基于研華PCI-1711采集卡的振動信號采集系統(tǒng)

武漢理工大學汽車工程學院 周 帥

0 前言

凡是有機械存在的地方，一般都有振動，機械結(jié)構(gòu)振動是造成工業(yè)機械故障的主要原因之一，嚴重時直接影響其壽命。對工程機械進行有效準確的振動測試和分析，是對其進行故障診斷的重要依據(jù)[1]，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)等功能，在現(xiàn)代工業(yè)中應用比較廣泛。機械振動頻率有時很高，根據(jù)采樣定理則，需要較高的采樣頻率，才能夠?qū)崿F(xiàn)振動信號的準確測試，本文著重介紹一種使用研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡、北戴河研究所SD14T02型信號調(diào)理器及工控機構(gòu)成硬件平臺，利用多通道中斷采集方式（MADINT）實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集的振動信號采集系統(tǒng)，使用圖形化編程軟件LabVIEW8.6開發(fā)系統(tǒng)軟件程序，使用TDMS文件格式對數(shù)據(jù)進行存儲，經(jīng)實際應用，能夠滿足一般機械振動測試要求。

1 振動信號采集系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中信號調(diào)理模塊采用北戴河實用電子技術研究所SD14T02型信號調(diào)理器，配合該所SD14N14內(nèi)裝電路壓電加速度傳感器進行振動參數(shù)的檢測與信號調(diào)理；數(shù)據(jù)采集模塊采用研華PCI1711數(shù)據(jù)采集卡對傳感器信號進行高速數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡通過PCI接口接入研華工控機，構(gòu)成測試系統(tǒng)的硬件平臺，上位機使用虛擬儀器程序開發(fā)工具LabVIEW8.6進行軟件開發(fā)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對測試系統(tǒng)機械部件的振動參數(shù)測試、顯示、存儲及分析，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。系統(tǒng)主要技術指標如表1。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

表1 系統(tǒng)主要技術指標

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 加速度傳感器

壓電式加速度傳感器使用壓電材料作為轉(zhuǎn)換元件，其輸出的電壓或電荷大小與所測的振動加速度大小成正比，具有量程大、準確度和靈敏度高、工作可靠性好的優(yōu)點，是目前振動測試系統(tǒng)最常選用的傳感器。本系統(tǒng)選用的北戴河實用電子技術研究所的SD1414壓電加速度傳感器，靈敏度為10mV/(m/s2)。傳感器前端開有安裝螺紋孔，用于安裝磁性或其它固定件，可以吸附于被測部件，該傳感器結(jié)構(gòu)先進，性能穩(wěn)定，環(huán)境性能好，使用壽命長，安裝方便。

2.2 動態(tài)信號調(diào)理器

壓電式傳感器輸出的電信號是很微弱的電信號，其本身又有很大的內(nèi)阻，輸出的能量甚微[2]，因此需要對信號進行調(diào)理，SD14T02型信號調(diào)理器是一種具有雙積分功能的測量儀器，與SD1414壓電加速度傳感器配合，可以組成理想的振動測量系統(tǒng)，從而實現(xiàn)振動的加速度、速度、位移等物理量的測量。功能齊全、可靠、用途廣泛。儀器的面板如圖2、3，前面板下端標有“輸入”字樣的為輸入插座，是與傳感器電纜線插頭聯(lián)接的端口，通過該插座可以向內(nèi)裝電路加速度傳感器提供恒流源；后面板包含加速度、速度及位移輸出插座，可同時輸出加速度、位移及速度信號，但開啟電源后需要預熱15min才能進行測試。

圖2 儀器前面板

圖3 儀器后面板

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

采用研華公司的PCI-1711多功能數(shù)據(jù)采集卡,符合PCI規(guī)格Rev2.1標準，支持即插即用。該卡具有16位單端模擬量輸入，12位A/D轉(zhuǎn)換器，每個通道的增益均可編程，同時提供了FIFO（先入先出）存儲器，可存儲1KA/ D采樣值，該卡采樣速率最高可達100KHz，能夠滿足一般振動測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高速采集需要，是一款功能強大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。

2.4 系統(tǒng)硬件連接

壓電加速度傳感器通過自帶信號輸入線與信號調(diào)理器前面板輸入連接，信號調(diào)理器自帶3根帶Q9插頭的輸出線，輸出線一端接信號調(diào)理器后面板速度、加速度及位移輸出，由于PCI-1711僅支持單端模擬量輸入，不支持差分輸入，同時為浮動信號源提供一個參考地，因此輸出線另一端利用Q9（BNC）接頭引接2根導線分別接數(shù)據(jù)采集卡外接板卡輸入端口及參考地端口，如圖4所示。數(shù)據(jù)采集卡插入工控機空閑PCI插槽中。

圖4 信號源聯(lián)接示意圖

3 軟件系統(tǒng)設計

測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5，程序主要包括數(shù)據(jù)采集程序、顯示存儲程序以及處理程序3部分數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)對傳感器信號的高速采集，顯示存儲程序?qū)⒉杉恼駝訁?shù)數(shù)據(jù)進行直觀的波形顯示并將數(shù)據(jù)完整保存，數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)對采集信號的頻域、時域分析。使用圖形化虛擬儀器編程工具Lab VIEW8.6進行編程，LabVIEW是一種業(yè)界領先的工業(yè)標準圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。它是專門為工程師和科學家而設計的直觀圖形化編程語言[2]。

該系統(tǒng)采用了研華公司的PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)卡驅(qū)動程序中已經(jīng)封裝了LabVIEW編程工具包，同時帶有大量的例程供用戶使用參考，因此編程時只需要直接調(diào)用相關子VI或者對例程進行修改即可。該采集卡支持采集方式主要有軟件觸發(fā)模擬量采集(MADSOFT)、單通道中斷模擬量采集 (ADINT)及多通道中斷模擬量(MADINT)采集等。軟件觸發(fā)模式采集速度較慢，單通道中斷方式僅適用于單個傳感器聯(lián)接，擴展性不強，因此為保證振動參數(shù)的準確檢測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，程序采用多通道中斷模擬量采集方式編程,由于數(shù)據(jù)的存儲速度小于數(shù)據(jù)采集速度，這樣產(chǎn)生了沖突，為解決這一問題，利用LabVIEW中的隊列技術將高速采集的數(shù)據(jù)由采集程序內(nèi)部傳遞至存儲及顯示程序模塊中，運行原理如圖6。

圖6 隊列技術實現(xiàn)

隊列輸出的數(shù)據(jù)類型為二維數(shù)組，利用數(shù)組索引將數(shù)組每一行數(shù)據(jù)導出，即為對應端口采樣數(shù)據(jù)。基于隊列技術的數(shù)據(jù)采集程序如圖7。

圖7 基于隊列技術的數(shù)據(jù)采集程序

圖8 采集參數(shù)設置框

欲使采集程序滿足測試要求，需要正確設置采集參數(shù)，多通道高速數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置框如圖8，其中，TrigSrc：觸發(fā)方式設置為Internal內(nèi)部觸發(fā)時即使用PCI-1711自帶82C54或與其兼容的定時器/計數(shù)器芯片觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，聯(lián)接有外部觸發(fā)源時，可設置為External。

外部觸發(fā)模式使用外部觸發(fā)源觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。

Count：每次采集A/D轉(zhuǎn)換數(shù)目，必須設置為NumChans的整數(shù)倍，同時還必須是FIFO大小的整數(shù)倍。

SampleRate：采樣頻率；

NumChans：設置從起始開始往后要掃描的通道數(shù)目，StarChan：設置要掃描的起始通道號；

CydicMode：設置循環(huán)模式。

FIFOSize：設置是否使用FIFO,不使用時設置為1,即每采集一次便產(chǎn)生中斷請求，使用FIFO時必須設置為FIFO大小一半，即FIFO半滿時產(chǎn)生中斷請求。

GainList：設置相應通道增益。

對于采樣率根據(jù)實際情況可進行調(diào)整，有時由于采集程序占用CPU資源較大，采樣率較高時達不到采樣要求，可以通過增大Count值減少CPU使用率，提高采集數(shù)據(jù)處理速度。如果對實時顯示沒有太高的要求，一般使用緩沖器FIFO,即設置FIFOSize值為512，NumChans設置為16，StarChan設置為0通道，即對每個通道都進行檢測，便于測試設備擴展。

高速數(shù)據(jù)采集特點是采集速度快，數(shù)據(jù)量巨大，對數(shù)據(jù)的存儲速度要求較高，否則會出現(xiàn)采集“失真”現(xiàn)象，直接影響測試系統(tǒng)準確性及可靠性，多通道采集情況下數(shù)據(jù)也不易管理。LabVIEW8.6中的高速數(shù)據(jù)采集流文件（TDMS）文件對原有TDM文件進行了改進，TDMStreaming文件屬性定義的接口簡單，讀寫速度更快，對文件屬性值可作為參數(shù)輸入，便于數(shù)據(jù)管理及回放，因此采用TDMS文件格式對數(shù)據(jù)進行存儲，同時數(shù)據(jù)處理后期利用轉(zhuǎn)換工具將TDMS轉(zhuǎn)為Excel格式進行轉(zhuǎn)存，滿足報表需要。

振動參數(shù)采集存儲完成后即可對其進行相應處理，頻譜識別是最常用和最有效的機械維護及故障檢測方法，在旋轉(zhuǎn)機械上85%以上的故障都可以用頻譜識別出來[4]，頻域分析也是數(shù)字信號處理最常用的方法，采用快速傅里葉變換（FFT）將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，計算信號的頻譜，通過頻譜分析信號的頻率組成成分，為機械設備故障分析或測試系統(tǒng)去干擾提供依據(jù)。LabVIEW提供了附加工具包（SVT）應用于聲音與振動信號處理，程序中利用LabVIEW內(nèi)部集成的頻率分析函數(shù)將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，通常LabVIEW中Graph控件的橫軸坐標是采樣點點數(shù)，為使X軸坐標為頻率，通過調(diào)用控件屬性節(jié)點動態(tài)設置控件縮放系數(shù)，具體設置步驟如下，

（1）縮放系數(shù)=fs/N。

（2）X軸最小值=0。

（3）X軸最大值=fs/2。

其中fs為采樣率，N為采樣點數(shù)。目前機械振動譜圖中頻率計算及讀譜的計算工作大多采用計算機技術應用相應的頻率計算及讀譜軟件來完成，如MATLAB[3]。LabVIEW中提供了完善的MATLAB接口，程序開發(fā)過程中通過相應接口實現(xiàn)與MATLAB的兼容，大大提高了測試軟件的性能。

測試環(huán)境對測試系統(tǒng)總是存在干擾，本測試系統(tǒng)主要的干擾來自電磁干擾，所有的電磁干擾都是有3個基本要素組合而產(chǎn)生的，它們是:干擾源、耦合途徑、敏感設備[5]。分析本系統(tǒng)存在的干擾源有外界干擾、工控機板卡間的電磁干擾以及電源不穩(wěn)定造成的噪聲干擾，當被測試單位含有類似變頻器、大功率電機等元件時，會產(chǎn)生很大的噪聲，導致數(shù)據(jù)失真。因此采集的信號必須進行濾波，具體的濾波方式需要經(jīng)過多次試驗進行選擇，本測試系統(tǒng)一般采用的雙重濾波，由于被測頻率比較高，先進行高通濾波器，濾掉板卡間電磁干擾產(chǎn)生的噪聲，然后利用中值濾波器濾掉變頻器等設備產(chǎn)生的噪聲，對于不同測試環(huán)境，用戶可以自行選擇濾波方式如小波去噪對原始數(shù)據(jù)進行濾波。

4 結(jié)束語

該測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，適用于各種機械振動參數(shù)的測試，軟件平臺通用性及擴展性較強，測試系統(tǒng)軟件程序中的數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示程序進行模塊封裝后可在不同的測試系統(tǒng)中調(diào)用。同時LabVIEW8.6中數(shù)字信號處理工具中封裝了信號處理所需的大部分功能函數(shù)，因此只需要進行簡單編程即可實現(xiàn)信號的各種處理要求，在實際應用中，其穩(wěn)定性及可靠性也得到了很好的驗證。

[1]徐福祥,李慶文等.基于LabVIEW的工程機械振動測試與分析系統(tǒng).儀器儀表與分析監(jiān)測,2008(1),25-27.

[2]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通.

[3]陳揚,陳榮娟,郭穎輝,等.MATLAB6.X圖形編程與圖像處理[M].西安：西安電子科技大學出版社.2002.

[4]張思.振動測試與分析技術[M].北京：清華大學出版社，2002：45.

[5]俞云強.微機測控系統(tǒng)的抗干擾技術.微計算機信息(測控自動化),2004,20(11):18-19.

[6]楊宗凱.小波去噪及其在信號檢測中的應用.華中理工大學學報,1997,25(2):1-4.