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

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

2、級 測控技術(shù)與儀器 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)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(shè)計一個LabVIEW環(huán)境下基于聲卡的旋轉(zhuǎn)機械振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本人負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的硬件和信號采集存儲部分，即旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械的振動信號，將旋轉(zhuǎn)機械振動信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，利用聲卡作為信號采集設(shè)備，實現(xiàn)振動模擬信號與數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)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(shè)計的第一步是關(guān)于故障的形成和發(fā)展過程。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械中常見的故障特征，本次設(shè)計主要針對其中幾項故障進行模擬試驗。接下來是關(guān)鍵的一步——數(shù)據(jù)采集。本次設(shè)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(shè)計中的故障信息處理即對旋轉(zhuǎn)機械振動信號的分析。</p><p&

5、gt;　　關(guān)鍵詞：LabVIEW，旋轉(zhuǎn)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(shè)備故障診斷技術(shù)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(zhuǎn)機械及其常見故障形式研究6</p><p>　　2.1旋轉(zhuǎn)機械振動的分類6</p><p>　　2.2旋轉(zhuǎn)機械常見故障特征7</p><p>　　2.2.1轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡7</p><p>　　2.2.2轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸裂紋故障10</p><p>　　2.3本章小結(jié)12</p><p>　　3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)19</p><p>　　4軟件模塊的設(shè)計與實現(xiàn)20</p><p>　　4.1前面板設(shè)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(shè)計21</p><p>　　4.2.1數(shù)據(jù)采集和保存程序設(shè)計21</p><p>　　4.2.2查找以保存文件程序設(shè)計22</p><p>　　4.3本章小結(jié)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(zhuǎn)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(jié)29</p><p><b>　　結(jié)論30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)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(zhuǎn)機械是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的機械，很多旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備是眾多行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，這些設(shè)備一旦發(fā)生故障，將造成巨大的經(jīng)濟損失。而轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)機械最重要的部分，轉(zhuǎn)子的振動信號是旋轉(zhuǎn)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(shè)備故障造成的損失，要加強對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。從經(jīng)濟效益和實用性的角度考慮，采用虛擬儀器技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)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(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)作為一項重要的設(shè)備診斷技術(shù)也日益發(fā)展。它是研究設(shè)備停機時基本不拆卸的情況下或設(shè)備運行中，判定設(shè)備故障的部位、狀態(tài)、原因和嚴(yán)重程度，預(yù)測設(shè)備可靠性和壽命，并提出解決方案的技術(shù)。其研究的內(nèi)容涉及信號處理技術(shù)、模式識別、電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、人工智能、計算機科學(xué)、統(tǒng)計數(shù)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)理論等多方面的內(nèi)容。對旋轉(zhuǎn)機械進行診斷包括對設(shè)備的性能進行診斷和對設(shè)備的故障進行診斷兩方面內(nèi)容。</p>&

24、lt;p>　　旋轉(zhuǎn)機械作為重要工業(yè)生產(chǎn)設(shè)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(shè)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(zhuǎn)機械進行振動信號的監(jiān)測和分析，因為旋轉(zhuǎn)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(shè)備是否正常運行，是否有潛在的故障存在，預(yù)測故障的發(fā)展趨勢，為設(shè)備的正常運行提供保障。</p><p>　　轉(zhuǎn)子組件是旋轉(zhuǎn)機械的

25、核心部分，它由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子處于高速旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致機組的強烈振動，進而導(dǎo)致機組的損壞。因此轉(zhuǎn)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(shè)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(jié)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(wù)是將被測對象的各種參數(shù)做A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機，并對采集到的信號做相應(yīng)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(xiàn)并進行分析的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)對聲卡和虛擬技術(shù)的研究主要側(cè)重于實現(xiàn)信號的采集、顯示、存儲

27、以及后期針對特殊應(yīng)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(xì)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(shù)和虛擬儀器技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)對機械設(shè)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(shè)備故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　近幾十年來各國都在大力開展有關(guān)設(shè)備故障診斷技術(shù)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(shè)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(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科，建立相應(yīng)的數(shù)

30、學(xué)或物理模型，進行計算機仿真實驗，這種研究方法是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的基礎(chǔ)[4]。</p><p>　　在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)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(guān)于故障診斷方面的文章，總結(jié)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(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)子動力學(xué)研究所對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械故障診斷機理和轉(zhuǎn)子動力學(xué)方面進行了細(xì)致的研究。該公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷系統(tǒng)（ADR3）得到了很多用戶的歡迎，應(yīng)用狀況良好。 </p><p>　　我國在故障診斷技術(shù)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(shù)，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(shè)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(shù)的引入大大推動了診斷技術(shù)的研制和實施，取得了豐碩的研究成果。中國機械工程學(xué)會設(shè)備維修分會在南京首次召開的設(shè)備故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測研討會標(biāo)志著我國診斷技術(shù)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(guān)的行業(yè)協(xié)會和學(xué)術(shù)團體，主要有：中國機械工程學(xué)會設(shè)備維修分會、中國設(shè)備管理協(xié)會設(shè)備診斷技術(shù)委員會、中國振動工程學(xué)會故障診斷學(xué)會及其旋轉(zhuǎn)機械專業(yè)學(xué)組等。這期間，國際國內(nèi)學(xué)

34、術(shù)交流頻繁，對于基礎(chǔ)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?！鞍宋濉逼陂g研究大容量火電機組監(jiān)測診斷系統(tǒng)的過程中，應(yīng)用了各種先進技術(shù)，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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(xué)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(zhuǎn)子試驗臺作為信號源。上海交通大學(xué)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(xué)對遠(yuǎn)程分布式故障診斷網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)技術(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(gòu)建一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

38、最近, 已有較多的學(xué)者將計算機聲卡和虛擬技術(shù)相結(jié)合, 進行了探索研究, 并將其應(yīng)用到許多方面。受聲卡的最高采樣頻率所限制, 該項技術(shù)較多地應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)PXI總線標(biāo)準(zhǔn)。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(lǐng)域的必

39、要擴展相應(yīng)的結(jié)合起來了。按PXI總線標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)建監(jiān)

40、測和軟傳感器的應(yīng)用之前，大量的數(shù)據(jù)需進行預(yù)處理[13]。聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，其A/D轉(zhuǎn)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(gòu)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(jié)合的信號采集技術(shù)具有廣闊的應(yīng)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>　?。?）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(zhuǎn)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>　　（2）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(yīng)用范圍。</p><

42、p>　?。?）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(dāng)?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(gòu)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)計一個LabVIEW環(huán)境下基于聲卡的旋轉(zhuǎn)機械振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本人負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的硬件和信號采集存儲部分，即旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械的振動信號，將旋轉(zhuǎn)機械振動信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，利用聲卡作為信號采集設(shè)備，實現(xiàn)振動模擬信號與數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)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(shè)計的第一步是關(guān)于故障的形成和發(fā)展過程，在查閱了相關(guān)資料后，了解到需要清楚設(shè)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(zhuǎn)子質(zhì)量不

45、平衡、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械中常見的故障特征，本次設(shè)計主要針對其中幾項故障進行模擬試驗。</p><p>　　接下來是關(guān)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(wù)是將被測對象的各種參數(shù)做A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機，并對采集到的信號做相應(yīng)的處理。本次設(shè)

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(guān)資料顯示這類系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)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(shè)計中的故障信息處理即對旋轉(zhuǎn)機械振動信號的分析。</p><p>　　2旋轉(zhuǎn)機械及其常見故障形式研究<

47、;/p><p>　　旋轉(zhuǎn)機械是指主要功能由旋轉(zhuǎn)運動來完成的機械，如汽輪機、電動機、發(fā)電機、燃?xì)廨啓C、離心式壓縮機泵、離心式鼓風(fēng)機、真空泵以及各種減速增速的齒輪傳動裝置等機械設(shè)備，都事旋轉(zhuǎn)機械的范圍。旋轉(zhuǎn)機械是機械設(shè)備中數(shù)量最多、應(yīng)用面最廣的機械設(shè)備之一，它具有一定的代表性。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)及零部件設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用價值。</p><p>　　2.1旋轉(zhuǎn)機械振動的分類</p><p>　　振動故障是旋轉(zhuǎn)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>　　（2）頻率與基頻成一定比例關(guān)系（例如38％～49％）的振動；</p><p>　?。?）頻率為基頻的整分?jǐn)?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>　?。?）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>　?。?）不對中的軸系引起的振動；</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)子不平衡所引起的振動；</p><p>　　（3）機器零部件松動所引起的振動；</p><p>　　（4）滑動軸承與軸頸偏心所引起的振動；

52、</p><p>　?。?）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>　?。?）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>　?。?）軸向振動，即沿軸伐方向的振動；</p><p>　?。?）徑（橫）向振動，即沿轉(zhuǎn)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(zhuǎn)振動，即沿轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向的振動。</p><p>　　4）．按振動發(fā)生的部位分類</p><p>

54、;　　（1）軸承振動，包括油膜滾動軸承和滑動軸承；</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)子或軸系振動，包括軸端紋葉片、軸頸等；</p><p>　　（3）基礎(chǔ)振動，包括工作臺、支架或機座等；</p><p>　　（4）軸承座、殼體振動；</p><p>　　（5）其他振動，如閥桿、閥門或各種管道結(jié)構(gòu)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(shù)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(zhuǎn)機械的故障特點必須進行研究。</p><p>　　2.2旋轉(zhuǎn)機械常見故障特征</p><p>　　由于轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)機械最重要的部分，大部分的故障

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

57、力綜合作用于旋轉(zhuǎn)件上后形成了旋轉(zhuǎn)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(dāng)旋轉(zhuǎn)機械不平衡時，在其基頻處會出現(xiàn)相應(yīng)的振動幅值。傳動軸以一定的角度，每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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>　　（3）靜動不平衡；</b></p><p>　　（4）動不平衡。如圖2-1 所示</p><p>　　圖2-1 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子動靜碰摩故障</p><p>　　旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械的常見故障之一。</p><p><b>　　其故障特征如下：</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子失穩(wěn)后軸心軌跡發(fā)散，波形變形嚴(yán)重，甚至發(fā)生削波；</p><p>　?。?）碰摩嚴(yán)重時，各頻率成分幅值增大迅速；</p><p>　?。?）輕微摩擦?xí)r軸心軌跡呈小圓環(huán)狀，同頻幅值波動；</p><p>　　（5）工作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸線之間的不對中。具有不對中故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在其運行過程中將產(chǎn)生一系列有害設(shè)備的動態(tài)效應(yīng)，如引起軸承早期損壞、機器聯(lián)軸器偏轉(zhuǎn)、油膜失穩(wěn)和軸彎曲變形等，從而導(dǎo)致機器發(fā)生異常振動，危害非常大。轉(zhuǎn)子不對中一般是指兩個相鄰轉(zhuǎn)子之間的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移。轉(zhuǎn)

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>　?。?）轉(zhuǎn)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(yán)重，二倍頻所占比重就越大；</p><p>

63、;　　（2）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>　?。?）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(dāng)負(fù)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(zhuǎn)子的振動狀態(tài)也立即發(fā)生變化。</p><p>　　轉(zhuǎn)子不對中時，軸承所受的附加力、轉(zhuǎn)子受力都與聯(lián)軸器所傳遞的轉(zhuǎn)矩成正比，即由于轉(zhuǎn)子不對中而造成的異常振動隨機器負(fù)荷的增加而增大。轉(zhuǎn)子的狀態(tài)與機器的基礎(chǔ)變形、熱膨脹不均勻及環(huán)境溫度的變化等因素密切相關(guān)。</p><p>　　2.2.4軸承松動故障</p>&l

65、t;p>　　轉(zhuǎn)子支承部件松動是指系統(tǒng)結(jié)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(dāng)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(shè)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(shè)備的復(fù)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(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)穩(wěn)定時，頸在軸承內(nèi)僅繞其中心高速旋轉(zhuǎn)。但失穩(wěn)狀態(tài)下，軸頸繞軸頸中心高速旋轉(zhuǎn)的同時，軸頸心本

67、身將繞平衡點渦動或甩轉(zhuǎn)，產(chǎn)生半速渦動（渦動率一般大約為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角速度的一半）。在轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速比較低時，渦頻率可能與轉(zhuǎn)軸的某一臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速的兩倍以上，頻率接近轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，即使轉(zhuǎn)速再升高，其頻率也基本不變；&

68、lt;/p><p>　?。?）其發(fā)生和消失具有突然性，并具有慣性效應(yīng)。</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(zhuǎn)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(yīng)力集中，復(fù)雜的受力狀態(tài)等。轉(zhuǎn)軸裂紋對振動響應(yīng)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(dāng)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子裂紋分為三種方式：</p><p><b>　　（1）開裂紋。</b></p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，裂紋區(qū)總是處于受拉應(yīng)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(zhuǎn)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>　?。?）閉裂紋。</b></p><p>　　閉裂紋的受力情況正好與開裂紋相反。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，裂紋區(qū)始終處于壓應(yīng)力狀態(tài)，裂紋始終呈閉合狀態(tài)。閉裂紋對轉(zhuǎn)子的推力影響不大的幾種情況為：轉(zhuǎn)子重量不大、不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的彎矩大于轉(zhuǎn)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(cè)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(fù)雜的形態(tài)。隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動，裂紋呈開、閉交替狀態(tài)，一般情況下轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，裂紋就會相應(yīng)張開、閉合各一次。圖2-3為具有開閉裂紋的轉(zhuǎn)子的撓度變化曲線示意圖。</p><p>　　圖2-3 開閉裂紋的轉(zhuǎn)子的撓度變化曲線示意圖</p><p>　　轉(zhuǎn)子裂

72、紋對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子中部出現(xiàn)一裂紋，其深度為1/4 轉(zhuǎn)子直徑，那么轉(zhuǎn)子剛度變化僅為10％左右，而臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時根據(jù)振動的變化或通過觀察轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與正常時相比較??；</p><p>　?。?）強迫響應(yīng)狀態(tài)下的裂紋轉(zhuǎn)子軸系，一次分量的分散度比無裂紋時大；</p><p>　?。?）裂紋引起轉(zhuǎn)子剛度不對稱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子無法實現(xiàn)動平衡。</p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><

74、p>　　本章首先介紹了旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械振動進行分類；最后介紹了旋轉(zhuǎn)機械常見的幾種故障特征，為實驗中設(shè)置機械故障提供理論基礎(chǔ)。</p><p><b>　　3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhǔn)確性。因此，對于轉(zhuǎn)速在0～10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)子及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(chǔ)，為了完成虛擬儀器的設(shè)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(jié)構(gòu)如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2.1 旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用在高校、

79、工礦、科研院所的科研、教學(xué)、產(chǎn)品開發(fā)以及人員培訓(xùn)等。</p><p>　?。?）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>　　（a） 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>　?。?）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(zhuǎn)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(shè)計的一種計算機。早在上世紀(jì)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(yīng)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(shù)特點：</b></p><p>　?。?）機箱為全鋼化工業(yè)機箱，符合“EIA”標(biāo)準(zhǔn)，能增強抗電磁干擾能力。</p><p>　　（2）

84、機箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇和濾塵網(wǎng)，實現(xiàn)正壓對流排風(fēng)和防塵。</p><p>　?。?）采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計技術(shù)，CPU和各功能模塊的插板式結(jié)構(gòu)可提高抗振能力。</p><p>　　（4）電源和鍵盤都有電子鎖開關(guān)，防止非法開、關(guān)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>　?。?）可選配

85、I/O模板；</p><p>　　（7）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(yīng)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(fù)位，無需人為干預(yù)；</p><p>　　（10）可通過實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務(wù)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(yīng)用軟件以及應(yīng)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(chǔ)核心。工控應(yīng)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(yīng)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(shè)計中一個非常重要的指標(biāo)。開放性有助于各種系統(tǒng)中的互連及兼容，有利于設(shè)計、建立和應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(yīng)的要求工控軟件系統(tǒng)應(yīng)該具有較強實時性的功能。 </p><p>　?。?）多任務(wù)和多線程性?，F(xiàn)代工業(yè)中已不再僅僅是單任務(wù)線，而更多的是多個任務(wù)同時進行。</p><p>　　（4）網(wǎng)絡(luò)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(shè)計和應(yīng)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(wù)是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，形成計算機能夠處理的數(shù)據(jù)。現(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(zhuǎn)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(dāng)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(xué)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換成模擬電信號的一種靈敏的轉(zhuǎn)換元件。振動傳感器(Sensor)是能采集旋轉(zhuǎn)機械所產(chǎn)生的振動信號，按一定的規(guī)律將振動信號轉(zhuǎn)換為與其對應(yīng)的另一種物理量或信號并輸出的裝置，是實現(xiàn)大型旋轉(zhuǎn)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(zhǔn)確的捕獲與轉(zhuǎn)換，旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測就不可能實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械振動下的非電信號，結(jié)合傳感器的特點和實驗室設(shè)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(yīng)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(jié)</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(shè)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(shè)計了一套針對旋轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(guān)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置可以設(shè)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(dá)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(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)選擇為“假”時</p><p><b>　　4.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了本設(shè)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(guān)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(zhuǎn)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(dá)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(dá)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)