labview環(huán)境下基于聲卡的旋轉機械振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)【畢業(yè)設計】

1、<p><b>　?。?0_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p>　　Labview環(huán)境下基于聲卡的旋轉機械振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班

2、級 測控技術與儀器 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要&l

3、t;/b></p><p>　　本文將設計一個LabVIEW環(huán)境下基于聲卡的旋轉機械振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本人負責整個系統(tǒng)的硬件和信號采集存儲部分，即旋轉機械振動及故障信號的采集和存儲。本系統(tǒng)采用壓電傳感器拾取被測旋轉機械的振動信號，將旋轉機械振動信號轉換為模擬信號，利用聲卡作為信號采集設備，實現(xiàn)振動模擬信號與數(shù)字信號的相互轉換，并對信號進行數(shù)據(jù)存儲及處理，判斷有無故障產(chǎn)生。</p><

4、p>　　本設計的第一步是關于故障的形成和發(fā)展過程。轉子質(zhì)量不平衡、轉子動靜碰摩故障、不對中故障、軸承松動故障、油膜渦動與油膜振蕩故障等都是旋轉機械中常見的故障特征，本次設計主要針對其中幾項故障進行模擬試驗。接下來是關鍵的一步——數(shù)據(jù)采集。本次設計是對故障形成后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集，一般采用數(shù)據(jù)庫的方式。故障信息處理包括對故障信號的檢測和分析。本次設計中的故障信息處理即對旋轉機械振動信號的分析。</p><p&

5、gt;　　關鍵詞：LabVIEW，旋轉機械，振動信號，數(shù)據(jù)采集</p><p>　　Labview environment based on sound vibration signal of rotating machinery data acquisition system</p><p><b>　　Abstract</b></p><p&g

6、t;　　This article will design a LabVIEW environment based on sound vibration signal of rotating machinery data acquisition system.I am responsible for the entire system of hardware and signal acquisition and storage compo

7、nents, namely vibration and rotating machinery fault signal acquisition and storage.The system uses piezoelectric sensors pick up the measured vibration signal of rotating machinery.The rotating machinery vibration signa

8、ls are converted to analog signals.the use of sound as a signal </p><p>　　The first step in this design is about the failure of the formation and development process.Rotor unbalance, rotor rub fault movement

9、, not in failure, loose bearing failure, oil whirl and oil whip are all failures in rotating machinery fault characteristics common.This design make simulation test for several of the major fault.The next step is the key

10、 - Data Acquisition.This design collection data after the formation of fault data generated, commonly used database.Fault information including sig</p><p>　　Keywords: LabVIEW , Rotating Machinery , Vibration

11、 signal, Data Acquisition</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>

12、　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.1 設備故障診斷技術的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 虛擬儀器的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.3 聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡的研究現(xiàn)狀4</p>

13、<p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容5</p><p>　　2旋轉機械及其常見故障形式研究6</p><p>　　2.1旋轉機械振動的分類6</p><p>　　2.2旋轉機械常見故障特征7</p><p>　　2.2.1轉子質(zhì)量不平衡7</p><p>　　2.2.2轉子動靜碰摩故障8<

14、/p><p>　　2.2.3不對中故障8</p><p>　　2.2.4軸承松動故障9</p><p>　　2.2.5油膜振蕩10</p><p>　　2.2.6轉軸裂紋故障10</p><p>　　2.3本章小結12</p><p>　　3系統(tǒng)總體結構分析13</p>&

15、lt;p>　　3.1系統(tǒng)的工作原理13</p><p>　　3.2 系統(tǒng)硬件配置13</p><p>　　3.2.1 旋轉機械振動分析及故障診斷試驗平臺系統(tǒng)13</p><p>　　3.2.2 工控機16</p><p>　　3.2.3 采集卡的選用17</p><p>　　3.2.4 傳感器的選擇1

16、7</p><p>　　3.2.5信號調(diào)理器18</p><p>　　3.3 本章總結19</p><p>　　4軟件模塊的設計與實現(xiàn)20</p><p>　　4.1前面板設計20</p><p>　　4.1.1數(shù)據(jù)采集和保存模塊的實現(xiàn)20</p><p>　　4.1.2查找文件模塊的

17、實現(xiàn)21</p><p>　　4.2程序框圖設計21</p><p>　　4.2.1數(shù)據(jù)采集和保存程序設計21</p><p>　　4.2.2查找以保存文件程序設計22</p><p>　　4.3本章小結23</p><p><b>　　5系統(tǒng)測試24</b></p>&

18、lt;p>　　5.1功能驗證24</p><p>　　5.2數(shù)據(jù)采集24</p><p>　　5.2.1信號發(fā)生24</p><p>　　5.2.2正常轉軸數(shù)據(jù)采集25</p><p>　　5.2.3外圈故障數(shù)據(jù)采集25</p><p>　　5.2.4內(nèi)圈故障數(shù)據(jù)采集26</p><

19、;p>　　5.2.5滾珠體故障數(shù)據(jù)采集27</p><p>　　5.3查找功能28</p><p>　　5.4本章小結29</p><p><b>　　結論30</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書

20、簽。</p><p><b>　　附錄32</b></p><p>　　附錄圖1 前面板操作主界面32</p><p>　　附錄圖2 程序框圖32</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b>&

21、lt;/p><p>　　旋轉機械是工業(yè)應用最廣泛的機械，很多旋轉機械設備是眾多行業(yè)的關鍵設備，這些設備一旦發(fā)生故障，將造成巨大的經(jīng)濟損失。而轉子是旋轉機械最重要的部分，轉子的振動信號是旋轉機械是否正常工作的一個重要的信息。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了減少設備故障造成的損失，要加強對轉子運行狀態(tài)的監(jiān)測和診斷分析。目前，國內(nèi)外很多企業(yè)都為大型轉子配備了監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，但大多數(shù)由硬件實現(xiàn)，系統(tǒng)不易更新。LabVIEW作為一

22、種虛擬儀器開發(fā)平臺，它在航空、航天、通信等眾多領域都得到廣泛的應用。從經(jīng)濟效益和實用性的角度考慮，采用虛擬儀器技術對工業(yè)生產(chǎn)過程中的旋轉機械設備進行在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析是很好的選擇。利用LabVIEW編程環(huán)境開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以同時采集多個振動信號，使整個操作簡單靈活且運行可靠。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生

23、產(chǎn)的發(fā)展,旋轉機械故障診斷技術作為一項重要的設備診斷技術也日益發(fā)展。它是研究設備停機時基本不拆卸的情況下或設備運行中，判定設備故障的部位、狀態(tài)、原因和嚴重程度，預測設備可靠性和壽命，并提出解決方案的技術。其研究的內(nèi)容涉及信號處理技術、模式識別、電子技術、現(xiàn)代控制理論、人工智能、計算機科學、統(tǒng)計數(shù)學、模糊數(shù)學、灰色系統(tǒng)理論等多方面的內(nèi)容。對旋轉機械進行診斷包括對設備的性能進行診斷和對設備的故障進行診斷兩方面內(nèi)容。</p>&

24、lt;p>　　旋轉機械作為重要工業(yè)生產(chǎn)設備,它的正常運行對工業(yè)生產(chǎn)的效益有著重要影響。因此，需要對這些設備運行時進行監(jiān)測和故障分析及診斷。比較好的方法是通過故障診斷系統(tǒng)對旋轉機械進行振動信號的監(jiān)測和分析，因為旋轉機械大部分的故障征兆都包含在其振動信號中。通過對振動信號的分析可以判斷設備是否正常運行，是否有潛在的故障存在，預測故障的發(fā)展趨勢，為設備的正常運行提供保障。</p><p>　　轉子組件是旋轉機械的

25、核心部分，它由轉軸及固定在其上的各類圓盤狀零件組成。由于機械運作時整個轉子處于高速旋轉狀態(tài)，如果其中某個零件或者在某個連接部位出了問題，都可能會導致機組的強烈振動，進而導致機組的損壞。因此轉子組件的制造、安裝、調(diào)試和維護管理等各方面都是有很高的要求的。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程[1]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機（或微處理器）的測量軟硬件產(chǎn)品

26、來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務是將被測對象的各種參數(shù)做A/D轉換后送入計算機，并對采集到的信號做相應的處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為軟件和硬件兩部分。數(shù)據(jù)采集軟件通常根據(jù)用戶的要求進行編寫，選擇好的開發(fā)平臺可以起到事半功倍的效果。</p><p>　　在閱讀了大量文獻并進行分析的基礎上,發(fā)現(xiàn)對聲卡和虛擬技術的研究主要側重于實現(xiàn)信號的采集、顯示、存儲

27、以及后期針對特殊應用進行的分析處，而對于基于聲卡的虛擬儀器的具體性能并沒有進行詳細的測試分析。</p><p>　　LabVIEW是一個較好的圖形化開發(fā)環(huán)境。隨著計算機技術和虛擬儀器技術的發(fā)展，虛擬儀器逐漸成為現(xiàn)代儀器的發(fā)展方向，其中大部分虛擬儀器都是基于各種數(shù)據(jù)采集卡，如NI公司的Lab-PC-1200數(shù)據(jù)采集卡，研華公司的PCL-1800型數(shù)據(jù)采集卡。在對采樣頻率要求不高的情況下，可以利用計算機的聲卡進行數(shù)據(jù)

28、的輸入和輸出。聲卡是一種非常優(yōu)秀的音頻信號采集系統(tǒng)，其數(shù)字信號處理器包括模數(shù)變換器ADC和數(shù)模變換器DAC。ADC用于采集音頻信號，DAC則用于重現(xiàn)這些數(shù)字聲音。聲卡已成為多媒體計算機的一個標準配置，因此基于聲卡的虛擬儀器具有成本低、兼容性好、通用性和靈活性強的優(yōu)點，可以不受硬件限制，安裝在多臺計算機上[2]。</p><p>　　在利用專家系統(tǒng)技術對機械設備進行故障診斷的過程中，故障征兆的提取是非常重要的環(huán)節(jié)之

29、一[3]。</p><p>　　1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 設備故障診斷技術的研究現(xiàn)狀</p><p>　　近幾十年來各國都在大力開展有關設備故障診斷技術的研究，并已取得了顯著的成效，獲得了巨大的經(jīng)濟效益。為了掌握故障的形成和發(fā)展過程，必須研究故障機理，從而了解設備故障的內(nèi)在本質(zhì)及其特征，建立合理的故障模式。依賴相關的基礎學科，建立相應的數(shù)

30、學或物理模型，進行計算機仿真實驗，這種研究方法是設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基礎[4]。</p><p>　　在旋轉機械方面，美國Sohre·J·S在1968年發(fā)表論文“高速渦輪機械運行問題(故障)的起因和治理”[5]，他將典型故障歸納為9類37種，對旋轉機械的典型故障征兆和原因進行了全面的歸納和描述。該項研究成果已被廣泛應用于高速旋轉機械故障診斷中。</p><p>　　

31、自60、70年代以來，日本的白木萬博發(fā)表了大量關于故障診斷方面的文章，總結了豐富的現(xiàn)場故障經(jīng)驗并進行了理論分析[6]。汽輪發(fā)電機組轉子振動故障的分類沒有統(tǒng)一的模式，白木萬博的分類法將振動原因分成20類，由此建立病癥隸屬度與振動故障之間的關系矩陣，他提出將聲發(fā)射信號與振動信號同時輸入一個儀表的方案，在汽輪機故障監(jiān)測和診斷方面起到了有效的作用。 美國Bently公司的轉子動力學研究所對轉子和軸承系統(tǒng)典型故障機理進行了大量試驗研究，

32、發(fā)表了不少論文[7]。它對旋轉機械故障診斷機理和轉子動力學方面進行了細致的研究。該公司開發(fā)的旋轉機械故障診斷系統(tǒng)（ADR3）得到了很多用戶的歡迎，應用狀況良好。 </p><p>　　我國在故障診斷技術方面的研究起步較晚，但是發(fā)展很快?？傮w來說，經(jīng)歷了兩個階段：第一階段是從70年代末到80年代初，在這個階段內(nèi)主要是吸收國外先進技術，并對一些故障機理和診斷方法展開研究；第二階段是從80年代初期到現(xiàn)在，在這一階段，機

33、械設備的故障診斷研究才正式全方位的展開，人工智能等先進技術的引入大大推動了診斷技術的研制和實施，取得了豐碩的研究成果。中國機械工程學會設備維修分會在南京首次召開的設備故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測研討會標志著我國診斷技術的研究進入了一個新的發(fā)展階段。隨后又成立了一些與汽輪機故障診斷相關的行業(yè)協(xié)會和學術團體，主要有：中國機械工程學會設備維修分會、中國設備管理協(xié)會設備診斷技術委員會、中國振動工程學會故障診斷學會及其旋轉機械專業(yè)學組等。這期間，國際國內(nèi)學

34、術交流頻繁，對于基礎理論和故障機理的研究十分活躍，并研制出了我國自己的在線監(jiān)測與故障診斷裝置。“八五”期間研究大容量火電機組監(jiān)測診斷系統(tǒng)的過程中，應用了各種先進技術，加快了研究步伐，縮小了與世界先進水平的差距。</p><p>　　國內(nèi)對于旋轉機械各種典型故障進行了十分詳盡的研究，在實際工程診斷中獲得了廣泛的應用[8]。上海汽輪機廠研究所經(jīng)過多年的實驗和研究，推出了四套旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件配

35、置上做了較多的工作。華北電力學院對汽輪發(fā)電機組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)進行了研究，以模擬轉子試驗臺作為信號源。上海交通大學研制了一種熱力參數(shù)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)TPD，該系統(tǒng)可以提高運行可靠性、優(yōu)化運行方案、提高運行效率、延長運行壽命。東南大學對遠程分布式故障診斷網(wǎng)絡系統(tǒng)和集成智能故障診斷系統(tǒng)進行了研究。哈爾濱工業(yè)大學對診斷系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集到原型機理論作了很多研究，并推出了代表性的診斷系統(tǒng)MMMD[9]。</p><p&g

36、t;　　1.3.2 虛擬儀器的研究現(xiàn)狀</p><p>　　虛擬儀器是計算機、通信、微電子等現(xiàn)代科學技術高速發(fā)展的產(chǎn)物。自從1785年庫侖發(fā)明靜電扭秤，1834年哈里斯提出靜電電表結構以來，測量理論方法得到改進，儀器儀表元器件質(zhì)量得到提高，電測儀表和電子儀器隨著這些相關技術的進步得到飛速發(fā)展。</p><p>　　虛擬儀器的核心思想是利用計算機強大的資源使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化, 以

37、便最大限度的降低系統(tǒng)成本, 同時提高系統(tǒng)的靈活性。在虛擬儀器系統(tǒng)中, 信號的輸入環(huán)節(jié)一般采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。商用的數(shù)據(jù)采集卡具有完整的數(shù)據(jù)采集電路和計算機接口電路, 但一般比較昂貴。計算機自帶聲卡是一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它具有A/D和D/A轉換功能, 不僅價格低廉, 而且兼容性好、性能穩(wěn)定、通用性強, 軟件特別是驅(qū)動程序升級方便[9]。如被測對象的頻率在音頻范圍內(nèi), 同時對采樣頻率要求不是太高, 則可考慮利用聲卡構建一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

38、最近, 已有較多的學者將計算機聲卡和虛擬技術相結合, 進行了探索研究, 并將其應用到許多方面。受聲卡的最高采樣頻率所限制, 該項技術較多地應用于聲場信號的處理、噪聲信號測試、齒輪故障測試、心電信號的采集分析等信號頻率不是過高的場合[11]。</p><p>　　1997年美國NI公司推出了一種新的儀器總線標準PXI總線標準。制定PXI規(guī)范后，形成了虛擬儀器測試平臺。因為PC的性價比優(yōu)勢與PCI總線面向儀器領域的必

39、要擴展相應的結合起來了。按PXI總線標準制成的PXI儀器相比VXI儀器具有更過優(yōu)勢，它便于組成便攜式測試系統(tǒng)、成本低。虛擬儀器就是這些PC儀器或VXI儀器，它們以PC為核心、由測量功能軟件支持，并具有一定儀器硬件、通信能力和虛擬控制面板[12]。</p><p>　　1.3.3 聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡的研究現(xiàn)狀</p><p>　　在工業(yè)過程中的數(shù)據(jù)可以以一種有用的形式被程序所使用，用來構建監(jiān)

40、測和軟傳感器的應用之前，大量的數(shù)據(jù)需進行預處理[13]。聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，其A/D轉換功能已熟，而且計算機無需添加額外配件便能完成采集功，具有價格低廉、采樣精度高，可以構成一個較高采樣精度、中等采樣頻、靈活性好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[14]。尤其是聲卡與虛擬儀器相結合的信號采集技術具有廣闊的應用前景。聲卡是用DMA方式進行數(shù)據(jù)傳送的介質(zhì)，能極大地降低對CPU的占用率。</p><p>　　基于計算機聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集

41、系統(tǒng)具有以下特點：</p><p>　　（1）價格低廉。聲卡作為數(shù)據(jù)采集使用時，主要使用其模數(shù)轉換芯片。聲卡的價格主要取決于數(shù)字處理芯片的性能好壞。而較低價格的聲卡就可滿足數(shù)據(jù)采集使用。</p><p>　?。?）頻率范圍較窄，不易測直流電壓。受聲卡硬件條件限制，輸入頻率在0.03～10kHZ范圍之內(nèi)才能得到較好的波形和較高的精度，這也就限制了它的應用范圍。</p><

42、p>　　（3）靈活性強。用戶可以通過界面方便地進行各種操作控制，也可將采集到的數(shù)據(jù)存儲到磁盤，為實驗研究提供數(shù)據(jù)。在CPU運行速度足夠快是，還可以對數(shù)據(jù)進行其他的實時操作，如求動態(tài)顯示波形的頻譜和功率譜、波形的方均根等。</p><p>　?。?）特殊情況下可能需要信號調(diào)理。在一些特殊需要情況下，須外加調(diào)理電路。比如對一些弱信號需要進行放大、去噪處理；而對于一些強度較強的信號則要適當?shù)剡M行衰減。這是由于聲卡

43、具有較大的增益。但是聲卡價格低廉，在LabVIEW環(huán)境下，構成一個中等采樣頻率、較高采樣精度、多通道且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對于某些應用領域是一種很好的選擇[15]。</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　基于以上的論述，本文將設計一個LabVIEW環(huán)境下基于聲卡的旋轉機械振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本人負責整個系統(tǒng)的硬件和信號采集存儲部分，即旋轉機械振動及故

44、障信號的采集和存儲。</p><p>　　本系統(tǒng)采用壓電傳感器拾取被測旋轉機械的振動信號，將旋轉機械振動信號轉換為模擬信號，利用聲卡作為信號采集設備，實現(xiàn)振動模擬信號與數(shù)字信號的相互轉換，并對信號進行數(shù)據(jù)存儲及處理，判斷有無故障產(chǎn)生。</p><p>　　本設計的第一步是關于故障的形成和發(fā)展過程，在查閱了相關資料后，了解到需要清楚設備故障的內(nèi)在本質(zhì)和特性，才能建立合理的故障模式。轉子質(zhì)量不

45、平衡、轉子動靜碰摩故障、不對中故障、軸承松動故障、油膜渦動與油膜振蕩故障等都是旋轉機械中常見的故障特征，本次設計主要針對其中幾項故障進行模擬試驗。</p><p>　　接下來是關鍵的一步——數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是信號分析與處理的一個重要環(huán)節(jié)，在許多工業(yè)控制和生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控中，都需要對各種物理量進行數(shù)據(jù)采集與分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務是將被測對象的各種參數(shù)做A/D轉換后送入計算機，并對采集到的信號做相應的處理。本次設

46、計是對故障形成后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集，一般采用數(shù)據(jù)庫的方式。</p><p>　　故障信息處理包括對故障信號的檢測和分析。相關資料顯示這類系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)、采樣控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及打印輸出系統(tǒng)，并配有豐富的監(jiān)測與診斷軟件，它可存儲大量運行數(shù)據(jù)，以備分析診斷用。本次設計中的故障信息處理即對旋轉機械振動信號的分析。</p><p>　　2旋轉機械及其常見故障形式研究<

47、;/p><p>　　旋轉機械是指主要功能由旋轉運動來完成的機械，如汽輪機、電動機、發(fā)電機、燃氣輪機、離心式壓縮機泵、離心式鼓風機、真空泵以及各種減速增速的齒輪傳動裝置等機械設備，都事旋轉機械的范圍。旋轉機械是機械設備中數(shù)量最多、應用面最廣的機械設備之一，它具有一定的代表性。旋轉機械在機械、電力、冶金、石化、航空、核工業(yè)等行業(yè)，都有著舉足輕重的重要地位。</p><p>　　轉子是旋轉機械最重要

48、的部分。機器在運行過程中有時會有振動，這是由很多原因引起的，比如安裝調(diào)試、運行操作、維護檢修等多方面的原因，甚至是結構及零部件設計加工方面的失誤。振動類型有很多種，可分為軸向振動、徑向振動和扭轉振動三類，造成機器損壞的主要原因一般是過大的徑向振動引起的。徑向振動是故障信息的主要參數(shù)和故障診斷的主要依據(jù)。</p><p>　　旋轉機械發(fā)生故障的重要特征是機器伴有異常的振動和噪聲，其振動信號從幅值域、時域和頻域反映機

49、器的故障信息。因此，了解和掌握旋轉機械在故障狀態(tài)下的振動機理，對于機器的運行有重要的實際工程應用價值。</p><p>　　2.1旋轉機械振動的分類</p><p>　　振動故障是旋轉機械的主要故障表現(xiàn)形式，根據(jù)不同的分類方法，各種振動可分為：</p><p>　　1）．按振動頻率分類</p><p><b>　?。?）基頻振動；&

50、lt;/b></p><p>　?。?）頻率與基頻成一定比例關系（例如38％～49％）的振動；</p><p>　　（3）頻率為基頻的整分數(shù)（如1/2，1/3 等）的振動；</p><p>　?。?）倍頻振動，例如，2倍頻、3倍頻振動等；</p><p>　　（5）超低頻振動，即振動頻率在5Hz 以下；</p><p

51、>　?。?）超高頻振動，振動頻率在10kHz 以上。</p><p>　　2）．按振動原因分類</p><p>　　（1）不對中的軸系引起的振動；</p><p>　　（2）轉子不平衡所引起的振動；</p><p>　?。?）機器零部件松動所引起的振動；</p><p>　?。?）滑動軸承與軸頸偏心所引起的振動；

52、</p><p>　　（5）滑動軸承油膜振蕩和油膜渦動所引起的振動；</p><p>　?。?）滾動軸承損壞所引起的振動；</p><p>　　（7）摩擦所引起的振動；</p><p>　?。?）軸承座剛度不對稱所引起的振動；</p><p>　　（9）空氣動力和水力等因素所引起的振動；</p><

53、p>　　3）．按振幅方位分類</p><p>　　（1）軸向振動，即沿軸伐方向的振動；</p><p>　?。?）徑（橫）向振動，即沿轉軸截面直徑方向的振動，一般又分為水平振動和垂直振動。</p><p>　?。?）扭轉振動，即沿轉軸旋轉方向的振動。</p><p>　　4）．按振動發(fā)生的部位分類</p><p>

54、;　?。?）軸承振動，包括油膜滾動軸承和滑動軸承；</p><p>　?。?）轉子或軸系振動，包括軸端紋葉片、軸頸等；</p><p>　?。?）基礎振動，包括工作臺、支架或機座等；</p><p>　?。?）軸承座、殼體振動；</p><p>　?。?）其他振動，如閥桿、閥門或各種管道結構振動等。</p><p>　

55、　此外，按振動的特征和形式，可分出同步振動（強迫振動）和亞同步振動（自激振動）等。因振動而引起的故障及其表現(xiàn)形式是多種多樣的，必須借助各種現(xiàn)代化的方法和技術對其進行全面的綜合分析并根據(jù)具體情況逐步積累經(jīng)驗，只有這樣，才能取得故障診斷的成功。因此對旋轉機械的故障特點必須進行研究。</p><p>　　2.2旋轉機械常見故障特征</p><p>　　由于轉子是旋轉機械最重要的部分，大部分的故障

56、診斷都是針對轉子的。常見的故障形式有轉子質(zhì)量不平衡、動靜件碰摩、不對中、轉子支撐部件松動、油膜振蕩、轉軸裂紋等。</p><p>　　2.2.1轉子質(zhì)量不平衡</p><p>　　轉子質(zhì)量不平衡是旋轉機械最為常見的故障，造成轉子質(zhì)量不平衡的原因很多，如原始質(zhì)量不平衡、旋轉部件脫落、轉子材質(zhì)不均勻，制造、安裝誤差及運行因素導致的轉子熱彎曲等。</p><p>　　各種

57、力綜合作用于旋轉件上后形成了旋轉機械的振動。傳動軸不平衡時，其不平衡能量力在其軸頻的倍頻、半頻處表現(xiàn)明顯。而當旋轉機械不平衡時，在其基頻處會出現(xiàn)相應的振動幅值。傳動軸以一定的角度，每轉一圈速度變化兩次，其綜合能量分別在基頻、半頻、倍頻處表現(xiàn)明顯。</p><p>　　轉子不平衡一般包括如下四種情況：</p><p><b>　　（1）靜不平衡；</b></p&g

58、t;<p><b>　?。?）雙面不平衡；</b></p><p><b>　?。?）靜動不平衡；</b></p><p>　?。?）動不平衡。如圖2-1 所示</p><p>　　圖2-1 轉子不平衡的四種情況</p><p>　　（a）靜不平衡 （b）雙面不平衡 （c）靜動不平衡

59、（d）動不平衡</p><p>　　2.2.2轉子動靜碰摩故障</p><p>　　旋轉機械在運行過程中，由于裝配不良、子不平衡量過大、軸彎曲、零部缺陷或機械松動等原因，動靜件之間會發(fā)生碰撞，即碰摩故障。碰摩是旋轉機械的常見故障之一。</p><p><b>　　其故障特征如下：</b></p><p>　?。?）轉子失

60、穩(wěn)前軸心軌跡變化不規(guī)則，頻譜豐富，波形畸變；</p><p>　?。?）轉子失穩(wěn)后軸心軌跡發(fā)散，波形變形嚴重，甚至發(fā)生削波；</p><p>　?。?）碰摩嚴重時，各頻率成分幅值增大迅速；</p><p>　　（4）輕微摩擦時軸心軌跡呈小圓環(huán)狀，同頻幅值波動；</p><p>　?。?）工作轉速下發(fā)生的輕微摩擦振動，其振幅隨時間緩慢變化，幅值

61、變化也相對比較平緩。</p><p>　　2.2.3不對中故障</p><p>　　由于機器的安裝誤差等原因，可能會造成機器工作時各轉子軸線之間的不對中。具有不對中故障的轉子系統(tǒng)在其運行過程中將產(chǎn)生一系列有害設備的動態(tài)效應，如引起軸承早期損壞、機器聯(lián)軸器偏轉、油膜失穩(wěn)和軸彎曲變形等，從而導致機器發(fā)生異常振動，危害非常大。轉子不對中一般是指兩個相鄰轉子之間的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移。轉

62、子不對中可分為軸承不對中和聯(lián)軸器不對中，聯(lián)軸器不對中又可分為平行不對中、偏角不對中和平行偏角不對中三種，如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 軸系不對中的三種情況</p><p>　　不對中的典型特征如下：</p><p>　　（1）轉子徑向振動以一倍頻為主，但是會出現(xiàn)二倍頻分量，不對中越嚴重，二倍頻所占比重就越大；</p><p>

63、;　?。?）軸心軌跡呈典型的香蕉形；</p><p>　?。?）相鄰兩個軸承之間的油膜壓力反方向變化，一個油膜壓力變小，而另一個變大；</p><p>　　（4）軸承不對中時徑向振動較大，可能會引起高次諧波，振動不穩(wěn)定；</p><p>　?。?）聯(lián)軸器不對中時軸向振動較大，主要為一倍頻，振動的相位和幅值都比較穩(wěn)定；</p><p>　?。?

64、）當負荷改變時，由聯(lián)軸器傳遞的扭矩會立即發(fā)生改變，如果聯(lián)軸器不對中，則轉子的振動狀態(tài)也立即發(fā)生變化。</p><p>　　轉子不對中時，軸承所受的附加力、轉子受力都與聯(lián)軸器所傳遞的轉矩成正比，即由于轉子不對中而造成的異常振動隨機器負荷的增加而增大。轉子的狀態(tài)與機器的基礎變形、熱膨脹不均勻及環(huán)境溫度的變化等因素密切相關。</p><p>　　2.2.4軸承松動故障</p>&l

65、t;p>　　轉子支承部件松動是指系統(tǒng)結合面存在間隙或連接剛度不足，造成機械阻尼偏低、機組運行振動過大的一種故障。由于存在松動、不對中或者極小的不平衡都會引起支承系統(tǒng)產(chǎn)生很大的振動。</p><p>　　當有故障發(fā)生時，一般在幅值域的變化趨勢為峰值增大；時域診斷中，觀察波形的畸變程度，軸心軌跡的形狀和進動方向，可以說時域波形包含了豐富的設備狀態(tài)信息；頻域分析時，主要觀察固有頻率及其倍頻成分。而設備的復雜性會增

66、加故障診斷的難度，因此，除了采用傳統(tǒng)的分析方法，也需要采用現(xiàn)代信號處理方法，如時頻分析等。</p><p><b>　　2.2.5油膜振蕩</b></p><p>　　油膜振蕩是一種自激振動現(xiàn)象，其發(fā)生是由于軸頸帶動潤滑油高速流動，而高速油流反過來激勵軸頸，產(chǎn)生強烈振動。轉子運轉穩(wěn)定時，頸在軸承內(nèi)僅繞其中心高速旋轉。但失穩(wěn)狀態(tài)下，軸頸繞軸頸中心高速旋轉的同時，軸頸心本

67、身將繞平衡點渦動或甩轉，產(chǎn)生半速渦動（渦動率一般大約為轉軸轉動角速度的一半）。在轉軸的臨界轉速比較低時，渦頻率可能與轉軸的某一臨界轉速相等，此時其動振幅將被共振放大，產(chǎn)生強烈的振動，稱為油膜振蕩。</p><p>　　油膜振蕩典型特征如下：</p><p>　?。?）油膜振蕩的發(fā)生，需要轉速高于轉子系統(tǒng)一階臨界轉速的兩倍以上，頻率接近轉子的一階臨界轉速，即使轉速再升高，其頻率也基本不變；&

68、lt;/p><p>　　（2）其發(fā)生和消失具有突然性，并具有慣性效應。</p><p>　?。?）振動的波形發(fā)生畸變，在工頻的基波上疊加了低頻成分；</p><p>　　2.2.6轉軸裂紋故障</p><p>　　產(chǎn)生軸裂紋的原因很多，如多種因素造成的應力集中，復雜的受力狀態(tài)等。轉軸裂紋對振動響應不夠敏感，很有可能發(fā)展為斷軸事故，危害極大。不過在

69、現(xiàn)場實際中，這種類型的故障比較少見。事實上，當旋轉機械發(fā)生這種故障時，常表現(xiàn)為兩種或多種故障的耦合。</p><p>　　轉子裂紋分為三種方式：</p><p><b>　　（1）開裂紋。</b></p><p>　　當轉子旋轉時，裂紋區(qū)總是處于受拉應力的狀態(tài)，因此裂紋始終處于張開狀態(tài)。開裂紋會降低轉子的剛度，且使其剛度各向不同性，從而使振動加

70、大。</p><p><b>　　（2）閉裂紋。</b></p><p>　　閉裂紋的受力情況正好與開裂紋相反。轉子旋轉時，裂紋區(qū)始終處于壓應力狀態(tài)，裂紋始終呈閉合狀態(tài)。閉裂紋對轉子的推力影響不大的幾種情況為：轉子重量不大、不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的彎矩大于轉子質(zhì)量產(chǎn)生的彎矩、不平衡力較小或不平衡力正好指向裂紋的對側等。</p><p><b>

71、;　?。?）開閉裂紋。</b></p><p>　　開閉裂紋是屬于上述開裂紋和閉裂紋的中間過渡狀態(tài)，是最為復雜的形態(tài)。隨轉子的旋轉運動，裂紋呈開、閉交替狀態(tài)，一般情況下轉子每轉一周，裂紋就會相應張開、閉合各一次。圖2-3為具有開閉裂紋的轉子的撓度變化曲線示意圖。</p><p>　　圖2-3 開閉裂紋的轉子的撓度變化曲線示意圖</p><p>　　轉子裂

72、紋對轉子的振動特性的影響在大多數(shù)情況下不是十分敏感，即使轉子上的裂紋已經(jīng)很深，有時后振動狀況也不會發(fā)生明顯的變化。例如，根據(jù)理論計算，若在轉子中部出現(xiàn)一裂紋，其深度為1/4 轉子直徑，那么轉子剛度變化僅為10％左右，而臨界轉速的變化更小，僅為5％。因此，這些變化將很可能被完全淹沒在其他信號之中，也就是說，在正常運轉時根據(jù)振動的變化或通過觀察轉子固有頻率的變化來發(fā)現(xiàn)早期裂紋是比較難的。</p><p>　　裂紋故障

73、特征有如下幾點：</p><p>　?。?）各階臨界轉速與正常時相比較??；</p><p>　　（2）強迫響應狀態(tài)下的裂紋轉子軸系，一次分量的分散度比無裂紋時大；</p><p>　?。?）裂紋引起轉子剛度不對稱，導致轉子無法實現(xiàn)動平衡。</p><p><b>　　2.3本章小結</b></p><

74、p>　　本章首先介紹了旋轉機械的概念；然后從振動頻率、振動原因、振幅方位和振動部位等方面對旋轉機械振動進行分類；最后介紹了旋轉機械常見的幾種故障特征，為實驗中設置機械故障提供理論基礎。</p><p><b>　　3系統(tǒng)總體結構分析</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　系統(tǒng)的工作原理：采用計算機聲卡來代替

75、工業(yè)用的數(shù)據(jù)采集卡，應用基于圖形化的編程語言LabVIEW開發(fā)一個振動信號采集系統(tǒng)實現(xiàn)振動信號的采集，該方法實現(xiàn)簡單、性價比高。生成的采集軟件交互性好，操作方便，并且可以根據(jù)用戶的需求進行功能擴充，為低成本下構建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種思路。</p><p>　　隨著現(xiàn)代旋轉機械轉速的不斷提高，對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求也就隨之增加。根據(jù)耐奎斯特采樣定理，為不至于產(chǎn)生波形失真，采樣頻率應為信號最高頻率的兩倍以上。振動測

76、試中，一般情況下采樣頻率要求為系統(tǒng)最高估計頻率的5～10倍以上，這樣可以保證信號的完整性和準確性。因此，對于轉速在0～10000轉/分的轉子及旋轉轉機械，其采樣頻率要求在0～50kHz以上。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)硬件配置</p><p>　　硬件平臺是虛擬儀器的物理基礎，為了完成虛擬儀器的設計，首先要選擇合理的硬件平臺。本系統(tǒng)主要有三部分組成：PC機、數(shù)據(jù)采集卡和傳感器，此外還

77、配備了信號調(diào)理儀器。系統(tǒng)的硬件結構如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 硬件結構圖</p><p>　　3.2.1 旋轉機械振動分析及故障診斷試驗平臺系統(tǒng)</p><p>　　QPZZ-II系統(tǒng)由變速驅(qū)動電機、軸承、齒輪箱、軸、偏重轉盤（2只）、調(diào)速器等組成，如圖3-2所示。通過調(diào)節(jié)配重，調(diào)節(jié)部分的安裝位置以及組件的有機組合快速模擬各種故障。該系統(tǒng)的機械部

78、分還包括被測的部件有：有缺陷的軸承（外圈、內(nèi)圈、滾珠缺陷）；三只備件齒輪；旋轉圓盤的配重塊（在圓盤的圓周邊緣每隔10度開一螺孔，用于固定和調(diào)平衡用的配重塊）。</p><p>　　圖3-2 旋轉機械振動及故障模擬實驗平臺</p><p>　　QPZZ-II系統(tǒng)可快速模擬旋轉機械多種狀態(tài)及振動，可以進行各種狀態(tài)對比分析、診斷；特別是各種齒輪軸不對中模擬試驗方法屬世界首創(chuàng)，系統(tǒng)廣泛應用在高校、

79、工礦、科研院所的科研、教學、產(chǎn)品開發(fā)以及人員培訓等。</p><p>　　（1）滾動軸承故障模擬：</p><p>　　可方便的將被測部分的軸承更換成有缺陷的軸承?？赡M的故障有：軸承內(nèi)圈損傷、外圈損傷、滾珠損傷，軸承安裝不良，軸承與軸承座之間的松動,如圖3-3所示。</p><p><b>　?。╝） 內(nèi)圈故障</b></p>

80、<p><b>　　（b） 外圈故障</b></p><p><b>　?。╟） 滾珠體故障</b></p><p>　　圖3-3 滾動軸承故障 </p><p>　　（2）齒輪故障模擬：</p><p>　　通過更換有缺陷的齒輪，可模擬的故障視加工而定。&l

81、t;/p><p>　?。?）軸系故障模擬：</p><p>　　通過調(diào)整軸上旋轉圓盤上的平衡重量，可以模擬軸不平衡（單面、雙面）缺陷，調(diào)整軸座底盤的安裝位置可以模擬軸安裝不對中缺陷。</p><p>　?。?）可變速模擬在不同速度條件下的故障特征，變速范圍為75～1450Rpm。</p><p><b>　　3.2.2 工控機</

82、b></p><p>　　工控機（Industrial Personal Computer—IPC）是加固增強型的一種個人計算機，工控機可以作為一個工業(yè)控制器并在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。工控機通俗來說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設計的一種計算機。早在上世紀80年代初期，美國AD公司就已經(jīng)推出類似IPC的MAC-150工控機，其后美國IBM公司正式推出了工業(yè)個人計算機IBM7532。由于IPC性能可靠，軟件豐富，并且價格

83、低廉，因此在工控機中異軍突起，后來應用日趨廣泛。工控機如圖3-4所示。</p><p><b>　　圖3-4 工控機</b></p><p><b>　　IPC的技術特點：</b></p><p>　?。?）機箱為全鋼化工業(yè)機箱，符合“EIA”標準，能增強抗電磁干擾能力。</p><p>　?。?）

84、機箱內(nèi)裝有雙風扇和濾塵網(wǎng)，實現(xiàn)正壓對流排風和防塵。</p><p>　?。?）采用總線結構和模塊化設計技術，CPU和各功能模塊的插板式結構可提高抗振能力。</p><p>　　（4）電源和鍵盤都有電子鎖開關，防止非法開、關機或者非法輸入等。</p><p>　　（5）使用工業(yè)電源，有過壓、過流保護，可靠性高。</p><p>　　（6）可選配

85、I/O模板；</p><p>　?。?）擁有PC機的全部功能，開放性和兼容性好，可以直接運行PC機的各種應用軟件。</p><p>　?。?）具有自診斷功能；</p><p>　?。?）因故障死機時，“看門狗”定時器可自動復位，無需人為干預；</p><p>　?。?0）可通過實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務的調(diào)度和運行。</p><

86、;p>　　工業(yè)控制軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、工控應用軟件以及應用軟件開發(fā)環(huán)境三大部分。其中系統(tǒng)軟件是其他兩方面的基礎核心。工控應用軟件主要根據(jù)用戶工業(yè)控制和管理的需求而生成的，因而具有專用性。從工控軟件系統(tǒng)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀看，工控軟件系統(tǒng)應具有以下5大主要特性： </p><p>　?。?）開放性?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)和工程設計中一個非常重要的指標。開放性有助于各種系統(tǒng)中的互連及兼容，有利于設計、建立和應用為一體的工業(yè)

87、思路的形成和實現(xiàn)。為了使其具有良好的開放性，因此必須選擇開放式的體系結構、工業(yè)軟件和軟件環(huán)境。 </p><p>　?。?）實時性。工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要特性之一就是實時性，所以相應的要求工控軟件系統(tǒng)應該具有較強實時性的功能。 </p><p>　　（3）多任務和多線程性?，F(xiàn)代工業(yè)中已不再僅僅是單任務線，而更多的是多個任務同時進行。</p><p>　?。?）網(wǎng)絡集成

88、化。這是工業(yè)過程控制和管理趨勢。 </p><p>　?。?）人機界面更加友好。包括像菜單驅(qū)動所帶來的便利操作，以及設計和應用中的人機界面。 </p><p>　　3.2.3 采集卡的選用</p><p>　　數(shù)據(jù)采集卡的任務是把模擬信號轉換成數(shù)字信號，形成計算機能夠處理的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代計算機的聲卡與普通數(shù)據(jù)采集卡相似，都具備A/D、D/A 轉換功能，并且要比一般12位

89、數(shù)據(jù)采集卡的精度高，其功能相當于一塊工作于一定音頻范圍內(nèi)的16位雙通道數(shù)據(jù)采集卡，一般來說可以滿足大部分科學實驗和工程測量的要求。但是，因為聲卡輸入端口LINE IN和MIC IN內(nèi)部都有隔直電容，對于20 Hz以下的低頻信號衰減較為嚴重，因此要得到較好的波形，輸入信號的頻率最好在100 Hz～15 kHz范圍內(nèi)。由于聲卡是計算機的標準配置，有成熟的驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)配合，因此無需考慮軟硬件方面的兼容問題，在跨操作系統(tǒng)平臺時也不存在程序

90、的移植問題。普通計算機自帶的聲卡都可以滿足采集的要求，因此本系統(tǒng)采用計算機內(nèi)置聲卡代替數(shù)據(jù)采集卡。</p><p>　　3.2.4 傳感器的選擇</p><p>　　傳感器是感受物體運動并將物體的運動轉換成模擬電信號的一種靈敏的轉換元件。振動傳感器(Sensor)是能采集旋轉機械所產(chǎn)生的振動信號，按一定的規(guī)律將振動信號轉換為與其對應的另一種物理量或信號并輸出的裝置，是實現(xiàn)大型旋轉機械狀態(tài)監(jiān)

91、測的重要環(huán)節(jié)，如果沒有振動傳感器對原始振動信號進行準確的捕獲與轉換，旋轉機械的狀態(tài)監(jiān)測就不可能實現(xiàn)。旋轉機械振動測試中常用類型的傳感器有壓電式傳感器和慣性式速度傳感器等。在本系統(tǒng)中主要采集旋轉機械振動下的非電信號，結合傳感器的特點和實驗室設備實際情況，本系統(tǒng)選擇壓電傳感器KD1010L，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 壓電傳感器</p><p>　　3.2.5信號調(diào)理器&l

92、t;/p><p>　　信號調(diào)理模塊將傳感器信號與計算機隔開，放大弱信號，然而為了得到更精確的測量，還需要對信號進行濾波，經(jīng)過放大、濾波后的信號疊加后送入數(shù)據(jù)采集卡。如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 信號調(diào)理器</p><p>　　濾波調(diào)理是讓有用的那部分頻率信號順利通過，另外的一部分頻率則受到較大的抑制，實質(zhì)上就是一個選頻電路。此時，把信號能通過的頻率范圍

93、，稱之為通帶，而信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶。理想的濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益應為常數(shù)，而在阻帶內(nèi)則為零。通帶和阻帶之間的分界頻率叫做截止頻率，但是實際所用到的濾波器的通帶和阻帶之間會存在一定頻率范圍的過渡帶。</p><p>　　濾波器按所處理的信號可以分為數(shù)字濾波器和模擬濾波器；按通過信號的頻段可以分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器（低通：允許信號中的低通頻或直流分量通過，抑制高頻分量或外界的干

94、擾和噪聲；高通：允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻及直流分量；帶通：允許一定頻段的信號通過，抑制其他頻帶信號或外界干擾和噪聲；帶阻：抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許其他頻段信號通過。）；按所采用的元器件可分為無源濾波器和有源濾波器。</p><p>　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的振動信號時比較弱的，需要進行放大、去噪處理，因此，須外加信號調(diào)理器。</p><p><b>　　3.3 本章總

95、結</b></p><p>　　本章首先介紹了整個系統(tǒng)的工作原理；然后對組成系統(tǒng)的各個硬件部分做一一介紹，包括振動試驗臺、工控機、采集卡和信號調(diào)理器，以及數(shù)據(jù)采集卡的選用等。</p><p>　　4軟件模塊的設計與實現(xiàn)</p><p>　　對于虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定后，可以通過不同的軟件程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬儀器的靈魂，選擇好的開發(fā)平臺可以起

96、到事半功倍的效果。本文的軟件在開發(fā)的過程中，選擇NI公司的LabVIEW8.5為軟件開發(fā)平臺，設計了一套針對旋轉機械振動信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p><p>　　LabVIEW是一個較好的圖形化開發(fā)環(huán)境，它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，提供上百個內(nèi)置函數(shù)用于分析測量數(shù)據(jù)及處理信號，將數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在了同一個開放式的開發(fā)環(huán)境中。LabVIEW的交互式測量助手（assistant）、自動代碼生成

97、以及與多種設備的簡易連接功能，使它能夠較好地完成數(shù)據(jù)采集。</p><p><b>　　4.1前面板設計</b></p><p>　　系統(tǒng)的前面板就是用戶的操作面板，因此要求界面友好、直觀、便于操作。本系統(tǒng)的操作主界面如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 前面板操作主界面</p><p>　　4.1.1數(shù)據(jù)采集

98、和保存模塊的實現(xiàn)</p><p>　　數(shù)據(jù)采集部分的關鍵是數(shù)據(jù)采集程序的編寫。數(shù)據(jù)采集VI主要完成對振動信號的采集以及從模擬到數(shù)字的高精度轉換，為后續(xù)的各種信號分析與處理提供可靠的原始數(shù)據(jù)。本模塊設計的思想為：希望采集卡即聲卡工作在連續(xù)的采集狀態(tài)下，利用采集卡的緩存實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與處理。</p><p>　　4-1圖中左邊部分為數(shù)據(jù)采集與保存部分。聲音格式下可以對采集系統(tǒng)的采樣率、通道

99、數(shù)、每采樣比特數(shù)進行參數(shù)的設置或修改。</p><p>　　采樣率（也稱為采樣速度或者采樣頻率）定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)，單位用赫茲（Hz）來表示。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期（也稱為采樣時間），它表示采樣之間的時間間隔。根據(jù)香農(nóng)定理，采樣頻率必須是被測信號頻率的兩倍以上。在實際中，一般把儀器的采樣頻率設置為被測信號頻率的20～50倍，這樣得到的信號波形就比較完美了。</p>

100、<p>　　通道數(shù)即數(shù)據(jù)采集時的通道數(shù)目，可以設置為單通道或多通道采集。</p><p>　　比特數(shù)指每個采樣的位數(shù)。本系統(tǒng)中一般設置采樣位數(shù)為16bits。</p><p>　　波形圖可以實時的顯示采集到的數(shù)據(jù)波形，按下停止按鈕可以在運行時停止采集數(shù)據(jù)，波形圖上顯示的則是最后采集到的數(shù)據(jù)波形。</p><p>　　保存模塊中，按下存盤控制即保存正在采集的

101、數(shù)據(jù)，不按下則不保存。這樣設計也是為了方便操作，一些無用的數(shù)據(jù)可以選擇不用保存。保存的路徑可以自己根據(jù)需要輸入，操作簡潔、明了。</p><p>　　錯誤輸出模塊在運行過程中程序出錯時可以及時報錯，保證采集數(shù)據(jù)的正確性。</p><p>　　4.1.2查找文件模塊的實現(xiàn)</p><p>　　該模塊是補充的部分，按下查找控制按鈕，在文件路徑處輸入要查找文件的路徑及文件

102、名，或者也可以點下文件按鈕找到需要的文件，運行后，可以在波形圖中顯示出該文件數(shù)據(jù)的時域波形。</p><p>　　如果在運行時不需要此項功能，不按下查找控制按鈕即可，不會影響到整個程序的運行。</p><p><b>　　4.2程序框圖設計</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分就是LabVIEW的編程。程序分為兩部分，數(shù)據(jù)采集及保

103、存部分和查找文件部分。由于LabVIEW開發(fā)平臺是基于層次化思想的，并且調(diào)用層次是不受限制的。所以在開發(fā)時可以在主程序中調(diào)用一些功能編制子VI程序。而且LabVIEW系統(tǒng)中自帶了很多編制完成的子VI，開發(fā)時可以直接調(diào)用。經(jīng)過模塊化處理，程序會變得更加簡潔美觀，便于修改、可讀性高，提高了系統(tǒng)的可靠性和開放性。</p><p>　　4.2.1數(shù)據(jù)采集和保存程序設計</p><p>　　該部分為

104、數(shù)據(jù)采集及保存部分。如圖4-2即為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序框圖。</p><p>　　圖4-2 數(shù)據(jù)采集程序框圖</p><p>　　程序中主要利用VI自帶的配置聲音輸入、啟動聲音輸入采集、讀取聲音輸入、停止聲音輸入采集、聲音輸入清零一系列配置來實現(xiàn)聲音信號的采集。通過對配置聲音輸入的設置，可以改變采樣模式、每通道采樣數(shù)、聲音格式等參數(shù)。每通道采樣數(shù)只有在“有限采樣”模式下才有效，在“連續(xù)采樣

105、”模式時，可以忽略此參數(shù)。在“有限采樣”模式時，此參數(shù)和采樣頻率實際上決定了DAQ卡采樣的時間長度。因為，每通道采樣數(shù) = 采樣頻率x 采樣時間。而在“連續(xù)采樣”模式時，因為DAQ卡采集的時間一般比較長而且不確定，因此不能確定每通道采樣數(shù)目。所以在“連續(xù)采樣”模式時，設置此參數(shù)對DAQ卡無意義。</p><p>　　對采集數(shù)據(jù)的保存則使用了寫入測量文件這一VI，通過對它的一系列設置可以設定保存的方式和寫入的文件格

106、式等等，這里，本人采用的是保存為二進制文件，同時每個文件下達到80000個采樣數(shù)據(jù)后自動生成下一個文件，用于保存采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)保存的文件名是采集數(shù)據(jù)時的時間，文件名會自動生成，例如testdata_11-05-14_1520_001.tdms。因為真正工業(yè)應用中采集的數(shù)據(jù)及文件非常多，這樣命名是為了分析數(shù)據(jù)時容易查找。</p><p>　　4.2.2查找以保存文件程序設計</p><p>

107、　　文件查找功能的實現(xiàn)由如圖4-3程序框圖完成。</p><p>　　圖4-3 查找以保存文件程序框圖</p><p>　　通過對LabVIEW自帶VI讀取測量文件的編寫設計，可以實現(xiàn)查找和顯示文件的功能。此項功能為操作時如果需要查看之前保存的文件提供了方便。</p><p>　　程序中使用了循環(huán)結構，可以使其讀取文件時循環(huán)進行，波形圖中顯示的就是連續(xù)的波形信號，保

108、證讀取文件的完整性。條件結構的使用使該部分功能具有選擇性，如果不需要使用該功能時，選擇“假”即可，方便操作，而且不會影響整個程序的運行，如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 條件結構選擇為“假”時</p><p><b>　　4.3本章小結</b></p><p>　　本章介紹了本設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分，首先對前面板中各功能模塊

109、的操作作了介紹，然后對程序框圖中各功能的實現(xiàn)作了分析。</p><p><b>　　5系統(tǒng)測試</b></p><p><b>　　5.1功能驗證</b></p><p>　　為了驗證程序功能的正確性，利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一時域正弦信號，通過USB連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，運行后通過調(diào)試能夠得到正弦波形圖，如圖5-1所示。則該數(shù)據(jù)

110、采集系統(tǒng)是可行的。</p><p>　　圖5-1 測試正弦波形</p><p><b>　　5.2數(shù)據(jù)采集</b></p><p>　　時域是指信號隨時間而變化的一種函數(shù)關系。通過對連續(xù)振動信號進行采樣可以得到時域連續(xù)信號或者時域離散信號。通常意義上所說的時域信號分析是指求取信號在時域中的各特征參數(shù)，如峰值、均值等參數(shù)。</p>

111、<p>　　采樣頻率決定了模/數(shù)轉換的速率，采樣頻率越高，則每秒內(nèi)的采樣點數(shù)就越多，對信號的數(shù)字表達就越精確。采樣頻率必須保證一定的數(shù)值，如果太低，則采樣精度就會很差。根據(jù)耐奎斯特采樣理論，采樣品路必須是信號最高頻率的兩倍以上，而振動測試中，一般要達到5～10倍以上。</p><p><b>　　5.2.1信號發(fā)生</b></p><p>　　本系統(tǒng)的信號發(fā)