（热能工程专业论文）基于虚拟仪器技术的便携式振动测试分析仪研究.pdf

毕北电力土学硕士学位论文 摘要 本文研究开发了一种基于虚拟仪器技术的功能强大的便携式振动测试分析仪。 仪器采用上下位机结构，下位机通过u s b 接口与上位机进行串口通信，上位机则对 下位机进行集中控制。下位机以d s p 芯片为核心，构成智能型振动信号预处理和采 集变换子系统，全部控制逻辑通过c p l d 芯片完成，工作模式和工作流程服从上位 机调度。上位机软件采用虚拟仪器技术开发。仪器具有时间域分析( 时间波形、自相 关、互相关、轴心轨迹) 、幅值域分析( 直方图、概率分布、概率密度、偏度、峭度) 、频 率域分析f 频率响应函数、f f t 谱、线性谱、自功率谱、互功能谱、倒频谱) 等功能。 关键词：振动测试，分析仪。虚拟仪器，u s b 接口，便携仪表 a s t r o n g - f u n c t i o n e dp o t a b l ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n ti sd i s c u s s e d t h ei n s t r u m e n ti sc o m p o s e do ft h eh o s tc o m p u t e ra n dt h e s u b s y s t e m t h es u b s y s t e mr e a l i z e sc o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s tc o m p u t e rb yu s b i n t e r f a c e ，a n dt h em a s t e re x e r t st h ec e n t r a l i z e dc o n t r o lo ft h es l a v e r s t h ec e n t r a lp a r to f t h es u b s y s t e mi sad s pc h i p t h es u b s y s t e mi sc o m p o s e do ft h ev i b r a t i o np r e t r e a t m e n t ， a c q u i s i t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fd a t a a l lo fl o g i c a lc o n t r o li sc o m p l e t e db yc p l dc h i p t h e w o r km o d ea n d w o r kp r o c e s s e so ft h es u b s y s t e ma r es u b m i t t e dt ot h em a n a g e m e n t o ft h eh o s tc o m p u t e r t h ed e v e l o p m e n to ft h eh o s tc o m p u t e r ss o f t w a r ei sb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h ei n s t r u m e n th a sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha st i m ed o m a i n a n a l y s i s ( t i m ew a v e f o r m ，a u t o c o r r e l a t i o n ，c r o s s - c o r r e l a t i o n ，o r b i t ) ，a m p l i t u d ed o m a i n a n a l y s i s ( h i s t o g r a m ，p r o b a b i l i t y , p r o b a b i l i t yd e n s i t y , s k e w n e s s ，k u r t o s i s ) ，a n df r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s ( f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n ，f f ts p e c t r u m ，l i n e a rs p e c t r u m ，a u t o p o w e rs p e c t r u m ，c r o s s 。p o w e rs p e c t r u m ，c e p s t r u m ) z h e n gw e n d e ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h eq i n g k e yw o r d s ：v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，a n a l y s i si n s t r u m e n t ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，u s bi n t e r f a c e ， p o t a b l ei n s t r u m e n t 华北电力太学疆士学位论文 摘要 本文研究开发了一种基于虚拟仪器技术的功能强大的便携式振动测试分析仪。 仪器采用上下位机结构，下位机通过u s b 接口与上位机进行串口通信，上位机则对 下位机进行集中控制。下位机以d s p 芯片为核心，构成智能型振动信号预处理和采 集变换子系统，全部控制逻辑通过c p l d 芯片完成，工作模式和工作流程服从上位 机调度。上位机软件采用虚拟仪器技术开发。仪器具有时间域分析( 时间波形、自相 关、互相关、轴心轨迹) 、幅值域分析( 直方图、概率分布、概率密度、偏度、峭度) 、频 率域分析( 频率响应函数、h 可谱、线性谱、自功率谱、互功能谱、倒频谱) 等功能。 关键词：振动测试，分析仪，虚拟仪器，u s b 接口，便携仪表 a s t r o n g - f u n c t i o n e dp o t a b l ev i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n ti sd i s c u s s e d t h ei n s t r u m e n ti sc o m p o s e do ft h eh o s tc o m p u t e ra n dt h e s u b s y s t e m t h es u b s y s t e mr e a l i z e sc o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s tc o m p u t e rb yu s b i n t e r f a c e ，a n dt h em a s t e re x e r t st h ec e n t r a l i z e dc o n t r o lo ft h es l a v e r s t h ec e n t r a lp a r to f t h es u b s y s t e mi sad s pc h i p t h es u b s y s t e mi sc o m p o s e do ft h ev i b r a t i o np r e t r e a t m e n t ， a c q u i s i t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fd a t a a l lo fl o g i c a lc o n t r o li sc o m p l e t e db yc p l dc h i p t h ew o r km o d ea n dw o r kp r o c e s s e so ft h es u b s y s t e ma r es u b m i t t e dt ot h em a n a g e m e m o ft h eh o s tc o m p u t e r , t h ed e v e l o p m e n to ft h eh o s tc o m p u t e r ss o f t w a r ei sb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h ei n s t r u m e n th a sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha st i m ed o m a i n a n a l y s i s ( t i m ew a v e f o r m ，a u t o - c o r r e l a t i o n ，c r o s s c o r r e l a t i o n ，o r b i t ) ，a m p l i t u d ed o m a i n a n a l y s i s ( h i s t o g r a m ，p r o b a b i l i t y , p r o b a b i l i t yd e n s i t y , s k e w n e s s ，k u r t o s i s ) ，a n df r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s ( f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n ，f f ts p e a r u m ，l i n e a rs p e c t r u m ，a u t o p o w e rs p e c t r u m ，c r o s s p o w e rs p e c t r u m ，c e p s t r u m ) z h e n gw e n d e ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h cq i n g k e yw o r d s ：v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，a n a l y s i si n s t r u m e n t ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，u s bi n t e r f a c e ， p o t a b l ei n s t r u m e n t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟仪器技术的便携式振动测试 分析仪研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 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。 学位论文作者签名：关# 盘左葱日期：2 塑：i ：j 2 一 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：主i 童缱： 日 期：趔五孟：1 2 导师签名： 日 期：趔：311 旦 华北电力土学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 现代化企业所使用的机械设备具有大型化、高速化、精密化、系统化和自动化的特 点，其结果是生产系统的规模越来越大、生产效率也越来越高，各个部分的联系越来越 密切。因此，一旦机械设备发生故障而造成停产，将会造成经济上的巨大损失。随着 生产的飞速发展和设备数量的迅速增长，这一危机造成的后果越来越严重，影响越 来越突出，国内外就曾发生过多起因设备故障而导致的爆炸、断裂、倒塌、泄漏等 恶性事故。这些严重的灾难性事故不但造成了巨大的经济损失，而且导致了很大的 人员伤亡和环境污染，在社会上引起了强烈的反响。如1 9 8 5 年我国大同电厂和1 9 8 8 年我国秦岭电厂的2 0 0 m w 汽轮发电机组的严重断轴毁机事件，都造成了巨大的经 济损失【1 1 。因此，为保证机械设备能安全稳定地运行，设备状态监测与故障诊断这 一新兴技术开始走进了历史的舞台。 目前，对机械设备状态监测的手段虽然很多，但是至今人们仍认为，振动监测是一 种易于实现而又可靠的方法，因为振动信号中携带着机械设备内部运行状态的大量信 息，人们可以通过对这些信息进行采集和分析，根据得到的信息特征进行故障诊断。当 机械设备发生异常或故障时，其振动状态将会发生变化，一般情况是振幅将会增大。而 随着信号分析技术的发展，人们还会看到由不同类型、性质、原因和部位产生的故障所 激发的振动的特征将是不同的，如不同的频率成分、幅值大小、相位差别、波形形状、 能量分布状况等，而这使从振动信号中识别故障有了更多的依据【4 l 。所以，对机械设备 的振动信号进行测试和分析不仅是可行的，而且对设备异常的查找和故障的诊断都起着 举足轻重的作用。 近年来，国内相当多的厂商相继开发了性能各异的振动测试分析仪系统，总体归纳 起来，不妨分为以下几种类别。一种是把机械设备振动信号的采集功能集成到采集板卡 上，把采集板卡插入像工控机等微机设备中；并在微机中编写驱动程序和分析软件。这 种测试分析系统的优点是能实现大批量数据的采集并能快速的进行数据分析，而不足之 处是这种振动测试分析系统结构复杂、体积大、分量重、携带不方便。另一种是以单片 机为核心技术的振动测试分析仪，这种分析仪虽然小巧、携带方便，但是它的分析功能 十分有限，不能有效地进行复杂的信号处理任务，往往难以满足振动测试分析和诊断要 求。在上世纪七八十年代，国内引进了大量的日本的、美国的各种数字式f f r 分析仪， 虽然它们有分析精度高、功能多等优点，但是这些测试分析仪的价格极其昂贵，操作也 很不方便，它们的功能主要是以h 叮为基础的数据处理和频谱分析，并且它们的界面大 都是英文的，从而太大地限制了其在市场上的推广应用。 1 华北电力土学埙士学位论文 随着计算机硬件和软件技术的发展，仪器系统设计思想在九十年代发生了重大改 变，其代表是美国n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司、惠普公司的虚拟仪器系统( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器系统以通用计算机为核心，通过加在通用计算机上的一组硬件和 软件而构成，使用者操作这台计算机，就像是操作一台他自己设计的传统的电子仪器1 5 j 。 正是由于微电子技术的迅猛发展和虚拟仪器技术的应用，集采集、分析和存储功能为一 体的数据采集分析仪的出现已成为可能。数据采集分析仪是一种袖珍仪器，体积小，重 量轻，可方便地用于工业现场中振动信号的采集和分析，并能对所采集的数据进行存储， 当需要时可将所存储的数据传送给计算机进行更详细的处理与分析。例如，建立维修数 据库等，配合相应的故障诊断专家系统，可完成对设备的自动精密的故障诊断。数据采 集器分析仪的出现，极大地推动了设备故障诊断技术的发展与应用，并产生了巨大的经 济效益和社会效益。袖珍式振动数据采集分析仪的应用已经成为当今最常用的工业设备 状态监测与故障诊断方式。 1 2 振动测试分析仪的现状和发展趋势 振动测试技术从上世纪初发展到今天，经几代科技工作者的探索和研究，正逐步走 向完善，而测试分析仪器也在不断发展和成熟起来。振动测量通常包括振动的位移、速 度、加速度，噪声的声压、声强，以及激振力的测量，这些参数通常称为动态参数。动 态测量是由传感器测得这些非电物理量并转换为电信号，然后经过放大、滤波等适调环 节，并对测量结果进行记录、分析、显示的全过程。因此振动测量属于动态测量范围。 随着微电子技术和微计算机技术的迅猛发展，振动测试分析仪器进入智能化时代， 对机械设备振动的高精度测量、实时测量及自动测量都成为可能。根据仪器设计时上下 位机侧重点的不同，形成了两种既有区别又有联系的仪器设计思想：一是信号采集及分 析功能都由下位机来完成，根据测试的需要，采用一个或多个微处理器来完成仪器的测 量控制、数据采集、数据处理、数据显示等功能；二是以通用微机为基础，下位机对振 动信号进行采集和预处理，通过下位机与上位机的外设接口把采集到的数据传给上位 机，并在上位机实现对数据进行图形显示、数据处理、数据分析及打印等功能。其中， 第一种设计思想被智能化仪器所采用，即振动测试分析仪器的智能化设计发展方向；第 二种设计思想是近年来的最新发展，即仪器的虚拟化发展方向n ( 1 ) 仪器的智能化发展 随着计算机技术和微电子器件的快速发展，特别是各种高性能的单片机、d s p ( 数字 信号处理器) 、a r m 等微处理器的迅速发展，智能仪器无论是在测量的准确性、灵敏度、 2 卑北电力土学硕士学位论文 可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度和广度方面都有了巨 大的发展。它以微处理器作为系统的核心，根据系统的实际应用情况设计出相应的信号 输入、数据传送、数据输出和数据存储等模块。信号输入模块也即信号预处理，主要包 括隔离、信号放大、滤波、多路选择开关、采样保持器、a d 转换器等部分( 有些微处 理器内部集成多路选择开关、采样保持器、a d 转换器) 。数据传送模块通过各种串、 并等总线进行数据的传送。在仪器的输出模块中，模拟输出可以通过d a 转换器、滤波 器来实现：仪器的数字输出可以通过显示器或者打印机、磁盘等来实现。对于数据的存 储，可通过f l a s h 、r a m 、d r a m 等存储器件来实现。人们已经不难发现，测量仪器 的智能化已经是现代仪器仪表发展的主要方向之一。 ( 2 ) 仪器的虚拟化方向发展 仪器的虚拟化也是现代仪器仪表发展的一个重要方向。仪器技术与计算机技术深层 次的结合便创造了虚拟仪器的概念，虚拟仪器使计算机资源，仪器硬件与用于数据分析、 过程通讯及图形用户界面的应用软件有机结合起来。用户通过友好的图形界面f 虚拟面 板) 操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台传统仪器一样。虚拟化的仪器 以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 盍口a d 、d a 、 数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量功能、控制能力结合在一起，并通过软件实现数 据的分析处理、图形化用户接口等功能。简而言之，( 虚拟仪器) 系统是由计算机、应 用软件和仪器硬件组成的，用户可以通过友好的图形界面操作计算机，如同操作功能相 同的单台传统仪器一样【2 】a 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入和输出，而软件才是整个仪器 的关键。它由用户自己设计和定义，可满足用户的特殊要求。由于软件是关键，可以很 方便地改变软件来适应不同的要求，进而改变、增强仪器系统的功能和规模，使得功能 更加灵活、强大，且易于与网络、外设及其它应用连接：还可以很快地跟上计算机的发 展，升级、重建自己的仪器，进而节省研发费用。 1 3 虚拟仪器及其发展 i 3 1 虚拟仪器 随着科学技术快速的发展，新技术、新产品不断涌现，人们对仪器的功能、灵 活性的要求越来越高。在对大规模、自动化、智能化电子测控系统的需求愈发迫切 - 3 一 牛北电力大学硕士学位论文 的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术的结合开创了仪器仪表新的里程碑一 一虚拟仪器技术。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上定义和设计仪器的功能， 用户操作和使用计算机的同时就像在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机 为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析 和显示功能。 虚拟仪器是在通用计算机的基础上配以专门设计的硬件( 如数据采集卡、v x i 机箱等1 和软件，既有类似于传统仪器的操作面板，也有传统仪器所没有的特殊功能。 与传统的仪器相比，虚拟仪器具有以下几个特点： f 1 1 虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。 为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块， 而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展。 ( 2 ) 可由用户定义仪器功能。由于仪器的功能可在用户级上产生，故它不在完 全由仪器生产厂家来确定，用户可以根据自己的需要，通过增加或修改软件，为虚 拟仪器加入新的测量功能而不用购买一台新的仪器。 ( 3 ) 测量输入信号特性( 如电压、频率、上升时间等) ，只需要一个量化的数据模 块，要测量的信号特性能被数据处理器计算出来，这种将多种测试集于一体的方法 缩短了测试的时间，从而提高了测试速度。 ( 4 ) 嵌入式数据处理器的出现允许建立一些功能的数学模型( 如快速傅立叶变 换和数字滤波器等1 ，使仪器的性能不会随时间发生变化，因此可保证测量精度和重 复性，不需要定期进行校准。由于虚拟仪器测量值不会受电缆长度、阻抗和修正因 子差异等因素的影响，从而进一步提高了测量精度和可重复性。随着软件在仪器系 统中的权重越来越大，虚拟仪器的概念也将进一步得到扩充【7 1 。 1 3 2 虚拟仪器的分类 随着微机的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器可以分为以下六种类型： ( 1 ) p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如l a b v i e w 相结合， 通过各种控件或采用各种编程语言自己组建各种仪器，构成测试系统。它充分利用 计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受p c 机机箱和总线限制，且有电 源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，捅槽尺寸比较小，机箱 内无屏蔽等缺点。同时，受p c 机的限制，其存在移动不方便，适应现场能力差等 缺点。多用于实验室研究，测试等方面。 ( 2 ) 并行口式虚拟仪器 劳行口式虚拟仪器是将仪器硬件集成在个采集盒内，连接到计算机并行口的 一4 华北电力土学硕士学位论文 测试装置。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以 组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、频率计、数字 万用表、功率计、数据记录仪、数据采集器。如美国l i n k 公司的d s o - 2 x x x 系列 虚拟仪器，其最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c 机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适 合于研发部门和各种教学实验室应用。 ( 3 ) 串行口式虚拟仪器 串口式虚拟仪器也是将仪器硬件集成在一个采集盒内，并连接到计算机串行接 口的测试装置，不过此类虚拟仪器受串口的连接速率限制，只应用于特定场合。近 几年来，随着u s b 接口技术的提高和应用，采用u s b 接口的虚拟仪器已成为此类 仪器的发展方向。另外，u s b 通用串行总线的优异性能不会局限于数据传输率高， u s b 接口还支持同时挂接1 2 7 个独立的u s b 设备。因此，可实现多个u s b 接口的 采样系统同时挂接在一个p c 机上，组成一个采样系统网，完成多处的连续不问断 的模拟量的采集。 ( 4 1g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术可以说是虚拟仪器技术发展的第一阶段。g p i b ( j 匝用接口总线) 犹如一 座桥梁，把可编程仪器和计算机紧密地联系起来，从此电子测量由独立手工搡作的 单台仪器向组成大规模测试系统方向迈进。 一个典型的g p i b 测试系统由一台计算机、一块g p i b 接口板和若干g p i b 仪器 通过标准g p i b 电缆连接而成。g p i b 自动测试系统的规模可以进一步扩展。 利用g p i b 技术，可以通过计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工 操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统，从而提高了系 统测量的可靠性和效率。 ( 5 ) v x l 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线( v m e 总线) 在v i 领域的扩展。由于它有标准 开放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多 仪器厂商支持等优点，因此很快得到了广泛的应用。随着v x i 总线规范的不断完善 和发展，v x i 即插即用系统联盟的不懈努力，v x i 系统的组建和使用越来越方便， 其应用面也越来越广，尤其是在组建大、中规模自动测量测试系统以及对速度、精 度要求高的场合有着其他仪器系统无法比拟的优势。 ( 6 ) p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。它增 加了多板同步触发总线的技术规范和要求。同时增加了多板发总线，以使用于相邻 模块的高速通讯的局总线。p x i 的高度具有可扩展性。p x i 具有8 个扩展槽，而台 式p c i 系统只有3 到4 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展 5 华北电力土学硕士学位论文 槽。台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成 未来的高性能虚拟仪器平台1 6 1 。 1 3 3 虚拟仪器的发展 虚拟仪器是曰益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗 透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合共同孕育出的一项美妙的新成果。自 2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特别是它 推出的l a b v i e w 图形编程环境和l a b w i n d o w s c v i 编程环境已享誉世界，成为这类 新型仪器开发系统的世界生产大户。继n i 公司之后，著名的美国惠普公司紧紧跟 上，推出了h pv e e 编程系统，可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机， 用户可用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如 t e k t r o n i x 公司，r a c a l 公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟仪器。 作为仪器领域中新兴的技术，虚拟仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段i _ ”。 从2 0 世纪9 0 年代中期以来，国内的许多知名大学和高科技公司，在研究和开发仪 器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一 系列有益的工作，取得了一批瞩目的成果。 v i 技术经过十余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬软件的模块 化何编程平台的图形化和硬件模块的即插即用化等方向发展。目前v i 技术已发展 成具有g p i b 、p c d a q 、v x i 和p x i 四种标准体系的结构开放的技术。基于v x i 技术开发应用完全独立于硬件，提高了程序代码的复用性，大大降低了应用系统的 维护费用，必将成为测控技术的主要基础技术之一。随着测量控制过程的网络化， 一个真正的虚拟化的测控时代即将到来。 1 4 本文主要研究内容 随着工业快速的发展，机械振动测试分析系统的应用领域也越来越广泛，但性能优 越、成本低廉、携带方便的测试分析系统市场上并不多见，尤其工程现场的振动测试， 迫切需要高精度、便携式的测量分析仪。本文根据振动测试分析仪的现状和基于现场的 振动测试的这种需要，提出了研制基于虚拟仪器技术、低成本、精度高、便携式的振动 测试分析系统。 本文在便携式振动测试系统基础上进行开发，首先介绍了振动测试分析理论和系统 所需要的硬件配置，然后从总统上确定了系统的模块组成，并分别论述了在w i n d o w s 平台下开发一个基于虚拟仪器技术的振动测试分析系统软件的各个模块的具体设计与 实现过程，最后为了验证本文理论的正确性和系统的可用性，在实验室条件下，对软件 一6 华北电力土学硬士学位论文 系统的几个分析模块进行了简单的测试实验。为了实现机械振动测试分析系统的开发， 论文从以下几个方面进行。 ( 1 ) 对振动测试与信号分析原理作了比较详细的研究。 由于本课题所研究的对象是一集振动测试和分析两功能为一体的系统，所以，本文 对振动信号测试原理和分析原理都作了较详细的分析研究。 佗) 介绍了系统的硬件配置和系统下位机软件的设计。 论文介绍了与系统相联系紧密的传感器，并着重地介绍了数据采集卡主要组成部 分，包括系统电源、信号预处理电路、模数转换、系统c p u 、u s b 接口、c p l d 等模块， 接着简单地介绍了u s b 驱动程序和c p u 的程序设计。 f 3 ) 采用面向对象的编程方法，使用c + + b u i l d c r 开发工具，在w i n d o w s 下进行软件 系统的设计。 论文首先介绍了基于虚拟仪器技术的软件设计和系统的主界面，并着重介绍了系统 数据采集、时间域、幅值域、频率域等分析功能的实现过程，最后对系统的主要分析功 能进行了简单的测试。 7 年此电力土学h 士学位论文 第二章振动测试与信号分析原理 振动测试分析仪可实现振动信号的测试与分析两大功能，其中测试功能主要由下位 机在上位机的控制下来实现，而振动信号的分析功能主要由上位机通过编程来实现，主 要包括幅值域分析、时域分析和频域分析等等。 2 1 振动信号测试原理 2 1 1 频混现象与采样定理 ( 1 ) 信号采样 信号采样原理是通过采样脉冲序列p 与连续时间信号工 相乘来完成的。理想脉 冲采样原理如图2 - 1 所示。 o - 瓦0 环 - t s0r 其采样脉冲序列为 mo m 0 s 圈2 - 1 理想脉冲采样原理示意图 0 华北电力土学硕士学位论文 采样信号为 p ( r ) = 6 ( 卜n i ) t ( t ) 一z ( q p ( 砖 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 设 f z ( f ) = x ( m ) f p ( f ) 】。p ( 埘) ( 2 3 ) 那么，根据频域卷积定理，有 x ，( 0 9 ) = z ( m ) + 尸( m ) ( 2 4 ) 可以证明，采样脉冲序列p ( f ) 的频谱是间隔为地的周期延拓，所以 x ，( a ) 一x ( 一n 啦) ( 2 5 ) 式( 2 - 5 ) 表明，个连续信号经过理想采样以后，它的频谱将沿着频率轴每隔一个 采样频率慨重复出现一次，即其频谱产生了周期延拓，其幅值被采样脉冲序列的傅立 叶系数所加权，频谱形状不变【l o l 。 ( 2 ) 频混现象 频混现象又称频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成 分发生混淆的一种现象，如图2 - 2 所示。信号埘的傅立叶变换为烈) ，其频带范围为 一r - 0 。- o m | 采样信号妊的傅立叶变换是一个周期谱图，其频率为纰，并且 吐m 2 r ,( 2 - 6 ) 疋为时域采样周期。当采样周期瓦较小时，地 2 n ) m ，周期谱图相互分离如图2 2 ( b ) 所示； 当瓦较大时，f o x , ( 2 h ，周期谱图相互重叠，即谱图之闯高频与低频部分发生重叠，如 图2 - 2 ( c ) 所示，此即频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。 o o 华北电力上学硕士学位论文 ( b ) 当0 9 s ( c )当s x s ( t ) 。 2 1 o m 觚劢。 0 x s ( t ) 。 2 m 繇仆 o 瓠 ) 。 l 厂f1 。 0 飓 ) 。 1 t s 咏胛。 图2 - 2 混叠现象产生与否示意图 0 ( 3 ) 采样定理 由图2 - 2 ( b ) 可见，如果c o s 2 c o , , , ，就不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔 瓦须加以限制，即采样频率弛( 却功或五( - 1 t s ) 必须大于或等于信号x ( o q = 的最高频率 o ) m 的两倍，即o ) s 2 ，2 0 m ，或正。蕊。 为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至 少为原信号中最高频率成分的2 倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。 在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，即只能保证对 信号的频谱作傅立叶逆变换时，可以完全变换为原时域采样信号x x t ) ，而不能保证此时 的采样信号能真实地反映原信号x ( r ) 。工程实际中采样频率通常应大于信号中最高频率 成分的3 到5 倍【。 2 1 2 量化与量化误差 模拟信号经过采样，虽然在时间上离散化了，但在幅度上仍是连续的，还不能满足 信号数字处理的要求。所以采样信号还必须通过量化处理过程，将采样值限制在若干预 定的有限离散值上，才能变换成数字信号。 采样是模拟信号在时问上进行离散化，而量化则是在取值范围内进行离散化。经过 采样和量化的模拟信号就变成取值有限的数字序列，即完成了a d 变换。 用有限字长的数字量去逼近信号幅值的过程称为幅值量化，简称量化。实现量化的 过程是根据系统所需数字量的字长选择一个合适的单位，把采样信号的幅值划分为若干 相等的单位删隔，不弼幅傻的采样信号将处在- d q ；j 的采样间隔内，在对各个信号舍零取 1 0 卑北电力太学硕士学谊论文 整，进行量化逼近，把信号幅值所覆盖的单位间隔进行适当编码，就得到该采样值的数 字输出。量化的分档单位，即两个相邻量化水平的差，称为量化单位【1 0 】。 用数字量来表示幅值连续变化的模拟量，一般情况不会正好相等，也就是说存在误 差。在量化过程中，仅在某些特殊点( 模拟量值恰好等于量化单位的整数倍) 上，量化误 差为零。而在其他点上则存在的误差称为量化误差。 量化误差取决于幅值范围和a ，d 转换器的位数，由下式计算 u 日= ：( 2 7 ) 式中，v 一信号电压范围； n a d 转换器的位数； 口一量化误差。 由于a d 转换器的位数是一定的。总是有限的，不可能为无穷大，所以量化误差的 存在是必然的吼 2 1 3 采样方式 根据振动信号的不同，可以设置不同的采样方式，主要有连续采集方式和触发方式。 对于随机信号的采集，可采用自由连续采集方式，即设置好采集参数后直接进行连续采 集；触发方式采集为信号触发，需事先设置好触发条件，包括触发电平、触发沿仕升 沿或下降沿) 以及预保留点数等，它可分为外触发和内触发两种方式。 2 1 4 平均处理 对受随机噪声污染的确定性信号，通过平均可以提高信噪比。高斯噪声经过 次平均后，均方差裤为仃。对随机信号，通过平均可提高置信度。 平均方法按加权方式可分为： ( 1 ) 线性平均( 平稳平均) 线性平均对每个被平均的样本都加等权( 1 姗，即 y 一2 专争( 2 - 8 ) 式中，w j v 次平均后的样本； 面一第i 次输入的样本； 总平均次数。 华北电力土学硕士学位论文 平均次数大时，线性平均可用递推公式计算 n 。型。+ 三n ：1 n y ( 2 9 ) ) _ 口。一1 + 一 n 皇l l z y ， 线性平均适用于平稳信号。随着n 增大，对平均值的影响减小。当n = n 时 平均结束。 ( 2 1 指数平均 指数平均按指数下降规律对当前样本加大权，对过去样本加小权，即 舻等y n q + 万1 ( 2 q o ) y ny ”2 了万馕一 式中，w n 次平均后的样本； 工，一第f 次输入的样本； 一总平均次数。 大时，指数下降缓慢，粕对平均值的影响减小。大小不受限制，可一直平 均到操作者按停止键为止。 f 3 ) 有效值平均 有效值平均也称功率平均或r m s 平均，公式为 y 。= 万1 临幌j 2 ( 2 1 1 ) ( 4 ) 峰值平均 峰值平均实质上是峰值保持而不是平均，它不断比较各次分析所得的谱线，保 留大值，舍弃小值。峰值平均既可用于研究机器启动和停车时情况，又可用于研究 频率漂移情况。 平均还可分为频域平均和时域平均。频域平均去掉了相位的影响，时域平均必 须要有同步触发信号，以保证不至于因相位不同而把信号平均掉i 引。 在时间平均时可用键相量( k e y p h a s o r ) 作同步信号触发源。例如用涡流传感器在 有键槽的轴断面处测量脉冲。 2 1 5 泄漏与加窗 用计算机对时间信号的采样值z 0 ) 进行傅立叶变换时t 只能取有限采样点( 例如 n = 2 5 6 ，1 0 2 4 ，2 0 4 8 ，) ，这相当于用一个高度为1 ，长度为t = n a t 的矩形计权函数( 窗) 乘以原时间函数。或者说是加矩形窗，窗口以外的信号均为零，这种有限的截断将会引 起信息的损失。例如，对确定频率的f 弦信号进行频谱分析，按理其频谱图上只有在确 定频率处有根谱线，但是实际上由于截取有限长度的信号，所以在其频谱图上除了主 - 】2 华北电力土学硕士学位论文 引起能量泄漏，给傅立叶变换带来误差，这种误差为泄漏误差，也称为截断误差1 3 3 , 3 4 j 。 泄漏会得到改善。选择异于矩形窗的适当窗函数，对所取样本函数进行不等权处理，便 从物理概念上看，泄漏是有限长信号样本在采样开始和末尾部分不连续引起的。为 了尽可能减小泄漏，可采取以下两种措煎：种是采用具有平滑起始和截止特性的窗函 数，也叫时域加权或时域加窗；另一种是对周期函数进行整周期截断【5 】。 为了抑制泄漏而设计的窗函数多达数十种，但只要加窗就肯定有泄漏。好的窗函数 可使泄漏得到比较好的抑制，并不能消除泄漏。复杂的窗函数在实际应用中也有它的不 便之处，故常用的窗函数并不是很多。对于不同类型的信号，在截断处理中所用窗函数 是不相同的。对稳态信号，常用窗函数有汉宁窗、海明窗、平顶窗等；对瞬态响应信号 有指数窗；对瞬态激励信号有力窗。各种窗都各有优缺点。 矩形窗以采样时间为窗长度截断原始信号，它的泄漏较大，矩形窗的表达式为 ， i1 ，- 0 5 f o 5 w ( o = i o ，其它 、 川= r 。5 ：嘞xm 5 ( 3 ) 海明窗 、 海明窗也是余弦窗的一种，为改进的升余弦窗。海明窗的表达式为 r0 5 4 - 0 4 6 c o s ( 2 p t n ) ，- 0 5 ，0 5 呻卜 。，其它 ( 4 ) 平顶窗 平顶窗的表达式为 一1 3 一 华北电力文学埙士学位论文 lo 2 8 - 0 5 2 c o s ( 2 p t n 卜o 2 c o s ( 4 p t n ) ， 一o 5 f o 5 w ( f ) = l 0 ， 其它 平项窗主要用于提高分析仪的幅值读数精度。输入一个峰值已知的正弦波，用 平顶窗在频域读数，就可发现它的读数最接近于真正峰值。 ( 5 ) 力窗和指数窗 用于瞬态测试中锤击法，力窗去掉脉冲力持续时间以外的噪声，指数窗可使小 阻尼系统采样结束时尚未衰减完的响应变零以避免泄漏，也对响应大处加大权，响 应小处加小权以提高信噪比。 2 1 6 数字滤波器 数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的，用有限精度算法实现的离散时间线 性非时变系统，其输入是一组( 由模拟信号取样和量化的) 数字量，其输出是经过变 换处理的另一组数字量。因此，它本身既可以是用数字硬件组配成的一台完成给定 功能的专用数字计算机，也可将所需的运算编成程序，让通用计算机来执行。数字 滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出优点。与模拟滤波器( 电滤波器或机 械滤波器) 相比有很多突出优点，如：它没有因元器件老化而影响精度问题，滤波器 参数可根据用户对滤波性能要求任意设计并严格保证，其参数还可根据性能需要改 变而随时改变，甚至做到自适应滤波( 滤波器特性随噪声特性变化而变化并始终保持 最佳信噪比) 。它可以用微处理器或软件程序实现。 数字滤波可用软件或硬件实现。软件实现方法是按照差分方程式或框图所表示 的输出与输入序列的关系，编制计算机程序，在计算机上实现；硬件实现方法是把 用数字电路制成的加法器、乘法器、延时器等，按框图加以连接，构成运算器，即 数字滤波器来实现。数字滤波器的应用与模拟滤波器相类似，除用于对信息做处理 加工外，还用来做抗干扰滤波器，以及对信号限带需要的低通、高通、带通以及带 阻滤波器 1 6 l 。 数字滤波器按不同指标有不同分类方法：按递归与非递归可分为非递归滤波器和递 归滤波器；按冲击响应可分为有限冲击响应滤波器i r ) 和无限冲击响应滤波器( i i 硇；按 幅相频特性可分为巴特华兹滤波器、切贝雪夫i 型器滤波器、切贝雪夫i i 型滤波器、椭 圆滤波器和贝塞尔( 线性相位) 滤波器；还可分维纳滤波器、卡曼滤波器与自适应滤波器， 以及线性相位滤波器与非线性相位滤波器等等1 8 】。 2 2 离散傅立叶变换与快速傅立叶变换 1 4 华北电力土学硕士学位论文 2 2 。1 离散傅立叶变换 离散傅立叶变换可分为时域、频域都离散的离散傅立叶变换( d 网和只离散时 域的离散时间傅立叶变换( d t f t ) ，分析仪只采用d f t 。 ( 1 ) 离散傅立叶变换公式 离散傅立叶变换本身是有限长度序列，可以看成是一连续函数在时域、频域取 样构成的变换。离散傅立叶变换不仅在理论上有重要意义，而且有快速计算方法一 一快速傅立叶变换( f f t ) 。因而离散傅立叶变换在各种实现数字信号处理的方法中起 着重要的作用。 点数据的离散傅立叶变换的正、逆变换公式为 一l 融d f t ：x ( 吵= 石( n ) 畔( k 0 n1 ) ( 2 1 2 ) 燃i d f t ：工( n ) 一专三x ( 七) 崂“( 厅= o n 一1 ) ( 2 _ 1 3 ) 式中，h ，= e