基于LabVIEW的振動信號分析與報警系統的設計*

馮俊濤，戚厚軍，譚 鵬，王飛躍，楊 正

(1.天津職業技術師范大學，天津 300222； 2.天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

0 引 言

隨著工業化程度的不斷提高，工業系統所使用的機械設備智能化與精密化不斷提高，而機械設備的工作性能和運行狀態對工業系統的整體運作具有重要的作用。因此，隨著對機械設備的可靠性的不斷重視，機械狀態的監測也變得更加重要。通過對各個階段設備狀態的監測有助于生產的優化，也有助于在運行中及時發現故障從而采取合適的對策。機械設備及其零部件在高溫環境下的長時間工作，由于擠壓、摩擦或沖擊等原因會產生結構關系的變化，導致產生異常的振動信號。此時對振動信號的分析就可以發現問題從而及時報警。

林澤才等人通過設置了故障分析窗口，多種信號超限提示窗口，借助模擬波形的輸入來實現對系統的測試，所采集的信號可以被準確的監測[1]。崔喜賀等人對振動信號進行自相關分析、時域分析等多種信號分析，能夠做到對發動機工作狀態的實時監控，發生故障時能夠發現[2]。楊一晴等人設計煤礦旋轉機械故障系統。通過對采集的振動信號進行功率譜等分析后得到特征參數與故障特征參數相比較，判斷發生了哪種故障，從而預警[3]。唐奕等人對振動信號預處理，再進行時域等分析，提取了振動信號特征，識別了軸承故障特征頻率，設計的分析系統具有較強直觀性[4]。沈智慧使用振動傳感器、數據采集卡等硬件設備對采集的電機振動信號采用濾波器、功率譜分析等處理，得到的功率譜波形。同電機故障振動信號頻譜分析后相比較，從而判斷出電機是否正常運行[5]。除此之外，使用智能算法分析振動信號也能夠對機械設備進行故障診斷。這些方法大多通過MATLAB等平臺編程實現。彭鵬等人提出了一種抗噪干擾的RV減速器故障識別ANNET算法，實現了對故障的識別[6]。陳李果等人通過采用小波變換消除了噪聲，實現了振動信號的識別，為RV減速器故障的判斷提供了參考[7]。MATLAB平臺編程過程可視化較為復雜，對開發人員在編程方面提出了較高的要求，制約了其在實際中的應用。LabVIEW軟件與傳統的編碼方式不同，降低了程序設計的復雜度。基于LabVIEW的振動信號分析和報警系統用虛擬儀器技術及VI模塊對振動信號進行處理，查看到振動信號含有的信息。LabVIEW軟件具有同MATLAB的接口使分析結果更準確、可靠。

盡管前人對信號分析方面已做了大量深入研究，但對如何報警方面還存在一些不足，筆者選擇采用LabVIEW軟件作為振動信號分析與報警系統的設計軟件。。此次設計的分析系統先進行時域，頻域分析，設置了超限提示，通過布爾燈亮來實現報警。

1 系統方案總體設計

分析系統由硬件，軟件系統組成，實現信號采集，傳輸，接收，分析的功能。控制底層硬件管理模塊與分析功能模塊組成了系統軟件，實現邏輯分析處理[8]。

硬件選用振動加速度傳感器、無線發射器、信號調理器和計算機組成，是虛擬儀器工作的基礎。硬件系統架構如圖1所示。

圖1 硬件系統架構

硬件系統所要實現的功能：

(1) 實現信號的采集，振動加速度傳感器采集振動信號。

(2) 實現信號的處理，信號調理器將模擬信號轉換至數字信號。

(3) 實現信號的發射，振動信號通過無線發射單元發射。

硬件與LabVIEW軟件之間的信號傳送通過使用DAQ實現，傳輸到計算機中通過LabVIEW軟件進行信號處理分析等。軟件系統設計框圖如圖2所示。

圖2 軟件設計框圖

軟件系統所要實現的功能：

(1) 實現信號的接收通過LabVIEW中DAQ助手來實現。根據實際情況設置采樣點數，通道參數，采樣頻率。

(2) 實現對信號的濾波。確定濾波器選用哪種拓撲結構，根據實際需要選定頻率區間。

(3) 實現對信號的時域，頻域分析。一旦結果超出范圍，系統進行亮紅燈報警。

2 信號分析系統設計

分析系統由時域、頻域分析兩部分組成。通過對振動信號進行時域有量綱參數分析和無量綱參數分析，對其計算結果進行監控，超出設定的范圍報警提示。頻域分析使用傅立葉變換與幅值譜分析，通過頻率，幅值的變化來判斷振動信號情況，出現異常則報警提示。

2.1 信號的時域分析

2.1.1 時域有量綱參數分析

時域指標計算主要包括：峰值，均值，方差，有效值，均方值，振動烈度六個指標。通過在前面板框圖中顯示六項指標的結果，并對顯示的結果進行監測，一旦結果超出上下限范圍時，系統報警提示現場工作人員，系統采用布爾燈顏色變紅的方式進行報警。信號的時域分析流程圖如圖3所示。

圖3 信號的時域分析流程圖

以下為對振動信號進行時域有量綱參數分析的特征參數：

(1) 峰值xp主要體現的是一組數據的整體振動情況以及最大振動幅度。其表示式如下：

xp=|x(t)|max

(1)

(2) 均值ux描述一組數集中趨勢或離散程度的重要指標。用下式求取均值：

(2)

(3)

(4) 有效值Xrms表示振動信號的實際強度，其表示式如下：

(4)

(5)

(6) 振動烈度來衡量振動強度的大小。其表達式如下：

(6)

對六個指標設立上下限，上下限具體的數值可在前面板中進行設置。對這六個參數指標分別設置上下限，超過報警提示。時域有量綱參數分析程序框圖如圖4所示。

圖4 時域有量綱參數程序框圖

2.1.2 時域無量綱參數分析

振動信號無量綱參數采用峰值指標，脈沖指標，裕度指標，峭度指標四個指標。峰值指標，波形指標，脈沖指標表示振動信號能量的大小。裕度指標描述振動信號幅值的改變程度。四個指標在對正常振動信號分析獲得的數值設定一個閥值，當超出閾值時，系統要進行報警提示。

(1) 波形指標表達式如下：

(7)

(2) 峰值指標表達式如下：

(8)

(3) 脈沖指標表達式如下：

(9)

(4) 裕度指標表達式如下：

(10)

對四個指標設立范圍，具體的數值可在前面板中設置，通過對振動信號的分析得到的四個指標可在前面板中觀察到。對這四個參數指標設定范圍，超過報警提示。時域無量綱參數分析程序框圖如圖5所示。

圖5 時域無量綱參數程序框

2.2 信號的頻域分析

頻域分析的主要功能是用于在振動信號監測發生異常以后，用來判斷故障部位，以達到更精確的診斷。頻譜分析得到信號頻率信息。在監測過程中，通過比較同一頻率成分下幅值的變化情況和有無新的頻率成分的產生，判斷信號是否正常。頻域分析流程圖如圖6所示。

圖6 頻域分析流程圖

2.2.1 傅里葉變換分析

對振動信號進行傅立葉變換分析。通過對正常振動信號進行傅里葉變換得到頻譜圖，將故障振動信號進行傅立葉變換得到頻譜圖。見圖7所示。將不同的頻譜圖進行分析研究。確定故障振動信號產生了哪些新的頻率及其幅值情況。圖中a,b表示檢測的頻率范圍，頻率最小間隔是0.001hz，spline用于確定數據點的函數值。將產生的新的頻率將其設置為所需要檢測的頻率，根據幅值情況來確定輸入頻率對應下的正常幅值，當檢測到需要檢測的頻率及幅值情況在誤差范圍之外時，布爾燈顏色變紅來報警提示故障。

圖7 傅里葉變換分析程序框圖

2.2.2 幅值譜分析

進行幅值譜分析得到頻譜圖，包含振動信號的轉動頻率，嚙合頻率等信息。當發生不同故障后，對振動信號譜線進行分析，譜線的變化也會不同，當出現故障時，通過對譜線進行分析，確定故障原因[9]。

通過對采集的振動信號的幅值譜分析，確定故障振動信號產生了哪些新的頻率及其幅值情況，產生的新的頻率將其設置為所需要檢測的頻率，根據幅值情況確定輸入頻率對應下的正常幅值，當檢測到需要檢測的頻率及幅值情況在誤差范圍之外時，布爾燈顏色變紅來報警提示故障。幅值譜分析程序框圖如圖8所示。

圖8 幅值譜分析程序框圖

3 應用效果

隨著機械設備成本的降低，生產率的提高，一旦發生故障，就可能會影響整條生產線的運行，對經濟造成重大的損失。所以通過對機械設備所產生的振動信號進行在線分析，可以及時發現存在的故障，并采取措施，對降低維修的成本，提高設備的可靠性具有重要的意義。利用仿真振動信號對設計的系統進行驗證，通過得到的結果來證明了系統能夠實現對振動信號的分析。

3.1 時域分析

進行時域有量綱參數分析，前面板如圖9所示。

圖9 時域有量綱參數分析前面板

選擇合適的上下限，在設置的上下限范圍之內時綠燈亮，當超出上下限范圍之外時紅燈亮。

進行時域無量綱參數分析，前面板如圖10所示。選擇合適的指標誤差范圍，在設置的指標誤差范圍內時綠燈亮，當超出誤差范圍之外時候紅燈亮。

圖10 時域有量綱參數分析前面板

3.2 頻域分析

進行傅立葉變換分析，前面板如圖11所示。進行幅值譜分析，前面板如圖12所示。

圖11 傅立葉變換分析前面板 圖12 幅值譜分析前面板

通過對振動信號進行傅立葉變換分析與幅值譜分析所得的前面板圖，可以發現振動信號產生了哪些新的頻率及其幅值情況。當監測到所要監測頻率的幅值在誤差范圍之外時，布爾燈顏色變紅來報警提示故障。

通過進行時域，頻域的分析，所設計的系統能夠實現對振動信號的分析，并能夠實現報警功能。

4 結 語

為實現對機械工作狀態的監測，出現問題及時報警，提出設計一套基于LabVIEW的振動信號分析與報警系統。通過對仿真振動信號進行時域分析，得到具體指標的數值，與設定的指標數值進行對比，及時發現是否異常。通過對仿真振動信號進行頻域傅立葉變換，幅值譜的分析判斷頻率情況，實現了對振動數據特性的判斷，能及時發現安全隱患而報警，降低事故發生率，減小故障造成的損失，所設計的系統為企業提高機械設備的工作效率有一定應用價值。