机电设备振动测试系统设计

张宏斌，徐京明，吴志东，许绍华

（1.齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.黑龙江省智能制造装备产业化协同创新中心，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

1 引言

机电设备故障与振动关联密切，振动信号包含多数故障信息，采集与分析机电设备振动信号非常关键[1]。文献[2]通过传感器和虚拟化仪器相互结合，实现了对转子运行状态的网络化和在线监控。文献[3]研究和开发了一种便携式机械振动检测系统，可以实时地反映各种机电设备的工作状态。因功能强大，操作便捷，使用者可通过自定义设置和二次开发软件来实现功能的増减与改变，国内外很多振动测试系统都采用LabVIEW 软件平台运行工作[4−6]。

美国MathWorks 公司出品的MATLAB 商业软件，在算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算方面具有独到的优势，诸多学者[7−9]利用该软件开展机械振动测试和故障诊断领域的研究工作，但MATLAB 是一种单纯的程序软件，没有配套的硬件设备，在数值计算方面功能强大，但在振动测试过程操作、数据实时显示分析，系统调试与优化方面有较大的局限性。

基于现代机械振动测试技术和智能故障诊断算法，利用Lab⁃VIEW 虚拟仪器编写算法程序，搭建在线监测系统，实现虚拟技术在机械振动监测系统中的应用，能够满足实时监测、良好人机界面的功能，通过多通道传感器的布点设计可以更有效的对关键部件，有效的对振动信号进行处理，满足系统处理精度要求[10]。虚拟仪器技术的发展还存在一些弱点，对于数据采集和数据分析的结合度较低，数据分析时效性较差，部分检测系统架构复杂、空间占用率大，成本较高。基于以上问题，结合机电设备状态监测参数多样性、数据实时性和传输远程性需要，利用IEPE加速度传感器模块、LabVIEW 图形化编程语言和PC 机开发出一套基于LabVIEW的机电设备振动测试系统，能够对数控机床、减速齿轮箱等机电设备关键部件的运行状态进行实时监控与分析[11−12]。

2 振动系统方案设计

机电设备振动测试系统由硬件（电源电路、驱动电路、振动传感器、信号预处理电路、数据采集卡）和软件（硬件仪器的编程和LabVIEW 上位机编程）两个部分组成[13]，如图1所示。在振动测试过程中，经驱动电路供电的振动传感器采集机电设备关键部件振动信号，信号预处理电路将其由模拟信号转变为数字信号，并进行放大、滤波、降噪等预处理，数据采集卡将预处理后的数据进行收集与存储，而后将数据通过USB 设备接口传输给PC端，在LabVIEW上位机程序中进行读写和算法分析。

图1 振动测试系统方案Fig.1 Vibration Test System Solution

对机械振动信号进行分析和处理，涉及时域及频域分析过程[14]。基于LabVIEW 的采集软件程序，首先保存采集信号的时域部分，在LabVIEW 信号处理模块中设置FIR 数字滤波器和傅里叶变换分析程序，对信号进行滤波降噪和时频域变换，在频谱图中提取故障特征信号。

3 系统软、硬件设计及编程

3.1 嵌入式软、硬件系统设计

3.1.1 软件结构

基于用户测试需求，开发嵌入式数据采集仪/分析仪的软件，通过数据串口实现上位机与下位机通信，上位机设置图形化用户接口主控界面，对下位机数据采集、传输和分析过程进行闭环操控，如图2（a）所示。

3.1.2 硬件结构

基于嵌入式操作系统的数据采集/分析仪进行振动信号采集，完成研究对象状态信息的获取，并进行信号的实时分析。采用嵌入式总线形式串联各个功能块，利用DSP控制和联调整个系统，硬件结构功能块，如图2（b）所示。

图2 嵌入式软、硬件系统Fig.2 Embedded Software and Hardware Systems

3.2 下位机程序设计

加速度值可以在频谱图中代表机械振动的能量随频率的分布[15]。基于IEPE压电式加速度传感器模块进行振动信号监测系统设计。传感器模块原理，如图3（a）所示。芯片通信的管脚为IIC_SCL、IIC_SDA、MPU_AD0、MPU_INT四个，用导线把P1端子各功能脚连接到STM32开发板上，实现传感器模块与STM32通信，MPU_AD0 我们接GND，振动信号数据通过串口1发送给上位机。

图3 传感器供电原理Fig.3 Sensor Power Supply Principle

利用可充电锂电池，结合升压模块和电源电路开发传感器供电板电路，如图3（b）所示。在振动测试数据采集过程中对传感器进行持续供电。传感器低阻抗电压输出、体积小、动态范围大、高灵敏度、高分辨率、抗干扰性能好，适用于恶劣环境的测量，可输出稳定有效的电压信号，其表面通过螺纹固定一个强吸附力磁座，便于固定在被测对象上，传感器基本电参数及动态指标，如表1所示。

表1 传感器基本参数及动态指标Tab.1 Sensor Basic Parameters and Dynamic Indicators

下位机程序编写及其调试，如图4所示。采用DMA 结合多路ADC实现多通道模、数信号转换，不占用CPU资源，保证数据采集速度。

图4 下位机数据采集程序设计Fig.4 Lower Computer Data Acquisition Program Design

3.3 上位机程序开发

基于LabVIEW软件的数据采集模块与信号处理模块编写上位机显示与控制程序，如图5所示。上位机程序包括程序控件和用户图形两个面板，系统主程序控件面板，如图5（a）所示。利用Labview函数主项中编程、数学等子项控件进行系统程序设计，在While循环中嵌套四个条件结构设置相应功能控件内外串接，实现数据读写、显示和分析功能。数据显示、数据分析和历史数据查询等模块的用户图形操作界面，如图5（b）所示。

图5 上位机程序设计Fig.5 Upper Computer Program Design

3.3.1 实时数据显示模块

在While 循环外部设置VISA 串口号与数据采集仪通信，在While循环内部设置文件读写路径，利用条件结构创建四个通道的波形显示控件，并配备显示仪表、报警值和报警指示灯控件，从数据采集仪传来的数据以表格形式读写入LabVIEW 软件程序，在波形控件中实时显示数据曲线，根据被测对象的故障状态设置报警幅值，当每个通道的振动信号幅值超出报警幅值，报警指示灯亮起，左侧仪表分别对相应通道数据幅值范围进行调控。

3.3.2 实时数据分析模块

分别设置四个通道的波形显示控件，在控件接口端引入常用的频域分析方法FFT时频变换控件，每个通道单独执行程序，将数据从时域变换到频域，在频谱图中显示数据频率与幅值的对应关系，可以实现振动特征值的实时提取与分析。

3.3.3 历史数据查询模块

机电设备振动测试是一个持续时间较长的过程，需要根据设备运行状态、生产加工环节、现场测试环境、测试设备的状况进行全运行周期的测试和取样，所测数据量庞大。历史数据回顾模块可实现每个通道的历史数据存储、查找与显示，便于将不同阶段和同一阶段不同通道取样数据进行比对分析，有效提取故障特征信号，实现机电设备故障的准确诊断。

4 系统实现与验证

4.1 系统测试实验

采用IEPE加速度传感器和下位机数据采集模块采集振动数据，通过串口将数据传输给PC机，在LabVIEW 图形化程序中进行数据读取、显示与处理，实现上位机与下位机系统联调测试，模拟测试过程，如图6所示。

图6 下位机数据采集及上位机读显交互Fig.6 Lower Computer Data Acquisition and Upper Computer Reading and Displaying Interaction

下位机数据采集模块内置加速度传感器、A/D转换器、信号放大器以及外接数据实时显示屏，通过USB 串口与PC 机连接。将数据采集模块以一定速度向四周移动或翻转，传感器采集到的振动信号经信号放大及模数转换，通过USB串口被传输到上位机文件读取程序中。上位机界面的四个通道选项卡设置不同的参数，随即在四个通道内显示信号波形，四个仪表分别显示各个通道数据的值，写入的数据被存储在Excel表格文件中。结合图5程序，可以实现四个通道振动信号幅值和相位数值的实时观察和分析以及多次测量历史数据的查询和提取。

4.2 MATLAB数据处理

将4.1中各通道的Excel表格振动数据以数值矩阵的方式写入MATLAB程序中，利用plot绘图工具将四组数据分别作图，得到以下时域波形，如图7所示。

图7 MATLAB数据处理Fig.7 MATLAB Data Handling

通过对比分析，发现所开发的系统振动测试结果准确，测试过程可以实现上、下位机交互，软件与硬件结合程度高，数据显示更直观，操作界面清晰，参数调整便捷，相对MATLAB 商业软件在振动测试方面具有明显优势。

5 结语

基于软硬件程序设计，结合虚拟仪器技术，开发一套机电设备振动测试系统，通过测试实验和MATLAB数据处理验证，振动测试结果可信。该系统可实现下位机采集与上位机读显交互，结合振动信号筛选智能算法，可以对机电设备关键部件振动状态进行实时监测和分析。所开发系统可实现即时提取振动信号幅值、相位数值，界面清晰，可视化程度高，操作简单，数据采集的精度较高，使用该套系统可采集各类机电设备振动信号，系统升级方便，可有效缩短相关振动测试平台的研发周期。