（动力机械及工程专业论文）基于labview的旋转机械振动分析系统的研究与开发.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 置名：基于l a b v m w 的旋转机械振动分析系统的研究与开发 姓名t 张磊 导师：杨建刚 学校：东南大学 正文： 振动是影响大型旋转机械安全稳定运行的重要因素研究与开发便携式、低成本和可靠性高的振动测 试分析仪器具有重要的现实意义。论文据此开发了一种新型的旋转机械振动测试分析仪器。论文首先总结 了振动状态监测与分析技术的相关理论知识，对常见的振动分析系统进行了比较，为系统的开发工作提供 了理论基础。在此基础上利用l a b v i e w 汇编语言和p m d l 6 0 8 数据采集卡，研究并开发了旋转机械的振动 测试分析仪器。 论文完成了仪器软硬件的设计，包括： ( 1 ) 对p m d l 6 0 8 采集卡进行了再开发，实现了l a b v i e w 语言环境下针对旋转机械的振动数据 的采集、存储、读取等操作i ( 2 ) 改变了传统的以硬件测量旋转机械振动幅值与相位的模式，提出了相位的软测量方法经过 试验验证表明了该方法具有良好的准确性和稳定性。 ( 3 )完成了旋转机械振动数据的采集与分析，绘制出振动波形图、频谱图、波德图、轴心轨迹， 趋势图等图形，为现场振动分析与故障诊断提供了重要依据。 最后，在转子试验台上对本仪器进行了试验，通过与z x p - - f 1 6 d 测振仪的测试结果进行比较，验证了 其可靠性与稳定性。该分析系统可以广泛应用于电力，石化、冶金、汽车等国民经济重要部门，作为振动 测试分析和故障诊断的重要工具 利用本仪器对仪征化纤热电厂的两台振动异常的引风机与排粉机进行了振动测试与分析，并通过动平 衡试验消除了该异常振动 关键词：振动分析l a b v l e w 旋转机械相位软测量 墨塑查兰塑主堂堡堡苎 a b s t r a c t v i b r a t i o ni sm i m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h es a f eo p e r a t i o no fl a r g et u r b o - g e n e r a t o ru n i ti ti s p r a c t i c a lt oi m p r o v ev i b r a t i o nn l e a $ u l 日l l c i r l tt e s t i n ga n a l y s i sl e v e lw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o m p u t e r h a l d w a l ea n ds o t t w a r e v i r t i l a li n s t n m l e n ti st h ef u t u r eo fv i b r a t i o ni l l c a s l l t e l r n c l l ti n s l r u m c n tf o ri t sd m 月n 目o f p o w e r f u lf u n c t i o na n df l e x i b l ed e v e l o p m e n t t h ep a p e r d e v e l o p e da v i b r a t i o na n a l y s i s i n s t r u m e n t o n t h e b a s eo f p m d l 6 0 8 s a m p l i n g c a r da n d l a b v i e w t h ep j l p 日e o n d u d e sv i b r a t i o nn l e a s u r e m c n ta n da n a l y s i sk n o w l e d g e c o m p a r i s o ni sd o n ea m o n gd i f f e r e n t v i b r a t i o nm e 鸹u 响c n ti n s l l w l n c n t h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f p m d l 6 0 8s a m p l i n gc a r dw c 他d e v e l o o e d ( 1 ) p m d l 6 0 8s a m p l i n gc a r di sr e d e v e | o p e df o rv i b r a t i o ns i g n a ls a m p l i n ga n da n a l y s i s d a t ac o l l e c t i n g , m c l n o f y r da n di n p u t o u t p u ta r e a l i z e di nt h ee n v i r o n m e n to f l a b v i e w ( 2 ) v i r t u a lp h a s em s m m e n tm e t h o dw i t hg o o da c c u r a c ya n ds t a b i l i t yi sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r i ti st h e i m p r o v e m e n to f t r a d i t i o n a lp h a s en l c a $ u l r e l l l e r l tm e t h o db a s e do nh a g d w a l r e 0 ) t h cv i b r a t i o nd a t a sc o l l e c t i n ga n da n a l y s i sa mc o m p l e t e d v i b r a t i o nw a v e f o l t n ld i a g r a m , f r e q u e n c y s p e c t n l md i a g r a m , b o d ed i a g r a m , t h el o c u so fj o u r n a lb e a r i n gd i a o a ma n dt e n d e n c yc h a r t s h o w ni nl l a e c o m p u t e r t h e s ep i c t u r e sa mt h eb a s eo f v i b r a t i o na n a l y s i s t h ei n s l u m e , 1 1 ti sv e r i f i e do l lt h et e s t - b e d c o m p a r i s o nw i t ht h en d v a n e e di n s t r u m e n tz x p - - f 1 6 d ，i ti s p r o v e dr e l i a b l ea n da c c u r a t e t h ei n s t r u m e n t b eu s e da s ab a s i ct o o lf o rr o t a t i n gr n a e l a i n e r ) , v i b r a t i o nf a u l t d i a g n o s i s t h ei n s t r u m e n t u s e di nf i l ef i e l do f t w of a n sf o rv i b r a t i o nf a u l t s t h et m b a l e ep r o b l e m ss v c l os o l v e d a c c u r a t e l yw i t ht h e 舢e n t k e yw o r d ：v i b r a t i o na n a l y s i sl a b v e wr o t a t i n gm a c h i n e d , v i r t u a lp h a s em s u a e m e l f l l ： 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：超。互导师 期。 第一章绪论 1 1 立题背景 第一章绪论 近些年电力系统的规模和技术水平飞速发展，发电机组日盏增多，并且向大容量、高参数方向发展， 对设备的可靠性，安全性、经济性提出了更高的要求。随着运行自动化制造精度和安装工艺水平的提高， 汽轮发电机组的振动故障有一定程度的减少，但由于机组设备的复杂性，运行环境的特殊性以及影响振 动因素的不确定性振动依然影响着大型旋转机械的安全运行 在电力、石化和冶金等行业中，经常会因为振动问题，导致旋转机械设备的损坏，从而造成巨大的经 济损失。例如，1 9 9 8 年6 月，华北电网曾出现同时5 台2 0 万千瓦以上的大型汽轮发电机组由于振动原因导致 停机检修的事件造成严重影响华北地区工业生产的紧急局面；2 0 0 0 年11 月。军粮城电厂3 号2 0 0 m w 机 组因振动问题导致2 号轴瓦浮动油档断裂，大轴造成损伤”1 ：2 0 0 3 年1 0 月，广东湛江发电厂4 号机组( 3 0 0 m w ) 发生一起大轴弯曲事故“：2 0 0 3 年l o 月，某核电站1 1 0 千瓦轴流风机在进行系统调试试车过程中，连续有4 台风机发生叶片断裂事故。这一客观形势促使了状态监测与故障诊断的不断发展，其根本宗旨就是要运用 当代一切科技新成就去发现设备的隐患以期对设备事故防患于未然从而减少故障停机率，延长设备检 修周期大幅降低维修费用，缩短维修时问，极大地提高社会和经济效益。 晟近1 0 多年来振动监测与故障诊断技术得到了长足的发展。在国内外大型工业化企业中基本上都采 用了故障诊断技术，并取得了良好的经济效益。据日本统计，在采用诊断技术后，事故率减少7 5 维修 费用降低2 5 5 0 ；英国对2 0 0 0 个企业进行的调查表明诊断技术的采纳使得每年节省的维修费用达3 亿英镑：美国p c k r a l 发电厂采用诊断技术所获得的经济效益比达到了l ：3 6 “。因此，采用这种技术对于保 证旋转机械设备安全可靠运行进而提高企业的经济效益具有十分重要的意义”1 目前，主要通过故障理论及机理、振动分析技术和故障诊断技术等三个环节的改进来促进旋转机械振 动诊断与治理技术的发展 ( i )故障理论和机理 故障机理是故障的内在本质和产生原因，是机械故障诊断技术的理论基础。故障机理的研究，是赦障 诊断中的一个非常基础而又必不可少的工作目前对汽轮机故障机理的研究主要从故障规律、故障征兆和 故障模型等方面进行。在常见的旋转机械故障中，对转子裂纹、支撑松动，碰磨故障、油膜涡动、油膜振 荡、不平衡和不对中等故障均进行了大量工作。近年来，在非线性特性研究等方面也取得了较大进展。然 而，设备故障机理的研究难度大、周期长，所需知识面宽，不易出成果。总体上，故障理论和机理的研究 是一项基础性的工作，仍然是故障诊断界长期而艰巨的任务” ( 2 )振动分析技术 大部分轴系故障都在振动信号上反映出来，对轴系故障的研究总是以振动信号的分析为主因此监测 系统的优劣直接影响着振动故障的诊断与治理随着嵌入式技术、d s p 技术以及现代传感技术的发展，设 备信息的拾取在技术性、方便性、精确性、实时性等方面均有较大的发艘空间采集器的制作更加先进、 便携和轻便，a d 转换的速度更快实时性更强，精度更高 ( 3 ) 故障诊断技术 故障诊断的实质问题是模式识别问题。从这个基本思想出发作为诊断分类依据的许多诊断方法不断 被提出。这些智能诊断方法主要集中在以知识处理为核心的模糊理论，灰色理论、人工神经网络、模式识 别、数据挖掘等方面。故障诊断专家系统的能力和水平主要取决于它所拥有的知识的数量和质量信息的 模糊、遗漏，不完整也会对专家系统的诊断准确率产生极大的影响。支持向量机在统计学习理论基础上发 展起来的一种新的机器学习算法。它在解决小样本、非线性及高维模式识别中表现出许多独特的优势。当 然，还有许多故障诊断模式识别方法如模糊集合理论、租糙集理论、故障树方法、遗传算法和证据理论 等设备故障押能诊断技术从应用层面上看是不完善的。各种方法针对某种设备的某种故障也许是成熟 的，但真正在未知故障的前提下安装专家系统仍在探索之中 1 东南大学硕士学位论文 通过对以上三个环节的技术改进都能有效地促进旋转机械振动诊断与治理技术的发展。由于测试技术 的高速发展，选用振动分析系统时。在考虑到测量精度的同时成本和便捷逐渐成为人们越来越关心的内 容。本文正是基于该趋势，提出了以虚拟仪器代替传统仪器设备“，通过研究与开发出一套高精度、高灵 敏性，低成本，体积较小的旋转机械振动分析系统，从而促进振动诊断与治理技术的发展 1 2 旋转机械振动分析系统的发展状况 振动分析系统是一门综合性的技术，涉及到传感及测试技术、电子学、信号处理、识别理论以及计算 机技术等多门基础学科，是对这些基础理论的综合应用 设备状态振动分析系统的开发始于七十年代末，电子测量技术和频谱分析技术的应用使设备状态监铡 进入了实用阶段。八十年代中期由于传感器技术和信号分析技术的飞速发展，形成了以传感器、信号分 析和计算机技术为中心的现代设备状态振动分析系统八十年代后期，计算机技术及人工智能技术的发展 使对设备状态进行在线监测成为可能。在发达国家，从7 0 年代开始便陆续推出机械参数的计算机分析系统， 如s c i e n t i f i e - a t l a n l a 公司的m 6 0 0 0 c h a m m p 系统、b e n t l y 公司的a d r e 系统、e n t e c k 公司的p m 系统、g e 公司的内燃机车故障诊断系统d e l t a ”1 、丹麦b & k 公司的b & k 2 5 2 6 便携式振动数据采集分析系统、意大 利电器委员会( e n e l ) 研制的“现代振动监测系统”( s m a v ) 以及日本三菱公司的m h l v l 系统等 不论是振动监控仪表，还是振动测试仪表制造，国内起步都报落后，其发展经历了下列三个阶段： ( 1 ) 初期研制开发 国外的在线监测系统、现场诊断仪器及诊断管理软件虽然技术先进，测量精度高，但价格一般十分昂 贵，且存在维护不便的问题难于在基层推广早在6 0 年代中和7 0 年代初，引进了丹麦b & k 公司振动测试 分析仪表，但未能成功于是我国自上世纪7 0 年代中，已经开始自行研制状态监测系统。然而，国内虽有 不少单位进行研制开发，也开过不少鉴定会，从那些研制的仪表性能、指标来看，在当时都不低，但绝大 部分都没有形成产品，其重要原因是仪表的可靠性没有过关 ( 2 ) 国外引进与自主研发 自7 0 年代末陆续从日本、美国b d y 引进了一批监控和测试仪表，才改变了国内振动监控和测试仪表 的落后状态。8 0 年代末又引进德国飞利浦监控系统，从而使国内1 2 5 m w 以上容量的机组大多都安装了美国 b e n t l y 或德国飞利浦振动监控系统，为机组安全运行提供了重要技术保障，也赶上了国外先进水平。8 0 年 代以后，尤其是9 0 年代以来，国内引进了一批b e n t l y ，d v f 一2 ，t k 一2 0 ，d v f 一3 1 0 8 ，2 0 8 等先进的 振动测试分析仪表，目前国内主要从事振动试验的研究机构，都配备了这些先进的仪表，为现场振动故障 诊断和轴系平衡，提供了先进的“武器” 与此同时。国内自主研发的脚步也没有“停滞”经过二十多年的努力，我国自主研发的汽轮发电机 组状态监测与故障诊断系统已在电力行业中发挥了积极的作用取得了一定的经济和社会效益。例如，中 国浙江大学检测技术与智能仪器研究所的c m d 3 系统、哈尔滨工业大学研制的微计算机化机组状态监视与 故障诊断装置( m mm d ) 、西安交通大学研制大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统( r m m d ) 、 重庆大学研制的c c d d s i 信号处理软件系统、西安热工研究院的汽轮发电机组状态监测与诊断系统( z j z - i ) 、 华中理工大学的汽轮发电机组诊断专家系统( d e s t ) 以及东南大学研制的z x p 系列的振动监测与故障诊断 系统等1 。 ( 3 ) 近期研制开发与发展趋势 对各种类型的旋转机械进行日常维护、监测使得系统向小型化便携式、通用化方向发展“。自9 0 年 代以后由于芯片技术迅速发展，不仅使振动监控仪表和测试、分析仪表可靠性显著提高，而且可以更小 型化。然而这种小型仪器虽然使用方便，体积较小，但所测振动参数较少，往往只能测量出振动的通频幅 值。不能完全反映出旋转机械的振动特性”1 1 3 1 近些年，随着计算机硬件和软件技术的发展虚拟仪器的思想更加深入人心。其功能强大开发灵活， 成本低廉，与计算机完美结合的特点，使得振动分析系统在具有小型化特点的同时具有高精度，多通道， 多参数测量的需求变成可能，正好代表了旋转机械振动分析系统的未来发展方向 2 第一章绪论 目前，已有很多企业将虚拟仪器技术运用到旋转机械的振动髓测系统当中，但基本上都是将其作为上 位机的编程语言在使用，而在信号处理与分析方面延用的依然是硬件技术。这样。只是在编程的方面减少 了工作量，并没有从根本上改迸旋转机械振动监铡仪器体积大、成本高等关键性弱项。 因此，本文提出了通过使用l a b v i e w 语言中强大的信号处理功能来代替硬件技术进行振动信号的分析 与处理“”。实现振动参数的软测量这样除了一块较小的a d 采集卡之外，无需其它的硬件设备，从而彻 底解决了便携式测振仪精度不高，不能完全反映振动特性以及大型振动测试仪器成本高、体积大、价格 昂贵等问题。 1 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 简称是指一种在通用的计算机平台上，用户根据自己的需求来定 义和设计仪器的铡量功能，具有传统独立仪器功能的硬件与软件的组合虚于c l 仪器是一种功能意义上的仪 器，其核心是在最少量的硬件模块支持下，用软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的功能。用 户( 而不是仪器厂家) 可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统满足多种多样的应用需求1 虚拟仪器是计算机硬件资源仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效组合。虚拟仪器 是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试c a t 领域的一项重要技术。虚拟 仪器软件即仪器的特性使得与传统仪器相比具有价格低廉，功能多样的特点，它是当前测控领域的技术热 点，代表了未来仪器技术的发展方向“虚拟仪器与传统仪器的特点比较见表1 - 1 1 表1 - - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪嚣 软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护费用高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活、可与计算机保持同步发展封闭，周定 与网络及其它周边设备方便互联的面向应用的 功能单一、互联有限的独立设备 仪器系统 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是虚拟仪器概念的首创者，是美国n i 公司推出的一个图形化软件开发环境，是目前应用最为广泛，功能屉为强大的虚拟仪器工程平台。与v i s u a l c + + v i s u a lb a s i c , l a b w i n d o w s c v l 等编程语言不同，l a b v i e w 是一种图形化的编程语言1 它用图标、 连线和框图代替传统的程序代码这使得编程过程和思维过程非常的相似。 l a b v i e w 的程序是数据驱动的。数据流的程序设计规定，一个目标只有当它所有的输入都有效时才能 执行，而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样，l a b v i e w 中连接的方框图之闻的数据流 控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到执行顺序的约束。从而，可以通过相互连接功能方框图快速、 简洁地开发应用程序甚至还可以有多个数据通道同步运行。 l a b v i e w 带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统提供了g p i b 设备控制、i 总线控制、串 口设备控制、数据分析、显示和存储等应用程序模块。l a b v i e w 可以方便的调用w i n d o w s 动态链接库和用 户自定义的动态链接库中的雨数：l a b v i e w 还提供了c i n ( c i n t e r f a c e n o d e ) 节点，用户可以使用由c 或c + + 语言( 如a n s ic ) 编译的程序模块，使得l a b v i e w 成为一个开放的开发平台l a b v i e w 还直接支持动态致 3 东南大学硕士学位论文 据交换( d d e ) 、结构化查询语言( s q l ) t c p 和u d p 网络协议等。此外，l a b v l e w 程序还非常容易和各种 数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实时数据库链接。 l a b v i e w 在众多的领域得到了广泛的应用包括航空、通信、汽车、半导体、生物医学等众多领域， 从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成， 我们都可以发现l a b v i e w 的应用成果和开发产品“” 1 4 本文主要内容 本文是基于l a b v l e w 语言，研究并开发了旋转机械振动监测系统，实现的功能有：数据采集、动态显 示、实时监测、信号分析( f f t 、波得图、趋势图、轴中心位置图) 等突破了传统的以硬件系统来测量 旋转机械振动幅值与相位的模式，提出了相位的软测量方法通过转子试验台监测的数据，验证了本系统 的实用性与准确性。论文主要内容如下： 第一章，讨论了本课题的研究背景，总结了汽轮发电机组振动状态监测的现状及发展状况，阐述了论 文研究的主要内容。 第二章- 研究了振动状态监测与分析技术的相关理论知识。阐述了振动数据采集的基本原理，以及振 动信号处理的基本理论，包括整周期采样、同步采样、相关原理以及傅立叶变换( f f t ) 等理论本章节 内容是之后系统研究与开发工作的理论基础。 第三章，提出了相位的软测量方法，详述了该方法的理论依据以及实现过程，并通过与z x p - - f 1 6 d 型 振动测试仪器在升速和工作转速两种状态下测得的振幅以及相位值进行了比较，论证了其可实施性和优越 性 第四章对振动数据采集系统进行了开发使其满足采集旋转机械振动信号的需要硬件上，对采集 卡的外壳和信号接l 进行了开发，并创建了键相信号通道：软件上。设计了参数设置、传感器设置以及设 置界面等，同时增设了触发采集、平均周期和额定工作转速等重要参数。实现了振动数据的多通道、实时 以及同步采集，为振动信号的分析与处理提供了基础 第五章，完成了对振动监测系统的开发，提取了通频幅值、基频幅值、相位、半倍频幅值和二倍频幅 值等重要振动特征参数，并绘制了频谱图、趋势图、波德图和轴中心位置图等振动图形，为现场分析和诊 断提供了重要依据。 第六章利用本系统在现场对引风机以及排粉机的振动进行了测试分析，井根据分析数据通过动平衡 试验消除了振动。充分验证了本系统良好的性能。 第七章对论文所做工作进行了总结，并提出了应进一步工作的方向 第二章振动信号处理的基本理论 第二章振动信号处理的基本理论 2 1 振动数据的采集理论 数据采集就是把振动信号从模拟信号转变成计算机能够接受和处理的数字信号的过程。模数转换通常 简写成a d 变换( a m l o g - d i g i t a l ) 。模数转换的输入信号在时间上和幅度上都是连续变化的模拟信号，输出 信号是在时间上和幅度上都是离散的数字信号。考虑到模拟式分析精度低、速度慢、适应性不强。而数字 式分析是以专用计算机和快速傅立叶变换( f f t ) 技术为基础，速度快、功能多、精度高，因而得到广泛 应用 从连续信号到离散信号的变换过程可以看成采样和量化的过程。 2 1 1 采样定理 采样，就是对连续的时间历程信号m ) 进行离散取点一般采样都是以问隔a f 取值，得到离散信号 d 由( = 0 。1 2 ，) 要确定一个适当的采样问隔，如间隔太近会产生相关和多余的数据，从而增加了 计算的工作量和成本。同时使计算时问加长以及需要很大的计算机存贮容量。另一方面采样间隔取大了使 采样点离得太远会引起频率混淆采样过程如图2 - i 所示 圈2 一l a 连续信号 图2 1 信号采样 图2 一l b 离散过程 由图可知，如) 只是球) 的一部分值，即如) 与谁) 是局部与整体的关系这就有一个由m ) 能否 复原到连续信号面) 的问题。由于却) 波形的幅值变化程度与j 大小有关，而嘶) 波形幅值变化程度又 取决于面) 的频率分量组成，由此引入采样定理和迭混误差的概念 采样定理：一个在频率。以上无频率分量的有限带宽信号，可以由它在小于或等于v ( 2 厶) 均匀时间 5 榭二 东南大学硕士学位论文 间隔上取值而唯一地加以确定即出l ( 2 f 1 式中i 采样间隔，_ 信号的上限频率 采样定理说明：如果在某一频率厶以上面) 的傅立叶变换等于零时，则关于如) 的全部信息均包含 在它的采样间隔小于v ( 2 厶) 的均匀采样信号里信号嘶) 每隔f = r 秒被采样一次，或者说以大于或等 于2 厶采样率进行采样，这样采样值m ) 包含了雌) 在每一个，时刻值的信息 当，v ( 2 ，_ ) 时，满足采样定理，从理论上来讲并没有产生迭混现象，因此也无迭混误差可言当 r v ( 2 厶) 时，前后两个频谱产生部分重迭，将产生迭混误差。由于频谱这种首尾端部的重叠使工， 不再具有对应幅值x f f ) 信号已经失真不能恢复雌) 采样定理是信号数字化处理过程必须遵循的规则它能保证用一个离散的采样序列代替一个连续的有 限带宽的信号，而不丢失任何信息采样定理实质上指出了再现连续信号所必需的最少数目的离散值，所 以传输连续信号的问胚，可以归结为传输离散的信号值 在监测旋转机械的振动时。由于其含有一定的高频信号且要实现h 通道同时采样，因此采样频率通常 设置为最高分析频率的1 0 倍以上。当然，在不影响到信号处理速度的情况下，采样频率越高，所采集的 振动数据越能完整的反映机组的振动特性 2 1 2 量化过程 模拟信号经过采样虽然在时问上离散化了，但在幅度上仍是连续的，不能满足数字信号处理的要求 所以采样信号还必须通过量化处理，将采样值限制在若干个预定的有限离散值内，才能变换成数字信号 图2 - - 2 量化过程 量化的概念可以用图2 2 来说明信号面) ，采样问隔为r 采样持续的时间为f 采得的幅值仅为 面) 曲线上的一些问断点为使这些间断点的幅值能按一定的统计方法便于设备采集并记录需将幅值量 化即分层如图所示，将信号的幅值以a r 为问隔均匀的分成月，层。使工= m a x 每个采集点的幅值必然 6 由于a ，d 转换器的位数是一定的，所以量化误差的存在是必然的假定误差如) 是一个平稳的随机序 列，州与信号毋) 的序列如) 是不相关的，且分布是均匀的 1以2 了 kf i ( e 一等) 2 出：等 2 。 i。= 0 忙e 2 一石1 d e a 西x 2 2 由式2 1 及2 2 可见量化误差与量化宽度a x 直接有关而a x 又与量化字长有关，字长越长a x 越小， 量化误差也越小，反之，字长越短，a x 越大，则量化误差也越大1 对于一个8 位的d 转换器来说，峰值信号与峰值误差之比为2 5 5 缸o 5 a x - - 5 1 0 ，相当于5 4 分贝这 时，最大舍入误差为o 5 a x ，满刻度读数时最大量化误差在佃5 2 5 5 ) x 0 0 = + 0 2 。 在实际应用中当选用了较高位数a d 采集卡后，与信号数据获得和处理过程的其它误差相比，由量 化误差引起的误差通常是非常小的，可以略去不计 2 1 3 整周期采样与同步采样 所谓整周期采样是指传统的采样频率动态的跟踪频率的变化即信号频率高，则采样问隔变短，反之 采样问隔加长以确保采样间隔均匀以及所采信号周期完整。在傅立叶变换时，由于是整周期截断，消除 了泄漏现象提高了谱分析精度：另外还使信号频谱具有相同的阶次分辨率”“ 鉴于旋转机械振动信号频率成分主要为转速频率( 基频) 及其谐波在对周期信号进行频谱分析时， 获得准确频谱的先决条件是实行整周期截取。用计算机进行数字频谱分析时只能采集有限长度的模拟信 号造成频谱的泄漏，d f t 的效果相当于将该有限长度的信号向外进行周期延拓获得离散的频谱该频 谱实质上是对原信号的连续频谱的一种。摘取1 因此会产生栅栏效应，从而丢失频谱成分对于周期信 号在满足采样定理的前提下进行整周期截取，则上述周期延拓后的信号和原信号完全重合无任何畸变。 而且，由于截取的信号长度为信号周期的整数倍频谱分析的谱线恰好落在其谐波的频率上，不会产生泄 漏和栅栏效应 实现整周期采样的问胚是如何将一个完整的周期信号均匀地分成_ 等分进行采样，即实现倍频。信号 的周期可以通过键相信号测得，两个相邻键相的上升沿或下降沿之间的时间长度即为信号的一个周期。 同步采样是指在多通道( 或多系统) 应用中。通过准确的定时与同步控制机制建立各信号通道间精确同 7 东南大学硕士学位论文 步采样控制，包括采样及触发的同步控制，要求从同一时刻开始，同时对所有通道进行采集以保证再通 道信号之间的准确相互关系。1 。一般的多通道信号采集是采用巡回采集的方法，它顺次切换a d 的转换通 道，从第一通道开始依次采集到第n 通道，从而完成对所有通道的一次采样，然后再轮回到第一通道，以 此类推完成所需要的采样点数。可以看出a d 对各通道采样存在着时差，而且各个通道的时差也不一 样，随着通道数目的增加，时差成倍增加所以，用这种方法采集的各个通道的信号相互之间都存在着时 差引起的误差。1 。 汽轮发电机组的振动信号是一种快速变化的动态量，能够充分反映机组的运行状况。在许多情况下， 为了获得他们之问的相互关系所表现出来的故障信息，要求做到多通道同步采集。当考虑转子系统各测点 间的相位关系时，则需要得到各测点的振动与键相脉冲之间的相位角所有这些都要求信号采集系统能够 实现多通道同步采集”。 2 2 振动信号分析理论 2 2 1 数字滤波器 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过而极大地衰减其他频率成分在测试装 置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析滤波器分为模拟滤波器和数字滤 波器，分别处理模拟信号和数字信号。模拟滤波器可以是由r l c 构成的无源滤波器也可以是加上运放 的有源滤波器。是连续时间系统；数字滤波器由加法器、乘法器、存储延迟单元、时钟脉冲发生器和逻辑 单元等数字电路构成，不存在阻抗匹配问题，可以时分复用。 数字滤波的实质是对采集到的离散信号进行运算增强或提升所需要的信号，压低或滤掉干扰成分 与模拟滤波器相比数字滤波器成本低。稳定性高，不会因为温度、湿度的影响产生误差，不需要精度组 件，性价比高同时，由于本文对于信号的处理与分析均采用软件的方式来实现，因此此处选用数字滤波 器 图2 - - 3 所示是几种常用滤波器的理想幅频特性 图2 3 a 所示是低通滤波器的幅频特性它对信号中低于某一频率石的成分均能以常值增益通过，而 高于工的频率成分都被衰减掉所以称它为低通滤波器工称为此低通滤波器的截止频率 图2 3 b 所示是高通滤波器的幅频特性信号中凡有高于工的频率成分均能以常值增益通过，而低于 f o 的频率成分则被衰减掉厶称为高通滤波器的下截止频率 m 2 3 c 所示为带通滤波器的幅频特性，它是仅让高于兀和低于频率厶的频率以常值增益通过，五、 厶分别称为带通滤波器的下、上截止频率，f o 称为带通滤波器的中心频率中心频率定义是上下截止频 率的几何平均值，即 f o = 7 两 ( 2 3 ) 又厶一无= 曰称为带通频率器的带宽- 并定义带通频率器的品质系数为 q = 矗= 鲁 s ( 2 4 ) 第二章振动信号处理的基本理论 图2 3 d 所示是带阻滤波器的幅频特性它仅让两截止频率之间的频率成分不通过。 a ) 低通滤波器的幅频特性b ) 高通滤波器的幅频特性 c ) 带通滤波器的幅频特性d ) 带阻滤波器的幅频特性 图2 - - 3 常用滤波器的理想幅频特性 理想滤波器在通带内幅频特性为常值在通带外幅频特性值为零。而在实际中的滤波器通频带内不 平坦；过渡带部分不陡直；带阻部分不为零。通常模拟滤波器的设计就是利用有理多项式在一定限度内对 其频率特性进行逼近。在数字滤波器的设计中，也都可以利用这一原理。 。最佳逼近特性”的标准是根据滤波器性能的不同需要而定出的。例如，可以从幅频特性提出要求。 而不考患相频特性；也可以只满足相频特性而不关心幅频特性按照前一原则，最常用的可实现的滤波罂 有巴特沃兹滤波器：按照后一原则有贝塞尔滤波器等”“ 巴特沃兹滤波器具有最大平坦幅度特性，其幅频响应表达式为t i 砸】= ( 2 5 ) 其幅频特性具有以下几个特点： 当国= o 时，1 日p l 取得最大值，i u ( o 】= 1 ： 当= 国。时，j 0 l = 万i ，也即衰减特性为一3 d b t 吐，称为低通滤波器的截止频率 贝塞尔滤波器又称最平时延或恒时延滤波器其相移和频率成正比，即时移f 值对所有频率为一常数， 其关系式为： r = 一丢出) c z e ， 东南大学硕士学位论文 即信号经过贝塞尔滤波器后相移近似于线性，在0 0 3 0 的频率范围内，时延f = l ，o 2 2 2 相关原理 “相关”就是指变量之同的线性关系对于确定信号，两个变量之间可用函数关系来描述。饲如直线 方程式) ，= a x + b 就是x 对y 的最简单的相关函数，式中x 和y 互相对应，有固定的关系当采集到的是 不确定型的随机信号时，它和采样时问就没有这种确定关系。如果变量之间具有某种内在的联系则通过 统计数据可以找到一些不太精确的，可以表征出的近似关系，这就是相关技术。1 在时域，无法描述随机信号单个样本函数的波形或时域表达式，一般也并不关心其具体的时域表达式。 其关注目标是测试信号在不同时刻瞬时值的相互依从关系时域相关特性单个信号的时域相关特性用 自相关函数描述；两个信号之间的时域相关特性用互相关函数描述 通过波形和它自身在某一时刻移f 之后的波形相比较的方法称为自相关”假如撕) 是随机信号的一 个样本记录( 时间有限的样本函数) ，面+ f ) 是面) 延迟f 后的样本对各态历经随机信号或功率信号， 自相关函数可定义为 如( ) = 船 f 撕+ r 净 ( 2 7 ) 式中t 为样本记录长度( 即观测时间) 自相关函数具有以下特点： 自相关函数是偶函数，即疋( f ) = ( - - 0 自相关函数在f = 0 时可以获得最大值，并等于该随机信号的均方值 若随机信号中含有常值分量以，则疋( f ) 含有常值分量： 7 对均值，为零且不舍周期成分的。纯”随机信号，当f 足够大时，足。，( f ) 趋于零 如果随机信号中含有周期分量，则自相关函数中必含同频率的周期分量 研究信号的白相关函数如( f ) 可以了解不同时刻同一个随机样本间的波形相似程度 两个各态历经随机信号或功率信号撕) 和几) 的互相关函数可以反映两个样本在不同时刻之间的相 互依从关系互相关函数( f ) 和胄，( f ) 定义为 凡( f ) = 彻 r 撕脚+ r ( z 8 ) ( f ) = 豫 r 乃+ r ( 2 9 ) 互相关函数具有以下特点； 岛( 0 - - r ，( - r ) 互相关函数一般即非奇函数也非偶函数 k ( f ) 与r r , ( f ) 是两个不同的函数，一般不相等的 1 0 墨三兰堑垫堡呈竺堡堕墨奎堡丝 在工程中，互相关函数具有重要价值。它是排除噪声干扰、提取有用信息的有效手段，可以在百倍于 信号幅值的噪声中检测出有用信号，同时也可通过信号的传输时问来确定设备缺陷的位置1 2 3 频谱分析的理论基础 通过情况下，振动信号包吉了很多简谐振动成分，即 j ，= 4 c 0 如，+ 识) ( 2 1 0 ) 当频率成分较多时从振动波形中很难直接看出波形中包含的频率成分这时可以对上述振动信号做傅立 叶变换。频谱图就是将这些频率成分和大小表示出来 在振动信号的分析处理中，很重要的一项工作就是对信号进行频域处理，其理论基础是傅立叶变换。 如果我们要在计算机上实现傅立叶变换的计算，所处理的信号则必须在时域和频域上都是离散和有限 长的，因而人们提出了离散傅立叶变换的概念，即d f i ( 如式2 i i 所示) 。 荆= 专薹x ( t k 争= 专篓m 廊 c z m 皂 式中，k = o ，1 ，n - i ：月= o 。1 ，n - 1 ，辟r = p 傅立叶变换的意义在于，将时域中周期的或非周期的连续函数币) 离散成时域序列f 删，并变换成 频域中与纵轴对称、离散或连续的周期复敦序列m t ) ，频域中谱线的分布周期为正，这里z 为采样频 率 将式( 2 1 1 ) 转换为适合计算机算法的离散傅立叶变换( d f t ) 的计算公式饲如n = 4 时，式( 2 1 1 ) 可写成 x ( o ) x ( 1 ) x ( 2 ) x ( 3 ) 哪 孵 睇 睇 孵孵睇1 蝶昨暇i 昭昭孵l 暇孵哪j ( 2 1 2 ) 由( 2 1 2 ) 可看出，若计算所有的离散值x o ) ，由于和m ) 可能都是复数值故需要进行2 = 1 6 次复数乘法和n ( 一1 ) = 1 2 次复数加法的运算已知一次复数乘法等于四次实数乘法，一次复数加法等 于两次实数加法。因此，对大的来所( 数据处理中一般取= 1 0 2 4 ) ，这仍是一个相当大的运算。所以， 虽有了d f t 理论及计算方法，但因计算工作量大、计算时间长限制了实际应用于是在1 9 6 5 年美国学者 c o o l e y 和t u k c y 提出了快速算法，即f f t ( f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m s ) 。其基本思想是把整个数据序列 舡) 分割成若干较短的序列作d f t 计算，用以代替原始序列的d f t 计算然后通过巧妙的办法把它们合并起 来，得到整个序列h t ) 的d f r 实现f f r 的方法一般有两种即时间抽取方法和频率抽取方法以时间抽取方法为倒，应用f f t 算法 计算n = 4 时的d f t ，乘法次敢为【f 一2 ) 2 + l = 1 次，加法次数为n l 0 9 2 = 8 次。显然比直接用( 2 1 1 ) 1 1 东南大学硕士学位论文 计算时，乘法减少了1 5 次、加法减少了4 次。若取采样点数为1 0 2 4 ，用( 2 1 2 ) 计算，乘法次数 2 = 2 ”= 1 0 5 1 0 6 次，如用f f t 算法，乘法次数为8 ( 1 0 2 4 2 ) + 1 = 4 0 9 7 次。因此f f t 算法节约了 大量运算时问。另一方面。乘法次数越多由于有效位数是一定的，运算一次就引入一次舍入误差。所以 f f t 算法不仅运算时间短而且提高了运算精度 第三章相位的软铡量方法 第三章相位软测量方法的研究与实现 相位是旋转机械振动分析中不可或缺的参数。相位的变化直接反映了转轴上不平衡力角度的变化动 平衡试验时，加重角度的确定在很大程度上取决于相位。相位准确与否，直接影响动平衡工作效率 相位有多种定义方式。在旋转机械振动分析中，相位有其特殊含义它是指振动信号与转轴上某一标 记之间的相位差，如图3 - - 1 所示。测量振动相位目前主要采用的是脉冲法脉冲法测量相位的基本原理： 在转子上贴一反光条或开一键槽，采用光电传感器或涡流传感器产生一个与转速完全同步的脉冲信号，求 ， 脉冲前沿与振动信号某一点之间的角度，即为振动相位可以由式声= 圭2 ，得到，其中堤同一周期 i 内方波的前沿与振动波形最大峰值之间的时间：7 为振动波形整周期长度这是目前国内外比较通用的相 位定义 一 、 、， f r v rv 图3 一l 相位示意图 目前在硬件电路中求取相位通常采用的是频谱分析法由于本文采取的是信号的软处理，通过试验 验证发现频谱分析法并不适合在本系统中求取相位故在此基础上本文研究