基于高速数据采集的振动分析系统研制

徐桂云，陈莹莹，刘小丽，张晓光

（中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116）

现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，对于瞬态信号、雷达信号和图像处理都要求高速、高精度地采集数据和测量。随着电子技术、计算机技术的发展，以计算机和数据采集卡为平台构成的测控系统，克服了传统实验室动态信号测量误差大的缺陷，满足了高速采集数据需求，并具有使用灵活方便、测试功能丰富、价格低廉、一机多用等特点［1－3］。

本文中采用一台计算机和PCI8018数据采集卡、多路振动传感器及信号调理器等设备搭建系统，在LabVIEW图形化环境下编程，系统可实现16路振动信号监测、分析功能，其中数据采集卡完成对输入测量信号的调理采集、缓存，并通过计算机PCI总线送入内存。计算机在应用程序控制下，对数据进行处理、分析，完成各种电量测试，在屏幕上以图形或数据形式显示，并能打印和保存实验结果，以上功能均可在人机交互方式下完成。

1 系统硬件构成

如图1所示，该系统主要由电机及减速器、计算机、数据采集卡、振动传感器、信号调理器、打印机等组成，其中计算机采用具有PCI插槽的联想商用台式机。

1.1 振动传感器

系统采用BZ1193三向压电式振动加速度传感器，该传感器基于压电转换原理、内装微型集成电路，为二线制、4～20mA标准电流输出，其输出阻抗小，抗干扰能力强，且不受接线电阻、温度等环境因素影响。

图1 系统组成结构图

1.2 信号调理器

信号调理器将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。本系统采用BZ2702多通道信号调理器，每个BZ2702信号调理器可将最多8路信号与计算机连接，可以组成并行传输8路模拟信号的测试系统，如需检测更多路振动信号，系统中可增加信号调理器以满足需求。信号调理器与内装的IC加速度传感器相连接，可以同时测量振动加速度、振动速度和振动位移。信号调理器与计算机不共地，有效地阻断了计算机对信号调理器模拟信道的干扰，提高了测量信号的信噪比。

1.3 数据采集卡

本系统采用北京阿尔泰科技发展有限公司的PCI8018同步数据采集卡。该数据采集卡通过PCI总线连接到PC机中，可将采集的模拟信号通过A／D转换输入计算机进行分析、处理、显示等。多通道同步采集卡的每个通道都拥有独立的模数转换器（analog to digital converter，ADC），理论上各通道之间的数据是同一时间进行A／D转换的，无时间差。

图2 高速同步数据采集流程图

1.4 制动器

为了更好地模拟故障零件在有负载时的信号，选用磁粉制动器作为模拟负载。磁粉制动器以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动或传递转矩的目的。磁粉制动器具有输出转矩与激磁电流呈良好的线性关系，而与转速或滑差无关等优点。

2 系统软件设计

2.1 系统软件的总体结构

振动实验分析系统的软件设计采用模块化程序设计思想［4－5］，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，主要包括数据采集、信号分析和处理、数据存储及查询等模块。软件的整体设计如图3所示。

图3 系统软件结构图

监控界面具有良好的人机交互性，包括主监测界面（见图4）、实时曲线界面、历史数据查询界面及报警查询界面，在右侧界面切换区有相应界面切换按钮。

图4 主界面监测图

2.2 振动信号采集

数据采集是系统的关键流程，程序设计过程中为保证数据采集的实时性，采用并行多线程方式，为每一个采集卡单独分配一个线程。数据采集的执行流程如图5所示。

2.3 振动信号分析

振动信号分析模块首先对信号进行滤波去除噪声［6－7］，获得较为真实的信号，然后使用预处理、时域分析、频域分析及时频分析等信号分析方法获取信号特征信息。该模块主要功能如图6所示。该模块程序设计采用队列状态机的高级编程模式［8］，保证数据不丢失，且加快了处理速度，方便多线程数据处理［8］。

图5 数据采集的执行流程图

振动信号监测及分析系统的界面如图7所示。

3 调试结果与分析

该振动分析系统采集减速器中间轴的振动信号，并对轴承内圈故障进行频谱分析。首先根据系统的机械结构计算各个特征频率。已知电机的转速为1 400 r／min，减速器的一级减速比i＝3.95，则中间轴的转频为5.91Hz。中间轴的轴承为深沟球轴承6305，利用线切割在轴承内圈制造点蚀故障（见图8）。理论计算有：内圈旋转频率fi＝5.91Hz，滚动体旋转频率fbc＝10.4Hz，内圈某一点点蚀特征频率fip＝26.1Hz。

图6 振动信号分析模块功能框图

图7 振动信号监测界面

图9为采集到的正常轴承的振动信号（加速度a），该信号振动冲击小，没有规律性，没有故障频率成分。原始信号经过小波消噪处理后，去除了噪声信号，使得有用信号更好地凸显。

图8 人工制造轴承内圈点蚀故障

由图10可知，轴承内圈出现点蚀故障时，振动加速度信号被明显调制。此时需要进行频谱分析，以确定信号中的频谱成分，识别故障类型［9］。由图11可知，频谱中频率主要出现在滚动体旋转频率10.4Hz和内圈故障特征频率26.1Hz附近。可见，此系统可较好地采集出轴承的振动信号，并能通过频谱图对故障进行分析与判断［10－11］。

图9 正常轴承振动信号

图10 内圈故障轴承振动信号

图11 内圈故障轴承振动信号功率谱

4 结束语

基于高速数据采集的振动分析系统，结合了机械故障诊断技术、虚拟仪器技术，软件编程替代传统波形分析的硬件电路，大大降低了开发成本，系统采用开放式结构设计，提高了通用性和扩展性。该系统可对信号进行多种信号处理方法分析，通过实验证明了所涉及方法的可行性和有效性。

（References）

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