电子_电路基于LABVIEW和三轴加速度传感器的振动信号测量系统设计

1、机电工程学院毕业设计说明书设计题目：基于LABVIE惭口三轴加速度传感器的振动信号测量系统设计目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document .绪论1. HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 研究背景1. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 研究意义1. HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 研究现状2. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 电机

2、检测的研究现状 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 三轴加速度传感器研究现状3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 基于Lab VIEW 的虚拟仪器研究现状 3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 存在的问题，我的方案4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document .方案论证5. HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 整体设计方案 5 HYPERLINK l bo

3、okmark24 o Current Document .振动信号采集部分 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document .振动信号处理部分 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 振动信号分析结果输出模块 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 软件部分 7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 方案一8. HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 方案二9. HYPE

4、RLINK l bookmark38 o Current Document 最终方案的确定.10我的研究目标11.振动检测系统的硬件设计11 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 三轴加速度传感器部分1.2 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 压电式ICP三轴加速度传感器原理 12 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 三轴加速度传感器的选型 15 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 三轴加速度传感器的安装

5、13 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document IEPE恒流源部分.14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 数据采集部分 1.5 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 数据采集卡的选型 15 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 数据采集卡的安装 12 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 信号处理部分 17 HYPERLINK l bookmark60 o Curr

6、ent Document 硬件电路的连接17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 本章小结.18.振动检测系统软件设计20 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document NI LABVIEW 软件简介1.9 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document LABVIEW图形用户界面设置21 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 主界面设计20 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 输

7、出界面设置22 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 回放界面设置23 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 参数设置界面 23 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document LABVIEW功能模块设计 24 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 信号预处理模块 24 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 烈度报警模块 26 HYPERLINK l bookmark82 o

8、Current Document 谱分析模块 29 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 数据存储模块 30 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 信号数据的回放模块 32 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 本章小结33 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 3.振动检测系统仿真测试35 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 仿真信号生成 34 HYPERLINK

9、 l bookmark96 o Current Document 仿真分析结果 35 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 结.36 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 设计总结38 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 致谢40 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 参考文献41附录42基于Lab VIEW和三轴加速度传感器的振 动信号测量系统的设计.绪论研究背景随着近几十年来我国经济的快速发展， 科

10、学技术的进步，为了与生产方式进 一步适应，满足大型高速拖动的需求（如拖动大型发电机的形式实验及拖动大型 风机、水泵、轧钢机、球磨机等设备的高速运行），大型高速电机在我国也得到 了迅速的发展。高速电机是近几十年来电力技术、材料科学、机械工程、计算机发展的产物。 如今高速电机在机械工程（高速磨床、铳床等加工）、国防工业（飞机环境控制 系统、电动推进系统、电能存储系统）等发面获得了广泛应用，对提高设备性能 具有重要意义。随着电机的发展，结构的变化、性能的改善，电机与电力电子技 术的结合也是越发的紧密。现在对电机的安装尺寸、功率特性、可靠性、电气性 等方面的要求也是越来越高，振动状态成为衡量电机能否持

11、续可靠运行的重要标 志之一。世界上发达国家已经研制出转速达到 20万RPM以上的大型高速电机，我 国的也可达到17万R/min,显然传统的检测装置已经不能够满足大型高速电机 的振动检测需求，现我们需开发设计一种基于大型高速电机振动检测系统，以满足生产安全监测的需要。研究意义近十几年来，我国的电机在理论研究方面、结构方面以及原材料使用方面都 有了较大改进；但是大型高速电机的制造和检测方面我们与国外还存在着一定的 差距。对运行的电机来说，明显超过它所允许的幅值振动， 将会导致转子滑环和 和电刷磨损加剧以及产生环火，使机组联轴器不能正常工作，严重时将会导致封 闭系统的破坏；连接部件松弛和应力增大，并

12、危及电机的基础部分；对电机及周 围部件产生破坏及安全隐患，甚至酿成重大事故。为了提高国产大型高速电机的 质量和运行的可靠性，也为了适应电机生产和工作的环境， 使监测的效率及不良 隐患检出率得到明显的提升，开发一种高性价比的基于大型高速电机振动检测系 统也是当今市场的迫切需求。随着着计算机技术以及微电子技术的快速发展，创新的仪器设计思想应运而 生。相对于传统的智能仪器来说，极大地降低了成本，大幅的缩短了开发周期， 提供了全新的技术手段，改变了传统仪器的模式和功能，显示出了广阔的应用前 景。我们设计基于美国NI公司的Lab VIEW 2010以及压电式三轴加速度传感器 的大型高速电机振动检测系统。

13、由于 Lab VIEW具有丰富的测试、控制、数据分 析软件包，以及其可视化G语言编程，可大幅度简化开发。检测系统可充分利用 Lab VIEW提供的各种功能，包括数据采集、串口控制、数据显示、存储等。开 发此振动检测系统使更多的用户能够利用振动检测系统，对电机实行实时监测， 及早发现故障征兆，使用户及早更换故障零件，减少轮检、大修次数，节约成本， 创造更多的效益，并避免事故的发生，对电机运行监测及故障诊断具有重要的现 实意义。研究现状电机检测的研究现状早期的电机故障检测与诊断主要是依靠人体的感官与工人的的经验，或者借助简单的工具来进行检测判断。随着科学技术日新月异的发展，工业化进程的加 速，机械

14、设备的精密程度、复杂程度以及自动化程度更是越来越高， 依靠简单的 检测显然不能满足当今的需求。到目前为止人们已经研究出了多种现代化的诊断 方法，按诊断方法主要分为：电流分析法、声学法、温度检测法及振动分析法。（参考论文电机振动故障巡检系统的研究与开发）。其中振动分析法现已发展较为成熟：电机在稳定运行状态，具振动具有典型 的特征和允许阀值，当电机运行出现异常或故障时，其振动的幅值、形式及频谱 均会发生变化。不同的缺陷与故障又会产生不同频率的振动， 几乎所有的故障都 可以通过振动体现出来。通过传感器检测电机的运动状态，并对信号进行分析处理，分析各信号参数，与已知振动特征对比，可以诊断出振动故障的原

15、因与部位， 得出维修方案。三轴加速度传感器研究现状20世纪80年代初，继微压力传感器之后微加速度传感器作为微型惯性组合 测量系统的核心器件成为第二个进入市场的微型机械传感器。其中单轴加速度传 感器技术发展比较成熟，如美国 AD公司、日本日立公司、加州大学分校 UCB、 均开展较早，国内也有清华大学、哈工大、北京大学、中北大学、东南大学等都 相继开展了各种原理、各种结构的微加速度传感器的研究。在单轴加速度传感器的研究开发基础之上，根据三轴传感器信号获取方式的 不同，可以分为几种不同的形式：伺服平衡式、压阻式、压电式、电容式、光纤位 移式、温敏式（热对流式）、真空微电子式、隧道式、光波导式、谐振式

16、等形式这 些采用不同原理的三轴加速度传感器近年来都有一些报道5 o例如秦皇岛鑫华科技有限公司生产的 AD系列ICP传感器是内装微型IC放 大器的压电式三轴加速度传感器，将传统的压电式传感器与放大器集成在一起， 简化了测试系统，提高了精度。可以达到以下几点：1、结构合理，电路优化2、配长电缆不影响测量精度3、可直接传至信号采集设备4、有害防尘防潮放有害气体基于Lab VIEW 的虚拟仪器研究现状伴随着个人PC计算机配置的提升性能的优化，使个人 PC机的功能更是今 非昔比，正是由于PC机的迅速发展，基于PC机的虚拟仪器也如雨后春笋般涌 现出来：从1988年虚拟仪器开始在国际市场上出现，到现在已有数

17、以千计的虚 拟仪器产品。其中对虚拟仪器研究最为突出、发展最为成熟当属美国NI公司的Lab VIEW 虚拟仪器开发平台，在20余年的时间里已经发展成为具有有好的界面、可视化编程、以及庞大的软件包与数据库，其强大的功能已广泛被市场所接受， 且已进 入中国，并获得认可。近年来我国在虚拟仪器的研究也取得了很大的进展，基于虚拟仪器形式的状 态监测和故障诊断正适应了当今的生产需要与， 顺应了发展方向，处在并将持续 处在快速发展阶段。存在的问题，我的方案过程检测控制SPC虽然在理论上有了较大的发展，但是在实际应用中由于 科学技术与经济条件等的约束，还存在很多问题。很多企业并没有SPC系统，采用检测设备也是起

18、到抽检、把关的作用，使产品的质量的不到有效地控制， 生 产的安全也得不到根本的保障。在国内的运用虽然得到了很大程度上的推广， 但还远远的不到普及，还存在 如下问题：1、SPC数据采集困难应用SPC的企业大多数是由检测设备读取到数据后，绝大部分的数据由人 们手工完成采集与数据的处理，信息传递明显滞后导致测量误差过大、统计分析 工作量过大、过程得不到及时的过程监控等问题。2、管理水平低能够实施SPC的企业型不多，能够严格按照 SPC管理程序的企业更是少之 又少，有的控制线长年不变，有的工人意识不够，导致企业钱力物力也有投入但 却收效甚微。.通用性差当今企业应用的振动检测系统，具大多是通过硬件来实现

19、，不仅造成上述问 题，而且通用性差，一种仪器仅能实现一种功能或出厂时通过硬件来实现的功能， 而不能够根据企业自身特点自由发挥其主动效能，结构死板，灵活度差。.成本高也正是由于其通过硬件实现，导致 SPC系统不能普及的很重要的一个原因 是成本高，在企业的投入产出比中收益比较低， 是企业不愿意把钱花在过程监控 上，虽然他们明白实时监测的重要性与意义。为解决上述问题以及迫于实现工业系统的自动化与系统化，提高产品质量， 关注生产劳动的安全环境，我们基于电机检测应用最广、监测信息最多且发展较 为成熟的振动分析检测方法，结合最新的三轴加速度传感器技术及基于LabVIEW的虚拟仪器技术开发一种实时性好； 人

20、工工作量小；信息处理方便、准确； 且价格低廉、设备简单的实时过程检测系统。.方案论证基于上述研究现状及存在的问题，我们决定基于Lab VIEW和三轴加速度传感器设计大型高速电机振动实时检测系统， 我们依据其原理及可行性分析，设计 出以下方案，如下所述：整体设计方案振动实时检测系统主要结构由三部分组成： 振动信号采集部分、振动信号处理部分及振动信号的分析结果输出部分。其关系如图3所示：图3:振动检测系统顺序图.振动信号采集部分在本系统中大型高速电机作为被测件为系统提供初始振动信号，安装在大型高速电机上的三轴加速度传感器跟随电机一起振动，检测其加速度信号经信号调理电路转变为分析性能更好的较为稳定输

21、出，通过数据采集卡采集传送至终端 PC机，完成振动信号的采集工作。引箕他起机座振动等振动杂波信号大型 高速 电机 振动 源三轴度传数 据 采集 卡信号电段环境下的电段信号杂波图4:振动信号采集部分.振动信号处理部分振动信号处理部分是本振动监测系统中的核心部分，主要由运行于PC上的LABVIEW软件平台上的一个计算分析模块来完成其主要振动信号的分析工 作。该部分的结构及流程是由数据采集卡经模数转换后采集过来的振动信号传至 PC机的LABVIEW 平台经除噪滤波后，由核心模块对其进行频域、振幅分析， 核心模块内容详见软件部分说明，主要流程如下图所示：图5:振动信号处理部分详见 软件 流程图数据采集

22、卡振动信号分析结果输出模块振动信号分析结果输出模块作为本设计系统的终端模块，具界面的友好程 度，人机信息的交换程度很大程度上决定了该系统用户使用的方便程度与满意 度。该系统与传统的专用振动监测系统不同，我们不采用示波器，没有单独的配 置硬件设备，我们基于用户PC机本身及LABVIEW软件平台来实现所需信息的输出显示，异常报警功能；并可以实现数据的存档与报告的生成。其上部分（振动信号处理部分）主要是 PC机LABVIEW 平台数据实时处理 模块将信号进行分析处理后将图像信号传至计算机显示器进行显示，通过振幅阀值、频率阀值的设定进行振动异常的报警也是由PC显示器进行警示，其数据的存储与报告的生成则

23、由LABVIEW 工具包插件及相应程序复合完成后，数据存 放于硬盘之上。其主要结构如下图所示：PC机液晶 显示屏输出 波形及频谱PC 机振动异常空艮频率超限LABVIE W平台 数据实时 处理模块数据存替并 生成报告图6:振动信号分析结果输出模块软件部分作为系统的内核，软件部分担任着信号的分析处理、数据存贮等核心功能， 软件结构流程图如下图所示：打开Lab VIEW软件，开始初始化程序，启动数据采集驱动，开始采集三轴 加速度传感器传递过来的数据，由于在工作场地存在着各种噪声以及电磁电路产 生的信号干扰，信号数据中会存在大量的杂波，须经滤波器将影响较大的杂波滤 掉，为了检测大型高速电机的振动速度

24、， 我们将加速度信号进行积分处理， 将得 到的运算值预设定警戒值相比较，若低于设定值则说明运行平稳正常，若高于警 戒值则说明振动幅度过大，记录数据并进行报警。流程图如下:初始化程序启动数据采集卡调用滤波器子程序调用积分理数子程序分析处理结果显小井保存正常异常发出警报图7:软件处理流程图方案一基于整体系统框图的设计思路，按照大型高速电机的实时监测需求， 我们根 据市场现有的ICP压电型三轴加速度传感器，及 DAQ数据采集装置，来完成一 个NI-DAQ插卡式虚拟仪器的设计： 1、三轴加速度传感器选择现在市场上三轴加速度传感器已经较为完善，其主要有压电型、电阻型、应 变型等。根据该系统的需求，我们采

25、用ICP型压电传感器。图2.2-1 : ICP压电型传感器内部原理图2、数据采集卡的选择虚拟仪器系统主要有 PCI-DAQ插卡式、并行口式、GPIB总线式、VXI总 线式及PXI总线式。其中PCI-DAQ插卡式方式使用数据采集卡以计算机平台和 虚拟仪器软件，可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机总线、 机箱、电源以及软件的便利，其关键在于模拟信号的数字转化转换技术。随着计 算机的发展，其PC机箱、总线受限制、插槽数目不足等缺点正得到改善。随着PC机庞大的数量，以及插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特 别适合于工业现场测控、各种实验室和教学部门使用。数据采集卡我们选用NI公司的

26、PCI插卡式数据采集卡，其与LAB VIEW有 着完美的兼容，是A/D转换更加准确，功能更加匹配，其构成方式如下：图9 ： DAQ插卡式虚拟仪器系统根据上述系统的设计我们为了测量电机的振动参数，主要是电机振动速度， 我们根据位移传感器对低频比较敏感；而加速度传感器对高频比较敏感的特性， 我们选择ICP压电式三轴加速度传感器，我们把加速度传感器安装位置的选择在 了电机的两侧轴承外侧，采用打孔螺栓安装的方法，获得最佳的频响特性。加速 度传感器的信号至数据采集卡的传输方式选为有线传输。方案二基于整体设计的主旨思路，基于市场上多种多样的各种硬件器材。我们设计 与方案一不同的方案来进行比对。在本方案我们

27、决定采用电荷输出型三轴加速度 传感器，采用结构紧凑式的数据采集器，采用无线传输的方式进行信号的传输， 其安装部位选择微电机外壳与底座。无线信号传输应用最广泛的两种方式是红外传输与蓝牙传输， 其中红外传输 是以红外线的方式传递数据，可以很方便地实现无线方式连接， 传输速度快，但 是存在传输距离短，只能直线传输的缺点。蓝牙传输，是一种支持设备短距离通信(一般 10m内)的无线电传输技术。 能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进 行无线信息交换。实现最高数据传输速度 1Mbps(有效传输速度为721kbps)、最 大传输距离达10米，用户不必经过允许便可利用 2.4

28、GHz的ISM(工业、科学、 医学)频带，在其上设立79个带宽为1MHz的信道，用每秒钟切换1600次的频 率、滚齿(hobbing)方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。最终方案的确定综合比较方案一与方案二，其大体系统相同，工作原理及处理内核均相同。 不同之处在于加速度传感器的选型不同； 安装位置不同；数据采集方式不同；信 号的传输方式不同。我们来对两种方案进行对比：(1)三轴加速度传感器具内置IC放大器，在检测到振动信号的同时直接将 主信号放大，比将信号传输出来后将混入噪声杂波的信号同时放大信号要好，当今传感器正由结构性向物性型转变，物性型加速度传感器受结构而改变影响较 小，故选用压电式加速

29、度传感器。(2)电机的轴承是最能反映电机振动的部位，对电机轴承的检测至关重要。(3)由于本系统较小，采用三轴方向三路信号，我们采用 4通道的DAQ 插卡式数据采集即可满足要求。无需做成 Compact DAQ结构，造成资源浪费。(4)虽然无线信号传输更为方便，是线路更加优化，在工厂条件下更加安 全，但是考虑到工厂电磁设备众多，信号杂乱，为了传感器信号能够更为准确的 得到采集，本系统的可靠性更强，我们采用有线传输方式。综上所述：我们确定方案为方案一。10我的研究目标如前面所述本系统有硬件部分与软件部分两大部分组成，由于本科生毕业设计的一些约束，硬件方面我们采取模拟，我的任务主要在软件部分。基于L

30、ab VIEW平台开发一个振动信号滤波、积分、存贮以及显示的软件， 其三轴加速度信号有软件模拟生成。希望系系统可以移植到其他的振动测试系统 中，再结合硬件实物后，能够形成切实的功能，形成实时性好、功能完善、经济 使用的实时监测系统，能够在生产中切实的发挥作用。.振动检测系统的硬件设计众所周知，任何一个实际的集数据采集、转换、分析的检测系统是不可能凌 架于物理原件之上的，而这个物理存在，对本振动检测系统而言，由振动源的振 动采集，直到输入个人计算机进行分析的这个过程实现的物理依托就是本系统的 硬件部分。4据集 474型轴电速传器 TCP三E加度感据析位 数分上机高速 电机 振动 源其主要三轴加速

31、度传感器、信号调理电路与数据采集卡组成（包括软件运行 依托工作计算机）。该部分将振动源的加速度信号转化为我们计算机课识别的数 字信号，供我们做进一步的计算与分析。接线方式如下所示：我们用恒流源为 AD100-3X加速度传感器和NIPCI-4474数据采集卡提供电源，分别将三轴加速度传感器的三个轴向方向的加 速度模拟信号分别接到数据采集卡的前三个通道上，数据采集卡通过PCI总线结 构，将数据采集卡的插卡直接插入计算机的PCI插槽中。11三轴加速度传感器部分三轴加速度传感器是将电机振动源的加速度振动信号转化为我们可以分析、 计算、处理的电信号的核心转换原件，是我们本系统的核心部件，也是我们本系 统

32、的第一步，也是最为重要的一环、其性能的优略，决定了本系统的灵敏度、回 程误差等重要性能指标，其作用的重要性不言而喻。压电式ICP三轴加速度传感器原理压电传感器是一种有源传感器。它是基于压电材料的压电效应为转换原理 而工作的。压电材料在发生机械形变时，内部产生极化现象，材料的表面会产生 电荷聚集的现象。反过来我们可以根据其电荷的多少来计算其发生应变的大小， 继而计算其所受压力的大小。而具体到我们加速度传感器上的话，由于其质量是 固定不变的，而如我们所熟知的牛顿经典定律F =ma ,加速度大小自然可以得出。加速度也是空间矢量，我们要在立体空间对三个轴向加速度都进行测量，我们可以通过压电元件不同的方

33、向的电荷量的不同来得到相应轴向的加速度值。ICP型即将IC电荷放大器内置于三轴加速度传感器，直接与压电元件相连接， 较少外界噪声对其的干扰。三轴加速度传感器的选型本振动检测系统之中的检测对象为高速电机， 我们选用江苏靖江所生产的的JGA型高速电机，其主要参数如表 3.1.2所示:型号转速(r/min)电机参数功率(Kw)电压(V)频率(Hz)电流(I)JGA-110/3.02100003.03803505.0根据上述电机振动的检测需求，我们传感器的性能指标提出相应的要求，为 了使该系统的适用范围更大，我们对加速度传感器的要求较高。我们选择灵敏度 100mV/g,频率响应1-3000Hz,加速度

34、测量量程30g以上，传感器重量不超过100g。传感器的选用原则，我们基本上基于灵敏度与量程范围、线性范围、响应特12性、稳定性以及精确度，在满足此条件下选用经济型。 基于上述原则我们选用了秦皇岛鑫华科技有限公司生产的生产的ICP封装三轴压电加速度传感器AD100-3X。图3.1.2AD100-3X传感器实物图如上图所示即为AD100-3X传感器，该传感器压电材料为压电陶瓷，外壳为 不锈钢。性能参数如下：灵敏度：100mV/g；非线性度：W1%,频率响应：0.5-5000Hz; 安装谐振频率：20KHz;检测加速度量程：-50g+50g；输出阻抗：E100G;重 量:96g;工作温度-40120

35、摄氏度。本传感器采用直流 24V电源，输出方式采用 M5出线。三轴加速度传感器的安装根据大型高速电机自身相对传感器足够大，且可以在电机上打孔安装的自身特点，结合动态测试中加速度传感器安装使用方法摸索及应用中实验得出的相关结论,我们决定采用M5螺钉连接安装方式，安装力矩20-30Kgf.cm,以获得 最佳的频响特性。:表 3.1.3:厅P安装方式优点缺点1螺钉连接的安装 方式连接牢固，可获得最佳频响特性需要在事件上打孔，安装准 备工作较为繁琐2直接粘结的安装 方式不需要在事件上打孔，安装简 单、便捷连接牢固性较差，频响特性 较差，不能用于外壳不绝缘13加速度传感器的安装3垫块为胶木的安不需在试件

36、上打孔，安装简单， 便捷，且能很好的实现加速度传 感器与被测件的绝缘，适用于所 用加速度传感器的安装， 在三种 /、同材料垫块中，频响特性最佳连接牢固性较差，频响特性 较差4垫块为有机块的 安装方式不需在试件上打孔，安装简单， 便捷，且能很好的实现加速度传 感器与被测件的绝缘连接牢固性较差，频响特性 较差，二种垫块中，频响特 性最差5垫块为酚醛玻璃 布板的安装方式不需在试件上打孔，安装简单， 便捷，且能很好的实现加速度传 感器与被测件的绝缘连接牢固性较差，频响特性 较差，二种垫块中，频响特 性居中除了传感器的安装方式，安装位置也是十分关键的。考虑到被测部位的振动状态和传感器的工作环境，以及传感

37、器高的可靠性和灵敏度、宽的频响范围，需要遵循以下2个原则：（1）选择结构阻尼小、刚度高的位置作为被测点。（2）由于振动信号在传递过程中幅值要衰减，所以被测点应尽量靠近振动产生的位根据GB 10068.1-1988 （代替GB 28071981）旋转电机振动测定方法及限值中的国家标准规定，测点数为7个。因此本系统进行单通道测量时，传感器选择安装在位置7,双通道测量时分别安装在垂直和水平方向的位置1和2,进行双通道采集时还要考虑到如果两个传感器同时工作，不能靠得太近，否则会产生交叉感应10。图12:电机振动测定点位图IEPE恒流源部分所谓IEPE是压电集成电路的缩写，我们ICP型三轴压电传感器的输

38、出电压 信号十分弱小，不能进行较长距离的信号传输，在传输路径过程中，我们需要对 信号进行再次的稳定与放大，跟系统的实际需求：ICP型三轴加速度传感器14AD-100 3X的三轴向信号的放大需求，及稳定电流 4mA的电流值，我们选择包 流源。我们选择市场上的江苏联能公司生产的 IEPE适配器YE8321型恒流源，该 包流源有四个通道，可满足我们对于三轴向方向信号的传输放大需求，电流值 4mA/10mA可选，可为我们的4mA传感器信号进行配备。更重要的是该型号为 IEPE型，专门用于传感器传感器测试，也可作为电压放大器使用，具有频响范 围宽，稳定性好，增益、激励电流可调的特点。实物图如下所示：图3

39、.2-1 : YE8321型恒流源该型号恒流源具体参数如下：激励电压：24VDC ;激励电流：4mA/10mA可选；响应频率：0.3Hz-100kHz;输出信号：10V/5mA,精度：1% ；噪声： 50Vrms ;输入电压：AC: 220V 50Hz;采用BNC接口输入输出，可在0-85摄 氏度工作，满足我们的使用要求。其连线部分参见图3.5 :硬件电路电路接线图所示。数据采集部分随着计算机的发展越来越普及，功能越来越强大。现在我们已经习惯于使用 计算机来处理速度、压力、流量、位移等物理量，而把模拟信号转换成计算机可 以识别的数据信号就需要数据采集。数据采集卡的选型目前市场上的数据采集卡也是

40、多种多样，我们选择数据采集在满足通道要求 情况下的参数主要有两个，一个是转换精度，另一个是采集速度。依照我们基于15本系统三轴路信号转换的实际需求，转换原始信号为电压信号，支持同步采集, 主板具有缓存功能，分辨率12位，采样率50kS/s,支持Lab VIEW RT。基于上述参数需求，我们选择了 NI 9234动态数据采集卡，实物图如下:AIO+AIO-AI1 + AI1-AI2+AI2-AI3+AI3-图3.3.1-1 NI 9234动态数据采集卡本采集卡为C型总线结构，其驱动可在windows系统运行。其拥有四个BNC 连接器，具有同时对4路电压信号同时予以实时采集的功能，分辨率 24位，

41、采 样频率51.2kS/s ,最大测量输入电压范围 -5V 5V,最大电压范围敏感度 1.19 NV,板上存储量1023样本，动态范围110dB，激励电流4mA ,功耗900mW 功率较小，我们可以由USB接口提供电源直接提供。满足我们对于本系统的全 部需求，我们的选型是合理的。模拟信号的输入，我们采用浮接方式。使用浮接的连接方式可以避免对地噪 声，避免BNC连接器与金属外壳，及与其他模块、机箱的接触有效地降低噪声 干扰。如下图所示，在浮接信号源连接之中，我们信号源的正端连接BNC接线16NI 9234每一个模拟输入通道都通过一个 50建的电阻连接机箱，我们通过将 机箱接地处理，可使噪声最小化

42、；每个通道都具有过压保护功能； 每个通道的模 拟输入信号经过缓冲、调理后，由24位Delta-Sigma模数转换器对输入信号进行 采样。通过模拟和数字滤波，NI 9234可精确表示带宽内部信号并且抑制带宽外 信号。基于上述特点与功能，9234能够很好地实现本系统数据的采集转换需求。.2数据采集卡的安装NI PCI-4474型4通道24位动态信号采集卡可以完美的实现我们对三轴加速度传感器的三个轴向方向感应电压的采集，其 NI硬件与LABVIEW的同一个公司 的产品，互相支持没有不兼容现象。而对于该数据采集卡的安装我们也是非常轻 松的。安装新的硬件之前，我们需要对电脑安装 NI-DAQ m)B动程

43、序软件，以便让 windows能够检测到硬件产品。这个驱动安装比较简单，我们按照默认路径进行 安装即可，重新启动计算机后就可以了。本数据采集卡属于NI公司C系列产品，采用的是USB接口可以实现热插拔， 所以本硬件的安装没有难度。我们将其输出的USB接头直接插入计算机的USB接口即可。信号处理部分我们对信号处理使用的是LABVIEW 软件，作为硬件的支撑，我们的PC机 必须满足运行LABVIEW的最低要求。查阅相关资料得：1、双核CPU 20G以上主频2、2G及以上内存空间3、10G以上硬盘空间4、Window XP以上操作程序硬件电路的连接通过上述对ICP型三轴压电传感器 AD-100 3X、

44、联能IEPE恒流源YE 3821、17及NI 9234型数据采集的介绍，大家对硬件部分的组成、功能都有了认识，那么 在实际电路中的连接我们由下图所示：1EPE球黑 NI 9234USBSMH上副恒流版4曾件）图3.5:硬件电路连线图我们初始信号由ICP型三轴加速度传感器信号输出，具包括三个轴向方向X 轴、Y轴、Z轴分别三个输出端输出至 YE 3821恒流源，该恒流源由四个通道， 我们选择三个接入即可，其电源接 220V交流电源，三路恒流源输出直接接到 NI 9234数据采集卡的前三个通道，由于该采集卡为四通道，所以有一个通道作为 备用选项，而NI 9234数据采集卡通过US改口传至上位机，共后

45、续的处理、显 示、及存储。本章小结通过本章我们了解了我们所需要的主要硬件配置，其工作原理与主要作用， 是我们对实际振动检测系统有了全面的了解。对于本系统的设计也是一个基础, 一个平台。为后续的软件处理做好准备。184.振动检测系统软件设计硬件是系统实现的基础与支撑，而软件则是振动检测系统分析的大脑，是系 统的上层建筑，软件部分的设计，决定了本系统的数据处理是否精确， 功能是否 完善、人机交互是否友好等直接与用户体验相关的性能，直接决定了本系统的用 户群是否满意，所以软件设计是我们系统设计的重中之重。NI LABVIEW软件简介在前面绪论中我们曾经提到了虚拟仪器的发展现状， 我们对虚拟仪器也有了

46、 一定的认识。虚拟仪器就是通过应用程序将计算机与功能模块结合起来， 用户可 以通过有好的图形界面来操控计算机， 从而完成被测量数据的采集、分析、处理、 显示存储等操作，这就是虚拟仪器。19随着计算机的进一步发展，基于计算机为基础的虚拟仪器功能日趋完善，近年来更使得到了迅猛发展，它能够更好的服务于我们，我总结有以下几个方面原 因，其与传统仪器的对比如下表所示：4.111:虚拟仪器传统仪器软件使得开发维护费用降低开发维护开销高技术更新周期短技术更新周期长关键是软件关键是硬件价格低、可复用、可重配置性强价格昂贵用户定义仪器功能厂商定义仪器功能开放、灵活，可与计算机技术同步发展封闭、固定可与周围设备、

47、网络互连面向应用功能单一、互联有限LABVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境的简称，它是 NI公司研发的产品。 作为目前国际上唯一的使用 G语言编程的虚拟仪器软件，它把以前我们工程人 员从复杂、繁琐、费时的编程之中解放出来，我们可以通过菜单或图表的提示来 选择功能，使用线条把各功能连接简单图标的方法来编辑程序，简单、明朗，大 大提高了工程设计效率，也降低了学习者的难度。LABVIEW功能非常强大，其为我们提供了大量的处理函数及控件， 就像平时的电路图、流程图一样，容易上 手。LABVIEW图形用户界面设置一个软件系统用户首先接触的便是界面，我们系统所具有的功能应该能在面 板上得以体现，是否拥有友

48、好的界面是系统实用很重要的一部分。我们把系统做 好的目的便在于能够很好地给用户提供信息， 那么在这里我们对界面进行详细设 计。主界面设计在一个主界面要给用户提供最常用的信息， 最为必要的信息。首先我们把该 系统的名称显示出来，方便用户了解本系统是做什么用的，功能是什么？我们时 常要进行参数的设置，对参数进行修改，功能按键也是常用且必须得，所以我也20把它们设计到了前面板上，参数设置我们放在前面板上，有了信号的分析处理，其结果的输出是最为必要的，基于上面的指导思路，我们把前面板分为三块：仪 器名称、参数设置、信号输出显示。主界面如下图所示：三轴振动检测系统信号傣获想宣 3f 3EJ L OW41

49、得啕feWSK一 W烈度报警已物汨吃也密|班端国图4.2.1主界面输出显示界面决定输出结果是否友好的自然是数据的输出界面， 也是整个系统的关键之所 在，我们本程序可以进行滤波信号的显示，振动信号的趋势图，功率谱分析，以 及信号与功率谱的回放。由于前面板的地方是有限的，我们不可能将全部的显示控件都放在前面板 上，所以我们才用了选项卡控件进行分页分屏显示，这样我们就可以同时显示三轴信号，也可以对实时信号、趋势图及功率谱进行切换。不管是振动波形图还是振动趋势图表或者功率谱分析的显示，我们均对标签栏进行了修改，直接点击切换，方便快捷。在每一路先号前，我们也对信号进行 了说明，X轴方向振动信号、Y轴方向

50、振动信号或者Z轴方向振动信号都是清楚 明了。振动滤波信号显示界面、振动趋势图界面及功率谱分析显示界面在虚拟仪器 系统中界面如下图所示：21图4.2.2-1振动滤波信号显示图图4.2.2-2振动趋势显示图图4.2.2-3功率谱分析显示图22数据回放界面设置数据回放功能与主功能界面不同，我们不需要实时对其进行，我们决定不将 其放入主界面之上，我们采用功能按钮来调用回放功能子程序， 我们在子程序节 点设置中选择“在调用时打开前面板”选项前打钩。在回放时我们需要对回放信 号所存储的文件路径进行选择，然后对信号的轴向进行选择，停止按钮结束本程 序的执行。在回放过程中我们对原始信号进行回放并分析其功率谱，

51、 以便对于信 号的一个分析。界面图如下所示：0500100015002D0025W30003500400045005000图4.2.3信号回放功能显示界面图参数设置界面作为本系统界面的辅助设置，但起作用绝非辅助。我们往往需要对参数的修 改而对系统对系统进行设置。常用的信号滤波器设置及报警阀值的设置在前面已 经讲过，这里不再累赘讲述。参数设置模板界面在主界面中的一部分， 也是较为突出的。另外还有回放开 关，保存路径等均在界面设置模块，操作方便简单。布尔开关形象生动、各种信 息明确，这就是用户所需要的。23图4.2.3参数设置界面图LABVIEW功能模块设计正如前面所述，我们基于 LABVIEW

52、软件的上述特点，基于前面板上的所 需要实现的功能，来对我们振动检测系统的软件处理模块进行编辑，作为该系统信号处理、分析的模块，也是系统的核心，我们根据该系统的设计要求出发，针 对每一个功能，编辑相应的程序模块，来实现系统的功能。信号预处理模块更加的有效。当然在硬件部分中，IPC型传感器内置模块、信号调理电路其实均是对信号的预 处理，其作用就在于使后续的信号分析处理能够更加的准确，24我们LABVIEW软件也可以对信号进行预处理，我们采用窗函数和滤波器对信 号进行滤波处理。滤波器是承担滤波任务的主要承担者，当然LABVIEW中提供了丰富的滤 波器函数，我们可以轻松调用滤波器函数来实现滤波，例如（

53、带通滤波器、中值 滤波器、高频滤波器、低频滤波器等）在本系统中我采用的是Butter worth滤波器，其左侧有七个输入端，分别是高截止频率、采样频率、初始化/连续、阶数、滤波器类型与输入信号 X,右侧是滤波后的X信号与错误输出。不难理解高截止频率与低截 止频率的含义，具作为滤波器允许 通过信号频率的上限值与下限值， 采样频率决定我们对数据采集的 时间间隔或者频率，而滤波器类 型，我们可以通过此控件选择此滤 波器的类型，是选择高通滤波器、 低通滤波器、Band stop滤波器， 阶数控件我们可以选择滤波器阶 数，我们通常选择2阶，初始化/ 连续控件我们可以选择是初始化high cutoff f

54、req: fh 2sampling freq: 2low cutoff freq； fl 2ordtr 2init/cont (inrtFj 2fiber type 2上三品Lt服密曲 二， 判微卜库漉注类型r函数还是连续图4.3.1-1滤波器参数设置程序图而这些滤波器参数设置在前面板上的界面如下图所示， 我们可以通过前面板 的输入控件方便的进行输入，我们可以根据实际需求进行参数的设置， 类型的选 择等对滤波器进行设置。图4.3.1-2滤波器参数设置图在参数设置时，需要特别指出的是采样频率，采样频率决定了采样的时间问25隔，将连续的模拟信号进行离散化的采样，这些采集过来的点所组成的信号，在 时

55、间上是间隔的，但是在幅值上却是连续的。而如果时间间隔较长，或者采样数 较少的话有可能造成信号信息的丢失， 这是我们在信号处理时所不允许的。 我们 所遵循的规律叫做采样定律。假设有限带宽信号在f(n)频率以上没有频率分量，只有采样时满足采样频率是信号中最大频率分量(有用信息的频率，杂波除外)的两倍以上，即：f采2fn,我们才能将有用频率的信号信息全部的采集过来， 没有遗失和改变。将模拟信号转化为计算机可以处理的数字信号的过程有两步，一步是采样， 一步是量化。量化其实是将采样过来的某个点处的函数值精确到模拟/数字转换的一个近似值，我们根据实际精确度的要求舍去或者进位转化为一个满足要求的 具体量值，

56、再把这个数值转化为计算机课识别的二进制数，供下一步处理。采样我们需要考虑频率，那么量化我们也需要考虑量化误差。 我们在能满足要求情况 下，即能够根据数字信号还原原始信息的原则，尽量减少计算情况下进行。我们在处理数字信号的过程中，不可能对一个无限长的信号进行分析， 实际 处理过程中，我们其实是在一段时间内对在这段时间内的这段信号进行分析与处 理，这样就相当于把一个连续的模拟信号“切断”，我们取有用一段进行分析与 处理，而实现这个“切断”功能就靠我们 LABVIEW 软件提供的窗函数。Hanning窗又叫开余弦窗，使用它可以降低旁瓣高度，但也会增加主瓣宽函 数如下：一(I - cos ),0 F

57、M T2TW二Yj S其它4.3.2烈度报警模块经过上个模块对信号进行滤波与加窗， 实现了对信号采集与量化之后，就满 足了我们进一步分析处理的条件，那么这一模块就属于我们对信号信号进行分析 的功能模块了。本模块我们思路简单明了，通过上一模块传送过来的数据，由于是加速度数26 据，我们需要根据电机的振动速度信号幅值进行报警，我们需要先做积分处理， 得到速度信号，再处理信号提取时域信息，与报警阀值作比较运算，如果大于报 警阀值我们进行报警，如果运行正常，我们继续检测其振动状态，流程图如下所 示：图4.3.2-1烈度报警流程图时域振动的幅值往往能给我们以直观的信息，简单而且使用，本功能模块我 们实现

58、基于均方根值的烈度报警功能。 时域信号有均值，均方根值和有效值，我 们利用LABVIEW 自带函数可以得到周期均方根值，峰峰值等有用信息，但是 我们通常采用周期均方根值来表示信号振动的强度，我们采用周期均方根对信号 进行烈度报警。我们以上面流程图的思路作为指导，我们打开NI LABVIEW软件程序框图， 在上一模块滤波器后面，把滤波后的信号作为该模块的初始信号，在“编程”里 面打开“信号处理”，打开“信号运算”我们就可以找到积分函数，同样是“信 号处理”，打开“波形测量”，我们可以找到“幅值和电平测量”控件，我们可以 从中选取一个，从“数学”中选择“比较”，我们可以找到“大于”控件，点击27接

59、线端，我们可以创建一个输入控件，最后通过布尔报警指示灯进行报警。 我们 仅需把信号依次从左至右连接即可，这就是LABVIEW的方便之处。示意流程图如下：图4.3.2-2烈度报警流程图有了程序，软件便可以执行，以便实现相应的功能，为了用户使用的灵活性 与更改被测量振动源发生改变时，参数的变化，我们需要可以对报警阀值加以设 定的功能，如上面程序比较控件所创建的输入控件，即为报警阀值输入控件，在三轴振动检测系统中报警阀值在前面板设置如右图所示：图4.3.2-3报警阀值设置其功能的实现，即发生振动异常进行报警时，由前面板度报警指示灯完成，而在 本三轴振动检测系统之中，在前面板的显示如图所示，三个指示灯

60、被标注分别对 X轴方向、Y轴方向与Z轴方向的振动烈度，当振动超出报警阀值时，可以单路 报警，如果两路以上超出，则相应报警。至此则完成烈度报警模块。烈度报警X踣信号投警指示灯 V路信号投言旨亍灯I热售号警指示匚图4.3.2-4烈度报警指示灯28谱分析模块上一模块我们基于信号的时域特性，通过对加速度信号进行积分获得速度信 号，测得速度信号的周期均方根作为烈度报警的根据， 一句话总结起来就是时域 分析模块。那么在这一模块我们对信号的另一方面频率进行分析，并将分析结果 予以显示。进行频谱分析，我们首先介绍一下常用的谱分析，所谓频域分析是根据信号 的频率来估计和分析信号的组成成份和特征量，对信号本身进行