W30003500400045005000圖4.2.3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。我們往往需要對(duì)參數(shù)的修 改而對(duì)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。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，這里不再累贅講述。參數(shù)設(shè)置模板界面在主界面中的一部分， 也是較為突出的。另外還有回放開 關(guān)，保存路徑等均在界面設(shè)置模塊，操作方便簡(jiǎn)單。布爾開關(guān)形象生動(dòng)、各種信 息明確，這就是用戶所需要的。23圖4.2.3參數(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

52、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，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。信號(hào)預(yù)處理模塊更加的有效。當(dāng)然在硬件部分中，IPC型傳感器內(nèi)置模塊、信號(hào)調(diào)理電路其實(shí)均是對(duì)信號(hào)的預(yù) 處理，其作用就在于使后續(xù)的信號(hào)分析處理能夠更加的準(zhǔn)確，24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。濾波器是承擔(dān)濾波任務(wù)的主要承擔(dān)者，當(dāng)然LABVIEW中提供了豐富的濾 波器函數(shù)，我們可以輕松調(diào)用濾波器函數(shù)來實(shí)現(xiàn)濾波，例如（

53、帶通濾波器、中值 濾波器、高頻濾波器、低頻濾波器等）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。不難理解高截止頻率與低截 止頻率的含義，具作為濾波器允許 通過信號(hào)頻率的上限值與下限值， 采樣頻率決定我們對(duì)數(shù)據(jù)采集的 時(shí)間間隔或者頻率，而濾波器類 型，我們可以通過此控件選擇此濾 波器的類型，是選擇高通濾波器、 低通濾波器、Band stop濾波器， 階數(shù)控件我們可以選擇濾波器階 數(shù)，我們通常選擇2階，初始化/ 連續(xù)控件我們可以選擇是初始化high cutoff f

54、req: fh 2sampling freq: 2low cutoff freq； fl 2ordtr 2init/cont (inrtFj 2fiber type 2上三品Lt服密曲 二， 判微卜庫(kù)漉注類型r函數(shù)還是連續(xù)圖4.3.1-1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。圖4.3.1-2濾波器參數(shù)設(shè)置圖在參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要特別指出的是采樣頻率，采樣頻率決定了采樣的時(shí)間問25隔，將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行離散化的采樣，這些采集過來的點(diǎn)所組成的信號(hào)，在 時(shí)

55、間上是間隔的，但是在幅值上卻是連續(xù)的。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。 我們 所遵循的規(guī)律叫做采樣定律。假設(shè)有限帶寬信號(hào)在f(n)頻率以上沒有頻率分量，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：f采2fn,我們才能將有用頻率的信號(hào)信息全部的采集過來， 沒有遺失和改變。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)的過程有兩步，一步是采樣， 一步是量化。量化其實(shí)是將采樣過來的某個(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，

56、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。采樣我們需要考慮頻率，那么量化我們也需要考慮量化誤差。 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。我們?cè)谔幚頂?shù)字信號(hào)的過程中，不可能對(duì)一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行分析， 實(shí)際 處理過程中，我們其實(shí)是在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)在這段時(shí)間內(nèi)的這段信號(hào)進(jìn)行分析與處 理，這樣就相當(dāng)于把一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)“切斷”，我們?nèi)∮杏靡欢芜M(jìn)行分析與 處理，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)“切斷”功能就靠我們 LABVIEW 軟件提供的窗函數(shù)。Hanning窗又叫開余弦窗，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：一(I - cos ),0 F

57、M T2TW二Yj S其它4.3.2烈度報(bào)警模塊經(jīng)過上個(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。本模塊我們思路簡(jiǎn)單明了，通過上一模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，由于是加速度數(shù)26 據(jù)，我們需要根據(jù)電機(jī)的振動(dòng)速度信號(hào)幅值進(jìn)行報(bào)警，我們需要先做積分處理， 得到速度信號(hào)，再處理信號(hào)提取時(shí)域信息，與報(bào)警閥值作比較運(yùn)算，如果大于報(bào) 警閥值我們進(jìn)行報(bào)警，如果運(yùn)行正常，我們繼續(xù)檢測(cè)其振動(dòng)狀態(tài)，流程圖如下所 示：圖4.3.2-1烈度報(bào)警流程圖時(shí)域振動(dòng)的幅值往往能給我們以直觀的信息，簡(jiǎn)單而且使用，本功能模塊我 們實(shí)現(xiàn)

58、基于均方根值的烈度報(bào)警功能。 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。我們以上面流程圖的思路作為指導(dǎo)，我們打開NI LABVIEW軟件程序框圖， 在上一模塊濾波器后面，把濾波后的信號(hào)作為該模塊的初始信號(hào)，在“編程”里 面打開“信號(hào)處理”，打開“信號(hào)運(yùn)算”我們就可以找到積分函數(shù)，同樣是“信 號(hào)處理”，打開“波形測(cè)量”，我們可以找到“幅值和電平測(cè)量”控件，我們可以 從中選取一個(gè)，從“數(shù)學(xué)”中選擇“比較”，我們可以找到“大于”控件，點(diǎn)擊27接

59、線端，我們可以創(chuàng)建一個(gè)輸入控件，最后通過布爾報(bào)警指示燈進(jìn)行報(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。示意流程圖如下：圖4.3.2-2烈度報(bào)警流程圖有了程序，軟件便可以執(zhí)行，以便實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，為了用戶使用的靈活性 與更改被測(cè)量振動(dòng)源發(fā)生改變時(shí)，參數(shù)的變化，我們需要可以對(duì)報(bào)警閥值加以設(shè) 定的功能，如上面程序比較控件所創(chuàng)建的輸入控件，即為報(bào)警閥值輸入控件，在三軸振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中報(bào)警閥值在前面板設(shè)置如右圖所示：圖4.3.2-3報(bào)警閥值設(shè)置其功能的實(shí)現(xiàn)，即發(fā)生振動(dòng)異常進(jìn)行報(bào)警時(shí)，由前面板度報(bào)警指示燈完成，而在 本三軸振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之中，在前面板的顯示如圖所示，三個(gè)指示燈

60、被標(biāo)注分別對(duì) X軸方向、Y軸方向與Z軸方向的振動(dòng)烈度，當(dāng)振動(dòng)超出報(bào)警閥值時(shí)，可以單路 報(bào)警，如果兩路以上超出，則相應(yīng)報(bào)警。至此則完成烈度報(bào)警模塊。烈度報(bào)警X踣信號(hào)投警指示燈 V路信號(hào)投言旨亍燈I熱售號(hào)警指示匚圖4.3.2-4烈度報(bào)警指示燈28譜分析模塊上一模塊我們基于信號(hào)的時(shí)域特性，通過對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分獲得速度信 號(hào)，測(cè)得速度信號(hào)的周期均方根作為烈度報(bào)警的根據(jù)， 一句話總結(jié)起來就是時(shí)域 分析模塊。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。進(jìn)行頻譜分析，我們首先介紹一下常用的譜分析，所謂頻域分析是根據(jù)信號(hào) 的頻率來估計(jì)和分析信號(hào)的組成成份和特征量，對(duì)信號(hào)本身進(jìn)行