基于LabVIEW的陀螺仪振动信号采集与分析

1、基于LabVIEW 的陀螺仪振动信号采集与分析窦修朋,尤传富,欧阳国鑫(长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春130012摘要:针对陀螺马达振动信号的微弱性,通过数据采集卡检测到的信号要进行大量复杂的线形系统分析,要求数据准确,根据虚拟仪器设计思想在PC 下利用图形化编辑语言LabVIEW 对陀螺马达的振动信号进行过采样数据采集、波形显示、时域分析、数字滤波、数据存储、频域分析,从而实现对振动信号的多通道信号采集和实时分析。系统逻辑图形清晰,可以有效的防止波形失真,误差小,起到了很好的故障诊断分析作用,在工程应用中实用性强。关键词:LabVIEW 系统;虚拟仪器;过采样;时域分析;频域分析中

2、图分类号:TP311.52;TP274+.2文献标识码:A文章编号:1674-5124(200902-0064-03Acquisition and analysis of gyroscopic vibration signal based on LabVIEWDOU Xiu-peng ,YOU Chuan-fu ,OUYANG Guo-xin(School of Electric and Electricity Engineering ,Changchun University of Technology ,Changchun 130012,China Abstract:According t

3、o the weakness of the vibration signal of gyroscope motors ,a large number of complexlinear system analyses needed to process the signal detected by data acquisition card ,and the data must be precise ,those of the gyroscope motor vibration signal such as data acquisition ,waveform display ,time dom

4、ain analysis ,digital filtering ,data storage and frequency -domain and so on were analyzed according to the virtual instrument design with graphical progamming software LabVIEW on PC to realize the multi -channel signal acquisition and real -time analysis of the vibration signal.The logic diagrams

5、of this system are clear ,the waveform distortion can be effectively prevented ,and the error can be reduced.Thus ,this system can play a very important role in the fault diagnosis and has very practical impacts on engineering.Key words:LabVIEW ;Virtual instrument ;Over-sampling ;Time-domain analysi

6、s ;Frequency domain analysis收稿日期:2008-09-05;收到修改稿日期:2008-11-30作者简介:窦修朋(1982-,男,河北沧州市人,硕士研究生,专业方向为信号分析及处理。1引言随着科学的不断发展,人们对惯性导航系统的陀螺仪要求越来越高。陀螺马达是陀螺仪的心脏,要使陀螺定向精度高,必须保证陀螺马达在工作过程中正常工作,尽量减少无规则振动和噪声。转子要保持高度的动态平衡,除此之外,马达轴承在高速旋转时也产生振动信号,转子高速旋转引起风阻和由此引起的噪声会诱导转子转动。而信号往往淹没在机械本体几信号处理电路包含的大量噪声中1,这些振动和噪声都会影响陀螺罗盘的定

7、向性能。因此,在陀螺马达的设计和安装高度中,非常需要明确振源,是由转子不平衡引起,还是轴承振动或风阻噪声引起的。振动测试及分析系统主要用来分析陀螺转子的振动情况。引起陀螺转子振动的因素可分为质心偏移因素和非质心偏移因素,质心偏移因素可通过动平衡消除,而非质心偏移因素多数是由轴承(特别是滚珠轴承引起的,无法通过动平衡消除。振动大的陀螺在系统使用中会对系统性能产生较大影响。因此,在陀螺总装前对陀螺马达进行振动测试和分析十分必要。计算机和仪器的密切结合而成的虚拟仪器是目前仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器的最突出的特点可以发挥出计算机的能力,具有强大的数值处理功能,可以根据自己的需要创造出功能强大的仪

8、器。在这一领域内,使用较为广泛的计算机和开发环境的是美国NI 公司的LabVIEW 。整个系统只有输入、输出端,其他仪器功能键都在可视软件板上完成,操作简单方便2,并且能进行远程控制3。2系统硬件设计如图1所示,陀螺仪振动的信号由传感器接收,经信号调理、数据采集卡后传递到虚拟仪器控制面版,其主要功能如下。第35卷第2期2009年3月中国测试CHINA MEASUREMENT &TEST Vol.35No.2Mar.2009第35卷第2期2.1数据采集卡数据采集卡的功能一般有模拟输入、模拟输出、数字I/O 、计数器/计时器等。INV306U-5164数据采集卡是美国国家仪器公司设计的一种

9、多功能数据采集卡(DAQ ,适用于PC 及兼容机,可用于各类电信号的采集、控制及处理后电信号输出。2.2虚拟仪器控制面版利用LabVIEW 软件开发出具有形象按钮的前面板,利用其强大的图形化编程功能,可以实现各种显示和处理功能。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4。只要对微机面板上的按钮进行操作就能完成监测与诊断任务。3采用过采样方式进行AD 采集信号过采样技术就是指高于奈奎斯特采样频率的频率对模拟信号进行采样的技术。过采样法是提高分辨率和信噪比的十分有效的方法3,获得与高分辨率ADC 相同的信噪比4。过采样对量化噪声功率起到平均作用

10、5,定由量化噪声引起的固定噪声功率后,可以计算增加有效分辨率所需要的过采样比。(1确定有效采样频率:选择一个略大于2n 的有效采样频率S sin ,视M 为整数时,2/(MT =S min 成立,且T 能被方便的设计。采样率的选择M 实际采样频率s =M S min =2/T ,M 取值一般较大。每增加一位分辨率或每减小6dB 的噪声,需要以4倍的采样频率进行过采样6。(2采样长度的选择:对于振动信号,通常是每次采集1024个数。出于某些特殊考虑,采样长度也可以取其他值,如2048、4096等,但都要取为2的整数次幂。因为在进行快速傅里叶变换(FFT 时,运算起来比较方便。(3多周期的平均计数

11、方法:在数据采集的环境下,利用计数方法测量信号的频率。可以对多个周期的采样信号进行记计数,然后以其平均值作为频率测量值。假设采样频率为F ,共采集m 个周期信号,用计数的方法找到各个周期样本个数,分别为N 1,N 2,N m ,那么对应于各周期的频率值分别为F/N 1,F/N 2,F/N m ,考虑m 个周期的频率均值有f=F/m 1/N 1+1/N 2+1/N/m 。可以看出,所求的频率值实际上是在m 个周期范围内的加权平均值。一般情况下该计数方法的频率误差小于1%7.4系统软件设计LabVIEW 是一种图形化编程环境,采用它开发陀螺马达振动信号数据采集程,能够充分地利用图形化编程语言的优势

12、,通过对数据采集卡的初始化设置和数据采集程序设计,就可以方便地构建数据采集系统。本系统是根据美国国家仪器公司最新虚拟软件版本LabVIEW8.5进行设计。系统软件结构设计流程图如图2所示。其功能包括号信号输入、波形显示、频谱分析、波形存储与回放等。LabVIEW 通过函数库或是控件的形式提供了大量的用于信号处理的函数,即滤波器函数、窗函数、信号发生函数、时域函数和频域函数5个子函数库。系统必须滤出信号中高频成分,采用低通滤波方式,在实际应用中可以调用上述函数来实现各种信号处理功能。频谱分析是振动信号处理的最重要的一种分析方法。对于频谱分析,可以进行滤波窗口选择。频谱分析可以选择傅里叶谱、功率谱

13、(包括自功率谱、互功率谱频率响应函数以及相位谱等。把功率谱和频谱用波形图显示可以更直观的功率谱和频谱的变化,并且能测信号的最大幅值。在陀螺转子振动频谱上,不同的频率分布往往对应着不同的振动原因。在PC 上实现振动信号的频谱分析,通常的方法是对信号进行离散傅里叶变换(DFT,但是这种算法的计算量大,计算时间较长,所以采用快速傅里叶变换(FFT 算法这样可以节省时间,也能达到所需要求。FFT 算法把一个信号数组分解为奇数下标和偶数下标两个数组,然后利用指数函数(即旋转因子的周期性消去多余操作8。图3、图4为LabVIEW 下检测到的某一陀螺马达信号的频率谱和功率谱。窦修朋等:基于LabVIEW 的

14、陀螺仪振动信号采集与分析652009年3月中国测试在本系统中通过数据采集卡(DAQ采集到的马达信号进行分析处理后并将数据记录到一个特定的存储文件里,该路径可以根据需要自由设定。LabVIEW中有一组功能强大、伸缩性强的文件处理工具,能够完成对信号数据读/写数据,完成测试数据的存取与回放功能。在线检测和故障诊断时需要根据回放记录的数据进行数据触发的警报或事件判断是否合格。设备的组件应当简单而且对于用户是透明的,在数据上实现不同类型的安全性应当非常方便。可以用LabVIEW软件平台提供一个专用工具以快速和方便地构架检测应用。5结束语本文针对陀螺马达振动信号的特点,对其振动信号进行适时采集、处理和分

15、析,由此可知陀螺仪的工作状况,如果工作不正常则能分清是否由于质心原因或其他原因,可以随时调取标准信号或保存的信号进行比较。由于陀螺马达属于保密器件所以只能在实验室内进行模拟防真实验,有一定的局限性。利用LabVIEW强大的图形化编辑语言和高性能数据采集卡,构建先进的数据采集和分析处理系统,实际工作中状态良好,通过防真得到的可以改善和提高信号检测精度。利用虚拟仪器技术以透明的方式把硬件、PC、软测量技术结合到一起,可以实现开发周期短、高效率、性价比高、维护简单的优点。参考文献1余亮琴.微陀螺微弱信号数字处理技术的分析与仿真J.中国机械工程,2006,15(7:304-306.2董介春.基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现J.青岛大学学报,2002,17(3:59-60.3胡仁喜.LabVIEW8.2.1虚拟仪器势力指导教程M.北京:机械工业出版社,2008.4王萍.利用过采样法提高A/D分辨率和信噪比J.仪器仪表学报,2002,23(3:1-2.5丁晓红.LabVIEW在实验室远程控制中的应用J.计算机工程与应用,2003,23(3:139-141.6赵选民.数理统计M.北京:科学出版