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基于LabVIEW的振动信号采集与分析系统的开发

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论文导读：它们都能作为周期振动信号的特征值。在降低硬件设备要求的同时提高了信号采集与分析的能力。故障诊断，基于LabVIEW的振动信号采集与分析系统的开发。

关键词：振动信号，故障诊断，LabVIEW，信号采集

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0引言

振动信号分析作为故障诊断的一种方法，以其不拆卸机体，不影响设备的正常工作，测量范围广等优点，广泛应用于各类工业和工程之中。随着计算机技术、信息技术以及虚拟仪器技术的发展，越来越多的人开始通过虚拟仪器对机械的振动信号进行采集与分析[1]。LabVIEW是美国NI公司开发的图形开发环境，它在研究、开发、生产、测试工作中得到广泛应用[2]。本文所设计的就是基于LabVIEW的机械振动信号采集与分析系统。

1系统设计

本文所设计的信号采集分析系统包含振动数据采集和数据分析两个部分。采集部分包括基本参数的显示和振动信息的存储；分析部分包括时域、统计、时频分析和小波分析。发表论文，故障诊断。图形化软件一般包括初始化，悬置，运行，停止等状态。在本系统中，初始化是在程序启动时，清空相关输入控件和显示控件；悬置是程序等待用户输入相关参数或者点击相关按钮以改变程序状态；运行是程序进入数据采集和分析状态；停止状态时，程序关闭所有子程序。系统这四种运行状态在本程序中通过状态机实现[3]。

2系统实现

2.1采集系统

采集程序所要实现的功能主要是在一定的采样频率下采集振动的全部信息，其采样所得的结果必须能够在分析时完全再现采集时的振动情况。具体的实现过程如下：

通过DAQmx来创建任务，并根据数据采集卡与传感器的连接情况来设置物理通道和虚拟通道；加入相关输入控件，设置系统参量；根据传感器设备设定采样率，以便于后续的频率分析；以TDMS存储大量采样数据；利用case循环和按钮来分别表示初始化、悬置和运行这3个状态。

2.2分析系统

由于实时采集的数据只能做出简单的时、频分析，不能得到振动信号中更深层次的信息，因此必须对设备的振动信号进行更加深入细致的分析，这个就需要进行离线分析。发表论文，故障诊断。分析程序所要实现的主要功能是再现设备的振动信号，并能够从多个层次和方向上得出振动信号的特征参量，并将这些特征参量以输出控件的形式返还给用户，以供人们了解设备的工作状态，更深入地了解设备的振动机理，改善设备工况，优化监测系统[4]。

在本系统中，分析部分具有5个分析模块，分别是时域信号显示，统计数据显示，功率谱密度显示，时频特征显示，以及小波包分解。该系统的具体实现过程如下，读取信号采集系统中存储的TDMS文件中的数据，利用索引数组选择特定的信号通道，利用数字输入控件查看特定周期的数据；分析程序采用While循环，内部添加一个事件结构以控制程序的运行；而上述5个分析模块位于事件结构之内，并用Case循环和选项卡来选择分析内容[5,6]。

时域信号显示：它能显示采集时实际的时域图谱，在运行时可以很清晰地看出振幅与时间的关系，可以判断出故障发生时的时间，清晰直观。

统计信息显示：系统中所统计的数据包括算术平均值，均方差，标准方差，峰值，峰峰值，基频。发表论文，故障诊断。它们都能作为周期振动信号的特征值，在数值上描述振动特征。

功率谱密度：由于振动信号中存在大量噪声，所以通过功率谱密度来显示振动信号在各个频率段上的功率密度，减少由于噪声所带来的误差。

时频分析：由于频谱分析只能看到频域特征的能量关系，通过短时傅里叶变换可以很清晰地从图谱上看到频域、时域与能量3者间的关系，更利于对故障的分析。发表论文，故障诊断。

小波分析：通过小波包来分解特定的频段，以更高的分辨率查看故障频率的位置，也是一种越来越常用的信号分析方式。本系统中可以自动画出频率的分段关系，并能通过数据节点来查看指定节点的频域信号，更加清楚地描述故障频率段。

最后通过设置按钮和属性节点，将两个子程序放入事件驱动结构，使用按钮分别控制信号的采集和分析两个子程序，上述的两个子系统就整合为一个整体程序生成本系统。

3系统应用

作者将该系统应用内燃机振动信号的采集和分析，并针对内燃机的特点对本系统进行了小幅修改，即完成了内燃机振动信号的采集和分析系统。具体的实施情况如下：

该内燃机实验机为单缸四冲程柴油机，缸套直径105mm，行程115mm。实验的目的是通过收集气缸盖与曲轴左滑动轴承振动信号来识别内燃机工况。在实验中采用电机倒拖法来模拟内燃机的工作，即通过电机带动皮带轮，皮带轮带动飞轮，飞轮带动内燃机。传感器为压电式加速度传感器，安装于主推力面上的缸盖表面和左滑动轴承的垂直方向及水平方向三个位置。

采用的为电机倒拖发动机，就会由于皮带轮打滑或者电机转速的波动等原因造成内燃机转速不稳，考虑到此特殊情况，程序中编写了一