基于角域采樣聲強(qiáng)法的故障檢測(cè)系統(tǒng)研究

韓杰 張志強(qiáng) 陳品

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥，230009）

0 引言

現(xiàn)如今，電機(jī)控制的機(jī)電產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國(guó)民生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。為控制產(chǎn)品質(zhì)量，除了功能和電氣性能檢測(cè)之外，通常會(huì)在生產(chǎn)線的末端對(duì)此類(lèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行故障檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品早期可能存在的故障。傳統(tǒng)檢測(cè)方法大多使用人工利用探針聽(tīng)診器的方式，效率較低。近十年隨著故障監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開(kāi)始研究具有自動(dòng)故障診斷功能的監(jiān)測(cè)方法和測(cè)試設(shè)備。

從基于聲強(qiáng)法的故障診斷技術(shù)上，國(guó)內(nèi)外都做了較多的研究。國(guó)外的的R.P.Kending等人[1]曾提出“聲強(qiáng)測(cè)量法”的噪聲測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量環(huán)境情況較差的車(chē)間內(nèi)進(jìn)行聲功率測(cè)量。國(guó)內(nèi)的甘長(zhǎng)勝等人關(guān)于聲強(qiáng)在一些常用機(jī)械結(jié)構(gòu)的噪聲檢測(cè)發(fā)面做了大量的實(shí)驗(yàn)和研究[2-4]，為聲強(qiáng)測(cè)量和故障檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。但是針對(duì)聲強(qiáng)法的這些研究都是對(duì)穩(wěn)態(tài)下的測(cè)試對(duì)象做等時(shí)基測(cè)試而展開(kāi)的，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)電產(chǎn)品故障往往是在升速或降速過(guò)程中顯現(xiàn)較為明顯，使用傳統(tǒng)的聲強(qiáng)測(cè)試分析方法并不適用。

本文提出了一種基于角域聲強(qiáng)法的故障監(jiān)測(cè)方法，與傳統(tǒng)故障診斷方法相比較，具有測(cè)試效率高、指向性強(qiáng)、診斷效率高的優(yōu)點(diǎn)，具有更多的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間，且有著較好的實(shí)用前景和巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 聲強(qiáng)測(cè)量理論基礎(chǔ)

1.1 近場(chǎng)聲強(qiáng)測(cè)量方法

根據(jù)聲學(xué)理論，當(dāng)介質(zhì)中無(wú)均流時(shí)，在穩(wěn)態(tài)條件下的隨機(jī)過(guò)程，某點(diǎn)聲強(qiáng)等于該點(diǎn)上質(zhì)點(diǎn)瞬時(shí)速度和瞬時(shí)聲壓的乘積

圖1 p-p測(cè)量法聲強(qiáng)探頭

在使用如圖1.1所示的聲強(qiáng)探頭測(cè)量時(shí)，左右兩個(gè)傳聲器分別測(cè)得聲壓數(shù)據(jù)設(shè)為以及，傳聲器A以及傳聲器之間的距離設(shè)為 。

于是，式（2）可改寫(xiě)為

被測(cè)點(diǎn)的聲壓用算術(shù)平均聲壓代替

則在兩傳感器中心線連線方向上的瞬時(shí)聲強(qiáng)為

1.2 角域采樣法

在機(jī)電產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)在變速階段其轉(zhuǎn)速是變化的 ，對(duì)其轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量并進(jìn)行等角度增量采樣的過(guò)程稱(chēng)為階次跟蹤采樣。階次跟蹤技術(shù)能夠測(cè)量并獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速相關(guān)數(shù)據(jù) ，且對(duì)和轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾 ，達(dá)到二次濾波的效果。

角域采樣法是對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行角域重采樣，階次跟蹤分析法的一種運(yùn)用。階次跟蹤分析采用的方法是等角度信號(hào)采樣，在信號(hào)的每個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)相同，即同步采樣。非穩(wěn)態(tài)信號(hào)在等角度采樣后會(huì)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)信號(hào)，再將采樣后的信號(hào)進(jìn)行FFT變換即可得到階次譜。

實(shí)現(xiàn)等角度采樣的方法有下面兩種

轉(zhuǎn)速脈沖觸發(fā)采樣是通過(guò)分析旋轉(zhuǎn)電機(jī)上的固定轉(zhuǎn)速盤(pán)，在發(fā)動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，轉(zhuǎn)速盤(pán)發(fā)出脈沖信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行采樣。這種方法能夠嚴(yán)格控制采樣的同步，但實(shí)際操作難度大，不具有普適性。

等時(shí)重采樣具體分為等時(shí)間間隔采樣和插值重采樣兩個(gè)過(guò)程。首先是在相同時(shí)間間隔的條件下對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，并且要保證采樣的頻率不會(huì)改變，以得到同步采樣信號(hào)。然后，根據(jù)測(cè)得的轉(zhuǎn)速數(shù)組，計(jì)算出一組的時(shí)間點(diǎn)，這組時(shí)間點(diǎn)就是等角度采樣的時(shí)刻，在這些時(shí)刻的鄰域內(nèi)對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行插值算法處理，并進(jìn)行再次采樣，最后得到所需的角域重采樣信號(hào)。

角域重采樣需要求出在時(shí)域條件下，重采樣的時(shí)刻，要先設(shè)定被測(cè)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸的角加速度，一般取很短的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸作勻角加速度運(yùn)動(dòng)，此假設(shè)在文獻(xiàn)[6]的可以查到。

在這樣一前提下，參考軸的轉(zhuǎn)角 可以有如下表達(dá)式

對(duì)同步采樣信號(hào)，將相鄰的三個(gè)脈沖時(shí)間點(diǎn)和間隔時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度帶入式（7），得

對(duì)上式求出的單位角增量所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，利用插值算法對(duì)振動(dòng)信號(hào)用處理，即可得到振動(dòng)信號(hào)在角域重采樣后對(duì)應(yīng)時(shí)刻的幅值數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，就能得到重采樣信號(hào)的階次譜。

2 故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

圖2 基于角域采樣聲強(qiáng)法故障診斷技術(shù)試驗(yàn)研究基本硬件方案

圖3 基于角域采樣聲強(qiáng)法的故障診斷軟件模塊組成

圖2 為基于角域采樣聲強(qiáng)法故障診斷技術(shù)試驗(yàn)研究基本硬件方案。角域采樣聲強(qiáng)法的硬件系統(tǒng)主要包括三大方面：聲強(qiáng)探頭、處理電路、計(jì)算機(jī)。聲強(qiáng)探頭將探頭所在的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)前置放大器帶動(dòng)低噪聲電纜輸送到處理電路；處理電路前端總成了低頻補(bǔ)償、雙級(jí)變換、差分變換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步處理，再通過(guò)電纜輸送至單端電路、增益電路、單極變換電路進(jìn)一步處理，處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)抗混濾波電路處理再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)USB接口輸入計(jì)算機(jī)；在計(jì)算機(jī)中通過(guò) LabVIEW軟件對(duì)采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行分析處理達(dá)到所需的效果。

本小組采用的數(shù)據(jù)采集器為NI USB-9233。NI USB-9233帶有4個(gè)BNC連接器，可提供4路同步采樣模擬通道輸入。

其中 表示2到25的任意整數(shù)。

其中 表示2或3。

2.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)硬件電路采集到的信號(hào)在LabVIE中進(jìn)一步分析處理并顯示出來(lái)。主要包括：角域聲強(qiáng)階次比分析、對(duì)比及故障識(shí)別、譜庫(kù)建立。角域聲強(qiáng)階次比分析即通過(guò)軟件自帶功能進(jìn)行角域重采樣實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的跟蹤測(cè)量；對(duì)比及故障識(shí)別是對(duì)多次采樣的信號(hào)譜進(jìn)行對(duì)比分析找出異常部分；譜庫(kù)建立需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)建立一系列異常譜譜庫(kù)供故障診斷使用。

圖4 LabVIEW數(shù)據(jù)采集前面板

圖5 LabVIEW聲音數(shù)據(jù)采集程序框圖

2.3 LabVIEW軟件的應(yīng)用

基于角域采樣聲強(qiáng)法的故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用NI公司的虛擬儀器（VI）開(kāi)發(fā)平臺(tái)Labview來(lái)進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。程序總共有兩個(gè)部分：前面板和程序框圖。

前面板可以設(shè)置輸入?yún)⒘浚部梢杂^察輸出變量和輸出譜線圖。在前面板中的每一部分都對(duì)應(yīng)一段框圖程序。

圖4為L(zhǎng)abVIEW聲強(qiáng)數(shù)據(jù)采集前面板，在前面板中可以設(shè)置每通道采樣數(shù)、采樣頻率、采樣模式等。同時(shí)，通過(guò)前面板可以直觀的觀察到采集的聲強(qiáng)的時(shí)頻波形圖、濾波后的波形圖、頻域轉(zhuǎn)換后的幅度譜圖和相位譜圖和功率譜。通過(guò)分析這些譜圖所顯示出來(lái)的信息，將被測(cè)樣品的圖形與合格品圖形相互對(duì)比，即可檢測(cè)出被測(cè)樣品的合格與否。

框圖程序可用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言——G語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。

圖5為聲強(qiáng)數(shù)據(jù)采集程序框圖，聲強(qiáng)數(shù)據(jù)在while循環(huán)體外被寫(xiě)入，進(jìn)入while循環(huán)體之后首先在前面板中顯示其時(shí)域波形（圖4）；然后對(duì)聲強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜變換，轉(zhuǎn)換為功率譜后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幅值以及相位信息提取，并在前面板中以圖像方式顯示；之后再進(jìn)行角域譜的變換，在前面板上顯示各個(gè)階段的圖形譜，以便采集分析數(shù)據(jù)。程序里還設(shè)置了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以便形成圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，建立故障譜和正常譜的數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供支持。

3 結(jié)論

在分析旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的變速過(guò)程時(shí)，測(cè)量得到的信號(hào)常常是非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，而傳統(tǒng)的頻譜分析方法因“頻率模糊”而不能反映被測(cè)機(jī)構(gòu)的真實(shí)情況； 而角域采樣聲強(qiáng)法，在對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行角域重采樣，將頻域非穩(wěn)態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻怯蚍€(wěn)態(tài)信號(hào)，可以避免“頻率模糊”現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)基于聲強(qiáng)檢測(cè)的故障診斷方法有很大幫助。

基于角域采樣聲強(qiáng)法的故障檢測(cè)法能夠克服傳統(tǒng)振動(dòng)階比故障診斷方法的不足，研究基于角域采樣聲強(qiáng)法的非接觸式故障在線診斷技術(shù)并開(kāi)發(fā)其應(yīng)用系統(tǒng)，具有很好的實(shí)用前景與巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。