（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的远程振动监测系统研究.pdf

摘要摘要在工业现场常常需要监测机械设备振动信息来判定其运行状态，受现场环境影响往往需要进行远程监测。随着计算机软硬件技术水平的提高，基于计算机的自动检测技术获得了迅速发展，其中虚拟仪器技术应用广泛，因此研究基于虚拟仪器的远程振动监测系统。采用虚拟仪器技术，通过p c i 6 2 2 1 数据采集卡采集振动加速度信号；通过时域、频域、小波分析等高级信号处理技术充分提取信号特征，分析结果可用于故障诊断；并研究基于w e b 和d a t a s o e k e t 的远程监测技术。本文设计了振动加速度信号采集系统，选用d h l 0 3 型加速度传感器、n i 公司的p c i 6 2 2 1 数据采集卡，根据测试的需要，设计了信号调理电路，完成了振动加速度信号的采集。本文讨论了振动信号的处理方法，包括振动信号的采样量化、数字滤波、时域、频域分析，重点研究了小波分析方法及其在振动信号处理中的应用。介绍了l a b v i e w 中用于数字滤波、信号时域处理和频域处理的v i ，设计相应的程序。分析了远程虚拟仪器的网络结构，对b s ，c s 模式下的远程虚拟仪器特点( 系统性能、系统开发、系统升级及维护等) 进行了对比，得出了各自的优缺点。全面系统地研究了n i 公司对l a b v i e w 提供的各种网络化技术方案，主要包括t c p i p ，r d a 及d a t a s o c k e t 等。本文设计了基于l a b v i e w 的振动监测系统程序，包括数据采集存储程序、振动信号的时域频域处理程序和小波降噪程序。利用w e b 技术实现了振动的远程监测，并设计了基于d a t a s o c k e t 技术的服务器和客户端程序。关键词：虚拟仪器；振动信号处理；远程监测a b s t r a c ta b s t r a c ti nt h ew o r kf i l e do fi n d u s t r y 。v i b r a t i o ni n f o r m a t i o no ft h em e c h a n i c a le q u i p m e n t1 so f t e nn e e d e dt om o n i t o r d u et ot h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t s ，t h er e m o t em o n i t o r i n gi sn e c e s s a r y w i t i lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g y ，t h ea u t o m a t i cc o m p u t e r - b a s e dd e t e c t i o nh a sg r e a t l yi m p r o v e d ，e s p e c i a l l yv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yh a sw i d e l yu s e d t h e r e f o r e ，t h er e m o t ev i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti sr e s e a r c h e d ，u s i n gv 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 r o u g ht h ep c i 6 2 21c a r df o rc o l l e c t i n gv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a l ；t h r o u g ht h et i m e - d o m a i n ，f r e q u e n c yd o m a i n ，w a v e l e ta n a l y s i s ，a n do t h e rh i g h s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt oe x t r a c tt h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sc a nb eu s e dt of a u l td i a g n o s i s ；a l s ot h er e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nw e ba n dd a t a s o c k e ti sr e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r , t h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ，u s i n gd h10 3a c c e l e r a t i o ns e n s o ra n dn i sd a t aa c q u i s i t i o nc a r dp c i 6 2 21 ，a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h et e s t , t h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d ，s ot h ea c q u i s i t i o no ft h ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a l si sc o m p l e t e d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ev i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s ，i n c l u d i n gt h eq u a n t i t a t i v es a m p l i n go fv i b r a t i o ns i g n a l s ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，t i m ed o m a i n , f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ，e s p e c i a l l yr e s e a r c ht h ew a v e l e ta n a l y s i sa n di t sa p p l i c a t i o n si nv i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n g t h i sp a p e ra n a l y s e st h en e t w o r ks t r u c t u r eo fr e m o t ev i r t u a li n s t r u m e n t s ，c o n t r a s t st h ec h a r a c t e r i s t i c s ( s y s t e mf u n c t i o n , s y s t e md e v e l o p i n g ，u p g r a d ea n dm a i n t e n a n c e s ) o fr e m o t ev i r t u a li n s t r u m e n t sb e t w e e nb sa n dc sm o d e ，a n dg e t st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g er e s p e c t i v e l y i th a ss t u d i e dt h ev a r i o u sk i n d so fn e t w o r kt e c h n o l o g ys c h e m e st h a tn ic o m p a n yo f f e r si nl a b v i e w ，w h i c hi n c l u d et c p i p ，r d aa n dd a t a s o c k e t t h ev i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e wi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r e ，v i b r a t i o ns i g n a l sp r o c e s s i n gi nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n ，w a v e l e tn o i s er e d u c t i o n u s i n gw e bt e c h n o l o g y ，r e m o t em o n i t o r i n go nv i b r a t i o ni si m p l e m e n t e d ；t h es e r v e ra n dc l i e n tp r o g r a mo nd a t a s o c k e ti sd e s i g n e d k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；v i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n g ；r e m o t em o n i t o r i n gi l大连交通大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本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及参考文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得太整銮通太堂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谢意。本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。学位论文作者签名：剖广踅日期：如。富年良月? 午日大连交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解太羹銮通太堂有关保护知识产权及保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用论文工作成果时署名单位仍然为太整交通太堂。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及其电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)学位论文作者签名：刻广哲日期：a 阳8 年f a 月j q - 日导师签名：丁雾习日期：矿样工月1 5 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：印i 。蛄口都弛电话：肛们弓7 四通讯地址：硖断沙间口匠丑增加弓邮编：j 1 6 p 显弓电子信箱：幻z 专7 1 5 秒j 绍叭绪论绪论任何力学系统都具有振动的能力：任何机械、机构、零件及其组成部分，都会产生机械振动1 1 1 。在生产和科学实验中，机械振动是普遍存在的现象。在极大多数场合，振动是有害的，它将影响设备的正常工作和机床的加工精度，引起机器构件的加速磨损，甚至导致急剧断裂而破坏。随着科学技术的发展，对机器的运转速度，承载力等方面，要求越来越高，因而发生振动的可能性增大。另一方面机器的工作精度和稳定性的要求越来越高，对控制振动的要求有越来越迫切。这些都对振动测试的研究提出了更高的要求。要解决机器的振动问题，首先要采用正确的测量方法，使用合适的仪器，获得准确的振动参数，然后对数据进行分析，找出机器振动的原因，最后才能在机器的结构设计、安装调试和使用条件等方面采取减振隔振措施，使其保持在允许的振动范围内1 2 j 。机械设备振动监测可以保证生产的安全性。对于任何工厂来说，安全都是首要问题，特别是对于电站设备、化工设备等大型机组，都是高速的，机组在运行时具有很大的能量，一旦机器发生故障，会是机器的某些部分破坏，甚至会是整个机器报废p j 。如果发生故障的机器能量得不到控制，还会使周围的设备遭受不同程度的破坏。机械设备振动监测可以降低维修费用，如果机械设备上装有监测系统，可以大大减小事故发生，因此机器所要求的备用件种类和数量可以减到最少。机械设备振动监测可以提高工厂的开工率，对于发电厂、石油化工厂这类工厂来说，开工率都是具有重大的经济意义和社会意义的。因此避免事故停车，尽量减少不必要的计划检修次数，延长机组两次停车检修的运行时间，尽量缩短停车检修时间，都将提高开工率，也是振动监测的根本目的。有些机器的工作环境很恶劣，维修人员在那里进行工作很困难。例如，核电站中的有些地段很热，维修人员只能在那里停留有限的时间。还有些机器工作在危险的环境中，如某些需要隔离的生产流程中的机器，人们很难接近这些机器。在上述情况下，有效的远程振动监测系统能够正确的指示机器的运行状态，并可以预报异常或危险状态。国外对旋转机械尤其是大型旋转机械的在线监测与故障诊断技术及其应用的研究，自从6 0 年代以来取得了一定的成绩，并开发出了相应的工程实用在线监测与故障诊断系统。其中最早开展设备故障诊断技术研究的是美国，目前美国从事汽轮机故障诊断技术开发与研究的机构主要有西屋、b e n t l y 、i r d 、c s i 等公司，而最有成效的西屋公司( w h e c ) ，从1 9 7 6 年开始从事旋转机械故障诊断机械研制，至u 1 9 9 0 年已发展成网络化的汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统( a i d ) ，在奥兰多建立了一个诊断中心( d o c ) ，对分布于各地电站的多台机组进行远程诊断【4 】。b e n t l y 公司在转子动力学和旋转机械故障诊断机理方面研究比较透彻。该公司开发的旋转机械故障诊断系统( a d r 3 ) 在中国应用情况良好，很受用户欢迎。欧洲也有不少公司和部门从事大型旋转机械故障诊断技大连交通大学j r 学硕十学位论文术的研究与开发。法国电力部门( e d f ) 从1 9 7 8 年起就在透平发电机上安装离线振动监测系统，到九十年代初又提出了监测和诊断支援工作站( m o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sa i ds t a t i o n ) 的设想。九十年代中期，其专家系统p s a d 及其d i v a 子系统在透平发电机组和反应堆冷却泵的自动诊断上得到了应用。另外瑞士的a b b 公司、德国的西门子公司、丹麦的b & k 公司等都开发出了各自的诊断系统。日本从事这方面研究的机构主要有东芝电气、日立电气、富士和三菱重工等。东芝电气公司与东京电力公司于1 9 8 7 年合作开发的大功率汽轮机轴系振动诊断系统，采用计算机在线快速处理振动信号的解析技术与评价判断技术，设定一个偏离轴系正常值的极限值作为诊断的起始点进行诊断。九十年代，东芝公司相继开发出了寿命诊断专家系统，针对叶片、转子及高温螺栓的诊断探伤实时专家系统、机组性能评价系统等。日立公司在1 9 8 2 年开发了汽轮机寿命诊断装置h i d i c 0 8 e ，以后逐步发展，形成了一套完整的寿命诊断方法。三菱公司则在八十年代初期开发了m h m 振动诊断系统，该系统能自动地或通过人机对话进行异常征兆检测并能诊断其原因，其特点是可根据动矢量来确定故障。我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，但是发展很快。一般说来，经历了两个阶段：第一阶段是从7 0 年代末n 8 0 年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开研究：第二阶段是从8 0 年代初期到现在，在这一阶段，全方位开展了机械设备的故障诊断研究，引入人工智能等先进技术，大大推动了诊断系统的研制和实施，取得了丰硕的研究成果。1 9 8 3 年春，中国机械工程学会设备维修分会在南京召开了首次”设备故障诊断和状态监测研讨会”，标志着我国诊断技术的研究进入了一个新的发展阶段，随后又成立了一些行业协会和学术团体，其中和汽轮机故障诊断有关的主要有，中国设备管理协会设备诊断技术委员会、中国机械工程学会设备维修分会、中国振动工程学会故障诊断学会及其旋转机械专业学组等。这期间，国际国内学术交流频繁，对于基础理论和故障机理的研究十分活跃，并研制出了我国自己的在线监测与故障诊断装置，“八五期间又进行了大容量火电机组监测诊断系统的研究，各种先进技术得到应用，研究步伐加快，缩小了与世界先进水平的差距。目前许多高校和研究机构都有专门的队伍从事这方面的研究。一些大型企业借助高效的科研力量对通常的故障机理进行了深入的探索和研究，目前已经开发出一系列状态监测及故障诊断软件，如“2 0 万千瓦汽轮发电机组振动检测与故障诊断系统2 h x 一1 0 ”、“高速旋转机械的状态监测及故障诊断系统r b - 2 0 、“z z b 一1 振动诊断工程软件包”、“汽轮机发电机组诊断专家系统”：此外还有由东南大学研制出的“网络化的火电机组振动检测和故障诊断系统”，国防科技大学研制的在远望号远洋科学考察船投入使用的在线监控与故障诊断系统：由清华、哈工大、华中理工大、上海交大等联合完成的重大科技攻关项目“大型旋转机械状态监测分析与故障诊断研究技术等，在理论研究与应用技术上都达到或已接近国际先进水平。2绪论虚拟仪器是通过各种与测量技术相关的软件和硬件，与工业计算机结合，用以替代传统概念的仪器设备1 5 。虚拟仪器是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，它尽可能多地将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理功能，代替为计算机的程序来完成。这种硬件功能的软件化，是虚拟仪器的一大特征。虚拟仪器是计算机化的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件三大部分组成，通过应用软件将仪器的模块化功能硬件与各类计算机相结合，其中p c d a q 测试系统是构成虚拟仪器v i的最常用的基本方式。通过多种软件和硬件组合构成的虚拟仪器测试仪器系统与传统仪器相比有以下特占1 打破了传统仪器“万能”功能概念，将信号的分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。充分利用了计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。2 为了突出虚拟仪器的特性，有“软件就是仪器”的提法，这是因为软件在仪器中充当了以往硬件实现的角色。由于减少了许多时间可能漂移、需要定期校准的分立模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都得到了很大的提高。3 仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件进行修改、增减，可方便地同外设、网络及其他连接。不同的软件、硬件组合可以针对不同测试对象，完成不同测试功能的仪器。4 鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统的组建时间缩短，功能易于扩展，软、硬件生产、维护和开发的费用降低。虚拟仪器应用程序的编写，大致可以归纳为两种方式：一是采用通用软件进行编写，这里所指的通用软件是m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 和b o r l a n d 公司的d e l p h i ：二是采用专业图形化编程软件进行开发，例如n i 公司的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 。l a b w i n d o w s c v i 是为c 语言程序员提供的软件开发系统。为了节省开发时间，采用l a b v i e w 作为开发环境，目前l a b v i e w 的最新版本是8 6 。l a b v i e w 是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，是第一个借助于虚拟面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统，也是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。l a b v i e w 的最大特点就是：采用全图形化编程，在计算机屏幕上利用其内含的功能库和开发工具库产生一软面板，用来为测试系统提供输入值并接受其输出值；该面板在外观和操作上模仿有形器件。本课题针对目前振动监测研究现状，构建了基于虚拟仪器技术的远程振动监测系统，实现了对振动加速度信号的采集和对振动加速度信号的时域、频域、小波分析，并3大连交通大学t 学硕十学位论文实现了基于w e b 技术和d a t a s o c k e t 技术的远程振动监测。论文的主要工作为：首先介绍了系统的总体设计方案。第二章设计了基于n i 公司p c i 6 2 2 1 数据采集卡的振动信号采集系统。第三章研究振动信号的时域频域处理方法及研究小波分析在振动信号处理中应用。第四章研究远程虚拟仪器的网络结构及组成。第五章设计了远程振动监测软件。第六章对列车转向架振动数据进行处理和分析。最后对整个课题进行了总结。4第一章系统总体方案设计第一章系统总体方案设计1 1 系统的总体设计在工业现场常常需要监测机械设备振动信息来判定其运行状态，受现场环境影响往往需要进行远程监测。随着计算机软硬件技术水平的提高，基于计算机的自动检测技术获得了迅速发展，其中虚拟仪器技术应用广泛。因此研究基于虚拟仪器的远程振动监测系统，采用虚拟仪器技术，通过p c i 6 2 2 1 数据采集卡采集振动加速度信号；通过时域、频域、小波分析等高级信号处理技术充分提取信号特征，分析结果可用于故障诊断；并研究基于w e b 和d a t a s o c k e t 的远程监测技术。1 2 振动信号采集系统系统采用压电加速度传感器采集振动信号，经过信号调理电路进行电荷电压转换后送数据采集卡对电压信号进行采集，最后由微型计算机对振动加速度信号进行处理。系统的硬件结构如图1 1 所示。压测电信数微试加号据型对速调采一计度理象集算传电卡机感路器图1 1 系统硬件结构f i g 1 1s y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e本系统选用东华公司生产的型号为d h l 0 3 压电加速度传感器，适合中低转速的旋转机械的振动信号采集，具体参数如下：灵敏度：2 8 0 7 p c m s 。2安装谐振频率15 k h z频率范围：1 5 0 0 0 h z最大测量加速度：5 1 0 1 m s 之使用极限：5 1 0 2 m s 五横向灵敏度比： 5 压电加速度传感器输出的是微弱的电荷信号，必须经过电荷放大器转变成电压信号，再经过适当的放大变为适合采集卡采集的电压信号。本系统选用n i 公司生产的m 系列低价位多功能数据采集卡p c i 6 2 2 1 ，该采集卡具有大连交通人学下学硕十学位论文1 6 路模拟输入，采样率2 5 0 k s s ，分辨率1 6 位；2 路模拟输出，采样率8 3 3 k s s ，分辨率1 6 位；2 4 路数字i 0 ；2 个3 2 位8 0 m h z 的定时计数器。p c i 6 2 2 1 数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字i o 、计数器记时器等。模拟输入是p c i 6 2 2 1 数据采集卡最基本的功能，它一般由多路开关( m u x ) 、放大器( a m p l i f i e r ) 、采样保持电路( s h )以及模数转换器( a d c ) 来实现。1 3 振动信号处理振动信号的时域处理又称为波形分析，主要是对时域信号波形的分析和处理。根据需要，滤除或保留实测信号波形的某些频率成分可通过滤波处理来实现。波形的最大值、平均值、有效值，分析波形与波形的相关函数以及将位移、速度和加速度进行互相转换的积分和微分变换也属于振动信号的时域处理范畴。对于随机振动信号的时域处理，除了上述处理方法外，更常用的是一些概率和数理统计的处理方法，如概率分布函数、概率密度函数、均值、均方值、方差和相关分析等。振动信号的频域处理主要的方法为傅里叶变换。振动信号的幅值谱可以用来描述振动的大小随频率分布的情况，相位谱则反映振动信号的各频率成分相位角的分布情况。随机振动信号的频域处理以建立在数理统计基础上的功率谱密度函数为基本函数。小波分析是一种时频信号分析方法，可以提供较高的频率分辨率，这使得小波变换非常适合于处理非平稳信号。1 4 远程虚拟仪器的网络结构及组成计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件( 及网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等)实现网络中资源共享和信息传递的系统。根据测控数据流量状况以及不同的测试要求，实际应用中较为常见的网络化测控方式主要有以下三种：基于c l i e n t s e r v e r 的网络化测控模式、基于b r o w s e r s e r v e r 的网络化测控模式、基于c l i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r混合的网络化测控模式。研究了l a b v i e w 的四种网络通信方式。1 5 远程振动监测系统的软件实现设计了基于l a b v i e w 的远程振动监测系统的软件，包括振动信号采集与存储程序、振动信号时域频域处理程序、小波降噪程序，设计了基于w e b 和d a t a s o c k e t ( d s ) 技术的远程监测程序。1 6 系统在转向架振动测试中的应用转向架是铁路车辆的关键部件，其工作状态的好坏直接影响到车辆运行的安全性。而转向架的振动状态包含着丰富的故障信息，所以对转向架的振动监测就成为整个车辆状态监测和故障诊断的重要组成部分。根据现场实际测试的条件，在c w 一2 b 转向架构架6第一章系统总体方案设计及轴箱相应位置安装加速度传感器，分别测试横向、垂向、纵向振动加速度，对7 个测点振动数据进行处理分析，得到了转向架振动的一般规律。本章小结本章首先介绍了系统的硬件结构，对系统所用到的压电加速度传感器、信号调理电路和数据采集卡进行了介绍，然后研究了振动加速度信号的时域频域处理和小波分析方法，介绍了远程虚拟仪器的网络结构及组成，设计了远程振动监测系统的软件，最后介绍了系统在转向架振动测试中的应用。7大连交通大学t 学硕+ 学位论文第二章振动信号采集系统要将数据采集到计算机里，并对其进行合理的组织，需要构建一个数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q ) 系统。它包括：传感器和变换器、信号调理设备、数据采集卡( 或装置) 、驱动程序、硬件配置管理软件、应用软件和计算机等。使用不同的传感器和变换器可以测量各种不同的物理量，并将它们转化成电信号；信号调理设备可对采集到的电信号进行加工，使它们适合数据采集卡等设备的需求；计算机通过数据采集卡等获得测量数据，同时还对原始数据作分析处理，并将最后的结果表示成容易理解的方式，例如图表或文件等。振动加速度信号通过压电加速度传感器拾取，经信号调理电路处理后，送数据采集卡。2 1 压电加速度传感器2 1 1 压电加速度传感器的结构原理压电加速度传感器是利用压电材料的压电效应工作的【明。所谓压电效应，是指某些电介质，当它在一定方向上受到机械外力作用变形时，其内部就会发生电极化，从而导致电介质的两相表面上出现大小相等、符号相反的电荷。当外力方向改变时，电荷的极性也跟着改变，其电荷量的大小与外力成正比。加速度传感器的作用是将壳体所承受的加速度变量转变为电信号输出i l 。在压电加速传感器内，通常有以高密度合金制成的质量块，由于其惯性产生相对于壳体的加速度转变为力，此力加于压电元件上，在压电元件的两个端面上就产生了极性相反的电荷。2 1 2 压电加速度传感器的主要特性参数( 1 ) 灵敏度压电式加速度传感器的输出灵敏度多用电荷的灵敏度表示，单位为妒g 或p c ( m 。s 之1 。压电加速度传感器的灵敏度取决于质量块的重量及压电片的截面积和片数，因此，一般来说，尺寸比较大的，灵敏度就比较高，而同时固有频率则较低。选用时要综合考虑来确定恰当的灵敏度，其灵敏度在出厂时都经过标定，可查标定记录。过若干时间后，需要在标定台上重新标定。压电材料的压电系数每年的降低值为百分之几，因此，最好每半年复标一次。( 2 ) 频率特性压电加速传感器的可测上限频率取决于传感器机械系统的固有频率和传感器的阻尼比，由于压电加速度传感器具有很高的固有频率( 一般可达4 0 , - - 6 0 k h z ，最高可达1 8 0 k h z ) ，而在传感器中没有特别的阻尼装置，其阻尼比很小( 一般在o 0 1 以下) ，所以它的上限频率很高，这正是压电加速度传感器的优点。它的可测频率下限取决于压电8第二章振动信号采集系统元件两极产生的电荷泄漏及配套测量仪器的输入阻抗大小，一般不低于1 2 h z 。压电加速度传感器的安装对其测量频率的上限也有很大影响，安装不当会大大降低其最高可测量频率。用钢制双头螺栓将加速度传感器固定于光洁度高的平面上是最好的方法，在拧紧螺栓时，应防止基座变形而影响输出。在结合面之间涂一薄层硅脂，可以增加安装刚度。为避免在固定压电加速度传感器处造成接地而与另一接地点间产生地回路电流，导致混入噪声信号，可以用绝缘螺栓和极薄的云母垫圈来绝缘，在低温条件下可以用一层薄蜡来粘附压电加速度传感器。( 3 ) 横向灵敏度压电元件除产生有用的纵向压电效应外，还有有害的横向压电效应，横向灵敏度通常以相当于轴向灵敏度的百分数来表示，一个好的加速度传感器，其横向灵敏度应低于5 ，往往在加速度计上用小红点标出最小横向灵敏度方向，以供在使用安装时尽可能地避免横向振动的影响。( 4 ) 动态范围动态范围的下限，决定于测量系统总噪声的大小。前置放大器是噪声的主要来源，因此，动态范围的下限主要决定于前置放大器的质量。动态范围的上限，一般取决于加速度计质量块的重量、压电元件上预加载荷的大小，以及压电元件的机械强度。小尺寸的加速度计的动态范围上限较高。压电加速度传感器一般都配用低噪声电缆，其屏蔽层与介电材料间摩擦而产生的电荷比较小。但在使用中，仍应注意电缆的安放，避免电缆的弯曲、缠绕和大幅度晃动。2 1 3 本课题使用的压电加速度传感器特性参数本课题选用东华公司生产的型号为d h l 0 3 压电加速度传感器，适合中低转速的旋转机械的振动信号采集，具体参数如表2 1 所示。表2 1d h l 0 3 压电式加速度传感器参数表t a b l e2 1d h10 3p i e z o e l e c t r i ca c c e l e r a t i o ns e n s o rp a r a m e t e r s参数数值参数数值灵敏度2 8 0 7 0 c m s 之输出端引线位置上端安装谐振频率1 5 l 出z安装孔m 5 螺纹孔频率范同1 5 0 0 0 h z内部结构形式中心压缩最大测量加速度5 1 0 ：m s 。2使用温度2 0 。1 2 0 。使用极限5 l o - 1 m s2重量约2 6 克横向灵敏度比 1 0 m q9人琏交通大学i 学硕+ 学位论文22 信号调理电路压电加速度传感器输出的是微弱的电荷信号，必须经过电荷放大器转变成电压信号，再经过适当的放大变为适合采集卡采集的电压信号。22 1 电荷放大器原理电荷放人器可看作是具有深度电容负反馈的高增益放大器i 川。电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由个反馈电容c r 和高增益运算放大器构成，当略去传感器同有电阻r a 和放大器输入电阻r j 后，电荷放大器为图21 所示等效电路。图中，a 为放大器的开环增益，c a 为传感器固有电容，c c 为电缆电容，c 1 为放大器输入电容。一二j 垦lr - _ 产叫a 上上上q ：g t 。r 订? 。h2i 电荷放人器原理圜f i g u r e21 c h a r g ea m p l i f i e rs c h e m a t i c总输入电容c = c o + c 。+ e( 21 )总电荷q = q + q ，( 2 2 )反馈电容上的电荷”( u - u 。肾( 一鲁- u o 即- ( i + 椰导c ，( 2 3 )净输入电荷q ，= c u ，= z 鲁( 2 4 )总电荷o ：一竺! 生坠u ，( 25 )a般情况下山于c 与c r _ 人约是同一数量绒，所以( 1 + a ) c ，远远大于c 。因而输第二章振动信号采集系统出电压为u o = c + ( 1 + 彳) c ，c ，( 2 6 )电荷放大器的特点是输出电压由压电传感器两端所产生的电荷和反馈电容决定，而与压电传感器的固有电容c a 和电缆电容c c 无关。2 2 2 信号调理电路设计信号调理电路由主要有两个运算放大器组成，高输入阻抗放大器c a 3 1 4 0 完成电荷信号到电压信号的转换，精密运算放大器o p 0 7 对电压信号进行放大。信号调理电路图如图2 2 所示。图2 2 信号调理屯路f i g 2 2s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t输入的微弱电荷信号经过保护电路送给c a 3 1 4 0 ，c a 3 1 4 0 引脚图如图2 3 所示，c a 3 1 4 0 具有1 5 t q 高输入阻抗，电荷信号在电容c 1 上积累，由公式( 2 6 ) 可以得知o f i ：e t帅l li t o 删i p 仉v -图2 3c a 3 1 4 0 引脚图f i g 2 3c a 3 1 4 0p i nc h a r t1 1大连交通大学下学硕十学位论文经过电荷积累后的电压与反馈电容c f 成反比，电压信号经过c 2 隔离直流分量后，送精密运算放大器o p 0 7 反相放大2 - 3 5 倍后输出。四组旁路电容起到电源去藕的作用，对低频和高频电源干扰起到滤波作用【1 2 j 。2 3p ci6 2 2 1 数据采集卡数据采集卡的种类很多，当用数据采集卡测量信号时，在选择过程中必须考虑下列因素：输入模式、分辨率、输入范围、采样速率、精度和噪声等。2 3 1 数据采集卡概述一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入( 简称“模入 ) 、模拟输出( 简称“模出) 、数字i o 、计数器计时器等【1 3 】。模拟输入是采集卡最基本的功能。它一般由夺路开关( m u x ) 、放大器( a m p l i f i e r ) 、采样保持电路( s h ) 以及模数转换器( a d c ) 来实现。一个模拟信号通过上述各部分后可以转化成为数字信号。a d c 的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测量所需要的精度来选择合适的a d c 。模拟输出通常为采集系统提供激励信号。输出信号受数模转换( d a c ) 的建立时间、分辨率等因素影响。建立时间反映了输出信号幅值变化的快慢，例如建立时间短的d a c可以提供频率较高的信号。随着l a b v i e w 7 的推出，n i 同时推出了n i d a q 7 ，在其中增加了新型的驱动，即d a q m x 。d a q n i x 的测量类型共有5 种类型，即模拟输入、模拟输出、计数输入、计数输出和数字输入输出。模拟输入：电压、电流、电阻、温度、应变、频率和自定义测量。模拟输出：电压、电流。计数输入：边沿计数、频率、周期、脉宽或是半周脉宽。计数输出：脉冲输出。数字输入输出：线输入、端口输入、线输出和端口输出。2 3 2p c i6 2 2 1 性能指标p c i 6 2 2 1 性能指标1 1 4 1 ：1 6 路模拟输入，采样率2 5 0 k s s ，分辨率1 6 位；2 路模拟输出，采样率8 3 3 k s s ，分辨率1 6 位；2 4 路数字i 0 ；2 个3 2 位8 0 m h z 的定时计数器；n i d a q m x 测试软件和硬件配置程序支持。1 2第二章振动信号采集系统图24p c i 6 2 2 i 实物图f i g2 4p c i 6 2 2 1p h y s i c a lm a p“9 1蕤幽25p c i 一6 2 2 1 引脚图f i g2 5p c i 6 2 2 ip i n m a p_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一睁嗣确_ f 。：、受簟嗣晕鞫黉簟舅宙酮一_ - _ - _bl l _ - _ 带_ _ _昏瑟，_ _ 一oi一幽26d a q 配什圈f i g2 6 d a qa c c e s s o r i e s m a pd a q 配件具有6 8 个接线端，一端与数据采集卡相连，适用于数据采集 的转接。在本课题中，主要用到了p c i 一6 2 2 l 的第6 8 引脚和6 7 引脚，即模拟输入a 1 0 和模拟地人吐交通大学f 学硕 学位论文23 3p c i 6 2 2 1 数据采集卡的软件配置一般束晓，数据采集卡都有自己的驱动程序，通过政程序柬控制采集卡的硬件操作。当然这个程序是由采集卡的供应商提供的，用户一般无需对驱动程序的编写过多的了解，只要能使用驰动程序与采集卡硬件即可。p c i 6 2 2 1 数掘采集卡的配置工具软件m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r ( m a x ) 。通过它可以实现如f 功能：浏览系统中的设备和仪器，并快速检测及配置硬件和软件：通过；9 1 | | 试面板验证和诊断硬件的运作情况：创建新的通道、任务和接几等。配置程序的主界面如图27 所水。崮27 数据采集 的配置f i g27 d a t a a c q u i s i t i o nc o n f i g u r a t i o n在左栏里有d a t an e i g h b o r h o o d ，d e v i c e sa n di n t e r f a c e s 和s c a l e s 等目录。d a t an e i g h b o r h o o d 中存储了关于配置和修改任务、虚拟通道的信息，其中任务和虚拟通道都是测量参数设酉的集合。通过d e v i c e sa n di n t e r f a c e s 可以配置本地和远程硬件设备的属性，比如采集仁、串口和井口等。s c a l e s 用于标定运算。为了进一步简化d a q 编程，n i d a q 7 提供一个新的测量工具d a 0 采集助手。d a q 采集助手以图形化的方式配置d a q 操作。因为d a q 助手是完全以菜单方式驱动的，不需要任何编程，所以很少出错，并且还大大减少进行测量的时间。图28 为数据采集助手的参数设置。篓；兰堑垫篁兰! ：叁量丝幽28 数据采集助手的参数设置f i g2 8s e t t h e 口a r a i t l m e h o f d a t a a c q u i s i t i o n a s s i s t a n t本章小结本章首先介绍了压电加速度传感器的结构原理和主要特性参数，并对本课题使用的压电加速度传感器特性参数进行了描述。然后依据电荷放大器的原理设计了信号调理电路，并对数据采集卡性能指标进行了说明，详细描述了p c i 6 2 2 1 数据采集卡的软件配置。大连交通大学t 学硕十学位论文第三章振动信号处理振动信号的时域处理又称为波形分析，主要是对时域信号波形的分析和处理i l6 | 。根据需要，滤除或保留实测信号波形的某些频率成分可通过滤波处理来实现。波形的最大值、平均值、有效值，分析波形与波形的相关函数以及将位移、速度和加速度进行互相转换的积分和微分变换也属于振动信号的时域处理范畴。对于随机振动信号的时域处理，除了上述处理方法外，更常用的是一些概率和数理统计的处理方法，如概率分布函数、概率密度函数、均值、均方值、方差和相关分析等。振动信号的频域处理主要的方法为傅罩叶变换。振动信号的幅值谱可以用来描述振动的大小随频率分布的情况，相位谱则反映振动信号的各频率成分相位角的分布情况。随机振动信号的频域处理以建立在数理统计基础上的功率谱密度函数为基本函数。小波变换为非平稳信号处理提供了比较理想的数学工具，不仅继承了加窗傅里叶变换的局部化思想，而且克服了窗口大小不随频率变化、缺乏离散正交基的缺点，成为分析信号的显微镜。3 1 振动信号的采样和量化在实际的测试过程中，传感器输出的信号常常是连续的模拟信号。对于这样的信号，计算机是无法进行计算和处理分析的。这就需要对信号进行处理，使之变为数字信号1 17 1 。( 1 ) 信号的采样如果连续时间信号厂( f ) 的频带有上限。，则称此信号为带限信号。对于带限信号来说，为了能从其相应理想采样信号中不失真地恢复出原带限信号，这就要求周期延拓的频谱在各频率分量处不能相互重叠。如果有任何的重叠部分，频谱叠加后，则在带限内的频谱将与原来的频谱不同。这种频谱重叠现象称为“频率混叠”现象。若用这混叠畸变后的频谱在带限内进行傅里叶反变换所得的信号将与原来的连续时间信号不同。要使采样信号的频谱不出现频率混叠就必须要求：1 连续时间信号必须是带限信号；2 采样器的采样频率必须满足。 2 x o 。( 3 1 )这就是时域采样定理，也称为香农采样定理。它说明采样频率必须等于或大于信号所具有最高频率的两倍。有时也将信号最高频率称为奈奎斯特频率，= 孙，称为奈奎斯特抽样频率。同时，在很多数据采集系统中都要根据实际需要对连续信号线进行滤波，也称抗混叠滤波，以满足带限的条件。信号的采样也可称为取样或抽样。对信号处理的第一步就是通过采样保持器对信号取样。取样的过程实际上就是将以连续的时变信号处理为等时间间隔的离散时间函数序歹i i 。1 6第三章振动信号处理只要抽样的时间间隔r 专( 厶是信号的最高频率分量) ，那么抽样的信号z ( f )二j ”的频谱是信号f ( t ) 的频谱的周期复现，信号采样原理图如图3 1 所示。f ( t )六( f ) = 厂( f ) 6 r ( f )图3 1 信号采样原理图f i g 3 1s i g n a ls a m p l i n gs c