1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） Labview 环境下基于声卡的旋转机械振动信号数据采集系统 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本文将设计一个 LabVIEW 环境下基于声卡的旋转机械振动信号数据采集系统。本人负责整个 系统的硬件和信号采集存储部分，即旋转机械振动及故障信号的采集和存储。本系统采用压电传感器拾取被测旋转机械的振动信号，将旋转机械振动信号转换为模拟信号，利用声卡作为信号采集设备，实现振动模拟信号与数字信号的相互转换，并对信号进行数据存储及处理，判断有无故障产生。 本设计的第一步是关于故障的形成和发展过程
2、 。 转子质量不平衡、转子动静碰摩故障、不对中故障、轴承松动故障、油膜涡动与油膜振荡故障等都是旋转机械中常见的故障特征，本次设计主要针对其中几项故障进行模拟试验。接下来是关键的一步 数据采集。本次设计是对故障形成 后产生的数据进行数据采集，一般采用数据库的方式。故障信息处理包括对故障信号的检测和分析。本次设计中的故障信息处理即对旋转机械振动信号的分析。 关键词： LabVIEW， 旋转机械 ， 振动信号 ， 数据采集 II Labview environment based on sound vibration signal of rotating machinery data acquisi
3、tion system Abstract This article will design a LabVIEW environment based on sound vibration signal of rotating machinery data acquisition system.I am responsible for the entire system of hardware and signal acquisition and storage components, namely vibration and rotating machinery fault signal acq
4、uisition and storage.The system uses piezoelectric sensors pick up the measured vibration signal of rotating machinery.The rotating machinery vibration signals are converted to analog signals.the use of sound as a signal acquisition equipment to achieve vibrating analog signal and digital signal con
5、version.and make data storage and signal Processing to determine whether the fault generated. The first step in this design is about the failure of the formation and development process.Rotor unbalance, rotor rub fault movement, not in failure, loose bearing failure, oil whirl and oil whip are all f
6、ailures in rotating machinery fault characteristics common.This design make simulation test for several of the major fault.The next step is the key - Data Acquisition.This design collection data after the formation of fault data generated, commonly used database.Fault information including signal de
7、tection and analysis of fault. The fault information in this design that is on the analysis of rotating machinery vibration signals. Keywords: LabVIEW , Rotating Machinery , Vibration signal, Data Acquisition III 目录 摘 要 . I Abstract. II 1 绪论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.2课题的意义 . 1 1.3国内外发展现状 . 2 1.3.1 设备故障诊断技
8、术的研究现状 . 2 1.3.2 虚拟仪器的研究现状 . 3 1.3.3 声卡作为数据采集卡的研究现状 . 4 1.4课题研究的主要内容 . 5 2旋转机械及其常见故障形式 研究 . 6 2.1旋转机械振动的分类 . 6 2.2旋转机械常见故障特征 . 7 2.2.1转子质量不平衡 . 7 2.2.2转子动静 碰摩故障 . 8 2.2.3不对中故障 . 8 2.2.4轴承松动故障 . 9 2.2.5油膜振荡 . 10 2.2.6转轴裂纹故障 . 10 2.3本章小结 . 12 3系统总体结构分析 . 13 3.1系统的工作原理 . 13 3.2 系统硬件配置 . 13 3.2.1 旋转机械振动
9、分析及故障诊断试验平台系统 . 13 3.2.2 工控机 . 16 3.2.3 采集卡的选用 . 17 3.2.4 传感器的选择 . 17 3.2.5信号调理器 . 18 3.3 本章总结 . 19 4软件模块的设计与实现 . 20 4.1前面板设计 . 20 4.1.1数据采集和保存模块的实现 . 20 4.1.2查找文件模块的实现 . 21 4.2程序框图设计 . 21 IV 4.2.1数据采集和保存程序设计 . 21 4.2.2查找以保存文件程序设计 . 22 4.3本章小结 . 23 5系统测试 . 24 5.1功能验证 . 24 5.2数据采集 . 24 5.2.1信号发生 . 24
10、 5.2.2正常转轴数据采集 . 25 5.2.3外圈故障数据采集 . 25 5.2.4内圈故障数据采集 . 26 5.2.5滚珠体故障数据采集 . 27 5.3查找功能 . 28 5.4本章小结 . 29 结论 . 30 参考文献 . 31 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 32 附录图 1 前面板操 作主界面 . 32 附录图 2 程序框图 . 32 LabVIEW 环境下基于声卡的旋转机械振动信号数据采集系统 1 1 绪论 1.1 课题的来源 旋转机械是工业应用最广泛的机械， 很 多旋转机械 设备 是众多行业的关键设备，这些设备一旦发生故障，将造成巨大的经济损失。 而 转子是 旋
11、转机械 最重要的部分 ， 转子的振动信号是 旋转机械是否正常工作的 一个重要的信息 。 因此，在工业生产过程中，为了减少设备故障造成的损失，要加强对转子运行状态的监测和诊断分析 。 目前， 国内外很多企业都为大型转子配备了监测和诊断系统，但大多数由硬件实现，系统不易更新。 LabVIEW 作为一种虚拟仪器开发平台，它在航空、航天、通信等众多领域都得到广泛的应用。从经济效益和实用性的角度考虑，采用虚拟仪器技术对工业生产过程中的旋转机械设备进行在线监测和数据分析是很好的选择。利用 LabVIEW 编程环境开发数据采集系统，可以同时采集多个振动信号，使整个操作简单灵活且运行可靠。 1.2 课题的意义
12、 随着现代工业生产的发展 ,旋转机械故障诊断技术 作为 一项 重要的 设备诊断技术 也日益发展 。它是研究设备停机时基本不拆卸 的情况下或 设备 运行中，判定设备故障的部位、状态 、 原因和严重程度，预测设备可靠性和寿命，并提出解决方案的技术。其研究的内容涉及信号处理技术、模式识别、电子技术、现代控制理论、人工智能、计算机科学、统计数学、模糊数学、灰色系统理论等多方面的内容。对旋转机械进行诊断包括对设备的性能进行诊断和对设备的故障进行诊断两方面内容。 旋转机械 作为 重要 工业生产 设备 ,它的正常运行对工业生产 的效益 有着重要影响 。因此 ， 需要 对这些设备 运行时 进行监测 和 故障
13、分析及诊断 。 比较好的方法是 通过故障诊断系统对旋转机械进行振动信号的监测 和 分析 ， 因 为 旋转机械大部分的故障征兆都包含在 其 振动信号中 。通过对振动信号的分析可以 判断设备是否正常运行 ， 是否 有 潜在的故障 存在， 预测故障的发展趋 势，为设备的正常运行提供保障 。 转子组件是旋转机械的核心部分，它由转轴及固定在其上的各类圆盘状零件组成。由于 机械运作时 整个转子 处于 高速旋转 状态 ，如果其中某个零件 或者在某个连接部位 出了问题， 都 可能会 导致 机组的强烈振动 ，进而导致机组的损坏 。 因此转子组件的 制造、安装、调试 和 维护管理 等各方面 都 是 有很高的要求的
14、 。 数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采LabVIEW 环境下基于声卡的旋转机械振动信号数据采集系统 2 集信息的过 程 1。数据采集系统是结合基于计算机（或微处理器）的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集系统的主要任务是将被测对象的各种参数做 A/D 转换后送入计算机，并对采 集 到的信号做相应的处理。数据采集系统分为软件和硬件两部分。数据采集软件通常根据用户的要求进行编写，选择好的开发平台可以起到事半功倍的效果。 在阅读了大量文献并进行分析的基础上 ,发现对声卡和虚拟技术的研究主要侧重于实现信号的采 集 、显示、存储以及后期针对特殊应用
15、进行的分析处 ，而对于基于声卡的虚拟仪器的具体性能并没有进 行 详细的 测试分析。 LabVIEW 是一个较好的图形化开发环境 。 随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展 ， 虚拟仪器逐渐成为现代仪器的发展方向，其中大部分虚拟仪器都是基于各种数据采集卡，如 NI 公司的 Lab-PC-1200 数据采集卡，研华公司的PCL-1800 型数据采集卡。在对采样频率要求不高的情况下，可以利用计算机的声卡进行数据的输入和输出。声卡是一种非常优秀的音频信号采集系统，其数字信号处理器包括模数变换器 ADC 和数模变换器 DAC。 ADC 用于采集音频信号， DAC 则用于重现这些数字声音。声卡已成为多媒体计算
16、机的一个标 准配置，因此基于声卡的虚拟仪器具有成本低、兼容性好、通用性和灵活性强的优点，可以不受硬件限制，安装在多台计算机上 2。 在利用专家系统技术对机械设备进行故障诊断的过程中，故障征兆的提取是非常重要的环节之一 3。 1.3 国内外发展现状 1.3.1 设备故障诊断技术的研究现状 近几十年来各国都在大力开展有关设备故障诊断技术的研究，并已取得了显著的成效，获得了巨大的经济效益。 为了 掌握故障 的 形成和发展过程， 必须研究故障机理 ，从而 了解设备故障 的 内在本质及其特征，建立合理的故障模式。依赖相关的基础学 科，建立相应的数学或物理模型，进行计算机仿真 实验 ， 这种研究方法 是设
17、备状态监测与故障诊断的基础 4。 在旋转机械方面，美国 SohreJS 在 1968 年发表论文“高速涡轮机械运行问题 (故障 )的起因和治理 ” 5， 他将典型故障归纳为 9 类 37 种 ， 对旋转机械的典型故障征兆和原因进行了全面的归纳和描述。该项研究成果已被广泛应用于高速旋转机械故障诊断中。 自 60、 70 年代以来，日本的白木万博发表了大量 关于 故障诊断方面 的 文章，总结了丰富的现场故障经验并进行了理论分析 6。汽轮发电机组转子振动故障的分类 没有统一的模式 ， 白木万博的分类法将振动原因分成 20 类，由此建立病LabVIEW 环境下基于声卡的旋转机械振动信号数据采集系统 3
18、 症隶属度与振动故障之间的关系矩阵，他提出将声发射信号与振动信号同时输入一个仪表的方案，在汽轮机故障监测和诊断方面起到了有效的作用。 美国 Bently公司的转子动力学研究所对转子和轴承系统典型故障机理进行了大量试验研究，发表了不少论文 7。它 对 旋转机械故障诊断机理和转子动力学方面 进行了细致的研究 。该公司开发的旋转机械故障诊断系统 （ ADR3） 得到了很多用户的欢迎，应用状况良好 。 我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，但是发展很快。 总体 来说 ，经历了两个阶段：第一阶段是从 70 年代末到 80 年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开研究；第
19、二阶段是从 80 年代初期到现在，在这一阶段，机械设备的故障诊断研究 才正式全方位的展开 ，人工智能等先进技术 的 引入大大推动了诊断 技术 的研制和实施，取得了丰硕的研究成果。中国机械工程学会设备维修分会在南京首次召开 的 设备故障诊断和状态监测研讨会标志着我国诊断技术的研究进入了一个新的发展阶段 。 随后又成立了一些 与 汽轮机故障诊断 相 关的行业协会和学术团体，主要有 ： 中国机械工程学会设备维修分会、中 国设备管理协会设备诊断技术委员会、中国振动工程学会故障诊断学会及其旋转机械专业学组等。这期间，国际国内学术交流频繁，对于基础理论和故障机理的研究十分活跃，并研制出了我国自己的在线监测
20、与故障诊断装置。 “ 八五 ” 期间研究大容量火电机组监测诊断系统的 过程中 ，应用 了 各种先进技术，加快 了 研究步伐，缩小了与世界先进水平的差距。 国内对于旋转机械各种典型故障进行了十分详尽的研究，在实际工程诊断中获得了广泛的应用 8。上海汽轮机厂研究所经过多年的实验和研究，推出了四套旋转机械状态监测和故障诊断系统，在系统硬件配置上 做了较多的工作。华北电力学院对汽轮发电机组振动监测与故障诊断系统进行了研究 ， 以模拟转子试验台作为信号源。上海交通大学研制了一种热力参数监测和故障诊断系统TPD，该系统可以提高运行可靠性、优化运行方案、提高运行效率、延长运行寿命。东南大学对远程分布式故障诊
21、断网络系统和集成智能故障诊断系统进行了研究。哈尔滨工业大学对诊断系统从数据采集到原型机理论作了很多研究，并推出了代表性的诊断系统 MMMD9。 1.3.2 虚拟仪器的研究现状 虚拟仪器是计算机 、 通信、微电子等现代科学技术高速发展的产物。自从1785 年库仑发明静电扭秤， 1834 年哈里斯提出静电电表结构以来，测量理论方法 得到 改进 ， 仪器仪表元器件质量 得到 提高 ， 电测仪表和电子仪器随着 这些 相关技术的进步得到飞速发展。 虚拟仪器的核心思想是利用计算机强大的资源使本来需要硬件实现的技术软件化 , 以便最大限度的降低系统成本 , 同时提高系统的灵活性。在虚拟仪器LabVIEW 环
22、境下基于声卡的旋转机械振动信号数据采集系统 4 系统中 , 信号的输入环节一般采用数据采集卡实现。商用的数据采集卡具有完整的数据采集电路和计算机接口电路 , 但一般比较昂贵。计算机自带声卡是一个优秀的数据采集系统 ,它具有 A/D 和 D/A 转换功能 , 不仅价格低 廉 , 而且兼容性好、性能稳定、通用性强 , 软件特别是驱动程序升级方便 9。如被测对象的频率在音频范围内 , 同时对采样频率要求不是太高 , 则可考虑利用声卡构建一个数据采集系统。最近 , 已有较多的学者将计算机声卡和虚拟技术相结合 , 进行了探索研究 , 并将其应用到许多方面。受声卡的最高采样频率所限制 , 该项技术较多地应
23、用于声场信号的处理、噪声信号测试、齿轮故障测试、心电信号的采集分析等信号频率不是过高的场合 11。 1997 年美国 NI公司推出了一种新的仪器总线标准 PXI 总线标准。制定 PXI规范 后，形成 了 虚拟仪器测试平台。 因为 PC 的 性价 比优势 与 PCI 总线面向仪器领域的必要扩展 相应的 结合 起来了。 按 PXI 总线标准制成的 PXI 仪器 相比VXI 仪器 具有更过优势，它 便于组成便携式测试系统、成本低。虚拟仪器 就是这些 PC 仪器或 VXI 仪器 ，它们 以 PC 为核心、由测量功能软件支持， 并 具有一定 仪器硬件、通信能力和虚拟控制面板 12。 1.3.3 声卡 作
24、为数据采集卡 的研究现状 在工业过程中的数据可以以一种有用的形式被程序所使用，用来构建监测和软传感器的应用之前，大量的数据需进行预处理 13。 声卡作为数据采集卡，其 A/D 转换功能已熟，而且计算机无需添加额外配件便能完成采集功，具有价格低廉、采样精度高，可以构成一个较高采样精度、中等采样频、灵活性好的数据采集系统 14。尤其是声卡与虚拟仪器相结合的信号采集技术具有广阔的应用前景。声卡是用 DMA 方式进行数据传送的 介质 ，能极大地降低对 CPU 的占用率。 基于计算机声卡的多通道数据采集系统具有以下特点： （ 1） 价格低廉 。声卡 作为数据采集使用时，主要 使用其 模数转换芯片。声卡
25、的 价格主要 取决于 数字处理芯片的性能好 坏 。 而 较低价格的声卡 就 可满足数据采集使用。 （ 2） 频率范围较窄，不 易 测直流电压。受声卡硬件条件限制，输入频率在0.03 10kHZ 范围之内 才能 得到较好的波形和较高的精度， 这 也就限制了它的应用范围。 （ 3） 灵活性强。用户可以 通过界面 方便地进行各种操作控制， 也 可将采集到 的 数据存储到磁盘， 为实验研究提供数据 。在 CPU 运行 速度足够快 是 ，还可以 对数据进行其他的实时操作 ，如求动态显示波形的频谱和功率谱、波形的方均根等。 （ 4） 特殊情况下可能需要信号调理。在 一些 特殊需要 情况下 ，须外加调理La
26、bVIEW 环境下基于声卡的旋转机械振动信号数据采集系统 5 电路。 比如 对一些弱信号 需 要进行放大、去噪处理 ；而 对于一些强度较强的信号 则 要适当 地 进行衰 减 。这是 由于声卡具有较大的增益。 但是 声卡 价格低廉 ，在 LabVIEW 环境下，构成一个中等采样频率、较高采样精度、多通道且具有很大灵活性的数据采集系统，对于 某些 应用领域是一种很好的选择 15。 1.4 课题研究的主要内容 基于以上的论述，本文将设计一个 LabVIEW 环境下基于声卡的旋转机械振动信号数据采集系统。本人负责整个系统的硬件和信号采集存储部分，即旋转机械振动及故障信号的采集和存储。 本系统采用 压电
27、 传感器拾取被测旋转机械的振动信号，将旋转机械振动信号转换为模拟信号，利用声卡作为信号采集设备，实现振 动模拟信号与数字信号的相互转换，并对信号进行数据存储及处理，判断有无故障产生。 本设计的第一步是关于 故障的形成和发展过程， 在查阅了相关资料后， 了解 到需要清楚 设备故障的内在本质和特性，才能建立合理的故障模式。转子质量不平衡、转子动静碰摩故障、不对中故障、轴承松动故障、油膜涡动与油膜振荡故障等都是旋转机械中常见的故障特征 ，本次设计主要针对其中几项 故障进行模拟试验 。 接下来是关键的一步 数据采集。 数据采集是信号分析与处理的一个重要环节，在许多工业控制和生产状态监控中，都需要对各种物理量进行数据采集与分析。数据采 集系统的主要任务是将被测对象的各种参数做 A/D 转换后送入计算机，并对采集到的信号做相应的处理。 本次设计是对故障形成后产生的数据进行数据采集，一般采用数据库的方式。 故障信息处理包括对故障信号的检测和分析。 相关资料显示 这类系统包括传感器系统、数据预处理系统、采样控制系统、计算机系统及打印输出系统，并配有丰富的监测与诊断软件，它可存储大量运行数据，以备分析诊断用。 本次设计中的故障信息处理即对旋转机械振动信号的分析。
