基于虛擬儀器的便攜式振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

顏丙生， 聶士杰， 朱紅瑜， 湯寶平, 馬曉錄

(河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 鄭州 450001 )

0 引 言

《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》是機(jī)械制造及其自動(dòng)化、車輛工程、過(guò)程裝備與控制工程等專業(yè)的骨干課程，特點(diǎn)是工程應(yīng)用背景較強(qiáng)[1]?；诖颂攸c(diǎn)，各高校一般會(huì)開設(shè)6～10學(xué)時(shí)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)課程，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性且測(cè)試內(nèi)容單一，無(wú)法將信號(hào)采集、頻譜分析和故障診斷等內(nèi)容綜合起來(lái)。為了教學(xué)方便，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，與實(shí)際工程應(yīng)用相去甚遠(yuǎn)。當(dāng)前所使用的測(cè)試設(shè)備一般會(huì)固定安裝、不便攜，無(wú)法攜帶到機(jī)械廠或?qū)嵱?xùn)中心對(duì)機(jī)床等實(shí)際設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。此外，現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)功能固化，學(xué)生無(wú)法根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況進(jìn)行改變，限制了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力[2-4]。

虛擬儀器技術(shù)在當(dāng)前計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，通過(guò)將靈活可操控的軟件和相關(guān)硬件結(jié)合進(jìn)而建立綜合、靈活的測(cè)控系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器[5-8]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用虛擬儀器平臺(tái)，采用實(shí)際工程硬件，開發(fā)了一套基于虛擬儀器的開放、綜合且具備工程應(yīng)用能力的便攜式振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)開發(fā)

圖1為所開發(fā)的便攜式振動(dòng)測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由信號(hào)采集相關(guān)硬件及開發(fā)的軟件系統(tǒng)兩部分組成。首先根據(jù)不同測(cè)試環(huán)境利用所使用的加速度傳感器、采集卡、機(jī)箱等硬件搭建振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，利用該平臺(tái)采集被測(cè)振動(dòng)源的振動(dòng)信號(hào)并將其輸入至PC端，最后利用PC機(jī)中的軟件系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的分析處理及存儲(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所開發(fā)系統(tǒng)的硬件部分主要包括加速度傳感器、磁吸、NI-9171機(jī)箱、NI-9230采集卡、USB數(shù)據(jù)傳輸線及PC機(jī)。圖2所示為所搭建的系統(tǒng)硬件平臺(tái)。

圖2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

按圖2搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)，將加速度傳感器安裝在被測(cè)振動(dòng)源合適位置處，開啟PC機(jī)打開軟件系統(tǒng)即可進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)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(cè)振動(dòng)源上；選用NI-9171機(jī)箱與NI-9230采集卡，兩者尺寸較小，便于組裝和拆卸，是目前實(shí)際工程測(cè)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(zhuǎn)換等功能，能夠得到較穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)；同時(shí)具有3個(gè)采集通道，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)振動(dòng)源不同位置振動(dòng)信號(hào)的同步采集[9-12]。PC機(jī)選用體積較小但處理器強(qiáng)大的筆記本電腦，可快速準(zhǔn)確的進(jìn)行信號(hào)的分析處理及存儲(chǔ)。

利用所搭建的系統(tǒng)硬件平臺(tái)可快速準(zhǔn)確的完成振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的信號(hào)采集，同時(shí)由于選取的硬件均符合實(shí)際工程要求且尺寸較小、便攜，可攜帶到機(jī)械廠或?qū)嵱?xùn)中心進(jìn)行機(jī)床等設(shè)備的振動(dòng)測(cè)試。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在LabVIEW平臺(tái)中進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)。包括信號(hào)采集模塊、信號(hào)分析與處理模塊及信號(hào)存儲(chǔ)模塊，主要實(shí)現(xiàn)的功能為時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的獲取、頻譜分析及各項(xiàng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[13-14]。

為讓學(xué)生方便快捷的操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面[15]。圖3所示為系統(tǒng)的人機(jī)交互主界面，最上端為系統(tǒng)的控制區(qū)域，幾個(gè)布爾控件分別用來(lái)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如“數(shù)據(jù)采集”-開始采集信號(hào)；“循環(huán)終止”-停止采集信號(hào)；“退出系統(tǒng)”-關(guān)閉主界面，退出系統(tǒng)等功能。

圖3 系統(tǒng)人機(jī)交互主界面

控制區(qū)域下面是系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，用一個(gè)“選項(xiàng)卡”控件控制各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)，如“整體監(jiān)測(cè)”選項(xiàng)中左側(cè)為各通道的時(shí)域波形及其頻譜，學(xué)生根據(jù)所學(xué)振動(dòng)信號(hào)與頻譜分析知識(shí)可直觀觀察出二者間的區(qū)別及聯(lián)系；右側(cè)是參數(shù)顯示區(qū)域，基本涵蓋了目前學(xué)生需掌握的與信號(hào)相關(guān)的知識(shí)，包括采樣率、采樣時(shí)間、采樣點(diǎn)數(shù)、峰峰值、均方根值、靈敏度、振動(dòng)烈度報(bào)警等。

此外，學(xué)生可通過(guò)自主二次開發(fā)進(jìn)而豐富系統(tǒng)功能。首先在如圖4所示的程序框圖中根據(jù)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(jìn)行下一步的信號(hào)分析與處理。即能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主的二次開發(fā)。

圖4 部分系統(tǒng)程序框圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

利用所開發(fā)系統(tǒng)可對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定、傳感器的安裝、信號(hào)的采集與分析及簡(jiǎn)單的故障診斷等方面的綜合訓(xùn)練。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

所開發(fā)系統(tǒng)在投入使用前必須要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)試標(biāo)定來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)每個(gè)通道是否正確，故利用該系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。圖5所示為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)量與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，以通道0標(biāo)定為例，首先按圖5安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，再使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，頻率為35 Hz，通過(guò)雙BNC連接線傳輸信號(hào)至系統(tǒng)。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)量與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖6為該系統(tǒng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)時(shí)域波形與幅值譜圖，由圖可知：信號(hào)的頻率為34.816 Hz、峰值為1.044 V，與函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)基本一致，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

2.2 偏心電動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

使用所開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行偏心電動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試實(shí)

圖6 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)時(shí)域波形與幅值譜圖

驗(yàn)，并用“頻譜法”測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻。首先按照?qǐng)D7搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用調(diào)壓器調(diào)節(jié)偏心電動(dòng)機(jī)至某一恒定轉(zhuǎn)速，此時(shí)簡(jiǎn)支梁上會(huì)產(chǎn)生來(lái)自電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，將3個(gè)加速度傳感器分別置于簡(jiǎn)支梁不同位置處進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的同步采集，觀察系統(tǒng)主界面中3個(gè)通道的時(shí)域波形，選取幅值最大的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

圖7 偏心電動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖8所示為幅值最大的偏心電動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形與幅值譜圖，可知：測(cè)得的振動(dòng)頻率約為26.624 Hz即為電動(dòng)機(jī)實(shí)際振動(dòng)頻率f。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為

n=60f

(1)

由式(1)，求得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

n=1 597.44 r/min

此外，學(xué)生若想觀察幅值譜與功率譜的區(qū)別，可通過(guò)二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，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(yùn)行系統(tǒng)，即可觀察得到：功率譜頻率結(jié)構(gòu)較幅值譜頻率結(jié)構(gòu)要好。

圖8 幅值最大的偏心電動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形與幅值譜圖

2.3 轉(zhuǎn)子偏心故障診斷實(shí)驗(yàn)

采用該系統(tǒng)在故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行轉(zhuǎn)子偏心故障診斷實(shí)驗(yàn)。

圖9所示為轉(zhuǎn)子偏心故障診斷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，將3個(gè)加速度傳感器分別安裝在軸承的不同位置(x，y，z方向)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的同步采集，電機(jī)轉(zhuǎn)頻、采樣頻率及采樣時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)學(xué)生可自主設(shè)置，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻為20 Hz，采樣率為1 kHz/s，采樣時(shí)長(zhǎng)為10 s，轉(zhuǎn)子上安裝螺釘使其產(chǎn)生偏心故障。

圖9 轉(zhuǎn)子偏心故障診斷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖10為采集到的3個(gè)通道的時(shí)域波形與幅值譜圖，對(duì)比3個(gè)通道的時(shí)域波形可知：通道0與通道1所采集的轉(zhuǎn)子軸向振動(dòng)信號(hào)極為微弱，振動(dòng)不明顯。通道2采集到的轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)，波形為正弦波形，頻率為19.456 Hz與電機(jī)轉(zhuǎn)頻基本一致，說(shuō)明轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心故障。證明該系統(tǒng)可有效應(yīng)用于轉(zhuǎn)子偏心等故障診斷領(lǐng)域中。

3 結(jié) 語(yǔ)

將虛擬儀器與實(shí)際振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，開發(fā)了一套基于LabVIEW平臺(tái)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，配備實(shí)際工程所用硬件搭建了綜合、靈活、便攜的振動(dòng)測(cè)試設(shè)備。

圖10 轉(zhuǎn)子偏心故障時(shí)域波形與幅值譜圖

可以開展標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的測(cè)量與分析實(shí)驗(yàn)、實(shí)際振動(dòng)信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)及簡(jiǎn)單的故障診斷實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力及自主創(chuàng)新意識(shí)有顯著提高，學(xué)生在掌握所需測(cè)試知識(shí)的同時(shí)，新穎的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭布ぐl(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。其中，14、15級(jí)的學(xué)生已經(jīng)攜帶此便攜式振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)到機(jī)械廠對(duì)機(jī)床等設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試并取得了較好的教學(xué)效果。