毕业设计（论文）-汽车变速箱性能检测及故障诊断.doc

专科生毕业设计（论文）摘 要本文从整体上论述了汽车变速箱在线检测系统的测试原理和设计方案，并从硬件和软件两方面详细阐述了汽车变速箱在线检测系统的组成。汽车的质量以及汽车内部器件的安全性能极为重要，因此，汽车的各项性能检测装置也随着汽车的发展而逐渐提高。本设计题目就是对汽车变速箱的性能进行检测。检测的具体方法是在电脑的基础上，以 LabVIEW软件为实现手段，采用虚拟仪器的方法，对其性能的各个参数进行图像化的检测。利用一台计算机和数据采集卡，组成汽车变速箱在线检测系统分析系统。本检测系统主要检测汽车变速箱的各项性能指标，其中包括变速箱的噪声、输入/输出扭矩、输入/输出转速、选/换档力、脱档力和油温等并行采集和超限报警分析设计。检测结果基本达到要求，软件可以正常运行，检测结果达到预计标准。随着当今科技的不断突飞猛进，人们对科技文化的要求也日趋苛刻，加之虚拟仪器和LabVIEW这些其他语言无法比拟的优势，可以预见他们在该领域独秀一枝了，最终将引发传统仪器产业一场新的革。关键词：LabVIEW；虚拟仪器；时域分析；在线检测AbstractThis topic comes from the Department prepared and this paper discusses the test theory and design of a test system for the performance on line of automobile gearbox and describes the makeup of the system from hardware and software.High-speed development in the automotive industry today, the quality of cars and car components of the internal security of the people become the subject of growing concern. Therefore, the performance of motor vehicles as the vehicle detection device is also the development of well-developed. This topic is designed with this premise in the context of the performance of the car transmission test. Detection of specific meth- od is based on the computer to LabVIEW software means to achieve its performance of the various parameters of the test image.In this paper,virtual instrument approach, b- ased on LabVIEW developmen environment,the use of aircraft and adata acquisition card,auto gearbox design Detection System devices online.The detection system detected the main vehicle of transmission of theperforman-ce indicators, including the gearbox noise, input / output torque, input / output speed, the election / shift of power from stalls and oil temperature gauge, such as parallel co- llection and analysis of the design report. Test results meet the requirement, the softw- are can be normal operation, the test results is expected to meet standards.Keyword: LabVIEW; Virtual Instrument; Time domain anlaysis; Online Testing目 录第1章 绪 论11.1 背景及研究意义11.2 主要研究内容1第2章 检测系统的总体设计方案22.1 设计的目的22.2 具体路线22.3 系统分析2第3章 数据采集和处理53.1 采集系统的硬件选取53.1.1 传感器系的简介53.1.2 传感器的选择53.1.3 检测系统中传感器的布置63.1.4 数据采集卡的选取73.2 数据采集83.2.1 数据采集系统的构成83.2.2 采样频率、抗混叠滤波器和样本数103.2.3 多通道的采样方式123.2.4 数字信号与模拟信号的转换133.3 信号调理153.3.1 概述153.3.2 信号处理的具体过程17第4章 检测系统的软件设计184.1 虚拟仪器与LabVIEW的简介184.1.1 用于检测的虚拟仪器(VI)184.1.2 LabVIEW的简介194.2 检测系统的程序流程图214.3 软件系统的设计224.3.1 登陆界面程序设计224.3.2 系统主程序时域显示234.3.3 据多通道参数显示及超限报警显示25第5章 振动和传动箱瞬间监视检测275.1 多级变速箱的瞬态负载275.2 多级变速箱简介275.3 多级变速箱理论305.3.1 严重缺陷30第6章 结 论37参 考 文 献39致 谢40附 录41IV第1章 绪 论1.1 背景及研究意义近年来，随着中国经济的高速增长，汽车销售数量的急剧扩大，全社会正迅速进入汽车消费时代。2008年北京奥运会和2010年上海世博会的召开，更使得中国汽车市场具有无穷发展潜力。随着汽车数量的急剧增加和人们对汽车需求的迅速普及，汽车变速箱作为汽车上技术含量最高、结构最复杂的核心部件，其操作性、传动性和安全性的好坏直接影响到汽车的整体性能,因此人们对汽车变速箱性能指标的关注度也在不断提高。过去我国汽车90%以上的车型只装备手动变速箱，现在大量新车型装备了自动变速箱，但无论是手动变速箱还是自动变速箱，其生产厂商都要求变速箱在总装完成之后必须进行严格的、全面的出厂指标性能检测。变速箱总成性能检测可以将其安装在汽车上,或在汽车行驶中进行使用检测;其次是在试验车特定形式条件下进行道路检测。但这种检测方式周期长、费用大。置于实验室台架上进行变速箱性能检测可以弥补其不足。为设计出一套不仅结构简单、功能完备、费用低而且还能满足国内市场需求的专用检测系统，根据系统的要求，设计了一种常见车型的变速箱专用检测系统。本系统为置于实验室台架上进行变速箱性能检测的系统，主要实现对汽车变速箱出厂指标的性能检测，对变速箱的振动、噪声、油温、输出扭矩、输出转速、挂/换/脱档力、输入扭矩及输入转速等多个性能指标进行实时多通道采集分析，系统自行对相应的变化做出反应，如自动超限报警。这种检测系统填补了国际、国内变速箱性能检测方面的多项空白。对中国国内多种常见的变速箱出厂指标性能检测有很好的针对性。具有非常好的产业化和市场化前景。1.2 主要研究内容（1）完成测试系统的总统方案设计；（2）阐述信号采集、分析和处理的相关原理和方法；（3）完成数据多通道参数（噪声、输入/输出扭矩、输入/输出转速、选/换档力、脱档力和油温等）并行采集和超限报警分析设计；（4）完成系统各参数的超限报警显示功能；43第2章 检测系统的总体设计方案2.1 设计的目的在工业生产中，对生产过程的控制是必不可少的，人们通过对各种信号的检测来进行科学的生产，所以对各种信号的采集、分析、显示成了一门即实用又必要的科学。人们对信号量的认识能通过检测，例如：生病的时候，医生通过检测体温来判断病人的病情；司机根据各种仪表来判断汽车的运行情况。由此可以看出，人们不能直接的去感知外部世界。因此，传感器成了人们认识外部世界的窗口。从所举的例子可以看出，体温计和各种仪表就是传感器，但是分析过程需要人脑来参与。如果在一个大型工业生产环境下需要有成千上万的数据来分析，显然人脑在速度和准确率上并不占优势，而且在大量的数据中不是所有的数据都是有用的，人们往往只需要特定的几个或几组数据，所以计算机被引入来参与检测过程也是顾名思义的。本次设计的目的就是通过工业控制计算机对各种传感器采集到的信号进行处理、分析，然后通过图形图像的方式在屏幕上显示出来达到一种直观的效果。2.2 具体路线（1）制定测试系统的总体设计方案；（2）检测装置的简单介绍；（3）采集卡及适配器的选择；（4）阐述信号采集、分析和处理的相关原理和方法；（5）测试系统的软件设计；2.3 系统分析变速箱生产厂家在变速箱出厂前需要对其进行多个参数检测：噪声、振动、油温、脱档力、换档力等。本文在深入分析这些参数的基础上，选择了如下几个主要的性能指标为检测对象：（1）振动、噪声：反映变速箱的传动性能；（2）选/换档力：反映变速箱的操作性能；（3）脱档力：反映变速箱的安全性能；（4）油温：工作温度；同时为了实时检测变速箱的运行参数, 还需要对变速箱的输入/输出的转速、扭矩等参数进行检测。综上所述, 本系统需要检测的参数如表2-1所示。表2-1 检测参数检测参数通道数参数类型振动1交流模拟噪声2交流模拟油温1直流模拟输入转速1数字输入扭矩1数字选/换,脱档力1直流模拟输出转速1数字输出扭矩1数字为了实现对表2-1中各参数的正确检测，在已有的机械传动装置的基础上，根据被测装置的特性和被测参数要求，确定数据采集、分析和处理的流程，以实现数据的规范化；其次该系统软件应当具备一定的开放性和可扩展性，以适应不同用户的需求：本检测系统装配图如2-1所示。其中输入扭矩、输入转速由扭矩仪检测后,以数字量的形式由RS232串口提供给计算机；其他六个参数分别由振动传感器、温度传感器、声级计和力传感器测得，之后，测得的数据经适配器传输给工业控制计算机中的采集卡PCI-6031E，以备后续处理。图2-1 测试系统装配图变速箱作为被检测装置，相应的参数为：输入转速n1=20003000转,扭矩T=250400Nm,工作温度t=0130,振动020G，噪声095dB，力F=250400N, 输出转速n2=03000转。因为从电动机到变速箱的部分有实物可以作为参考，所以设计的重点在于软件部分的设计。实际上就是一种基于计算机的自动化检测仪器系统，从而就有了虚拟仪器的特点。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的检测，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示和分析处理。第3章 数据采集和处理3.1 采集系统的硬件选取3.1.1 传感器系的简介1. 传感技术的发展现状及趋势（1）现状：无论是国内还是国外，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们。从80年代起才开始重视和投资传感技术的研究开发或列为重点攻关项目，不少先进的成果仍停留在研究实验阶段，转化率比较低。我国从60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，生产与应用系统的创新与改进少。（2）测量系统用传感检测技术系统的主要发展趋势：提高系统的可靠性和灵敏度；侧重发展智能传感技术；强调改进和提高力力矩、功率电流、振动、声振（合声发射与超声及语音）、温度传感系统，使它们有尽可能高的可靠性、灵敏度和可应用性，以适应21世纪初工业应用的要求；强调发展信号处理战略、程序和识别技术，提高硬软件的集成度和系统的识别速度、精度和动态特性（鲁棒性等）；发展多传感器数据集成与融合的研究开发，以提高对缺陷和故障的识别精度、可靠性、降低成本，提高系统可应用性。3.1.2 传感器的选择设备根据QCT5681999汽车机械式变速器台架试验方法进行设计，可满足一般机械式变速箱和自动变速箱性能测试的需要。系统采用NJ型转矩转速传感器检测变速箱的输入和输出转矩及转速。同时，将变速箱检测得到的油温、油压、噪声等参数通过NI公司提供的PCI-6031E采集卡采集后传到计算机测试程序，进行显示、报警。具体性能指标：扭矩检测: 0.2%FS；转速检测：0.1%1r/min；油温检测：0.2%FS。3.1.3 检测系统中传感器的布置变速箱上传感器的布置和需要检测的物理量如下图所示图3-1变速箱检测的传感器布置图由上图可知，在整个测试系统中需要检测的物理量有：N1:输入轴转速（扭矩）N2:输出轴转速（扭矩）V：变速箱体上的振动P：变速箱辐射的噪声F：脱档力、选/换档力T：箱体内油温温度（1）振动、噪声信号检测的过程检测的目的是拾取变速箱的振动及噪声信号, 检测时, 采用加速度传感器检测对象的振动状态。传感器安装在轴承座上, 以获得振动信号。将ND2 精密声级计置于距输出轴轴端0.51m 处, 以获得噪声信号。振动信号和噪声信号经工控机由显示器显示各信号的状态。所检测变速箱有五个变速档,我们检测其在各档下的振动、噪声信号和电压。（2）变速箱输入/输出转速、扭矩的测试 如上图所示分别在被测变速箱的左、右驱动轴之间，各装备一部扭矩仪来检测扭矩和转速。这种方式装拆方便，易于补救损坏的元件，而且由于在驱动轴两端增加了两只传感器，使得轮距加大，改变了原整机工作状态，对测试精度有一定的影响。（3）变速箱的选/换档力、脱档力的检测 本系统采用振弦式测力计，通过检测振弦的振动频率来检测所受到的力，振弦为一张紧的弦丝，置于永久磁钢的磁场中，其一端固定，另一端与传感器运动部分相连。为了检测振弦的固有振动频率，必须激发振弦振动，当激发脉冲加给继电器线圈时，继电器触点动作，使绕在永久磁钢上的线圈与电源E接通。该脉冲电流使振弦一吸一放而产生振动。当激发脉冲过后，使继电器触点复原时，振弦在磁场中的运动使线圈产生感应电动势U，其频率与振弦的振动频率相等。3.1.4 数据采集卡的选取1. 采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。一般说来，数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，当然这个驱动程序是由采集卡的供应商提供，用户一般无须通过低层才能与采集卡硬件打交道。NI公司还提供了一个数据采集卡的配置工具软件Measurement & Automation Explorer ,它可以配置NI公司的软件和硬件，比如执行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置检测系统的方式、察看所连接的设备等。2. 本系统所使用的采集卡（1）通常情况下，PC机是通过插入ADC转换卡实现模拟信号处理，而本系统检测的扭矩和转速信号是由扭矩仪检测获得经由RS232口传入工控机。RS232串口具有三条输出线pit3(TX) ，pit4(DTR)和pit7(RTX)。TX可用于产生SCLK信号并提供负电源，DTR用于发送数据，RTX提供CS片选信号及正电源。不论是正电源还是负电源，均使用比较大的电容存储能量。当TX产生一个脉冲信号，或RTX发送一个CS片选信号（低有效）电容向MAX32供电。MAX123几乎集成了全部所需的功能，但1.2V的参考电压必须由外部的LM385提供，MAX123的信号输入范围是-512+512mv。RS232接口为异步口，标准的8位数据，1位停止位，速率为115.2、57.6、19.2、9.6Kbps 。（2）NI公司作为数据采集领域的领先者，不断利用最新的技术，为不同的应用目的和环境设计了多种性能和精度的数据采集产品从低速采集板到高速同步采集板，为虚拟仪器系统的建立提供了全面的解决方案。本系统采集卡使用NI公司提供的的PCI-6031E，它的主要性能指标为64通道，12位分辨率，1.25M采样率，能够满足测试的各项要求。（3）由上面的表2-1可以看出，需要采集卡采集的数据有：振动、两部声级计、温度和力五个信号，将这些信号经适配器、调理电路连接到采集卡，进行数据采集。3.2 数据采集在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。3.2.1 数据采集系统的构成图3-2 数据采集系统结构上图表示了数据采集系统的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用Buffer？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。1. 缓冲（Buffers）这里的缓冲指的是PC内存的一个区域（不是数据采集卡上的FIFO缓冲），它用来临时存放数据。例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。不使用Buffer意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理（图形化、分析等），因为这里没有一个场合可以保持你着手处理的数据之前的若干数据点。下列情况需要使用Buffer：（1）需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。（2）要连续采集或产生AC数据（10样本秒），并且要同时分析或显示某些数据。（3）采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。当数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点时，可以不使用Buffer。2. 触发（Triggering）触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出（常称为“trigger out”）用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。下列情况使用软件触发：（1）户需要对所有采集操作有明确的控制（2）事件定时不需要非常准确。下列情况使用硬件触发：（1）事件定时需要非常准确。（2）用户需要削减软件开支。（3）采集事件需要与外部装置同步。3.2.2 采样频率、抗混叠滤波器和样本数假设现在对一个模拟信号x(t) 每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t 被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0, t ,2t ,3t 等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0),x(t),x(2t )都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示： （1-1） 下图显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是t，注意，采样点在时域上是分散的。图3-3 模拟信号和采样显示如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示： （1-2）这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或t）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图3-3显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。图 3-4 不同采样率的采样结果 采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用510倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如FFT等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有510个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我们所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n)和采样频率。这是我们检测与分析的唯一依据。3.2.3 多通道的采样方式由于本系统是针对多个参数进行并行采集，需要采集卡具有多个模入通道，但是并非每个都要通道配置一个A/D，而是大家共用一套A/D,在A/D之前的有一个多路开关（MUX），以及放大器（AMP）、采样保持器（S/H）等。通过这个开关的扫描切换，实现多通道的采样。多通道的采样方式有三种：循环采样、同步采样和间隔采样。在一次扫描（scan）中，数据采集卡将对所有用到的通道进行一次采样，扫描速率（scan rate）是数据采集卡每秒进行扫描的次数。本系统是通过循环采样来完成多个通道采样，采集卡运用多路开关以某一时钟频率将多个通道分别接入A/D循环进行采样。如图3-3给出两个通道循环采样的示意图。此时，所有的通道共用一个A/D和S/H等设备，比每个通道分别配一个A/D和S/H的方式要廉价。循环采样的缺点在于不能对多通道同步采样，通道的扫描速率是由多路开关切换的速率平均分配给每个通道的。因为多路开关要在通道间进行切换，对两个连续通道的采样，采样信号波形会随着时间变化，产生通道间的时间延迟。如果通道间的时间延迟对信号的分析不很重要时，使用循环采样是可以的。图3-5 循环采样当通道间的时间关系很重要时，就需要用到同步采样方式。支持这种方式的数据采集卡每个通道使用独立的放大器和S/H电路，经过一个多路开关分别将不同的通道接入A/D进行转换。3.2.4 数字信号与模拟信号的转换1. 数字信号与模拟信号数据采集前，必须对所采集的信号的特性有所了解，因为不同信号的检测方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的检测方式和采集系统配置。任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态（state）、速率(rate)、电平(level)、形状(shape)、频率成分(frequency content)。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字(二进制)信号分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域、频域信号，如图3-4所示。图 3-6 信号分类（1）数字信号第一类数字信号是开关信号。一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开关信号，一个TTL信号如果在2.0到5.0V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0到0.8V之间，就定义为逻辑低电平。第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。（2）模拟直流信号模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确检测信号电平，由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。2. 模数转换模拟信号数字化一般分为三步：采样、量化、编码；（1）采样所谓采样，是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续变化的（离散的）模拟量。或者说，采样是把一个时间上连续变化的模拟量转换成一个串脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量，时间上通常采用等时间间隔采样。奈奎斯特理论（Nyquist Theory）认为数字采样频率的大小由声音信号本身的最高频率决定。指出：进行无损的数字化转换，采样频率至少是所采信号所含最高频率的2倍,即fs = 2f。例如电话语音的信号最高频率约为3.4kHz，根据奈奎斯特理论采样频率就应大于6.8kHz。所以选择一个标准采样频率：8kHz。又如CD音质，人耳听觉的上限为20kHz，因此要获得较佳的听觉效果，采样频率要达到40kHz以上。所以选择一个标准采样频率：44.1kHz。（2）量化量化是为了把采样序列存入计算机，必须将采样值量化为一个有限个幅度值的集合。通常用二进制数字表示量化后的采样值。量化的过程是先将整个幅度划分为有限个小幅度（量化阶距）的集合，把落入某个阶距内的样值归为一类，并赋予相同的量化值。量化过程发生在ADC采样后，ADC将采样后的离散时间信号的精确幅值按预先约定好的间隔（即量化位数/采样字长，表示采样值的二进制位数（比特数），决定了采样值的精度。）进行分层。如12位的 ADC把最大的信号精确幅值分成2124096个层次。有两种量化方法：一种是将落入两层之间的精确幅值量化为某低层的电平，这种方法称为截尾量化；另一种方法是按照四舍五入的原则将信号的精确幅值量化为最靠近它的那一层的电平值，这种方法称为舍入量化。两种量化方法造成的误差是不同的。则用截尾量化方法量化产生的误差e满足-Qe0而用舍入量化方法量化产生的误差e满足Q/2eQ/2。可见采用舍入量化方法产生的量化误差仅为采用截尾量化方法产生的量化误差的一半。（3）编码编码是将量化值用相应的二进制编码表示。编码后的数据量用下面的公式计算出来。数据量（字节/秒） = （采样频率 * 采样字长 * 通道数）/8。3.3 信号调理3.3.1 概述数字信号在我们周围无所不在。因为数字信号具有高保真、低噪声和便于处理的优点，所以得到了广泛的应用，例如电话公司使用数字信号传输语音，广播、电视和高保真音响系统也都在逐渐数字化。太空中的卫星将测得数据以数字信号的形式发送到地面接收站。对遥远星球和外部空间拍摄的照片也是采用数字方法处理，去除干扰，获得有用的信息。经济数据、人口普查结果、股票市场价格都可以采用数字信号的形式获得。因为数字信号处理具有这么多优点，在用计算机对模拟信号进行处理之前也常把它们先转换成数字信号。如下图所示。必须消除噪音干扰、纠正设备故障而破坏的数据，或者补偿环境影响，如温度和湿度等。 图3-7 未经处理的时域波形通过分析和处理数字信号，可以从噪声中分离出有用的信息，并用比原始数据更全面的表格显示这些信息。下图显示的是经过处理的数据曲线。图3-8 处理后的时域波形3.3.2 信号处理的具体过程从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。（1）放大微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。（2）隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。（3）滤波滤波的目的是从所检测的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。（4）激励信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。（5）线性化许多传感器对被检测的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。第4章 检测系统的软件设计4.1 虚拟仪器与LabVIEW的简介4.1.1 用于检测的虚拟仪器(VI)虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。图4-1反映了常见的虚拟仪器方案。图4-1 虚拟仪器的设计方案用于检测的虚拟仪器(VI)执行的典型的检测任务有：（1）计算信号中存在的总的谐波失真；（2）确定系统的脉冲响应或传递函数；（3）估计系统的动态响应参数，例如上升时间、超调量等等；（4）计算信号的幅频特性和相频特性；（5）估计信号中含有的交流成分和直流成分。在过去，这些计算工作需要通过特定的实验工作台来进行，而用于检测的虚拟仪器可以使这些检测工作通过LabVIEW程序语言在台式机上进行。这些用于检测的虚拟仪器是建立在数据采集和数字信号处理的基础之上，有如下的特性：（1）入的时域信号被假定为实数值；（2）出数据中包含大小、相位，并且用合适的单位进行了刻度，可用来直接进行图形的绘制；（3）计算出来的频谱是单边的（single_sided），范围从直流分量到Nyquist频率(二分之一取样频率)；（即没有负频率出现）（4）需要时可以使用窗函数，窗是经过刻度地，因此每个窗提供相同的频谱幅度峰值，可以精确地限制信号的幅值。一般情况下，可以将数据采集VI的输出直接连接到检测VI的输入端。检测VI的输出又可以连接到绘图VI以得到可视的显示。有些检测VI用来进行时域到频域的转换，例如计算幅频特性和相频特性、功率谱、网路的传递函数等等。另一些检测VI可以刻度时域窗和对功率和频率进行估算。本系统重点是完成数据采集，对部分信号进行超限报警，对以上的功能并没做详细介绍。4.1.2 LabVIEW的简介LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、后面板（block diagram）。前面板:图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。后面板流程图:流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个While Loop循环，由开关控制这一循环的结束。如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。4.2 检测系统的程序流程图图4-2 主程序流程图4.3 软件系统的设计LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，整个运行环境由虚拟仪器（virtual instrumention）来模拟仿真，虚拟仪器是基于计算机的仪器，而图形显示对于虚拟仪器面板设计是一个重要的内容。在LabVIEW的图形显示功能中Graph和Chart是两个基本的概念。一般说来Chart是将数据源（例如采集得到的数据）在某一坐标系中，实时、逐点地显示出来，它可以反映被测物理量的变化趋势，例如显示一个实时变化的波形或曲线，传统的模拟示波器、波形记录仪就是这样。而Graph则是对已采集数据进行事后处理的结果。它先将被采集数据存放在一个数组之中，然后根据需要组织成所需的图形显示出来。它的缺点是没有实时显示，但是它的表现形式要丰富得多。例如采集了一个波形后，经处理可以显示出其频谱图。现在，数字示波器也可以具备类似Graph的显示功能。4.3.1 登陆界面程序设计图4-3所示是本次设计的系统登陆主界面，上面只是简单的显示出了其中的一部分信息，在整个界面，包含四个控制对象按钮，分别对登陆界面、波形界面、多通道参数、程序停止四个子VI进行启动和停止工作。 图 4-3 系统登陆界面4.3.2 系统主程序时域显示图4-4是时域显示的前面板，由其前面版图可以看出，界面显示的是振动和噪声的时域波形。因为此时打开的是波形界面的控制按钮，它为整个采集系统提供VI的图形化显示，图4-5其后面板部分程序图。显示选择方式不同，其图形显示的过程也不一样。但实现方法和过程不同。在流程图中可以看出，Chart产生在循环内，每得到一个数据点，就立刻显示一个。而Graph在循环之外，40个数都产生之后，跳出循环，然后一次显示出整个数据曲线。从运行过程可以清楚地看到这一点。值得注意的是本系统运用While 循环来反复执行循环体的程序，直至到达设定的界条件。它类似于普通编程语言中的 Do 循环和 Repeat-Until 循环。如下图所示系统采用While 循环的框图是一个大小可变的方框，用于执行框中的程序，直到条件端子接收到的布尔值为 FALSE。该循环有如下特点：（1）从0开始（i=0）；（2）执行循环体，而后i+1，如果循环只执行一次，那么循环输出值i=0； （3）循环至少要运行一次。 此方式如果循只执行一次，则为单点实时显示噪声、振动时域波形，当循环次数为n时，则每次n点实时显示噪声、振动时域波形。本次设计采用1024点实时显示噪声、振动时域波形。 图 4-4 系统主程序时域信号显示（前面板图）图 4-5 统主程序时域信号显示（后面板部分图）4.3.3 据多通道参数显示及超限报警显示基于目前环保的重要性和考虑到变速箱性能要求等因素，我们必须对变速箱的个别参数进行超限报警分析，如噪声；当噪声值超过95dB时，会严重损害人们的健康。所以，在设计数据采集系统时，我们必须要对其进行超限报警设计。而当油温超过了130摄氏度时影响变速箱的检测结果。图4-6数据多通道参数超限报警的显示界面，图4-7是数据多通道参数超限报警的程序图。 图 4-6 数据多通道参数显示及超限报警图 图4-7 数据多通道参数超限报警的程序图第5章 振动和传动箱瞬间监视检测5.1 多级变速箱的瞬态负载本文论述的实验调查故障诊断中的一种多级变速箱下的瞬态负载。感应电动机驱动器的多级变速箱，其目的和方向是连接到直流发电机加载。信号所研究的振动瞬变，记录从一个加速度计安装在末端的轴承变速箱和目前瞬变所得出的感应电动机。三缺陷个案及三瞬态负载条件下进行调查信号处理的先进技术，如离散小波变换（ DWT ）和纠正多分辨傅立叶变换（ MFT中）是适用于调查的振动和电流瞬变。据观察所得，从振动瞬变方面，去除负荷是一个高频率的现象。与增加的缺陷的严重性，不仅有缺陷齿轮啮合频率增益能源，而且还很大的影响，能源出现在低频区。而在目前的瞬变，虽然负荷变迁是一种低频率的现象，一个很小的瞬态是被观察在高频率区有缺陷的齿轮。与增加的缺损严重，能源是分配给其他的齿轮啮合频率跨越供电线路的频率。统计特征提取技术的建议，以便找到一种趋势。检测的缺陷及状态监测计划的制定是可以促进在监测振动和电流瞬变的变速箱与同时在场的瞬态载荷和缺陷。5.2 多级变速箱简介在一个变速箱，在场内存在不同的力量，如啮合刚度的变化，摩擦力的变化， 传输错误等，并在缺陷的齿轮，导致非平稳振动信号 。一般来说，在所有这些分析，负荷被视为常数。最近的文章还调查了不同载荷，如循环和非循环平稳负荷，以及不同负荷。这些应用载荷满足现实生活的情况，那里是一种剧烈的波动负荷，观察在变速箱。规范的程度。 应用循环和非循环平稳负荷，如常数，正弦，广场等，以单级支线齿轮系统。他们应用平滑分布 ，命令跟踪和时域平均技术。命名 Pt 横向间距的齿轮系统，分别AsM 磁化组成部分 ra, r 圆直径齿轮AsT 扭矩生产组成部分 Ra, R 圆直径齿轮 b 面对宽度齿轮和小齿轮 s 汽车支路f 宽度的接触带 t 时间fe 补给线频率 v 速度在场点fecc, fload 频率由于转子偏心 wa 窗口w在规模a和负载转矩，分别 x MFT系数fi 一些重要的宽度 a 螺旋或螺旋角的齿轮和小齿轮 i= 1,2 ab 相应的螺旋角fri 缺陷的频率与N -数目 dLdi 接触线百分比的损失 缺陷频率 i =1,2, and 3.I0 平均电流所得出的供应线 I 磁链和电流，分别为频率 沿正交（准同步）和直接Is 定子电流的异步