電子_電路基于LABVIEW和三軸加速度傳感器的振動信號測量系統(tǒng)設計

1、機電工程學院畢業(yè)設計說明書設計題目：基于LABVIE慚口三軸加速度傳感器的振動信號測量系統(tǒng)設計目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document .緒論1. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 研究背景1. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 研究意義1. HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 研究現狀2. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 電機

2、檢測的研究現狀 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 三軸加速度傳感器研究現狀3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 基于Lab VIEW 的虛擬儀器研究現狀 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 存在的問題，我的方案4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document .方案論證5. HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 整體設計方案 5 HYPERLINK l bo

3、okmark24 o Current Document .振動信號采集部分 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document .振動信號處理部分 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 振動信號分析結果輸出模塊 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 軟件部分 7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 方案一8. HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 方案二9. HYPE

4、RLINK l bookmark38 o Current Document 最終方案的確定.10我的研究目標11.振動檢測系統(tǒng)的硬件設計11 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 三軸加速度傳感器部分1.2 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 壓電式ICP三軸加速度傳感器原理 12 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 三軸加速度傳感器的選型 15 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 三軸加速度傳感器的安裝

5、13 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document IEPE恒流源部分.14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 數據采集部分 1.5 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 數據采集卡的選型 15 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 數據采集卡的安裝 12 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 信號處理部分 17 HYPERLINK l bookmark60 o Curr

6、ent Document 硬件電路的連接17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 本章小結.18.振動檢測系統(tǒng)軟件設計20 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document NI LABVIEW 軟件簡介1.9 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document LABVIEW圖形用戶界面設置21 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 主界面設計20 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 輸

7、出界面設置22 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 回放界面設置23 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 參數設置界面 23 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document LABVIEW功能模塊設計 24 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 信號預處理模塊 24 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 烈度報警模塊 26 HYPERLINK l bookmark82 o

8、Current Document 譜分析模塊 29 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 數據存儲模塊 30 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 信號數據的回放模塊 32 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 本章小結33 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 3.振動檢測系統(tǒng)仿真測試35 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 仿真信號生成 34 HYPERLINK

9、 l bookmark96 o Current Document 仿真分析結果 35 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 結.36 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 設計總結38 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 致謝40 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 參考文獻41附錄42基于Lab VIEW和三軸加速度傳感器的振 動信號測量系統(tǒng)的設計.緒論研究背景隨著近幾十年來我國經濟的快速發(fā)展， 科

10、學技術的進步，為了與生產方式進 一步適應，滿足大型高速拖動的需求（如拖動大型發(fā)電機的形式實驗及拖動大型 風機、水泵、軋鋼機、球磨機等設備的高速運行），大型高速電機在我國也得到 了迅速的發(fā)展。高速電機是近幾十年來電力技術、材料科學、機械工程、計算機發(fā)展的產物。 如今高速電機在機械工程（高速磨床、銃床等加工）、國防工業(yè)（飛機環(huán)境控制 系統(tǒng)、電動推進系統(tǒng)、電能存儲系統(tǒng)）等發(fā)面獲得了廣泛應用，對提高設備性能 具有重要意義。隨著電機的發(fā)展，結構的變化、性能的改善，電機與電力電子技 術的結合也是越發(fā)的緊密?，F在對電機的安裝尺寸、功率特性、可靠性、電氣性 等方面的要求也是越來越高，振動狀態(tài)成為衡量電機能否持

11、續(xù)可靠運行的重要標 志之一。世界上發(fā)達國家已經研制出轉速達到 20萬RPM以上的大型高速電機，我 國的也可達到17萬R/min,顯然傳統(tǒng)的檢測裝置已經不能夠滿足大型高速電機 的振動檢測需求，現我們需開發(fā)設計一種基于大型高速電機振動檢測系統(tǒng)，以滿足生產安全監(jiān)測的需要。研究意義近十幾年來，我國的電機在理論研究方面、結構方面以及原材料使用方面都 有了較大改進；但是大型高速電機的制造和檢測方面我們與國外還存在著一定的 差距。對運行的電機來說，明顯超過它所允許的幅值振動， 將會導致轉子滑環(huán)和 和電刷磨損加劇以及產生環(huán)火，使機組聯(lián)軸器不能正常工作，嚴重時將會導致封 閉系統(tǒng)的破壞；連接部件松弛和應力增大，并

12、危及電機的基礎部分；對電機及周 圍部件產生破壞及安全隱患，甚至釀成重大事故。為了提高國產大型高速電機的 質量和運行的可靠性，也為了適應電機生產和工作的環(huán)境， 使監(jiān)測的效率及不良 隱患檢出率得到明顯的提升，開發(fā)一種高性價比的基于大型高速電機振動檢測系 統(tǒng)也是當今市場的迫切需求。隨著著計算機技術以及微電子技術的快速發(fā)展，創(chuàng)新的儀器設計思想應運而 生。相對于傳統(tǒng)的智能儀器來說，極大地降低了成本，大幅的縮短了開發(fā)周期， 提供了全新的技術手段，改變了傳統(tǒng)儀器的模式和功能，顯示出了廣闊的應用前 景。我們設計基于美國NI公司的Lab VIEW 2010以及壓電式三軸加速度傳感器 的大型高速電機振動檢測系統(tǒng)。

13、由于 Lab VIEW具有豐富的測試、控制、數據分 析軟件包，以及其可視化G語言編程，可大幅度簡化開發(fā)。檢測系統(tǒng)可充分利用 Lab VIEW提供的各種功能，包括數據采集、串口控制、數據顯示、存儲等。開 發(fā)此振動檢測系統(tǒng)使更多的用戶能夠利用振動檢測系統(tǒng)，對電機實行實時監(jiān)測， 及早發(fā)現故障征兆，使用戶及早更換故障零件，減少輪檢、大修次數，節(jié)約成本， 創(chuàng)造更多的效益，并避免事故的發(fā)生，對電機運行監(jiān)測及故障診斷具有重要的現 實意義。研究現狀電機檢測的研究現狀早期的電機故障檢測與診斷主要是依靠人體的感官與工人的的經驗，或者借助簡單的工具來進行檢測判斷。隨著科學技術日新月異的發(fā)展，工業(yè)化進程的加 速，機械

14、設備的精密程度、復雜程度以及自動化程度更是越來越高， 依靠簡單的 檢測顯然不能滿足當今的需求。到目前為止人們已經研究出了多種現代化的診斷 方法，按診斷方法主要分為：電流分析法、聲學法、溫度檢測法及振動分析法。（參考論文電機振動故障巡檢系統(tǒng)的研究與開發(fā)）。其中振動分析法現已發(fā)展較為成熟：電機在穩(wěn)定運行狀態(tài)，具振動具有典型 的特征和允許閥值，當電機運行出現異?；蚬收蠒r，其振動的幅值、形式及頻譜 均會發(fā)生變化。不同的缺陷與故障又會產生不同頻率的振動， 幾乎所有的故障都 可以通過振動體現出來。通過傳感器檢測電機的運動狀態(tài)，并對信號進行分析處理，分析各信號參數，與已知振動特征對比，可以診斷出振動故障的原

15、因與部位， 得出維修方案。三軸加速度傳感器研究現狀20世紀80年代初，繼微壓力傳感器之后微加速度傳感器作為微型慣性組合 測量系統(tǒng)的核心器件成為第二個進入市場的微型機械傳感器。其中單軸加速度傳 感器技術發(fā)展比較成熟，如美國 AD公司、日本日立公司、加州大學分校 UCB、 均開展較早，國內也有清華大學、哈工大、北京大學、中北大學、東南大學等都 相繼開展了各種原理、各種結構的微加速度傳感器的研究。在單軸加速度傳感器的研究開發(fā)基礎之上，根據三軸傳感器信號獲取方式的 不同，可以分為幾種不同的形式：伺服平衡式、壓阻式、壓電式、電容式、光纖位 移式、溫敏式（熱對流式）、真空微電子式、隧道式、光波導式、諧振式

16、等形式這 些采用不同原理的三軸加速度傳感器近年來都有一些報道5 o例如秦皇島鑫華科技有限公司生產的 AD系列ICP傳感器是內裝微型IC放 大器的壓電式三軸加速度傳感器，將傳統(tǒng)的壓電式傳感器與放大器集成在一起， 簡化了測試系統(tǒng)，提高了精度。可以達到以下幾點：1、結構合理，電路優(yōu)化2、配長電纜不影響測量精度3、可直接傳至信號采集設備4、有害防塵防潮放有害氣體基于Lab VIEW 的虛擬儀器研究現狀伴隨著個人PC計算機配置的提升性能的優(yōu)化，使個人 PC機的功能更是今 非昔比，正是由于PC機的迅速發(fā)展，基于PC機的虛擬儀器也如雨后春筍般涌 現出來：從1988年虛擬儀器開始在國際市場上出現，到現在已有數

17、以千計的虛 擬儀器產品。其中對虛擬儀器研究最為突出、發(fā)展最為成熟當屬美國NI公司的Lab VIEW 虛擬儀器開發(fā)平臺，在20余年的時間里已經發(fā)展成為具有有好的界面、可視化編程、以及龐大的軟件包與數據庫，其強大的功能已廣泛被市場所接受， 且已進 入中國，并獲得認可。近年來我國在虛擬儀器的研究也取得了很大的進展，基于虛擬儀器形式的狀 態(tài)監(jiān)測和故障診斷正適應了當今的生產需要與， 順應了發(fā)展方向，處在并將持續(xù) 處在快速發(fā)展階段。存在的問題，我的方案過程檢測控制SPC雖然在理論上有了較大的發(fā)展，但是在實際應用中由于 科學技術與經濟條件等的約束，還存在很多問題。很多企業(yè)并沒有SPC系統(tǒng)，采用檢測設備也是起

18、到抽檢、把關的作用，使產品的質量的不到有效地控制， 生 產的安全也得不到根本的保障。在國內的運用雖然得到了很大程度上的推廣， 但還遠遠的不到普及，還存在 如下問題：1、SPC數據采集困難應用SPC的企業(yè)大多數是由檢測設備讀取到數據后，絕大部分的數據由人 們手工完成采集與數據的處理，信息傳遞明顯滯后導致測量誤差過大、統(tǒng)計分析 工作量過大、過程得不到及時的過程監(jiān)控等問題。2、管理水平低能夠實施SPC的企業(yè)型不多，能夠嚴格按照 SPC管理程序的企業(yè)更是少之 又少，有的控制線長年不變，有的工人意識不夠，導致企業(yè)錢力物力也有投入但 卻收效甚微。.通用性差當今企業(yè)應用的振動檢測系統(tǒng)，具大多是通過硬件來實現

19、，不僅造成上述問 題，而且通用性差，一種儀器僅能實現一種功能或出廠時通過硬件來實現的功能， 而不能夠根據企業(yè)自身特點自由發(fā)揮其主動效能，結構死板，靈活度差。.成本高也正是由于其通過硬件實現，導致 SPC系統(tǒng)不能普及的很重要的一個原因 是成本高，在企業(yè)的投入產出比中收益比較低， 是企業(yè)不愿意把錢花在過程監(jiān)控 上，雖然他們明白實時監(jiān)測的重要性與意義。為解決上述問題以及迫于實現工業(yè)系統(tǒng)的自動化與系統(tǒng)化，提高產品質量， 關注生產勞動的安全環(huán)境，我們基于電機檢測應用最廣、監(jiān)測信息最多且發(fā)展較 為成熟的振動分析檢測方法，結合最新的三軸加速度傳感器技術及基于LabVIEW的虛擬儀器技術開發(fā)一種實時性好； 人

20、工工作量?。恍畔⑻幚矸奖?、準確； 且價格低廉、設備簡單的實時過程檢測系統(tǒng)。.方案論證基于上述研究現狀及存在的問題，我們決定基于Lab VIEW和三軸加速度傳感器設計大型高速電機振動實時檢測系統(tǒng)， 我們依據其原理及可行性分析，設計 出以下方案，如下所述：整體設計方案振動實時檢測系統(tǒng)主要結構由三部分組成： 振動信號采集部分、振動信號處理部分及振動信號的分析結果輸出部分。其關系如圖3所示：圖3:振動檢測系統(tǒng)順序圖.振動信號采集部分在本系統(tǒng)中大型高速電機作為被測件為系統(tǒng)提供初始振動信號，安裝在大型高速電機上的三軸加速度傳感器跟隨電機一起振動，檢測其加速度信號經信號調理電路轉變?yōu)榉治鲂阅芨玫妮^為穩(wěn)定輸

21、出，通過數據采集卡采集傳送至終端 PC機，完成振動信號的采集工作。引箕他起機座振動等振動雜波信號大型 高速 電機 振動 源三軸度傳數 據 采集 卡信號電段環(huán)境下的電段信號雜波圖4:振動信號采集部分.振動信號處理部分振動信號處理部分是本振動監(jiān)測系統(tǒng)中的核心部分，主要由運行于PC上的LABVIEW軟件平臺上的一個計算分析模塊來完成其主要振動信號的分析工 作。該部分的結構及流程是由數據采集卡經模數轉換后采集過來的振動信號傳至 PC機的LABVIEW 平臺經除噪濾波后，由核心模塊對其進行頻域、振幅分析， 核心模塊內容詳見軟件部分說明，主要流程如下圖所示：圖5:振動信號處理部分詳見 軟件 流程圖數據采集

22、卡振動信號分析結果輸出模塊振動信號分析結果輸出模塊作為本設計系統(tǒng)的終端模塊，具界面的友好程 度，人機信息的交換程度很大程度上決定了該系統(tǒng)用戶使用的方便程度與滿意 度。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的專用振動監(jiān)測系統(tǒng)不同，我們不采用示波器，沒有單獨的配 置硬件設備，我們基于用戶PC機本身及LABVIEW軟件平臺來實現所需信息的輸出顯示，異常報警功能；并可以實現數據的存檔與報告的生成。其上部分（振動信號處理部分）主要是 PC機LABVIEW 平臺數據實時處理 模塊將信號進行分析處理后將圖像信號傳至計算機顯示器進行顯示，通過振幅閥值、頻率閥值的設定進行振動異常的報警也是由PC顯示器進行警示，其數據的存儲與報告的生成則

23、由LABVIEW 工具包插件及相應程序復合完成后，數據存 放于硬盤之上。其主要結構如下圖所示：PC機液晶 顯示屏輸出 波形及頻譜PC 機振動異常空艮頻率超限LABVIE W平臺 數據實時 處理模塊數據存替并 生成報告圖6:振動信號分析結果輸出模塊軟件部分作為系統(tǒng)的內核，軟件部分擔任著信號的分析處理、數據存貯等核心功能， 軟件結構流程圖如下圖所示：打開Lab VIEW軟件，開始初始化程序，啟動數據采集驅動，開始采集三軸 加速度傳感器傳遞過來的數據，由于在工作場地存在著各種噪聲以及電磁電路產 生的信號干擾，信號數據中會存在大量的雜波，須經濾波器將影響較大的雜波濾 掉，為了檢測大型高速電機的振動速度

24、， 我們將加速度信號進行積分處理， 將得 到的運算值預設定警戒值相比較，若低于設定值則說明運行平穩(wěn)正常，若高于警 戒值則說明振動幅度過大，記錄數據并進行報警。流程圖如下:初始化程序啟動數據采集卡調用濾波器子程序調用積分理數子程序分析處理結果顯小井保存正常異常發(fā)出警報圖7:軟件處理流程圖方案一基于整體系統(tǒng)框圖的設計思路，按照大型高速電機的實時監(jiān)測需求， 我們根 據市場現有的ICP壓電型三軸加速度傳感器，及 DAQ數據采集裝置，來完成一 個NI-DAQ插卡式虛擬儀器的設計： 1、三軸加速度傳感器選擇現在市場上三軸加速度傳感器已經較為完善，其主要有壓電型、電阻型、應 變型等。根據該系統(tǒng)的需求，我們采

25、用ICP型壓電傳感器。圖2.2-1 : ICP壓電型傳感器內部原理圖2、數據采集卡的選擇虛擬儀器系統(tǒng)主要有 PCI-DAQ插卡式、并行口式、GPIB總線式、VXI總 線式及PXI總線式。其中PCI-DAQ插卡式方式使用數據采集卡以計算機平臺和 虛擬儀器軟件，可構成各種數據采集和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計算機總線、 機箱、電源以及軟件的便利，其關鍵在于模擬信號的數字轉化轉換技術。隨著計 算機的發(fā)展，其PC機箱、總線受限制、插槽數目不足等缺點正得到改善。隨著PC機龐大的數量，以及插卡式儀器價格最便宜，因此其用途廣泛，特 別適合于工業(yè)現場測控、各種實驗室和教學部門使用。數據采集卡我們選用NI公司的

26、PCI插卡式數據采集卡，其與LAB VIEW有 著完美的兼容，是A/D轉換更加準確，功能更加匹配，其構成方式如下：圖9 ： DAQ插卡式虛擬儀器系統(tǒng)根據上述系統(tǒng)的設計我們?yōu)榱藴y量電機的振動參數，主要是電機振動速度， 我們根據位移傳感器對低頻比較敏感；而加速度傳感器對高頻比較敏感的特性， 我們選擇ICP壓電式三軸加速度傳感器，我們把加速度傳感器安裝位置的選擇在 了電機的兩側軸承外側，采用打孔螺栓安裝的方法，獲得最佳的頻響特性。加速 度傳感器的信號至數據采集卡的傳輸方式選為有線傳輸。方案二基于整體設計的主旨思路，基于市場上多種多樣的各種硬件器材。我們設計 與方案一不同的方案來進行比對。在本方案我們

27、決定采用電荷輸出型三軸加速度 傳感器，采用結構緊湊式的數據采集器，采用無線傳輸的方式進行信號的傳輸， 其安裝部位選擇微電機外殼與底座。無線信號傳輸應用最廣泛的兩種方式是紅外傳輸與藍牙傳輸， 其中紅外傳輸 是以紅外線的方式傳遞數據，可以很方便地實現無線方式連接， 傳輸速度快，但 是存在傳輸距離短，只能直線傳輸的缺點。藍牙傳輸，是一種支持設備短距離通信(一般 10m內)的無線電傳輸技術。 能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進 行無線信息交換。實現最高數據傳輸速度 1Mbps(有效傳輸速度為721kbps)、最 大傳輸距離達10米，用戶不必經過允許便可利用 2.4

28、GHz的ISM(工業(yè)、科學、 醫(yī)學)頻帶，在其上設立79個帶寬為1MHz的信道，用每秒鐘切換1600次的頻 率、滾齒(hobbing)方式的頻譜擴散技術來實現電波的收發(fā)。最終方案的確定綜合比較方案一與方案二，其大體系統(tǒng)相同，工作原理及處理內核均相同。 不同之處在于加速度傳感器的選型不同； 安裝位置不同；數據采集方式不同；信 號的傳輸方式不同。我們來對兩種方案進行對比：(1)三軸加速度傳感器具內置IC放大器，在檢測到振動信號的同時直接將 主信號放大，比將信號傳輸出來后將混入噪聲雜波的信號同時放大信號要好，當今傳感器正由結構性向物性型轉變，物性型加速度傳感器受結構而改變影響較 小，故選用壓電式加速

29、度傳感器。(2)電機的軸承是最能反映電機振動的部位，對電機軸承的檢測至關重要。(3)由于本系統(tǒng)較小，采用三軸方向三路信號，我們采用 4通道的DAQ 插卡式數據采集即可滿足要求。無需做成 Compact DAQ結構，造成資源浪費。(4)雖然無線信號傳輸更為方便，是線路更加優(yōu)化，在工廠條件下更加安 全，但是考慮到工廠電磁設備眾多，信號雜亂，為了傳感器信號能夠更為準確的 得到采集，本系統(tǒng)的可靠性更強，我們采用有線傳輸方式。綜上所述：我們確定方案為方案一。10我的研究目標如前面所述本系統(tǒng)有硬件部分與軟件部分兩大部分組成，由于本科生畢業(yè)設計的一些約束，硬件方面我們采取模擬，我的任務主要在軟件部分?；贚

30、ab VIEW平臺開發(fā)一個振動信號濾波、積分、存貯以及顯示的軟件， 其三軸加速度信號有軟件模擬生成。希望系系統(tǒng)可以移植到其他的振動測試系統(tǒng) 中，再結合硬件實物后，能夠形成切實的功能，形成實時性好、功能完善、經濟 使用的實時監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在生產中切實的發(fā)揮作用。.振動檢測系統(tǒng)的硬件設計眾所周知，任何一個實際的集數據采集、轉換、分析的檢測系統(tǒng)是不可能凌 架于物理原件之上的，而這個物理存在，對本振動檢測系統(tǒng)而言，由振動源的振 動采集，直到輸入個人計算機進行分析的這個過程實現的物理依托就是本系統(tǒng)的 硬件部分。4據集 474型軸電速傳器 TCP三E加度感據析位 數分上機高速 電機 振動 源其主要三軸加速

31、度傳感器、信號調理電路與數據采集卡組成（包括軟件運行 依托工作計算機）。該部分將振動源的加速度信號轉化為我們計算機課識別的數 字信號，供我們做進一步的計算與分析。接線方式如下所示：我們用恒流源為 AD100-3X加速度傳感器和NIPCI-4474數據采集卡提供電源，分別將三軸加速度傳感器的三個軸向方向的加 速度模擬信號分別接到數據采集卡的前三個通道上，數據采集卡通過PCI總線結 構，將數據采集卡的插卡直接插入計算機的PCI插槽中。11三軸加速度傳感器部分三軸加速度傳感器是將電機振動源的加速度振動信號轉化為我們可以分析、 計算、處理的電信號的核心轉換原件，是我們本系統(tǒng)的核心部件，也是我們本系 統(tǒng)

32、的第一步，也是最為重要的一環(huán)、其性能的優(yōu)略，決定了本系統(tǒng)的靈敏度、回 程誤差等重要性能指標，其作用的重要性不言而喻。壓電式ICP三軸加速度傳感器原理壓電傳感器是一種有源傳感器。它是基于壓電材料的壓電效應為轉換原理 而工作的。壓電材料在發(fā)生機械形變時，內部產生極化現象，材料的表面會產生 電荷聚集的現象。反過來我們可以根據其電荷的多少來計算其發(fā)生應變的大小， 繼而計算其所受壓力的大小。而具體到我們加速度傳感器上的話，由于其質量是 固定不變的，而如我們所熟知的牛頓經典定律F =ma ,加速度大小自然可以得出。加速度也是空間矢量，我們要在立體空間對三個軸向加速度都進行測量，我們可以通過壓電元件不同的方

33、向的電荷量的不同來得到相應軸向的加速度值。ICP型即將IC電荷放大器內置于三軸加速度傳感器，直接與壓電元件相連接， 較少外界噪聲對其的干擾。三軸加速度傳感器的選型本振動檢測系統(tǒng)之中的檢測對象為高速電機， 我們選用江蘇靖江所生產的的JGA型高速電機，其主要參數如表 3.1.2所示:型號轉速(r/min)電機參數功率(Kw)電壓(V)頻率(Hz)電流(I)JGA-110/3.02100003.03803505.0根據上述電機振動的檢測需求，我們傳感器的性能指標提出相應的要求，為 了使該系統(tǒng)的適用范圍更大，我們對加速度傳感器的要求較高。我們選擇靈敏度 100mV/g,頻率響應1-3000Hz,加速度

34、測量量程30g以上，傳感器重量不超過100g。傳感器的選用原則，我們基本上基于靈敏度與量程范圍、線性范圍、響應特12性、穩(wěn)定性以及精確度，在滿足此條件下選用經濟型。 基于上述原則我們選用了秦皇島鑫華科技有限公司生產的生產的ICP封裝三軸壓電加速度傳感器AD100-3X。圖3.1.2AD100-3X傳感器實物圖如上圖所示即為AD100-3X傳感器，該傳感器壓電材料為壓電陶瓷，外殼為 不銹鋼。性能參數如下：靈敏度：100mV/g；非線性度：W1%,頻率響應：0.5-5000Hz; 安裝諧振頻率：20KHz;檢測加速度量程：-50g+50g；輸出阻抗：E100G;重 量:96g;工作溫度-40120

35、攝氏度。本傳感器采用直流 24V電源，輸出方式采用 M5出線。三軸加速度傳感器的安裝根據大型高速電機自身相對傳感器足夠大，且可以在電機上打孔安裝的自身特點，結合動態(tài)測試中加速度傳感器安裝使用方法摸索及應用中實驗得出的相關結論,我們決定采用M5螺釘連接安裝方式，安裝力矩20-30Kgf.cm,以獲得 最佳的頻響特性。:表 3.1.3:廳P安裝方式優(yōu)點缺點1螺釘連接的安裝 方式連接牢固，可獲得最佳頻響特性需要在事件上打孔，安裝準 備工作較為繁瑣2直接粘結的安裝 方式不需要在事件上打孔，安裝簡 單、便捷連接牢固性較差，頻響特性 較差，不能用于外殼不絕緣13加速度傳感器的安裝3墊塊為膠木的安不需在試件

36、上打孔，安裝簡單， 便捷，且能很好的實現加速度傳 感器與被測件的絕緣，適用于所 用加速度傳感器的安裝， 在三種 /、同材料墊塊中，頻響特性最佳連接牢固性較差，頻響特性 較差4墊塊為有機塊的 安裝方式不需在試件上打孔，安裝簡單， 便捷，且能很好的實現加速度傳 感器與被測件的絕緣連接牢固性較差，頻響特性 較差，二種墊塊中，頻響特 性最差5墊塊為酚醛玻璃 布板的安裝方式不需在試件上打孔，安裝簡單， 便捷，且能很好的實現加速度傳 感器與被測件的絕緣連接牢固性較差，頻響特性 較差，二種墊塊中，頻響特 性居中除了傳感器的安裝方式，安裝位置也是十分關鍵的?？紤]到被測部位的振動狀態(tài)和傳感器的工作環(huán)境，以及傳感

37、器高的可靠性和靈敏度、寬的頻響范圍，需要遵循以下2個原則：（1）選擇結構阻尼小、剛度高的位置作為被測點。（2）由于振動信號在傳遞過程中幅值要衰減，所以被測點應盡量靠近振動產生的位根據GB 10068.1-1988 （代替GB 28071981）旋轉電機振動測定方法及限值中的國家標準規(guī)定，測點數為7個。因此本系統(tǒng)進行單通道測量時，傳感器選擇安裝在位置7,雙通道測量時分別安裝在垂直和水平方向的位置1和2,進行雙通道采集時還要考慮到如果兩個傳感器同時工作，不能靠得太近，否則會產生交叉感應10。圖12:電機振動測定點位圖IEPE恒流源部分所謂IEPE是壓電集成電路的縮寫，我們ICP型三軸壓電傳感器的輸

38、出電壓 信號十分弱小，不能進行較長距離的信號傳輸，在傳輸路徑過程中，我們需要對 信號進行再次的穩(wěn)定與放大，跟系統(tǒng)的實際需求：ICP型三軸加速度傳感器14AD-100 3X的三軸向信號的放大需求，及穩(wěn)定電流 4mA的電流值，我們選擇包 流源。我們選擇市場上的江蘇聯(lián)能公司生產的 IEPE適配器YE8321型恒流源，該 包流源有四個通道，可滿足我們對于三軸向方向信號的傳輸放大需求，電流值 4mA/10mA可選，可為我們的4mA傳感器信號進行配備。更重要的是該型號為 IEPE型，專門用于傳感器傳感器測試，也可作為電壓放大器使用，具有頻響范 圍寬，穩(wěn)定性好，增益、激勵電流可調的特點。實物圖如下所示：圖3

39、.2-1 : YE8321型恒流源該型號恒流源具體參數如下：激勵電壓：24VDC ;激勵電流：4mA/10mA可選；響應頻率：0.3Hz-100kHz;輸出信號：10V/5mA,精度：1% ；噪聲： 50Vrms ;輸入電壓：AC: 220V 50Hz;采用BNC接口輸入輸出，可在0-85攝 氏度工作，滿足我們的使用要求。其連線部分參見圖3.5 :硬件電路電路接線圖所示。數據采集部分隨著計算機的發(fā)展越來越普及，功能越來越強大?，F在我們已經習慣于使用 計算機來處理速度、壓力、流量、位移等物理量，而把模擬信號轉換成計算機可 以識別的數據信號就需要數據采集。數據采集卡的選型目前市場上的數據采集卡也是

40、多種多樣，我們選擇數據采集在滿足通道要求 情況下的參數主要有兩個，一個是轉換精度，另一個是采集速度。依照我們基于15本系統(tǒng)三軸路信號轉換的實際需求，轉換原始信號為電壓信號，支持同步采集, 主板具有緩存功能，分辨率12位，采樣率50kS/s,支持Lab VIEW RT。基于上述參數需求，我們選擇了 NI 9234動態(tài)數據采集卡，實物圖如下:AIO+AIO-AI1 + AI1-AI2+AI2-AI3+AI3-圖3.3.1-1 NI 9234動態(tài)數據采集卡本采集卡為C型總線結構，其驅動可在windows系統(tǒng)運行。其擁有四個BNC 連接器，具有同時對4路電壓信號同時予以實時采集的功能，分辨率 24位，

41、采 樣頻率51.2kS/s ,最大測量輸入電壓范圍 -5V 5V,最大電壓范圍敏感度 1.19 NV,板上存儲量1023樣本，動態(tài)范圍110dB，激勵電流4mA ,功耗900mW 功率較小，我們可以由USB接口提供電源直接提供。滿足我們對于本系統(tǒng)的全 部需求，我們的選型是合理的。模擬信號的輸入，我們采用浮接方式。使用浮接的連接方式可以避免對地噪 聲，避免BNC連接器與金屬外殼，及與其他模塊、機箱的接觸有效地降低噪聲 干擾。如下圖所示，在浮接信號源連接之中，我們信號源的正端連接BNC接線16NI 9234每一個模擬輸入通道都通過一個 50建的電阻連接機箱，我們通過將 機箱接地處理，可使噪聲最小化

42、；每個通道都具有過壓保護功能； 每個通道的模 擬輸入信號經過緩沖、調理后，由24位Delta-Sigma模數轉換器對輸入信號進行 采樣。通過模擬和數字濾波，NI 9234可精確表示帶寬內部信號并且抑制帶寬外 信號。基于上述特點與功能，9234能夠很好地實現本系統(tǒng)數據的采集轉換需求。.2數據采集卡的安裝NI PCI-4474型4通道24位動態(tài)信號采集卡可以完美的實現我們對三軸加速度傳感器的三個軸向方向感應電壓的采集，其 NI硬件與LABVIEW的同一個公司 的產品，互相支持沒有不兼容現象。而對于該數據采集卡的安裝我們也是非常輕 松的。安裝新的硬件之前，我們需要對電腦安裝 NI-DAQ m)B動程

43、序軟件，以便讓 windows能夠檢測到硬件產品。這個驅動安裝比較簡單，我們按照默認路徑進行 安裝即可，重新啟動計算機后就可以了。本數據采集卡屬于NI公司C系列產品，采用的是USB接口可以實現熱插拔， 所以本硬件的安裝沒有難度。我們將其輸出的USB接頭直接插入計算機的USB接口即可。信號處理部分我們對信號處理使用的是LABVIEW 軟件，作為硬件的支撐，我們的PC機 必須滿足運行LABVIEW的最低要求。查閱相關資料得：1、雙核CPU 20G以上主頻2、2G及以上內存空間3、10G以上硬盤空間4、Window XP以上操作程序硬件電路的連接通過上述對ICP型三軸壓電傳感器 AD-100 3X、

44、聯(lián)能IEPE恒流源YE 3821、17及NI 9234型數據采集的介紹，大家對硬件部分的組成、功能都有了認識，那么 在實際電路中的連接我們由下圖所示：1EPE球黑 NI 9234USBSMH上副恒流版4曾件）圖3.5:硬件電路連線圖我們初始信號由ICP型三軸加速度傳感器信號輸出，具包括三個軸向方向X 軸、Y軸、Z軸分別三個輸出端輸出至 YE 3821恒流源，該恒流源由四個通道， 我們選擇三個接入即可，其電源接 220V交流電源，三路恒流源輸出直接接到 NI 9234數據采集卡的前三個通道，由于該采集卡為四通道，所以有一個通道作為 備用選項，而NI 9234數據采集卡通過US改口傳至上位機，共后

45、續(xù)的處理、顯 示、及存儲。本章小結通過本章我們了解了我們所需要的主要硬件配置，其工作原理與主要作用， 是我們對實際振動檢測系統(tǒng)有了全面的了解。對于本系統(tǒng)的設計也是一個基礎, 一個平臺。為后續(xù)的軟件處理做好準備。184.振動檢測系統(tǒng)軟件設計硬件是系統(tǒng)實現的基礎與支撐，而軟件則是振動檢測系統(tǒng)分析的大腦，是系 統(tǒng)的上層建筑，軟件部分的設計，決定了本系統(tǒng)的數據處理是否精確， 功能是否 完善、人機交互是否友好等直接與用戶體驗相關的性能，直接決定了本系統(tǒng)的用 戶群是否滿意，所以軟件設計是我們系統(tǒng)設計的重中之重。NI LABVIEW軟件簡介在前面緒論中我們曾經提到了虛擬儀器的發(fā)展現狀， 我們對虛擬儀器也有了

46、 一定的認識。虛擬儀器就是通過應用程序將計算機與功能模塊結合起來， 用戶可 以通過有好的圖形界面來操控計算機， 從而完成被測量數據的采集、分析、處理、 顯示存儲等操作，這就是虛擬儀器。19隨著計算機的進一步發(fā)展，基于計算機為基礎的虛擬儀器功能日趨完善，近年來更使得到了迅猛發(fā)展，它能夠更好的服務于我們，我總結有以下幾個方面原 因，其與傳統(tǒng)儀器的對比如下表所示：4.111:虛擬儀器傳統(tǒng)儀器軟件使得開發(fā)維護費用降低開發(fā)維護開銷高技術更新周期短技術更新周期長關鍵是軟件關鍵是硬件價格低、可復用、可重配置性強價格昂貴用戶定義儀器功能廠商定義儀器功能開放、靈活，可與計算機技術同步發(fā)展封閉、固定可與周圍設備、

47、網絡互連面向應用功能單一、互聯(lián)有限LABVIEW 是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，它是 NI公司研發(fā)的產品。 作為目前國際上唯一的使用 G語言編程的虛擬儀器軟件，它把以前我們工程人 員從復雜、繁瑣、費時的編程之中解放出來，我們可以通過菜單或圖表的提示來 選擇功能，使用線條把各功能連接簡單圖標的方法來編輯程序，簡單、明朗，大 大提高了工程設計效率，也降低了學習者的難度。LABVIEW功能非常強大，其為我們提供了大量的處理函數及控件， 就像平時的電路圖、流程圖一樣，容易上 手。LABVIEW圖形用戶界面設置一個軟件系統(tǒng)用戶首先接觸的便是界面，我們系統(tǒng)所具有的功能應該能在面 板上得以體現，是否擁有友

48、好的界面是系統(tǒng)實用很重要的一部分。我們把系統(tǒng)做 好的目的便在于能夠很好地給用戶提供信息， 那么在這里我們對界面進行詳細設 計。主界面設計在一個主界面要給用戶提供最常用的信息， 最為必要的信息。首先我們把該 系統(tǒng)的名稱顯示出來，方便用戶了解本系統(tǒng)是做什么用的，功能是什么？我們時 常要進行參數的設置，對參數進行修改，功能按鍵也是常用且必須得，所以我也20把它們設計到了前面板上，參數設置我們放在前面板上，有了信號的分析處理，其結果的輸出是最為必要的，基于上面的指導思路，我們把前面板分為三塊：儀 器名稱、參數設置、信號輸出顯示。主界面如下圖所示：三軸振動檢測系統(tǒng)信號傣獲想宣 3f 3EJ L OW41

49、得啕feWSK一 W烈度報警已物汨吃也密|班端國圖4.2.1主界面輸出顯示界面決定輸出結果是否友好的自然是數據的輸出界面， 也是整個系統(tǒng)的關鍵之所 在，我們本程序可以進行濾波信號的顯示，振動信號的趨勢圖，功率譜分析，以 及信號與功率譜的回放。由于前面板的地方是有限的，我們不可能將全部的顯示控件都放在前面板 上，所以我們才用了選項卡控件進行分頁分屏顯示，這樣我們就可以同時顯示三軸信號，也可以對實時信號、趨勢圖及功率譜進行切換。不管是振動波形圖還是振動趨勢圖表或者功率譜分析的顯示，我們均對標簽欄進行了修改，直接點擊切換，方便快捷。在每一路先號前，我們也對信號進行 了說明，X軸方向振動信號、Y軸方向

50、振動信號或者Z軸方向振動信號都是清楚 明了。振動濾波信號顯示界面、振動趨勢圖界面及功率譜分析顯示界面在虛擬儀器 系統(tǒng)中界面如下圖所示：21圖4.2.2-1振動濾波信號顯示圖圖4.2.2-2振動趨勢顯示圖圖4.2.2-3功率譜分析顯示圖22數據回放界面設置數據回放功能與主功能界面不同，我們不需要實時對其進行，我們決定不將 其放入主界面之上，我們采用功能按鈕來調用回放功能子程序， 我們在子程序節(jié) 點設置中選擇“在調用時打開前面板”選項前打鉤。在回放時我們需要對回放信 號所存儲的文件路徑進行選擇，然后對信號的軸向進行選擇，停止按鈕結束本程 序的執(zhí)行。在回放過程中我們對原始信號進行回放并分析其功率譜，

51、 以便對于信 號的一個分析。界面圖如下所示：0500100015002D0025W30003500400045005000圖4.2.3信號回放功能顯示界面圖參數設置界面作為本系統(tǒng)界面的輔助設置，但起作用絕非輔助。我們往往需要對參數的修 改而對系統(tǒng)對系統(tǒng)進行設置。常用的信號濾波器設置及報警閥值的設置在前面已 經講過，這里不再累贅講述。參數設置模板界面在主界面中的一部分， 也是較為突出的。另外還有回放開 關，保存路徑等均在界面設置模塊，操作方便簡單。布爾開關形象生動、各種信 息明確，這就是用戶所需要的。23圖4.2.3參數設置界面圖LABVIEW功能模塊設計正如前面所述，我們基于 LABVIEW

52、軟件的上述特點，基于前面板上的所 需要實現的功能，來對我們振動檢測系統(tǒng)的軟件處理模塊進行編輯，作為該系統(tǒng)信號處理、分析的模塊，也是系統(tǒng)的核心，我們根據該系統(tǒng)的設計要求出發(fā)，針 對每一個功能，編輯相應的程序模塊，來實現系統(tǒng)的功能。信號預處理模塊更加的有效。當然在硬件部分中，IPC型傳感器內置模塊、信號調理電路其實均是對信號的預 處理，其作用就在于使后續(xù)的信號分析處理能夠更加的準確，24我們LABVIEW軟件也可以對信號進行預處理，我們采用窗函數和濾波器對信 號進行濾波處理。濾波器是承擔濾波任務的主要承擔者，當然LABVIEW中提供了豐富的濾 波器函數，我們可以輕松調用濾波器函數來實現濾波，例如（

53、帶通濾波器、中值 濾波器、高頻濾波器、低頻濾波器等）在本系統(tǒng)中我采用的是Butter worth濾波器，其左側有七個輸入端，分別是高截止頻率、采樣頻率、初始化/連續(xù)、階數、濾波器類型與輸入信號 X,右側是濾波后的X信號與錯誤輸出。不難理解高截止頻率與低截 止頻率的含義，具作為濾波器允許 通過信號頻率的上限值與下限值， 采樣頻率決定我們對數據采集的 時間間隔或者頻率，而濾波器類 型，我們可以通過此控件選擇此濾 波器的類型，是選擇高通濾波器、 低通濾波器、Band stop濾波器， 階數控件我們可以選擇濾波器階 數，我們通常選擇2階，初始化/ 連續(xù)控件我們可以選擇是初始化high cutoff f

54、req: fh 2sampling freq: 2low cutoff freq； fl 2ordtr 2init/cont (inrtFj 2fiber type 2上三品Lt服密曲 二， 判微卜庫漉注類型r函數還是連續(xù)圖4.3.1-1濾波器參數設置程序圖而這些濾波器參數設置在前面板上的界面如下圖所示， 我們可以通過前面板 的輸入控件方便的進行輸入，我們可以根據實際需求進行參數的設置， 類型的選 擇等對濾波器進行設置。圖4.3.1-2濾波器參數設置圖在參數設置時，需要特別指出的是采樣頻率，采樣頻率決定了采樣的時間問25隔，將連續(xù)的模擬信號進行離散化的采樣，這些采集過來的點所組成的信號，在 時

55、間上是間隔的，但是在幅值上卻是連續(xù)的。而如果時間間隔較長，或者采樣數 較少的話有可能造成信號信息的丟失， 這是我們在信號處理時所不允許的。 我們 所遵循的規(guī)律叫做采樣定律。假設有限帶寬信號在f(n)頻率以上沒有頻率分量，只有采樣時滿足采樣頻率是信號中最大頻率分量(有用信息的頻率，雜波除外)的兩倍以上，即：f采2fn,我們才能將有用頻率的信號信息全部的采集過來， 沒有遺失和改變。將模擬信號轉化為計算機可以處理的數字信號的過程有兩步，一步是采樣， 一步是量化。量化其實是將采樣過來的某個點處的函數值精確到模擬/數字轉換的一個近似值，我們根據實際精確度的要求舍去或者進位轉化為一個滿足要求的 具體量值，

56、再把這個數值轉化為計算機課識別的二進制數，供下一步處理。采樣我們需要考慮頻率，那么量化我們也需要考慮量化誤差。 我們在能滿足要求情況 下，即能夠根據數字信號還原原始信息的原則，盡量減少計算情況下進行。我們在處理數字信號的過程中，不可能對一個無限長的信號進行分析， 實際 處理過程中，我們其實是在一段時間內對在這段時間內的這段信號進行分析與處 理，這樣就相當于把一個連續(xù)的模擬信號“切斷”，我們取有用一段進行分析與 處理，而實現這個“切斷”功能就靠我們 LABVIEW 軟件提供的窗函數。Hanning窗又叫開余弦窗，使用它可以降低旁瓣高度，但也會增加主瓣寬函 數如下：一(I - cos ),0 F

57、M T2TW二Yj S其它4.3.2烈度報警模塊經過上個模塊對信號進行濾波與加窗， 實現了對信號采集與量化之后，就滿 足了我們進一步分析處理的條件，那么這一模塊就屬于我們對信號信號進行分析 的功能模塊了。本模塊我們思路簡單明了，通過上一模塊傳送過來的數據，由于是加速度數26 據，我們需要根據電機的振動速度信號幅值進行報警，我們需要先做積分處理， 得到速度信號，再處理信號提取時域信息，與報警閥值作比較運算，如果大于報 警閥值我們進行報警，如果運行正常，我們繼續(xù)檢測其振動狀態(tài)，流程圖如下所 示：圖4.3.2-1烈度報警流程圖時域振動的幅值往往能給我們以直觀的信息，簡單而且使用，本功能模塊我 們實現

58、基于均方根值的烈度報警功能。 時域信號有均值，均方根值和有效值，我 們利用LABVIEW 自帶函數可以得到周期均方根值，峰峰值等有用信息，但是 我們通常采用周期均方根值來表示信號振動的強度，我們采用周期均方根對信號 進行烈度報警。我們以上面流程圖的思路作為指導，我們打開NI LABVIEW軟件程序框圖， 在上一模塊濾波器后面，把濾波后的信號作為該模塊的初始信號，在“編程”里 面打開“信號處理”，打開“信號運算”我們就可以找到積分函數，同樣是“信 號處理”，打開“波形測量”，我們可以找到“幅值和電平測量”控件，我們可以 從中選取一個，從“數學”中選擇“比較”，我們可以找到“大于”控件，點擊27接

59、線端，我們可以創(chuàng)建一個輸入控件，最后通過布爾報警指示燈進行報警。 我們 僅需把信號依次從左至右連接即可，這就是LABVIEW的方便之處。示意流程圖如下：圖4.3.2-2烈度報警流程圖有了程序，軟件便可以執(zhí)行，以便實現相應的功能，為了用戶使用的靈活性 與更改被測量振動源發(fā)生改變時，參數的變化，我們需要可以對報警閥值加以設 定的功能，如上面程序比較控件所創(chuàng)建的輸入控件，即為報警閥值輸入控件，在三軸振動檢測系統(tǒng)中報警閥值在前面板設置如右圖所示：圖4.3.2-3報警閥值設置其功能的實現，即發(fā)生振動異常進行報警時，由前面板度報警指示燈完成，而在 本三軸振動檢測系統(tǒng)之中，在前面板的顯示如圖所示，三個指示燈

60、被標注分別對 X軸方向、Y軸方向與Z軸方向的振動烈度，當振動超出報警閥值時，可以單路 報警，如果兩路以上超出，則相應報警。至此則完成烈度報警模塊。烈度報警X踣信號投警指示燈 V路信號投言旨亍燈I熱售號警指示匚圖4.3.2-4烈度報警指示燈28譜分析模塊上一模塊我們基于信號的時域特性，通過對加速度信號進行積分獲得速度信 號，測得速度信號的周期均方根作為烈度報警的根據， 一句話總結起來就是時域 分析模塊。那么在這一模塊我們對信號的另一方面頻率進行分析，并將分析結果 予以顯示。進行頻譜分析，我們首先介紹一下常用的譜分析，所謂頻域分析是根據信號 的頻率來估計和分析信號的組成成份和特征量，對信號本身進行