便携式机械振动测试系统的设计与实现

郝建亮，张彦江，陈志勇，宋文爱

(1.中北大学信息与通信工程学院电子测试技术国家重点实验室，太原 030051;2.北方自动控制技术研究所，太原 030051)

0 引言

在现代机械工业和机械工程中，机械振动信号反映了机械系统的动态信息。因此，利用振动测试系统对设备进行实时监测和故障分析成为现代工业保障运行设备安全、及时避免隐患的重要手段。随着计算机的技术的飞速发展，出现了以计算机软件为核心的虚拟测试系统。本系统以美国国家仪器公司(National Instruments，简称NI)推出的LabVIEW软件作为开发平台，对1221L-050加速度传感器的信号进行数据采集和时频域分析，并根据分析结果判断振动信号的动态特性。本系统采样了一种新的高精度频谱分析方法——相位差校正法［1-3］，提高了系统的频谱测量精度，使得测量频率误差小于0.01%。本系统可应用在地震勘探、设备状态监测、故障诊断等领域。

1 系统整体构成

本系统由1221L-050加速度传感器、信号调理电路、USB采集卡和 PC机组成。其工作过程为：1221L-050加速度传感器拾取振动信号，经过信号调理电路放大滤波处理后经由触发模块产生触发信号启动MP424 USB采集卡对振动信号进行采集，并将采集的数据通过USB线传输到PC机内存中，PC机通过LabVIEW对采集数据进行分析处理，并以波形的形式显示在LabVIEW前面板上。系统整体原理框图如图1所示。

1.1 1221L-050加速度传感器

1221L-050是一个低噪声、高灵敏度、大量程加速度传感器。其灵敏度达到80mV/g，输入范围为－50g～+50g，其频率响应为0～2000Hz，可以承受的最大加速度为5000g。它的输出为两个模拟电压值，正向加速度(AOP)和反向加速度(AON)，在没有加速度的情况下输出为+2.5V(+5V供电的情况下)。

图1 系统原理框图

1.2 信号调理电路设计

由传感器输出的信号是非常弱小的(最大0.3V左右)，因此对传感器拾取回来的信号需要进行放大处理。由于1221L-050为互补输出，所以采用抗干扰能力比较好的差动放大结构对信号进行放大，将信号放大10倍。对放大信号进行滤波处理采用二阶低通滤波放大电路对信号进行放大滤波，滤除信号中的高频成分，信号放大2倍，使得输出信号在－5V～+5V之间，便于采集卡进行采集。振动信号只有在产生振动的时候才有信号输出，对振动信号一直采样无法捕捉到完整的一个振动周期。因此采用硬件触发对信号进行采集，可以很好的解决该问题。因此，需要添加电压比较电路产生触发信号，使得采集卡在振动信号超过设定阈值时才进行采样。

1.3 MP424采集卡

MP424是一个四通道的12位高速AD采集卡，其内部由四个AD组成，由FPGA控制。MP424支持全速、连续大容量采样，可以直接将采样信号缓冲在PC内存中，采样长度和采样频率均可通过软件设置，最大采样长度512M点/通道(M为1兆)，最高采样频率达1MHz。采用USB总线，支持即插即用，其所有功能设置都可以通过软件控制。AD部分采用软件自动零点、满度校正技术，可以有效避免输入零点误差。当输入电压为－5～+5V时，其采样值与电压值间的转换关系为：

式(1)中V为电压值，M0为A/D的采样值。

2 LabVIEW软面板开发

2.1 LabVIEW与MP424通信的实现

本系统采用调用动态链接库(简称DLL)实现与MP424的通信［4］。在LabVIEW中，调用DLL有C或stdcall两种调用方式。本系统采用MP424自带的动态链接库函数(MP424.dll)作为DLL进行调用，因此采用stdcall方式进行调用DLL。LabVIEW中DLL的调用通过调用库函数节点来实现。该图标节点位于：互连接口≫库与可执行文件≫调用库函数节点。将图标节点放在程序框图面板中，再根据DLL调用规范进行参数配置，即可完成对DLL函数的调用。其中参数的配置是调用DLL的关键，只有正确的配置参数类型才能实现与MP424的通信。LabVIEW调用动态链接库，进行A/D采样的程序如图2所示。

2.2 LabVIEW系统方案设计

由图形化编程软件LabVIEW编写的人机界面非常友好、操作简便、易于维护和扩展，且其功能完全由用户自己定义［5］。LabVIEW设计的振动测试系统主要由前面板和程序框图两部分组成。前面板用于人机交互和数据的动态显示，程序框图则是完成数据的采集、处理、分析和程序的运行流程等功能。

图2 调用DLL进行A/D采样程序

由于NI公司开发的LabVIEW是基于模块化程序设计思想，因此在本系统设计过程中也遵循了这一思想。根据系统的功能要求将系统分为三个模块［6］，分别为：数据采集显示模块、文件操作模块和数据分析模块。系统总体设计方案如图3所示。

图3 系统总体设计方案

3 系统测试与结果分析

3.1 振动信号的采集

为了验证系统的可行性，将传感器固定在实验台上，并用锤子轻轻击打实验台，观察系统的信号输出波形并进行分析。系统某一通道某次锤击产生的振动信号波形如图4所示。

图4 振动测试系统主界面

3.2 时域分析

测试系统的时域分析包括：自相关函数、互相关函数以及时域统计信息。图5为系统时域分析前面板。

3.3 相位差校正的频谱分析

机械设备的振动信号中包含着大量有关设备运行状态的信息，并有确定的频率谱存在［7］。一个振动信号往往包含许多频率成份，不同的频率成份的振动是由不同的机械故障原因引起的，通过频率分析可求得振动信号的频率和它们的幅值和能量，并通常能与特定的机械现象相联系。因此，频谱分析成为振动测试中最重要的分析手段。

图5 时域分析前面板

由于FFT只能对有限的样本进行运算，易产生能量泄露，使得测量精度降低。加窗时单谐波频率的最大误差可达36.4%，因此采用相位差校正法对频谱进行校正，以提高精度。其原理如下：

对原始单频率信号采集两个样本，每段采样点数为N，两信号表达式分别为：

分别对上面两信号加相同的窗函数并进行离散傅立叶变换由(3)转换得：

其中 T=N/fs，f=fs(k+ Δk)/N，fs为采样频率，T 为窗函数的周期，Δk为频率校正量，k为峰值谱线号。代入(4)式得：

由于k为整数，2kπ可忽略不计，因而可得归一化后的频率校正为：

由于α1、α2都是未知的，所以通过峰值谱线k处的相位角的傅里叶变换将式(6)转换为：

式中Δf为频率变换量。

表1为由信号发生器产生的5组单频正弦信号进行频谱测试的部分数据。测试结果表明利用相位差校正法进行频谱测量能很好的提高频率的精度，使得频率误差小于0.01%。

由式(8)求得频率校正为：

表1 五组单频正弦信号的频谱测量结果

(续表)

图6为校正前后的测试频谱图。由图中可以看出经过校正后的频率具有更高的精度，能更好的识别不同频率的主要能量，从而根据常见的机械现象诊断出引起振动的原因。

3.4 短时傅里叶变换(STFT)

在振动测试中进行故障诊断时往往要求知道振动产生的具体时间和振动的强度。STFT能很好的记录不同时间各种频率的能量分布情况。

短时傅里叶变换［8-9］是用于对非平稳信号进行时频分析的有效工具，其基本思想是：选择一个时频局部化的窗函数，假定分析窗函数g(t)在一个短时间间隔内是平稳(伪平稳)的，移动窗函数，使x(t)×g(t)在不同的有限时间宽度内是平稳信号，用傅里叶变换分析每一时间间隔，以确定该时间间隔存在的频率。其计算公式为：

在公式中，e－jωt起频限作用，g(t)起时限作用。STFT反映了信号在不同时刻各个频率成分信号的相对含量。图6为采用平滑窗，窗长度为500的某次测试的频谱图和时频图。

图6 校正前后频谱图和时频图

需要注意的是，如果用Δf和Δt分别表示STFT的频率分辨率和时间分辨率，则二者的乘积具有不确定性原理：

因此要想提高频域精度必须以降低时域精度为代价，而提高时域精度将以降低频域精度为代价，二者必须兼顾考虑，才能得出合适的时频图。

4 结论

本文设计的基于LabVIEW的四通道便携式振动测试系统，可以同时对四个振动信号进行采集、处理和分析。本系统基本可以取代传统的磁带记录仪和信号分析仪，既可以在线实时监测振动信号的时域和频域波形，又可以将信号先存储下来，再进行离线分析。测试系统中信号触发可以手动选择硬件触发或软件触发，具有很好的灵活性。

在现代机械工程和地震勘探中振动测试系统因其测试和分析的在线性和无损性，以及能及时、准确的反映机械设备的运行状态和故障起因，而被广泛的应用。本系统具有测量精度高、携带方便、操作简单、稳定可靠、成本低，以及易于维护和扩展等特点，因此具有很好的应用价值。

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