基于高速數據采集的振動分析系統研制

徐桂云，陳瑩瑩，劉小麗，張曉光

（中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

現代工業生產和科學研究對數據采集的要求日益提高，對于瞬態信號、雷達信號和圖像處理都要求高速、高精度地采集數據和測量。隨著電子技術、計算機技術的發展，以計算機和數據采集卡為平臺構成的測控系統，克服了傳統實驗室動態信號測量誤差大的缺陷，滿足了高速采集數據需求，并具有使用靈活方便、測試功能豐富、價格低廉、一機多用等特點［1－3］。

本文中采用一臺計算機和PCI8018數據采集卡、多路振動傳感器及信號調理器等設備搭建系統，在LabVIEW圖形化環境下編程，系統可實現16路振動信號監測、分析功能，其中數據采集卡完成對輸入測量信號的調理采集、緩存，并通過計算機PCI總線送入內存。計算機在應用程序控制下，對數據進行處理、分析，完成各種電量測試，在屏幕上以圖形或數據形式顯示，并能打印和保存實驗結果，以上功能均可在人機交互方式下完成。

1 系統硬件構成

如圖1所示，該系統主要由電機及減速器、計算機、數據采集卡、振動傳感器、信號調理器、打印機等組成，其中計算機采用具有PCI插槽的聯想商用臺式機。

1.1 振動傳感器

系統采用BZ1193三向壓電式振動加速度傳感器，該傳感器基于壓電轉換原理、內裝微型集成電路，為二線制、4～20mA標準電流輸出，其輸出阻抗小，抗干擾能力強，且不受接線電阻、溫度等環境因素影響。

圖1 系統組成結構圖

1.2 信號調理器

信號調理器將待測信號通過放大、濾波等操作轉換成采集設備能夠識別的標準信號。本系統采用BZ2702多通道信號調理器，每個BZ2702信號調理器可將最多8路信號與計算機連接，可以組成并行傳輸8路模擬信號的測試系統，如需檢測更多路振動信號，系統中可增加信號調理器以滿足需求。信號調理器與內裝的IC加速度傳感器相連接，可以同時測量振動加速度、振動速度和振動位移。信號調理器與計算機不共地，有效地阻斷了計算機對信號調理器模擬信道的干擾，提高了測量信號的信噪比。

1.3 數據采集卡

本系統采用北京阿爾泰科技發展有限公司的PCI8018同步數據采集卡。該數據采集卡通過PCI總線連接到PC機中，可將采集的模擬信號通過A／D轉換輸入計算機進行分析、處理、顯示等。多通道同步采集卡的每個通道都擁有獨立的模數轉換器（analog to digital converter，ADC），理論上各通道之間的數據是同一時間進行A／D轉換的，無時間差。

圖2 高速同步數據采集流程圖

1.4 制動器

為了更好地模擬故障零件在有負載時的信號，選用磁粉制動器作為模擬負載。磁粉制動器以磁粉為工作介質，以激磁電流為控制手段，達到控制制動或傳遞轉矩的目的。磁粉制動器具有輸出轉矩與激磁電流呈良好的線性關系，而與轉速或滑差無關等優點。

2 系統軟件設計

2.1 系統軟件的總體結構

振動實驗分析系統的軟件設計采用模塊化程序設計思想［4－5］，根據所需的不同功能分別組建各種功能模塊，主要包括數據采集、信號分析和處理、數據存儲及查詢等模塊。軟件的整體設計如圖3所示。

圖3 系統軟件結構圖

監控界面具有良好的人機交互性，包括主監測界面（見圖4）、實時曲線界面、歷史數據查詢界面及報警查詢界面，在右側界面切換區有相應界面切換按鈕。

圖4 主界面監測圖

2.2 振動信號采集

數據采集是系統的關鍵流程，程序設計過程中為保證數據采集的實時性，采用并行多線程方式，為每一個采集卡單獨分配一個線程。數據采集的執行流程如圖5所示。

2.3 振動信號分析

振動信號分析模塊首先對信號進行濾波去除噪聲［6－7］，獲得較為真實的信號，然后使用預處理、時域分析、頻域分析及時頻分析等信號分析方法獲取信號特征信息。該模塊主要功能如圖6所示。該模塊程序設計采用隊列狀態機的高級編程模式［8］，保證數據不丟失，且加快了處理速度，方便多線程數據處理［8］。

圖5 數據采集的執行流程圖

振動信號監測及分析系統的界面如圖7所示。

3 調試結果與分析

該振動分析系統采集減速器中間軸的振動信號，并對軸承內圈故障進行頻譜分析。首先根據系統的機械結構計算各個特征頻率。已知電機的轉速為1 400 r／min，減速器的一級減速比i＝3.95，則中間軸的轉頻為5.91Hz。中間軸的軸承為深溝球軸承6305，利用線切割在軸承內圈制造點蝕故障（見圖8）。理論計算有：內圈旋轉頻率fi＝5.91Hz，滾動體旋轉頻率fbc＝10.4Hz，內圈某一點點蝕特征頻率fip＝26.1Hz。

圖6 振動信號分析模塊功能框圖

圖7 振動信號監測界面

圖9為采集到的正常軸承的振動信號（加速度a），該信號振動沖擊小，沒有規律性，沒有故障頻率成分。原始信號經過小波消噪處理后，去除了噪聲信號，使得有用信號更好地凸顯。

圖8 人工制造軸承內圈點蝕故障

由圖10可知，軸承內圈出現點蝕故障時，振動加速度信號被明顯調制。此時需要進行頻譜分析，以確定信號中的頻譜成分，識別故障類型［9］。由圖11可知，頻譜中頻率主要出現在滾動體旋轉頻率10.4Hz和內圈故障特征頻率26.1Hz附近。可見，此系統可較好地采集出軸承的振動信號，并能通過頻譜圖對故障進行分析與判斷［10－11］。

圖9 正常軸承振動信號

圖10 內圈故障軸承振動信號

圖11 內圈故障軸承振動信號功率譜

4 結束語

基于高速數據采集的振動分析系統，結合了機械故障診斷技術、虛擬儀器技術，軟件編程替代傳統波形分析的硬件電路，大大降低了開發成本，系統采用開放式結構設計，提高了通用性和擴展性。該系統可對信號進行多種信號處理方法分析，通過實驗證明了所涉及方法的可行性和有效性。

（References）

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