基于小波變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

于 波 鄭 聽(tīng)

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)水平不斷提高，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在社會(huì)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，功能更加強(qiáng)大，機(jī)械化、智能化程度顯著提高。為了預(yù)防旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的發(fā)生，避免機(jī)械被迫停機(jī)帶來(lái)的損失，需要研發(fā)一種功能強(qiáng)大、界面友好，而且能夠?qū)φ駝?dòng)故障信號(hào)進(jìn)行有效分析的綜合性故障診斷系統(tǒng)來(lái)保障旋轉(zhuǎn)機(jī)械的正常工作[1]。

為此，筆者介紹一種自行研發(fā)的基于小波變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但可以對(duì)振動(dòng)故障信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，確定故障類(lèi)型，還能夠通過(guò)小波變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)的突變點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)行確認(rèn)，彌補(bǔ)了快速傅里葉變換分析結(jié)果缺少時(shí)間信息的不足。

1 總體設(shè)計(jì)①

基于小波變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)，以計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，以LabVIEW和Matlab作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[2]。考慮到在LabVIEW中直接實(shí)現(xiàn)小波變換的程序編譯過(guò)程復(fù)雜、可維護(hù)性差；而Matlab的小波分析技術(shù)更加成熟，編程設(shè)計(jì)更易于實(shí)現(xiàn)，不過(guò)Matlab中存在人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)采集功能較差的缺點(diǎn)，但這兩方面恰恰是LabVIEW的優(yōu)勢(shì)所在。因此，本系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW對(duì)Matlab節(jié)點(diǎn)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)LabVIEW和Matlab的結(jié)合，充分發(fā)揮了兩款軟件的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)的綜合功能更強(qiáng)[3]。基于LabVIEW模塊化的設(shè)計(jì)思想，確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路，具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)軟件

在基于小波變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，將軟件系統(tǒng)分為8個(gè)功能模塊：信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、頻域分析模塊、小波分析模塊、頻域顯示模塊、小波分析結(jié)果顯示模塊、信號(hào)存儲(chǔ)和讀取模塊。利用LabVIEW和Matlab編程軟件分別實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。

2.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集的主要目的是將傳感器檢測(cè)到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分析處理及顯示等功能。數(shù)據(jù)采集卡所選用的是普通計(jì)算機(jī)內(nèi)配置的聲卡。聲卡是模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的紐帶，通過(guò)話(huà)筒獲取聲音模擬信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供計(jì)算機(jī)處理分析。在LabVIEW函數(shù)庫(kù)中提供了有關(guān)聲卡函數(shù)的子模板[4]，如圖2所示。

圖2 Sound read waveform子VI

2.2 信號(hào)處理模塊

通過(guò)聲卡所檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)通常會(huì)摻雜干擾信號(hào)，噪聲干擾是主要的干擾成分，且其頻率多為高頻。為使分析的結(jié)果更加準(zhǔn)確，必須使用濾波器濾除干擾信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)所使用的濾波器為L(zhǎng)abVIEW函數(shù)庫(kù)中信號(hào)處理子模板下的橢圓濾波器，如圖3所示。

圖3 LabVIEW中的橢圓濾波器程序

2.3 頻域分析和頻譜圖

頻域分析是將通過(guò)濾波器的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換得到信號(hào)的頻譜，即在頻率域分析信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)采用快速傅里葉變換子VI處理信號(hào)，其程序如圖4所示。經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后，對(duì)頻譜圖進(jìn)行分析，可以得出信號(hào)的總振級(jí)、最大幅值和最大幅值的頻率[5]。選用Graph作為頻譜圖顯示控件，顯示界面如圖5所示。

圖4 快速傅里葉變換子VI

圖5 頻譜圖顯示界面

2.4 小波分析和結(jié)果顯示

快速傅里葉變換反映信號(hào)的總體特征，且頻譜圖中缺少時(shí)間信息，為了彌補(bǔ)快速傅里葉變換分析結(jié)果的不足，系統(tǒng)采用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)一步分析，在LabVIEW中通過(guò)設(shè)計(jì)樹(shù)狀迭代的濾波器組能夠?qū)崿F(xiàn)小波變換，但是設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜，可維護(hù)性比較差。Matlab中附帶有多種小波基函數(shù)，可以通過(guò)簡(jiǎn)潔、靈活的編程實(shí)現(xiàn)小波分析，系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW對(duì)Matlab節(jié)點(diǎn)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)小波變換[6]，程序如圖6所示。振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)小波分析后，能夠觀測(cè)到突變點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間，依然選用Graph作為分析結(jié)果的顯示控件，結(jié)果如圖7所示。

圖6 LabVIEW調(diào)用Matlab Script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)小波變換

圖7 小波變換分析結(jié)果顯示

2.5 文件管理

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理及分析等功能，還能將處理后的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，存至PC機(jī)的硬盤(pán)或移動(dòng)硬盤(pán)中，供與其他測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比。操作系統(tǒng)是以文件管理的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)的，文件管理模塊主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)讀取兩部分組成，該系統(tǒng)存儲(chǔ)、讀取數(shù)據(jù)的模塊如圖8、9所示。

圖8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

圖9 數(shù)據(jù)讀取模塊

2.6 系統(tǒng)總體功能的實(shí)現(xiàn)

將上述8個(gè)功能模塊按照G語(yǔ)言的編程思想并結(jié)合一些算法進(jìn)行編程，就得到一個(gè)以LabVIEW為軟件平臺(tái)，通過(guò)調(diào)用Matlab Script，實(shí)現(xiàn)頻譜分析和小波分析的綜合性振動(dòng)故障測(cè)試系統(tǒng)，其程序如圖10所示。

圖10 振動(dòng)故障測(cè)試系統(tǒng)程序

振動(dòng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的前面板如圖11所示。

圖11 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)前面板

3 結(jié)束語(yǔ)

基于小波變換的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)Matlab Script的調(diào)用，更好地實(shí)現(xiàn)了小波變換的功能，克服了傅里葉變換缺少時(shí)間信息的缺點(diǎn)。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種更加有效的時(shí)頻分析方法，利用小波變換對(duì)信號(hào)的分解與重構(gòu)，可以很好地將信號(hào)中的突變點(diǎn)檢測(cè)出來(lái)。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，通過(guò)頻譜分析可以得到信號(hào)的總振級(jí)及最大幅值等重要參數(shù)，且可維護(hù)性更強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，通過(guò)對(duì)前面板選項(xiàng)的選擇，可以直接觀測(cè)到頻譜圖和小波變換分析結(jié)果，系統(tǒng)還

設(shè)定了存儲(chǔ)和讀取功能，對(duì)于實(shí)時(shí)觀測(cè)信號(hào)用戶(hù)可以隨時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，以方便以后的調(diào)用和對(duì)比研究。

[1] 劉祥樓,吳賀.基于LabVIEW新型虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的開(kāi)發(fā)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2005,32(6):65～67.

[2] 盛兆順,尹琦嶺.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[3] 周井玲,吳國(guó)慶.基于LabVIEW的振動(dòng)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004,20(9):37～38.

[4] 周求湛,錢(qián)志鴻,劉萍萍,等.虛擬儀器與LabVIEWTM7 Express程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:186～188.

[5] 柴敬安,廖克儉,潘德惠,等.LabVIEW和MATLAB混合編程方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008,16(5):737～740.

[6] 劉祥樓,余洋,賈東旭,等.基于虛擬儀器技術(shù)的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,30(6):570～573.