基于虛擬儀器的便攜式振動測試系統開發

顏丙生， 聶士杰， 朱紅瑜， 湯寶平, 馬曉錄

(河南工業大學 機電工程學院， 鄭州 450001 )

0 引 言

《機械工程測試技術》是機械制造及其自動化、車輛工程、過程裝備與控制工程等專業的骨干課程，特點是工程應用背景較強[1]。基于此特點，各高校一般會開設6～10學時的測試實驗課程，但現有實驗多為驗證性且測試內容單一，無法將信號采集、頻譜分析和故障診斷等內容綜合起來。為了教學方便，現有實驗裝置設計較為簡單，與實際工程應用相去甚遠。當前所使用的測試設備一般會固定安裝、不便攜，無法攜帶到機械廠或實訓中心對機床等實際設備進行振動測試。此外，現有測試系統功能固化，學生無法根據實際測試情況進行改變，限制了學生的自主創新能力[2-4]。

虛擬儀器技術在當前計算機測控領域中應用廣泛，通過將靈活可操控的軟件和相關硬件結合進而建立綜合、靈活的測控系統來代替傳統儀器[5-8]。

針對上述問題，本文利用虛擬儀器平臺，采用實際工程硬件，開發了一套基于虛擬儀器的開放、綜合且具備工程應用能力的便攜式振動測試系統。

1 系統開發

圖1為所開發的便攜式振動測試綜合實驗系統的系統框圖，系統主要由信號采集相關硬件及開發的軟件系統兩部分組成。首先根據不同測試環境利用所使用的加速度傳感器、采集卡、機箱等硬件搭建振動測試平臺，利用該平臺采集被測振動源的振動信號并將其輸入至PC端，最后利用PC機中的軟件系統進行信號的分析處理及存儲。

圖1 系統框圖

1.1 系統硬件設計

所開發系統的硬件部分主要包括加速度傳感器、磁吸、NI-9171機箱、NI-9230采集卡、USB數據傳輸線及PC機。圖2所示為所搭建的系統硬件平臺。

圖2 系統硬件平臺

按圖2搭建系統硬件平臺，將加速度傳感器安裝在被測振動源合適位置處，開啟PC機打開軟件系統即可進行振動信號的采集。

在加速度傳感器上安裝具有較高磁性的磁吸以保證傳感器完全固定在被測振動源上；選用NI-9171機箱與NI-9230采集卡，兩者尺寸較小，便于組裝和拆卸，是目前實際工程測試中常用的采集硬件。NI-9230采集卡具有較高的靈敏度且自身帶有濾波、降噪及A/D轉換等功能，能夠得到較穩定的振動信號；同時具有3個采集通道，可實現被測振動源不同位置振動信號的同步采集[9-12]。PC機選用體積較小但處理器強大的筆記本電腦，可快速準確的進行信號的分析處理及存儲。

利用所搭建的系統硬件平臺可快速準確的完成振動測試實驗中的信號采集，同時由于選取的硬件均符合實際工程要求且尺寸較小、便攜，可攜帶到機械廠或實訓中心進行機床等設備的振動測試。

1.2 系統軟件設計

振動測試系統的軟件設計在LabVIEW平臺中進行開發實現。包括信號采集模塊、信號分析與處理模塊及信號存儲模塊，主要實現的功能為時域振動信號的獲取、頻譜分析及各項數據的存儲[13-14]。

為讓學生方便快捷的操作系統，設計了友好的人機交互界面[15]。圖3所示為系統的人機交互主界面，最上端為系統的控制區域，幾個布爾控件分別用來控制系統的各項功能，如“數據采集”-開始采集信號；“循環終止”-停止采集信號；“退出系統”-關閉主界面，退出系統等功能。

圖3 系統人機交互主界面

控制區域下面是系統的監測區域，用一個“選項卡”控件控制各項監測項，如“整體監測”選項中左側為各通道的時域波形及其頻譜，學生根據所學振動信號與頻譜分析知識可直觀觀察出二者間的區別及聯系；右側是參數顯示區域，基本涵蓋了目前學生需掌握的與信號相關的知識，包括采樣率、采樣時間、采樣點數、峰峰值、均方根值、靈敏度、振動烈度報警等。

此外，學生可通過自主二次開發進而豐富系統功能。首先在如圖4所示的程序框圖中根據所增加的功能修改程序，然后在前面板上合理的放置所添加的顯示控件并定義其所代表功能，最后進行下一步的信號分析與處理。即能實現系統自主的二次開發。

圖4 部分系統程序框圖

2 實驗測試

利用所開發系統可對學生進行測試系統的標定、傳感器的安裝、信號的采集與分析及簡單的故障診斷等方面的綜合訓練。

2.1 標準信號測試實驗

所開發系統在投入使用前必須要通過標準信號測試標定來驗證系統每個通道是否正確，故利用該系統進行了標準信號測試實驗。圖5所示為標準信號測量與分析實驗現場圖，以通道0標定為例，首先按圖5安裝好實驗裝置，再使用函數發生器產生標準正弦信號，頻率為35 Hz，通過雙BNC連接線傳輸信號至系統。

圖5 標準信號測量與分析實驗現場圖

圖6為該系統測試的標準正弦信號時域波形與幅值譜圖，由圖可知：信號的頻率為34.816 Hz、峰值為1.044 V，與函數發生器產生的標準正弦信號的各項參數基本一致，驗證了該系統的準確性。

2.2 偏心電動機振動測試實驗

使用所開發測試系統進行偏心電動機振動測試實

圖6 標準正弦信號時域波形與幅值譜圖

驗，并用“頻譜法”測電動機轉頻。首先按照圖7搭建實驗平臺，利用調壓器調節偏心電動機至某一恒定轉速，此時簡支梁上會產生來自電動機的簡諧振動，將3個加速度傳感器分別置于簡支梁不同位置處進行振動信號的同步采集，觀察系統主界面中3個通道的時域波形，選取幅值最大的振動信號進行頻譜分析。

圖7 偏心電動機振動測試實驗現場圖

圖8所示為幅值最大的偏心電動機振動信號時域波形與幅值譜圖，可知：測得的振動頻率約為26.624 Hz即為電動機實際振動頻率f。電動機轉速與電動機實際轉動頻率為

n=60f

(1)

由式(1)，求得電動機轉速

n=1 597.44 r/min

此外，學生若想觀察幅值譜與功率譜的區別，可通過二次開發實現，首先在程序框圖中修改程序，然后在前面板上添加功率譜，正確連接后運行系統，即可觀察得到：功率譜頻率結構較幅值譜頻率結構要好。

圖8 幅值最大的偏心電動機振動信號時域波形與幅值譜圖

2.3 轉子偏心故障診斷實驗

采用該系統在故障診斷實驗臺上進行轉子偏心故障診斷實驗。

圖9所示為轉子偏心故障診斷實驗現場圖，將3個加速度傳感器分別安裝在軸承的不同位置(x，y，z方向)進行振動信號的同步采集，電機轉頻、采樣頻率及采樣時長等參數學生可自主設置，電動機轉頻為20 Hz，采樣率為1 kHz/s，采樣時長為10 s，轉子上安裝螺釘使其產生偏心故障。

圖9 轉子偏心故障診斷實驗現場圖

圖10為采集到的3個通道的時域波形與幅值譜圖，對比3個通道的時域波形可知：通道0與通道1所采集的轉子軸向振動信號極為微弱，振動不明顯。通道2采集到的轉子徑向振動信號最強，波形為正弦波形，頻率為19.456 Hz與電機轉頻基本一致，說明轉子發生偏心故障。證明該系統可有效應用于轉子偏心等故障診斷領域中。

3 結 語

將虛擬儀器與實際振動測試實驗相結合，開發了一套基于LabVIEW平臺的振動測試系統，配備實際工程所用硬件搭建了綜合、靈活、便攜的振動測試設備。

圖10 轉子偏心故障時域波形與幅值譜圖

可以開展標準信號的測量與分析實驗、實際振動信號測量實驗及簡單的故障診斷實驗，對學生的實際動手能力及自主創新意識有顯著提高，學生在掌握所需測試知識的同時，新穎的實驗模式也激發強烈的學習興趣。其中，14、15級的學生已經攜帶此便攜式振動測試系統到機械廠對機床等設備進行了實際振動信號的測試并取得了較好的教學效果。