基于LabVIEW的機械振動監測系統設計

黃丙南 侯一民

（1．中核檢修有限公司，上海 201103；2．東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012）

0 引言

機械振動是現代工業生產中普遍存在的現象，強烈地振動將對設備正常運行造成不利影響，導致構件損耗，大大縮短了機械設備的使用壽命，并且可能會出現更嚴重的事故，甚至危及工作人員的生命安全[1]。對機械振動情況的準確監測是保障機械穩定運行的關鍵手段之一，眾多學者針對該領域進行了研究，例如劉會杰等人[2]在該文中設計了用于采集機械運行過程中振動信號的光纖監測系統，對機械運行狀態進行實時監控。陳含蓓等人[3]在文獻中闡述了利用服務器、節點以及傳感器構建的醫療設備產品振動信號監測系統。葛學柳等人[4]等設計了基于無線通信的振動篩工況監測系統，采用振動信號分析的方法判斷機械工作的狀態。

但是目前領域內的研究成果仍然存在很多需要解決的問題，主要包括監測系統提取并分析的振動信號特征較為單一，僅僅包括時域特征或簡單的頻域特征，無法滿足監測的目的；信號分析模塊往往對硬件要求高，其成本難以降低。

為了解決上述問題，該文設計開發了1種基于LabVIEW的振動信號分析與監測系統，該系統可以進行多種振動信號的分析計算且硬件成本較低。

1 系統框架設計

該系統設計框架如圖1所示，包括數據采集、時域分析、頻域分析和聯合時頻分析等4個模塊。時域分析模塊可以完成振動信號的自相關及互相關計算；頻域分析模塊具備倒譜分析、功率譜與傅里葉變換、功率譜密度計算、頻譜細化以及希爾伯特變換等功能；聯合時頻分析模塊具備格伯（Gabor）變換特征提取和希爾伯特-黃變換（HHT）等功能。

圖1 系統框架結構

該文采用了NI公司的數據采集卡PXI6251進行數據采集，該板卡具備調理信號和采集數據的功能，選擇DWQZ-8108型號電渦流式振動傳感器作為傳感設備，運用LabVIEW中的DAQ模塊實現數據的獲取及存儲等功能。

2 振動信號處理與分析

振動信號是機械狀態監測、故障診斷預測等方面的重要依據。該文對關鍵振動特征進行提取，其中時域分析中的自相關和互相關計算較為簡單，主要闡述了頻域分析和時頻分析過程。

2.1 頻域分析

2.1.1 頻譜細化分析

頻譜是信號頻域中的重要特征，它可以顯示出信號頻率的成分和分布情況，其理論基礎是傅立葉變換，表達式如公式（1）和公式（2）所示。

式中：ω為角頻率；f（t）為時域信號；t為時間，j為虛數單位。

細化譜分析能夠在頻譜分析過程中有效地提高所關心部分頻率的分辨率，例如將頻譜分辨率增大K倍，只需要將信號采樣點數N增到KN，使頻譜范圍內所有的頻率分辨率都增加了K倍，其代價是會增加運算的次數。

2.1.2 倒譜分析

倒譜分析通常用于復雜譜圖中檢測周期分量。該方法在基于機械振動的故障監測與診斷以及排除回波等方面應用廣泛[5]。設時域信號為x（t），記X（f）為其傅立葉變換，Sx（f）為其功率譜密度函數。函數Cp（q）的數學表達式如公式（3）所示。

式中：Cp為倒譜函數表達式；F-1為傅立葉逆變換q為倒頻譜中的倒頻率。

高倒頻率是指在q值較大的情況下，可以用快速波動在譜圖上進行表示；低倒頻率是指在q值較小的情況下，可以用緩慢波動在譜圖上進行表示，從而使變換后的信號能量集中。

2.2 聯合時頻分析

2.2.1 Gabor變換特征提取

Gabor變換也可以稱為加窗傅立葉變換，它可以在二維空間展示與時間和頻率分量相關的信號強度。空間中某點值為信號中在某時間、某頻率下信號分量的強度。其計算方式是在時間域內選取合理的時間窗長度，進行快速傅立葉變換，不斷移動窗口，最終得到二維數據的結果。

2.2.2 HHT分析

該文對信號的基本模態分量組采取Hilbert變換，然后算出其瞬時頻率，表達式如公式（4）所示。

式中：x（t）為時間t維度上的信號；ai（t）為第i個本征模態函數分量；n為本征模態函數分量總數；j為變換中的時間窗序號；ω為瞬時頻率。

基于公式（4），用時間與瞬時頻率函數來表達信號幅度，即取信號實部（Re代表取實部函數）。經過處理后可以獲得Hilbert時頻譜，它是分布在時間頻率平面上的強度函數，如公式（5）所示。

式中：H（ω，t）為時頻譜表達式；t為時間；ω為角頻率。

3 系統實現與實驗

3.1 信號獲取與讀寫模塊

系統先完成對數據的讀取和存儲，采用LabVIEW中子VI進行單獨編寫以供調用。振動信號的預處理過程有2種：1） 直接對所采集的信號進行濾波、加窗和提取。2） 依靠相關函數理論，對采集到的信號進行相關函數分析，得到需要的信號數據。

3.2 頻域分析模塊

該模塊主要通過倒頻譜分析、Hilbert解調、FFT 變換、功率譜分析和功率譜密度等實現對振動信號頻域特征的提取。采集的信號經過濾波后作Hilbert變換，然后采用“Power”模塊求出包絡波形。

圖2 實驗臺水平方向轉子振動的相位信號分析

3.3 系統實驗

該文實驗裝置是Bently的模擬轉子試驗臺，可以模擬旋轉機械故障，且自身帶有信號的前置適配器和調節轉速的裝置，能夠對油膜渦動的故障信號進行仿真。油膜渦動是旋轉機械運轉時最早出現的1個故障狀態，如果轉速繼續提高，就會進入油膜振蕩故障的狀態。

油膜渦動和振蕩故障狀態下的數據相位計算結果如圖2所示。軸運行是穩定情況下，相位相對變化比較平穩；隨著轉速的提高，相位變化也會提高，在相位的幅值在-50 °～±25 °附近變化時，轉速為3000 r/min；最終把轉速提升至 6500 r/min后，相位在所有區域的變化都很強烈。

基于實驗臺采用系統的HHT模塊計算分析了在機械正常、油膜渦動以及振蕩這3種情況下的振動信號特征。在2000 r/min的工況下，轉子時的頻譜圖如圖3（a）所示，從結果中可以看出，此時轉子半頻為16.66 Hz，而工頻為33.34 Hz；同時，工頻振幅明顯高于半頻的振幅，因此圖中很難明顯地看出信號半頻成分，這樣可能導致對工作狀態的錯誤判斷。如果采用基于EMD的HHT分析，可以得到明顯的半頻成分，如圖3（b）所示。

圖3 轉子油側垂直HHT分析圖（2000 r/min）

4 結論

該文旨在開發1款成本低且可以實現振動信號采集與計算的虛擬儀器。首先，設計了系統的總體結構，根據應用中的振動監測分析需求確定了系統模塊的構成。然后，分別論述了采用LabVIEW開發平臺完成的振動狀態監測與分析系統軟件各個模塊具體設計與實現的過程。最后，完成了振動狀態監測與分析系統開發與實驗的工作，實驗結果證明了該系統的可行性。