基于小波变换的旋转机械振动测试系统

于 波 郑 听

(东北石油大学电子科学学院，黑龙江 大庆 163318)

随着科学技术的迅速发展，工业生产水平不断提高，旋转机械在社会生产中发挥的作用越来越重要，机械设备的结构变得复杂，功能更加强大，机械化、智能化程度显著提高。为了预防旋转机械故障的发生，避免机械被迫停机带来的损失，需要研发一种功能强大、界面友好，而且能够对振动故障信号进行有效分析的综合性故障诊断系统来保障旋转机械的正常工作[1]。

为此，笔者介绍一种自行研发的基于小波变换的旋转机械振动测试系统，该系统不但可以对振动故障信号进行频谱分析，确定故障类型，还能够通过小波变换对振动信号的突变点出现的时间进行确认，弥补了快速傅里叶变换分析结果缺少时间信息的不足。

1 总体设计①

基于小波变换的旋转机械振动测试系统的研发，以计算机为硬件基础，以LabVIEW和Matlab作为软件开发平台[2]。考虑到在LabVIEW中直接实现小波变换的程序编译过程复杂、可维护性差；而Matlab的小波分析技术更加成熟，编程设计更易于实现，不过Matlab中存在人机交互界面和数据采集功能较差的缺点，但这两方面恰恰是LabVIEW的优势所在。因此，本系统通过LabVIEW对Matlab节点的调用，实现LabVIEW和Matlab的结合，充分发挥了两款软件的优势，使系统的综合功能更强[3]。基于LabVIEW模块化的设计思想，确定系统总体设计思路，具体设计方案如图1所示。

图1 旋转机械振动测试系统的总体设计方案

2 系统软件

在基于小波变换的旋转机械振动测试系统中，根据总体设计方案，将软件系统分为8个功能模块：信号采集模块、信号处理模块、频域分析模块、小波分析模块、频域显示模块、小波分析结果显示模块、信号存储和读取模块。利用LabVIEW和Matlab编程软件分别实现各模块的功能。

2.1 信号采集模块

信号采集的主要目的是将传感器检测到的模拟电信号转换为数字信号。测试系统是对声信号进行检测，进而实现分析处理及显示等功能。数据采集卡所选用的是普通计算机内配置的声卡。声卡是模拟信号与数字信号之间的纽带，通过话筒获取声音模拟信号，再通过模数转换器，将模拟信号转换成数字信号供计算机处理分析。在LabVIEW函数库中提供了有关声卡函数的子模板[4]，如图2所示。

图2 Sound read waveform子VI

2.2 信号处理模块

通过声卡所检测到的振动信号通常会掺杂干扰信号，噪声干扰是主要的干扰成分，且其频率多为高频。为使分析的结果更加准确，必须使用滤波器滤除干扰信号，测试系统所使用的滤波器为LabVIEW函数库中信号处理子模板下的椭圆滤波器，如图3所示。

图3 LabVIEW中的椭圆滤波器程序

2.3 频域分析和频谱图

频域分析是将通过滤波器的信号进行快速傅里叶变换得到信号的频谱，即在频率域分析信号。测试系统采用快速傅里叶变换子VI处理信号，其程序如图4所示。经过快速傅里叶变换后，对频谱图进行分析，可以得出信号的总振级、最大幅值和最大幅值的频率[5]。选用Graph作为频谱图显示控件，显示界面如图5所示。

图4 快速傅里叶变换子VI

图5 频谱图显示界面

2.4 小波分析和结果显示

快速傅里叶变换反映信号的总体特征，且频谱图中缺少时间信息，为了弥补快速傅里叶变换分析结果的不足，系统采用小波变换对信号进一步分析，在LabVIEW中通过设计树状迭代的滤波器组能够实现小波变换，但是设计过程非常复杂，可维护性比较差。Matlab中附带有多种小波基函数，可以通过简洁、灵活的编程实现小波分析，系统通过LabVIEW对Matlab节点的调用，实现小波变换[6]，程序如图6所示。振动信号经过小波分析后，能够观测到突变点出现的时间，依然选用Graph作为分析结果的显示控件，结果如图7所示。

图6 LabVIEW调用Matlab Script节点实现小波变换

图7 小波变换分析结果显示

2.5 文件管理

旋转机械振动测试分析系统不但能实现对数据的采集、处理及分析等功能，还能将处理后的数据记录下来，存至PC机的硬盘或移动硬盘中，供与其他测量数据对比。操作系统是以文件管理的形式实现对数据的读取与存储的，文件管理模块主要由数据存储和数据读取两部分组成，该系统存储、读取数据的模块如图8、9所示。

图8 数据存储模块

图9 数据读取模块

2.6 系统总体功能的实现

将上述8个功能模块按照G语言的编程思想并结合一些算法进行编程，就得到一个以LabVIEW为软件平台，通过调用Matlab Script，实现频谱分析和小波分析的综合性振动故障测试系统，其程序如图10所示。

图10 振动故障测试系统程序

振动数据分析系统的前面板如图11所示。

图11 振动数据分析系统前面板

3 结束语

基于小波变换的旋转机械振动测试系统以LabVIEW为开发平台，通过对Matlab Script的调用，更好地实现了小波变换的功能，克服了傅里叶变换缺少时间信息的缺点。同时设计了一种更加有效的时频分析方法，利用小波变换对信号的分解与重构，可以很好地将信号中的突变点检测出来。该系统功能强大，通过频谱分析可以得到信号的总振级及最大幅值等重要参数，且可维护性更强，操作简便，通过对前面板选项的选择，可以直接观测到频谱图和小波变换分析结果，系统还

设定了存储和读取功能，对于实时观测信号用户可以随时对信号进行存储，以方便以后的调用和对比研究。

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