（测试计量技术及仪器专业论文）基于labview的机械振动测试系统设计与远程发布方法的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 针对现场的状态监测系统体系结构相对封闭，故障诊断与维修都会受到人力、技术 以及地域的限制，本文分析了机械振动测试系统的信号处理基本机理及技术，探讨了振 动信号的特点及测试信息的远程发布常用方法，对基于l a b v i e w 平台及其d a t as o c k e t 技术进行分析基础上，开发出了一套集数据采集与远程发布于一体的机械振动测试系 统。该系统可用于解决不同研究平台间的数据采集与测试信息的远程多用户数据共享问 题。具体进行的工作内容与获得的主要结论如下： ( 1 ) 利用虚拟仪器技术，结合齿轮箱的故障特点及振动信号分析方法，在虚拟仪 器l a b v i e w 平台上开发出动态性、交互性、高效率性的统一用户界面和测试系统分析模 块。 ( 2 ) 在w i n d 佣s 集成环境下编写动态链接库( d ”a m i cl j n ku b r a 动，对硬件端口直 接进行访问。当多线程同时运行时，通过映射来使各个进程动态调用内存，节约了内存 单元。 ( 3 ) 借助于i n t e r n e t 互联网，将设备状态监测技术与计算机网络技术结合，设计 开发出一种开放式的网络远程状态监测平台。该平台为机械振动信息资源的异地共享， 提供了新途径。 机械设备的状态监测和故障诊断是一项长期、不断完善的研究工作，本文对其进行 了有益地探讨，实时监控还有待于进一步地研究。 关键词：虚拟仪器；美斯比技术；数据采集；动态链接库；d a t as o c k c t 技术； 硕士学位论文 a b s t r a c t l 0 c a lb a s e de q u i p m e n tc o n d i t i o nm o i l i t o r i 】喀s y s t e mi ss oc ：l 伪er e l a t i v e l yt h a tt r o u b l 豁 d i a g n o s e da n dm a i l l t a i l l e da 托l i m i t e db ym a n p o w e r 眦l l i l o l o g ya n dr e 酉o n t l i i sp a p e r 锄a l y z et h ev i b r a t i o nm o n i t o r i n gm e c h 如i s m 锄dt e c l l n o l o g yo fv i b r a t i o ns y s t e m d i s c l l s s i n g m e c h a l l i c a ls i 伊a lc h a r a c t c r 蛆dr e m o t ed i s t r i b u t i o n sc o m m o nm e t h o d d c v e l o p i n gas e to f m e c h 撕c a lv i b r a t i o nt 鼯ts y s t e mi n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n 锄dr c m o t ep u b l i s h i n gb 勰e d 仰 【a b v m wp l a t f o 衄柚dd a t a c k e tt e c h n o l o g y s o l v i n gd a t aa c q u i s i t i 咖柚dm u l t i - u s e 塔 s h a r ed a t aw i t h i nd i 虢r e n tp l a t f o 咖a r cs o l v e d 1 n h ef o l l o w i n g 恤e e 弱p c c t s 批m a i n l ys t l l d i e d c o n t e n ta n d m a k et h em a i l lc o n c l u s i o n f i r s t l yb 弱e d v i n u a li n s t r u m e n tt e c h 皿0 l o g y b i n d i n gt 0g e 打b o x0 ff a u l tc h a m c t 面s t i c s 姐dv i b r a t i 衄s i 伊a l 锄a l y s i sm e t l l o d d c v e l o p e du n i f i e du s c ri n t e 血c e 柚dt e s ts y s t e m a n a l y s i sm o d u l ew i t hd y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i 璐、缸e 删i o nc h a r a c t e r i s t 砖，址g he f f i c i e n c y u d e r 【a b v 正wp l a t f 0 】皿 s e c o n m yu n d e rw 砌o w sc o m p i l ee n v i r o 衄e n t ，i tc o m p i l e sa n df o md y n a m i cl i n kl i b r 盯y i tc o u l da c c e s st h eh 卸蛔a 托p o r te 弱i l y ，w h i l ei n l p l e m e n t a t i o nm u l t i t h r e a do p e r a t i o 珥 m a p p i n g e a c hc a l l 柚ds a v i n gm e m o r ) ru i l i t t 1 l i f d l yb y m e a n so fi n t e m e t ，t h ec o m b i n a t i 伽0 fe q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n g t e c h i l o l o g y 觚dc o m p u t e r t e c h n o l o g y i th 弱d c v e l o p e do p e n i n gr e m o t ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g p l a t f o 衄衄dp r o v i d ean e w k i n do fm e t h o do fi i l f 0 册a t i o nr c s o u r c cs h 舡ei i ld i 丘e r e n ta r e 弱 m e c h a 血c a le q u j p m e n ts t a t 吣m o n i t o r i n g 柚df a u l td i a 萨o s i si sa1 0 n ga n dc o n s t 觚t l y r e i n f o r c e d 、o r k i i lt h i sp a p e r s o m en e wr e s e 孤c h e sw e r ep r c c c d e d 柚ds 0 m eu s e f u l c o n c l u s i o n sw e r c0 b t a i n e d ，b u tr e a l t i m em 砌t o r i n gs t i l lr e m a i n sa1 0 t0 f 、0 r kt od oi i l m e f j e l d k e yw o r d s ：n u a li i l s t n l m e n t ；r e a lt 缸ee x t 锄s i o nt c c h n o l o g y ；d a t aa c q u i s i t i o n ； d ) r i l 锄i cl i i l l 【i j b r a r y ；d a t as o c k e tt e c l l i l o l o g y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 、叶名，日期：二g 年石月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： w 寸锈 之研 日期：沁彦年 日期：年 方 6 月毕日 月日 易够 硕士学位论文 1 1 立项依据 第1 章绪论 随着机械设备向大型化、复杂化、自动化和连续化方向的快速发展，机械设备的故 障与失效等给生产和社会造成的损失也正在变得越来越大n 1 。因此，及时地对机械系统 的振动状态进行监测，并根据振动信息准确地完成关于设备的状态监测与故障决策等， 则可为机械设备的安全运行提供有力的保障。虚拟仪器技术是近年来在机械工程测试技 术领域获得广泛应用的一种新的软件开发平台。基于该环境开发出的测试系统由于具有 开发周期短、易于实现等特点，因此它们在网络化的监测系统开发中得到了迅猛地发展。 并且该技术使得测量仪器和数据采集系统的设计方法和实现途径产生了深刻的变化。对 确保机械设备的安全可靠运行具有重要意义。 飞行中的飞机和航行中舰船上的机械故障往往会导致人身伤亡事故；而气轮机组、 化工行业的压缩机组、钢铁工业的辊轧机组、建筑等行业中的一些机械设备都处于连续 工作状态，意外的机械故障将造成的停机甚至停产，造成惊人损失。 由于机械设备的故障造成的经济损失、人员伤亡和社会影响是难以估量的。1 9 8 6 年4 月前苏联切尔诺贝利核电站发生严重振动而造成核泄漏，致使2 0 0 0 多人死亡，直 接经济损失达3 0 亿美元。1 9 9 8 年2 月，我国秦岭发电厂的一台2 0 0 姗气轮机发电机 组在进行超速试验时，发生了轴系断裂的严重事故，造成的经济损失约3 0 0 0 万元左右。 由此可见监测诊断技术的重要性和意义u 1 。 机械设备故障监测诊断技术的意义主要表现在降低事故的发生率，降低维修费用， 减少维修时间，增加运行效率。据日本统计，采用监测诊断技术以后，事故发生率减少 7 5 ，维修费用降低2 5 一5 0 ，英国专家t h o m a s 认为，若进行旋转机械振动量的监测， 其利润与投资之比可以高达1 7 ：1 ，无论从安全的角度，还是从经济效益出发，建立完 备的监测与诊断系统具有极其重要的意义n 3 ，。 目前，我国对机械振动监测系统普遍还停留在凭借现场的仪器仪表和工人的经验来 实现，原有方法已经远远不能满足其对状态监测和故障诊断的要求。在出现异常现象和 故障情况时如果不能及时有效地停机和检查，从而给企业带来极大的浪费和损失。 显然，利用计算机进行信号采集和分析，将虚拟仪器技术和网络技术同时应用到机 械振动分析领域，并采用l a b v m w 虚拟仪器作为上位机的开发平台，用户可根据自己 的需要来开发合适的仪器面板并自定义方法来实现数据的分析处理，将实现上位机界面 友好、功能完善的目的。而如将虚拟仪器技术与h t e m e t 网络的远程发布与调用功能进 行结合，那么对振动实验资源的多用户共享，将更会具有工程应用的参考价值。 基于上述分析，本文拟对虚拟仪器测试技术与基于网络通讯的振动数据采集与信号 的网络传输方法进行研究。拟将测试系统的数据采集向网络传输的共享发布延伸，以为 机械设备的状态监测向更加灵活有效的方向奠定基础。研究目的是为监测系统的实时 基于l a b e w 机械振动测试系统的设计与远程发布方法研究 性、适应性、资源共享提供依据。 1 2 国内外发展状况分析 1 2 1 故障诊断研究的基本内容 “设备故障诊断( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ) 是近年来发展 起来的一门新兴技术。包含两方面的内容：一是对设备的现场运行状态进行检测；二是 在出现故障情况时对故障进行分析与诊断。设备故障诊断一般分两个阶段四个步骤实 施。两个阶段为状态监测和故障诊断。故障诊断的四个步骤为：信号检测、特征提取( 信 号处理) 、状态识别和诊断决策h 1 。其具体内容为： ( 1 ) 信号检测：按不同诊断目的选择最能表征工作状态的信号。这种工作状态信号称为 初始模式。 ( 2 ) 特征提取( 信号处理) ：将初始模式向量进行信号处理，维数压缩，形式变换，去掉 冗余信息，提取故障特征，形成待检模式。 ( 3 ) 状态分析：将待检模式与样式模式( 故障档案) 对比和状态分类。这一步是整个诊断 过程的核心。为此，要建立判别函数，规定函数准则并力争使误差率最小。 ( 4 ) 诊断决策：根据判别结果采取相应对策，对机械设备及工作进行必要的预测及干预。 其诊断过程如图卜l 所示： 图1 1 机械设备状态监测诊断流程图 2 硕士学位论文 1 1 立项依据 第1 章绪论 随着机械设备向大型化、复杂化、自动化和连续化方向的快速发展，机械设备的故 障与失效等给生产和社会造成的损失也正在变得越来越大n 1 。因此，及时地对机械系统 的振动状态进行监测，并根据振动信息准确地完成关于设备的状态监测与故障决策等， 则可为机械设备的安全运行提供有力的保障。虚拟仪器技术是近年来在机械工程测试技 术领域获得广泛应用的一种新的软件开发平台。基于该环境开发出的测试系统由于具有 开发周期短、易于实现等特点，因此它们在网络化的监测系统开发中得到了迅猛地发展。 并且该技术使得测量仪器和数据采集系统的设计方法和实现途径产生了深刻的变化。对 确保机械设备的安全可靠运行具有重要意义。 飞行中的飞机和航行中舰船上的机械故障往往会导致人身伤亡事故；而气轮机组、 化工行业的压缩机组、钢铁工业的辊轧机组、建筑等行业中的一些机械设备都处于连续 工作状态，意外的机械故障将造成的停机甚至停产，造成惊人损失。 由于机械设备的故障造成的经济损失、人员伤亡和社会影响是难以估量的。1 9 8 6 年4 月前苏联切尔诺贝利核电站发生严重振动而造成核泄漏，致使2 0 0 0 多人死亡，直 接经济损失达3 0 亿美元。1 9 9 8 年2 月，我国秦岭发电厂的一台2 0 0 姗气轮机发电机 组在进行超速试验时，发生了轴系断裂的严重事故，造成的经济损失约3 0 0 0 万元左右。 由此可见监测诊断技术的重要性和意义u 1 。 机械设备故障监测诊断技术的意义主要表现在降低事故的发生率，降低维修费用， 减少维修时间，增加运行效率。据日本统计，采用监测诊断技术以后，事故发生率减少 7 5 ，维修费用降低2 5 一5 0 ，英国专家t h o m a s 认为，若进行旋转机械振动量的监测， 其利润与投资之比可以高达1 7 ：1 ，无论从安全的角度，还是从经济效益出发，建立完 备的监测与诊断系统具有极其重要的意义n 3 ，。 目前，我国对机械振动监测系统普遍还停留在凭借现场的仪器仪表和工人的经验来 实现，原有方法已经远远不能满足其对状态监测和故障诊断的要求。在出现异常现象和 故障情况时如果不能及时有效地停机和检查，从而给企业带来极大的浪费和损失。 显然，利用计算机进行信号采集和分析，将虚拟仪器技术和网络技术同时应用到机 械振动分析领域，并采用l a b v m w 虚拟仪器作为上位机的开发平台，用户可根据自己 的需要来开发合适的仪器面板并自定义方法来实现数据的分析处理，将实现上位机界面 友好、功能完善的目的。而如将虚拟仪器技术与h t e m e t 网络的远程发布与调用功能进 行结合，那么对振动实验资源的多用户共享，将更会具有工程应用的参考价值。 基于上述分析，本文拟对虚拟仪器测试技术与基于网络通讯的振动数据采集与信号 的网络传输方法进行研究。拟将测试系统的数据采集向网络传输的共享发布延伸，以为 机械设备的状态监测向更加灵活有效的方向奠定基础。研究目的是为监测系统的实时 基于l a b e w 机械振动测试系统的设计与远程发布方法研究 性、适应性、资源共享提供依据。 1 2 国内外发展状况分析 1 2 1 故障诊断研究的基本内容 “设备故障诊断( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ) 是近年来发展 起来的一门新兴技术。包含两方面的内容：一是对设备的现场运行状态进行检测；二是 在出现故障情况时对故障进行分析与诊断。设备故障诊断一般分两个阶段四个步骤实 施。两个阶段为状态监测和故障诊断。故障诊断的四个步骤为：信号检测、特征提取( 信 号处理) 、状态识别和诊断决策h 1 。其具体内容为： ( 1 ) 信号检测：按不同诊断目的选择最能表征工作状态的信号。这种工作状态信号称为 初始模式。 ( 2 ) 特征提取( 信号处理) ：将初始模式向量进行信号处理，维数压缩，形式变换，去掉 冗余信息，提取故障特征，形成待检模式。 ( 3 ) 状态分析：将待检模式与样式模式( 故障档案) 对比和状态分类。这一步是整个诊断 过程的核心。为此，要建立判别函数，规定函数准则并力争使误差率最小。 ( 4 ) 诊断决策：根据判别结果采取相应对策，对机械设备及工作进行必要的预测及干预。 其诊断过程如图卜l 所示： 图1 1 机械设备状态监测诊断流程图 2 硕士学位论文 1 2 2 国内外研究现状综述 国外对机械设备状态监测与故障诊断技术的研究比较早，取得的成果也比较多，在 工程实际中得到了广泛应用。美国b e n t l y 公司状态监测系统m a c h i n ec o n d i t i o n m a n a g e r2 0 0 0 、趋势分析系统t r e n d m a s t e r 2 0 0 0 和数据管理系统d a t am a n a g e r 2 0 0 0 ，法 国c g e 研究中心m a r c o u s s i s 实验室开发的旋转机故障诊断专家系统d i v a ；德国 s c h e n c k 公司的计算机化状态监测系统v i b r o c o m 4 0 0 0 和v i b r o c o m 5 0 0 0 ；丹麦b k 公司 推出的状态监测与故障诊断系统b k 3 4 5 0 一c o m p a s s 啼一1 ，其中美国技术最先进。我国在状 态监测技术方面的研究和应用相对来说开展得比较晚。与发达国家相比，我国虽然在理 论上跟踪紧密。但是，总体而言，在机械设备诊断得可靠性方面仍存在一定得差距。但 自2 0 世纪9 0 年代以来发展较快，故障诊断分析系统在个别单项诊断技术上有些突破，主 要限于机组稳定状态的监测与故障分析。目前，我国的一些民用工业，特别是石油、化 工、冶金和电力等部门，在开发和应用设备诊断技术等方面比较活跃，走在了其它行业 的前面。一些高等学校和科研院所也先后推出了一些状态监测系统投入了实际运行。例 如：西安交通大学的r 佃s 系统和r d 2 0 系统；大连理工大学振动所开发的p d m 2 0 0 0 设备预 知维修与故障诊断系统；浙江大学研制开发的状态监测与诊断系统c 如一3 ；华中科技大 学研制开发的基于知识的发动机诊断系统k b s e d ，汽轮发电机组诊断专家系统d e s t ；哈 尔滨工业大学研制开发的大型旋转机械故障诊断专家系统e t m l e n e ；东北大学研制开发 的风机工作状态监测系统；深圳创为实公司的s 8 0 0 0 在线监测系统；清华大学的j z 一2 0 0 0 旋转机械状态监测与故障诊断系统；南京汽轮高新技术开发公司的大型机组在线监测系 统c r a s ；西北工业大学的m d 3 9 0 0 系统等盯q 1 。 1 3 虚拟仪器的发展与构成 近年来，虚拟仪器技术发展十分迅速，是国内外测控技术和仪器制造界十分关注的 热门话题。所谓虚拟仪器，就是以计算机为硬件核心，功能由用户设计和定义，具有虚 拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。现代化生产要求电子仪器品 种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的 人机界面。与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下优点： ( 1 ) 仪器功能可由用户自己定义。 ( 2 ) 数据可以进行编辑、存储和打印。 ( 3 ) 价格低廉、只是传统仪器的五至十分之一。 ( 4 ) 基于软件的结构可大大节省开发费用和周期n 0 1 1 3 。 1 3 1 图形化编程语言m e w 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 ，实验室虚拟 仪器工作平台) 是美国n i 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ，简称n i 公司) 推出 3 基于l 丑b e w 机械振动测试系统的设计与远程发布方法研究 的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具n 胡。 由虚拟仪器的定义可以看出，虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模 拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实 现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量和调理，从 而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。操作者用鼠标或者键盘操作模拟面板，就 如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器和计算机的界限 模糊了。 l a b v i e w 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，设计者利用它可以 像搭积木一样，轻松组建一个测量系统以及构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐 的程序代码的编写。 l a b v i e w 软件有如下特点： ( 1 ) 具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何文本格式的代码，是真正工程 师的语言； ( 2 ) 提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数； ( 3 ) 提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执 行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的调试和开发 更为便捷； ( 4 ) 3 2 位的编译器编译生成3 2 位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量 方案的高速执行； ( 5 ) 囊括了p c i ，g p i b ，p x i ，v x i ，r s 一2 3 2 4 8 5 ，u s b 等各种仪器通信总线标准的 所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪 器： ( 6 ) 提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如d l l ( 动态链接库) 、d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等； ( 7 ) 具有强大的i n t e r n e t 功能，支持常用的网络协议，方便网络，远程测控系 统的开发口射。 1 3 2 虚拟仪器的基本构成分析 虚拟仪器通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两部分构成。其中硬件平 台包括计算机和i o 接口设备。其中计算机是硬件平台的核心。i o 接口设备主要完成 被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线有其相应的i o 接口硬件设备， 如利用p c 机总线的数据采集卡板( 简称为数采卡板，d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总 线仪器模块、串口和并口总线仪器等。如图卜2 为虚拟仪器的通用结构示意图。 1 3 3 小波分析的发展 小波分析是一调和分析方法，是傅立叶分析发展史上的一个里程碑式的进展，被 4 硕士学位论文 人们誉为信号细化分解的数学“显微镜。小波分析理论及其方法的形成和应用在科 学技术界引起一场轩然大波并成蔓延之势。 ： 图1 2 虚拟仪器通用结构示意图 小波理论的思想源于信号分析的伸缩与平移。1 9 8 0 年由m o r l e t 首创。1 9 8 4 年他 与g r o s s m a n 共同提出连续小波变换的几何体系，成为小波分析发展的里程碑。1 9 8 5 年，法国数学家m e y e r 创造性构造了规范正交基，提出了多分辨率概念和框架理论。 1 9 8 6 年b a t t l e 和l e 眦r i e 又分别独立地给出了具有指数衰减的小波函数：同年， m a l l a t 创造性地发展了多分辨分析概念和理论并提出了快速小波变换算法一 m a l l a t 算法。d a u b e c h i e s ( 1 9 8 8 ) 构造了具有有限紧支集的正交小波基，c h u i 和王建 忠( 1 9 9 0 ) 构造了基于样条函数的正交小波。至此，小波分析的系统理论得以建立。最 近有人又提出了小波包理论，它是小波理论的进一步发展n 钔。 1 3 4 美斯比的r t x 结构 为了满足实时系统严格的响应时间的要求，对测试系统增加w i n d o w sx p 系统的实 时能力非常必要。美国a r d e n c e 公司的r e a lt i m ee x t e n s i o n ( r t x ) 技术，其在w i n d o w s 平台上提供了一个实时子系统。r t x 实现了确定性的实时线程调度、实时环境和与原始 w i n d o w s 环境之间的进程间通讯机制以及其它只在特定的实时操作系统中才有的对 w i n d o w s 系统的扩展特性。通过选择合适的实时系统扩展，使w i n d o w sx p 平台在保证其 作为通用平台特征的基础上提供实时操作系统的特征。所合成的系统在提供了实时系统 所需要的确定性；同时，保证了平台为更广泛的人群提供更为熟悉的操作环境。 1 在w i n d o w s 操作系统成为目前个人计算机主流的今天，编制基于w i n d o w s 的测试信 号分析系统是十分必要的。l a b v i e w 提供了可直接调用成型的功能函数，避免了每个功 5 基于l a b v 正w 机械振动测试系统的设计与远程发布方法研究 能函数都要自己编写，提高开发效率：用户也可以自己建立d l l 动态链接库和a c t i y e x 控件，使程序具有很强的底层支持能力，可以很好地实现对硬件地访问以及控制n 5 1 。 1 4 本课题的意义 本课题的研究意义在于利用对机械设备状态监测来实现其预防维护，能够使机械 设备在未出故障之前达到及时维护。解决了目前机械振动状态监测系统硬件结构大多 由分离器件搭建，电路结构较为复杂，系统的精度和稳定性有了进一步提高；基于虚 拟仪器设计出状态监测系统，具有动态性好、交互性佳、高效率、统一的用户界面， 通过d a t as o c k e t 技术把测试数据远程发布出去；达到功能模块化、软件智能化、接 口开放化的目的，从而提高系统的可靠性和在线监测的实时性，为机械设备的状态监 测开发奠定了基础：同时系统实现网络化的管理模式，因此具有良好的通用性和实用 性。 i 5 本论文研究内容简介 本论文着眼于机械设备的振动信号采集与状态监测，实现了监测系统的整体开发与 信号远程发布。开发出该系统的上下位机监控程序，采用了新的虚拟仪器开发语言 l a b v i e w 及时频信号分析。具体的研究情况基本如下： 第1 章首先介绍了本文选题背景与意义。系统阐述了机械设备状态监测的现状和 未来发展前景及其在本系统中的应用，最后给出了本文的研究内容和篇章结构安排。 第2 章机械信号的时频域分析方法与小波分析方法。应用小波分析较好地实现了 对信号全貌及其局部特征的双重分析，对设备因故障引起的突变进行正确的监测和分 析。 ， 第3 章虚拟仪器中的滤波器设计，对滤波器的重要参数进行了分析，应用数字滤 波器滤除机械信号中的干扰成分。 第4 章重点研究机械测试系统的硬件结构和系统的总体框架，详细阐述了数据信 号采集和系统管理界面的内容。利用l a b v i e w 进行了信号采集、处理和分析与管理等几 个方面等程序的设计，真正做到了网络化的监测分析系统。 第5 章采用了最新的r t x 技术开发出r t x 实时监测程序r t s s ，保证了在w i n d o w s 监测系统下的高优先级，保证了数据采集的实时高效性。利用l a b v i e w 的d a t as o c k e t 技术实现网络发布，两者之间的通信用动态链接库( d l l ) 共享内存来完成，远程监控 服务器端的运行情况。 6 硕上学位论文 第2 章几种典型的机械信号处理方法简介 机械测试系统的信号分析理论上可以使用数字信号处理的各种方法，但我们所关心 的主要是设备因故障而引发的信号突变，却不是设备在正常运转条件下的信号。对于非 平稳信号，傅立叶分析可能给出虚假的结果。针对此问题本章阐述时域、频域和小波变 换的特点，分析出小波变换具有很强的时频局部化功能，可以有效应用于非平稳信号的 分析。本系统采用小波变换的方法进行机械信号的分析处理。 2 1 时域分析 为了要监测机械设备的状态，必须先要获取机械设备的信号，再通过对所获取的机 械信号的处理与分析，得到需要的设备信息。机械信号处理通过对测量机械信号的某种 加工变换，滤除混杂在信号中的噪声干扰，或者将信号变成易于识别的形式以便于提取 它的特征值等，信号滤波就是机械信号处理中最基本的一种处理。其次，信号分析则从 复杂信号中提取出反映机械信息的特征值。进一步地通过信息集成和融合，还可全面了 解机械对象的特性或状态。信号分析中的基本方法是信号的频谱分析，机械信号的分析 和处理相互关联，实践中我们把上述过程统称为机械信号处理。机械信号处理的基本过 程可如图2 1 所示。 ? 2 1 1 采样定理 图2 1 机械信号处理的过程 上述情况表明，如果。 2 ，就不会发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间 隔乃须加以限制，即采样频率( o 。( 2 兀t 。) 或f 。( 1 t 。) 必须大于或等于信号x ( t ) 中的最高频率( - ) 。的两倍，即( 1 ) 。 2 ( ) ，或f 。 2 f - 。 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。 需要注意的是，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， 保证对信号的频谱作逆傅里叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号x 。( t ) ；而不能保 7 基于l a b e w 机械振动测试系统的设计与远程发布方法研究 证此时的采样信号能真实地反映原信号x ( t ) 。工程实际中采样频率通常大于信号中最高 频率成分的3 到5 倍。 2 1 2 机械信号的数字化 把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称之为a d ( 模拟一数字) 转 换过程，反之则称为d a ( 数字一模拟) 转换过程，它们是数字信号处理的必要程序。 一般在进行a d 转换之前，需要将模拟信号经抗频混滤波器预处理，变成带限信号，再 经a d 转换成为数字信号，最后送入数字信号分析仪或数字计算机完成信号处理。如 果需要，再由d a 转换器将数字信号转换成模拟信号，去驱动计算机外围执行元件或 模拟式显示、记录仪等n 6 埔1 。 a d 转换包括了采样、量化、编码等过程，其工作原理如图2 2 所示。 圈岛圈岛国日匹习 模拟信号呆样量化数字信号 图2 2 模拟信号的数字化 2 1 3 量化和量化误差 又称幅值量化，把采样信号x ( n t s ) 经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字 的数，这一过程称为量化。 ，、 ， ； i| | f ， 1 1 、 i ( 1 ) = 5 i ( 2 ) = 3 z ( 3 ) = 0 i ( 4 ) = l 0l23 45678 图2 3 信号的6 等分量化过程 i ( 5 ) ：4 i ( 6 ) = 5 i ( 7 ) = 2 i ( 8 ) = 0 若取信号x ( t ) 可能出现的最大值a ，令其分为d 个间隔，则每个间隔长度为r - a d ， r 称为量化增量或量化步长。当采样信号x ( n 瓦) 落在某一小间隔内，经过舍入或截尾 方法而变为有限值时，则产生量化误差，如上图2 3 所示。 编码将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。 信号x ( t ) 经过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。 2 2 频域分析 傅立叶变换只能告诉我们信号尺度的范围，而无法给出信号的结构以及它蕴含的大 小不同尺度的串级过程，即傅立叶变换在时空域中没有任何分辨率。此外，傅立叶分析 8 硕士学位论文 无法解决信号奇异性的位置。2 0 世纪8 0 年代初由法国油气工程师m o r l e t 提出的小波分 析( w a v e l e ta n a l y s i s ，又称子波分析) 能成功地解决这些问题。因此小波分析是傅立叶 分析发展史上的一个里程碑。小波分析一面世，立刻成为国际研究热点。目前小波分析 在信号处理、图像压缩、语音编码、模式识别、地震勘探、大气科学以及许多非线性科 学领域内取得了大量的研究成果。小波分析之所以广泛得到应用在于：它具有时域和频 域同时具有良好的局部性质：能将信号( 时间序列) 分解成交织在一起的多尺度成分，从 而能够不断地聚集到所研究对象的任意微小细节；同时具有数学上严格意义的突变点诊 断能力。 2 2 1 傅立叶变换 在信号分析中，对信号的基本刻化往往采取两种最基本的形式，即时域形式和频域 形式。把时间或空间位置作为自变量，而把信号的某一数值化特征作为因变量来描述信 号是常用的方式，此时自变量的取值范围称为时域。另一方面，我们常要求对信号作频 域刻化，即傅立叶变换。设信号f ( t ) ，其傅立叶变换为： 1 ，( ) 一r ，o 塘吖“出 ( 2 1 ) 吖历二 ，佃) 确定了f ( t ) 在整个时间域上的频谱特性。傅立叶变换将信号的时域特征和频率特征 联系起来，能分别从时域和频域上观察信号，但不能把二者有机结合起来。傅立叶变换 是整个时间域内的积分，识别出的频率在什么时候产生并不知道，因此是一种全局的变 换，不能反映某一局部时间内信号的频谱特性，即在时间域上没有任何分辨率。这样在 信号分析中就面临一对矛盾：时域和频域的局部化矛盾。 2 2 2 短时傅立叶变换 尽管傅立叶变换及其离散形式d 兀 已经成为信号处理，尤其是时频分析中最常用 的工具，但是，傅立叶变换存在信号的时域与频域信息不能同时局部化的问题。例如， 从定义式我们看到，对于任一给定频率，根据傅立叶变换不能看出该频率发生的时间与 信号的周期( 如果有的话) ，即傅里叶变换在频率上不能局部化。同时，在傅立叶变换 将信号从时域上变换到频域上时，实质上是将信息厂“) e h 在整个时间轴上的叠加，其 中e 矗一起到限频的作用；因此，傅里叶变换不能够观察信号在某一时间段内的频域信息。 而另一方面，在信号处理，尤其是非平稳信号处理过程中，如音乐、地震信号等，人们 经常需要对信号的局部频率以及该频率发生的时间段有所了解。由于标准傅立叶变换只 在频域有局部分析的能力，而在时域内不存在局部分析的能力，故d e n i l i sg a b o r 于1 9 4 6 年引入短时傅里叶变换( s h o r t t i m ef o u r i e rt r a n s f o 咖) 。短时傅立叶变换的基本思想是： 把信号划分成许多小的时间间隔，用傅立叶变换分析每个时间间隔，以便确定该时间间 隔存在的频率。图2 _ 4 ( a ) 、图2 4 ( b ) 为短时傅立叶变换对信号分析示意图。 假设对信号，g ) 在时间z 爿附近内的频率感兴趣，显然一个最简洁的方法是仅取式 9 基于l a b e w 机械振动测试系统的设计与远程发布方法研究 中定义的傅立叶变换在某个时间段厶内的值，即定义 夕p ，小缸，o 矿。出 ( 2 2 ) ( a ) 时域加窗不意图 ( b ) 时频平面划分示意图 图2 4 短时傅里叶变换示意图 其中阢l 表示区域以的长度。如果定义方波函数o ) 为 删；府炬l ( 2 3 ) io ，其他 则式( 2 2 ) 又可以表示为： 夕佃，f ) = r 矗，o ) g ，o ) c 也。血 ( 2 4 ) 其中r 表示整个实轴。显然，窗口的长度k i 越小，则越能够反映出信号的局部频域 信息。图2 7 ( a ) 为对于参数取f o = 1 ) ，窗口函数毋g ) 的图形。 容易得到下面的简单性质： 阽，o 渺- 1 x ，f ，l i m ，og f o ) = 将函数舒与著名的“d 函数一及其性质 。 = f 二： 以及 r 6 ( x ) d z 一1 t 比较不难发现，“d 函数 撒) 实际上可以视为函数白g ) 的极限函数。从另外一个角度来 看，窗口函数可以看作对于庶信号在区域上的加权，而利用方波函数g f g ) 作为窗口函数 时存在的一个明显缺陷就是在区域厶上平均使用权值，不符合权值应该重点位于时刻 且距离该时刻越远和权值越小的特点。也就是权函数主值位于时刻f ，在该时刻的两端 函数图像迅速衰减的特点。在满足上述特性并保持函数的光滑性质的前提下，d e n i l i s g 扪f 于1 9 4 6 年提出了利用具有无穷次可微的高斯函数 1上 邑5 焘c 4 4 ，口 0 ( 2 5 作为窗口函数。 1 0 硕士学位论文 2 3 小波分析 傅立叶变换适用于平稳信号，通过f i 丌得到的频谱反映了信号在整个时间域上的频 谱特性。它成功地应用于平稳信号的频域分析。但在这种变换中，它把瞬态信号的频域 信息分配给了整个频域分析范围内的其他频率分量。因此，傅立叶变换不适合于非平稳 信号的处理。 对于非平稳信号，傅立叶分析可能给出虚假的结果，从而导致故障的误诊断。短时 傅立叶变换( 册) 又叫加窗傅立叶变换，它是为了适应非稳态信号分析而发展起来 的一种改进方法，时域信号的加窗傅立叶变换如下： g ( 皱z ) = p p 培o 一了沦7 ” ( 2 6 ) 二 其中g o f ) 为窗函数，f 为可变参数，变动f 可控制窗函数沿时间轴平移，以实现 信号x ( t ) 的按时逐段分析。由于上式中的窗函数的大小和形状是固定的，因此难以适应 信号频率高低不平的要求，而只能得到信号在窗区间内的总信息。实际应用中，要求对 低频信号采用宽时窗，高频信号采用窄时窗，以提高谱线分辨率。短时傅立叶变换是一 种单分辨率的信号分析方法，若要改变分辨率，则需重新选择窗函数。固定时间窗造成 了时变信号分析时带有一定的局限性伽。 表2 1 三种信号处理方式的性能比较 变换形式小波变换短时f 0 u r i e r 变换f 0 u 血r 变换 连续变换 击弘m 等渺 产( f ) 她一z ) 粤一| i x 蛐c 扣m 处理突变信号子适应处理渐变信号实时信处理渐变信号实时 信号特征 信号处理号处理信号处理 时，频同时具有局部化时频局部化格式不 局部化 不具有局部化特征 特征变 线性变换稳定表征函线性变换稳定 性质线性变换稳定 数局部规则 算法网嘞u a t 算法)d 飓f f r 算法d 凡r 呵算法 变换系数不具有对信不能敏感地反映信号 不足不能做局部分析 号的平移地突变 小波变换发展了加窗傅立叶变换的时域局部化思想，窗口宽度随频率的增高而缩小， 基于i 丑b e w 机械振动测试系统的设计与远程发布方法研究 保持高频信号仍具有较高的分辨率。 信号f ( t ) 的小波变换为 町( s ，工) r ，( f ) o ( 上三) d ， ( 2 7 ) s ：- 5 这里由( t ) 是满足r m o ) = o ( 振荡性) 和在时域里具有紧支集( 时域有限) 的函数，称为 名 小波。当s 增大或缩小时，响应爹( 三二兰) 在时间上扩展或收缩，即可设计长短的时间过 程。s 是尺度因子，大尺度可观察总体信号，小尺度可观察细微信号乜卜翻。 2 3 1 傅立叶变换与小波变换的比较 信号的频谱x ( f ) 代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，在许多场合，它能 够提供比信号波形更直观，丰富的信息。例如，有一受噪声干扰的多频率成分周期信号， 如图2 5 所示，从信号波形上很难看出其特征，但从信号的功率谱上却可以判断出信号 中有四个很明显的周期分量汹叫1 。 图2 5 信号的功翠谱 功率谱分析包括自功率谱密度和互功率谱密度的分析。 ( 1 ) 自功率谱密度函数 自功率谱密度函数是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，它可由自相关函 数的傅立叶变换求得，也可以直接用f f t 求得。 设x ( t ) 为时间历程信号，根据维纳一辛钦公式有 s ，( 厂) _ 亡r ，( r 弦。刎7 咖 ( 2 8 ) 从能量功率的物理意义上考虑，s ，( ，) 称为自功率谱密度函数。 上式在正负频率轴上都有谱图，故称双边谱。但是，在工程上负频率并无实际物理 意义，所以又定义了单边谱 g ，( ，) = 2 s ，( 厂) 一仁尺，o 弘。刎7 如 ( 2 9 ) 由于自相关函数是实函数，因此，自功率谱密度函数亦为实偶函数。即 s ，( 一，) 一s ，( ，) ( 2 1 0 ) 由此可见，反映了信号频率结构与信号的幅值谱相似，但是自谱反映的是信号幅值 的平方，因此它反映的频率结构更明显。 1 2 硕士学位论文 ( 2 ) 互功率谱密度函数 两个随即过程的互功率谱密度函数可以定义为这两个过程相应的互相关函数的傅 立叶变换，若尺巧为给定的两个随即过程的互相关函数，则互功率谱密度函数为 s