基于LabVIEW2010的發(fā)動機振動信號采集系統的開發(fā)與研究

武 健， 郭 永， 侯占峰， 張 忱， 梁志強

（1.內蒙古農業(yè)大學機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.包鋼集團巴潤礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 包頭 014080）

0 引 言

目前，在很多科學研究領域中，如實驗室所進行的各種分析研究、測試、測量以及工業(yè)自動化等方面，越來越多的科研人員都通過使用“虛擬儀器”構建各種系統。而所謂虛擬儀器，是指以通用計算機作為系統控制器，由軟件來實現人機交互和大部分儀器功能的一種計算機儀器系統。

就汽車發(fā)動機的振動信號而言，由于內部包含了豐富的相關信息，它能夠反映發(fā)動機的整體狀態(tài)以及變化規(guī)律，所以在汽車發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷過程中，若通過測取發(fā)動機工作時的大量振動信號，則可以診斷出發(fā)動機70%以上的故障和狀態(tài)信息[1]。而通過對比分析正常狀態(tài)以及故障狀態(tài)的振動信號，從而可對汽車發(fā)動機的狀態(tài)進行預測，這是發(fā)動機狀態(tài)診斷的發(fā)展方向[2]。

然而，傳統的數據采集系統由于受到檢測的可靠性以及準確性差、開發(fā)時間長、成本高和缺乏便捷性等因素的影響，無法即時地提供可靠的振動狀態(tài)信號。而通過虛擬儀器建立的數據采集系統，在信號的即時采集和分析中，則能夠克服上述缺點[3]，明顯地體現出較大的優(yōu)勢。

1 LabVIEW簡介

LabVIEW是NI，即美國國家儀器有限公司開發(fā)的一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。與傳統的文本編程語言不同，它采用數據流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定了程序的執(zhí)行順序。

LabVIEW程序被稱為VI，即虛擬儀器。每個VI包括前面板和程序框圖兩部分。前面板又被稱為用戶界面，LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便的創(chuàng)建用戶界面。前面板上的每一個控件對應于程序框圖中的一個對象，當數據"流向"該控件時，控件就會根據自己的特性以一定的方式顯示數據。LabVIEW還包含大量的工具與函數，用于數據采集、分析、顯示與存儲等。這些工具都是交互式工具，用戶只需要按照提示就可以實現與儀器的連接和參數的設置[4-5]。

2 基于LabVIEW2010數據采集系統

2.1 數據采集系統構成

所謂數據采集是指從傳感器和其他待測設備等模擬或數字被測單元中自動采集信息的過程。一個完整的數據采集系統包括傳感器或變換器、信號調理設備、數據采集和分析硬件、計算機、驅動程序和應用軟件等，如圖1所示[6]。

2.2 數據采集系統軟硬件的選擇

2.2.1 系統軟件選擇

圖1 數據采集系統結構圖

在利用LabVIEW2010建立汽車發(fā)動機振動信號采集系統時，考慮到對發(fā)動機振動信號進行實時采集時的數據傳輸速度，以及與驅動程序和上位機在通信時應當匹配等因素，選用NI公司USB-6251型數據采集卡。該采集卡具有16路模擬輸入，單通道1.25MS/s的采樣率。同時選擇NI公司提供的DAQmx9.2.2版本的驅動軟件，可以方便地在LabVIEW2010中對其進行控制。

2.2.2 系統硬件選擇

以中國上海大眾公司的AJR型發(fā)動機作為被測對象，它是目前比較普遍使用的四缸發(fā)動機，同時還采用德國（BOSCH）的電控系統，被廣泛的用在發(fā)動機實驗平臺。傳感器選擇B&K公司型號為4382的壓電加速度傳感器，它可以將加速度轉變?yōu)殡妷盒盘?，通過采集卡到達上位機，使人們對信號進行實時觀測。該傳感器頻率范圍為0.1～8400Hz，靈敏度為30.8PC/g，滿足汽車振動時的要求。在實驗前使用B&K公司型號為4294的振動傳感器標定儀對其進行了標定。利用最大最小值的平均值計算其有效值，用10 m/s2除以有效值及得標定值，最后標定值為0.952395072m/s2/mv。發(fā)動機振動信號經過傳感器轉變?yōu)殡妷盒盘枺捎陔妷狠^小，使用B&K公司型號為2635的電荷放大器對電壓進行放大。該放大器還具有一定的濾波作用，但是無法精確選擇范圍，因此只能進行初步濾波。經過標定發(fā)現，該系統可以穩(wěn)定地測量振動加速度以及功率譜。通過測取振動加速度的電壓值，得到表1所示的標定傳感器相關數據。圖2和圖3為在標定實驗過程的加速度和功率譜圖。

表1 傳感器標定儀數據

圖2 振動加速度圖

圖3 功率譜圖

3 LabVIEW程序

3.1 程序框圖的設計

系統使用LabVIEW2010進行采集程序設計，可實現振動信號及其功率譜信號的采集、顯示和存儲，并能在程序中進行精確地低通濾波，可使采集到的信息更加準確。LabVIEW2010軟件具有很多功能齊全的函數，類似于當今電視機中的各個芯片，只需將各芯片有序地結合為一體就可以方便快速地完成程序框圖的設計。在設計過程中，使用了DAQ Assistant、濾波器、頻譜測量、寫入測量文件函數以及計時函數[7-8]。

DAQ Assistant函數，又稱數據采集函數，用于交互式地創(chuàng)建、編輯和運行NI-DAQmx虛擬通道的任務。在使用時要對NI-DAQmx虛擬通道所對應的DAQ設備上的物理通道、采樣率、待采樣率及量程進行設置。

濾波器函數的作用是對信號進行低通濾波。創(chuàng)建時對低截止頻率以及窗函數進行設置，需注意的是截止頻率以及采樣率要滿足Nyquest采樣定律。在設計時還應該能針對發(fā)動機運行狀態(tài)的不同，隨時更改截止頻率。

頻譜測量函數，對信號進行功率譜分析，從而在測量前進行干擾分析，在測量中進行主要頻譜測量以及實時觀察。

寫入測量文件函數，用于對函數進行及時地存儲，存儲的格式選擇為TDM。TDM文件將動態(tài)類型的信號數據存儲為二進制文件，這些信息以XML的格式存儲在擴展名為.tdm的文件中。圖4為基于NI-DAQmx的數據采集系統的整體結構框圖[9]。

圖4 基于NI-DAQmx的數據采集系統

3.2 前面板設計

前面板不僅要實現將加速度變?yōu)殡妷盒盘柤捌涔β首V，還需要對采樣頻率、低截止頻率實時進行修改，并對存儲開關進行控制，因此設計兩個示波器，以及相應的控件和顯示程序運行時間的顯示控件。

3.3 實驗測試

利用該系統對發(fā)動機正常怠速狀態(tài)進行實時測量，并對測量數據進行標定，得到數據即為發(fā)動機正常怠速狀態(tài)振動加速度。表2為測量實驗的部分數據，以及根據傳感器標定值計算出的加速度值。

表2 發(fā)動機怠速振動加速度

4 結束語

本系統充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢，首先，其使用硬件少，大大縮小了開發(fā)時間以及費用，由于受硬件的局限性極小，可以方便地對發(fā)動機的各個位置的振動進行測量；其次，該系統利用計算機強大的用戶界面，可以方便地改變采樣率、低截止頻率，從而對各個轉速下的發(fā)動機各時刻的加速度以及功率譜進行實時的圖形監(jiān)測；最后，系統通過將各時刻加速度轉化為電壓值保存為TDM文件格式，從而實現了對數據的實時存儲，其中加速度實驗數據精確到小數點后第9位，方便用戶在實驗后對數據進行回放并進行后續(xù)的處理。

[1]熊國良，李玲新，曾誠.回轉機械振動模糊故障診斷系統的理論和應用研究[J].機械設計與研究，1999（3）：46-48.

[2]王朝暉，張來斌，劉春，等.基于振動信號的車用發(fā)動機運行狀態(tài)預測[J].機械強度，2006（5）：649-653.

[3]王建群，南金瑞，孫逢春，等.基于LabVIEW的數據采集系統的實現[J].計算機工程與應用，2003（21）：122-125.

[4]白云，高育鵬，胡小江.基于LabVIEW的數據采集與處理技術[M].西安：西安電子科技大學，2009.

[5]LabVIEW Function and VI Reference Manual[Z].National Instruments Corporation，1998.

[6]雷振山，魏麗，趙晨光，等.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[7]National Instruments LabVIEW Help[Z].Texas：National Instruments，2003.

[8]National Instruments DataSocket Technical Overview[Z].Texas：National Instruments，1998.

[9]陳錫輝，張銀紅.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2008.