武 健， 郭 永， 侯占峰， 張 忱， 梁志強(qiáng)

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.包鋼集團(tuán)巴潤(rùn)礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014080）

0 引 言

目前，在很多科學(xué)研究領(lǐng)域中，如實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的各種分析研究、測(cè)試、測(cè)量以及工業(yè)自動(dòng)化等方面，越來(lái)越多的科研人員都通過(guò)使用“虛擬儀器”構(gòu)建各種系統(tǒng)。而所謂虛擬儀器，是指以通用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。

就汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)而言，由于內(nèi)部包含了豐富的相關(guān)信息，它能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)的整體狀態(tài)以及變化規(guī)律，所以在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷過(guò)程中，若通過(guò)測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的大量振動(dòng)信號(hào)，則可以診斷出發(fā)動(dòng)機(jī)70%以上的故障和狀態(tài)信息[1]。而通過(guò)對(duì)比分析正常狀態(tài)以及故障狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)，從而可對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，這是發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)診斷的發(fā)展方向[2]。

然而，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于受到檢測(cè)的可靠性以及準(zhǔn)確性差、開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、成本高和缺乏便捷性等因素的影響，無(wú)法即時(shí)地提供可靠的振動(dòng)狀態(tài)信號(hào)。而通過(guò)虛擬儀器建立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在信號(hào)的即時(shí)采集和分析中，則能夠克服上述缺點(diǎn)[3]，明顯地體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。

1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是NI，即美國(guó)國(guó)家儀器有限公司開(kāi)發(fā)的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。與傳統(tǒng)的文本編程語(yǔ)言不同，它采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。

LabVIEW程序被稱(chēng)為VI，即虛擬儀器。每個(gè)VI包括前面板和程序框圖兩部分。前面板又被稱(chēng)為用戶(hù)界面，LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類(lèi)似的控件，可用來(lái)方便的創(chuàng)建用戶(hù)界面。前面板上的每一個(gè)控件對(duì)應(yīng)于程序框圖中的一個(gè)對(duì)象，當(dāng)數(shù)據(jù)"流向"該控件時(shí)，控件就會(huì)根據(jù)自己的特性以一定的方式顯示數(shù)據(jù)。LabVIEW還包含大量的工具與函數(shù)，用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)等。這些工具都是交互式工具，用戶(hù)只需要按照提示就可以實(shí)現(xiàn)與儀器的連接和參數(shù)的設(shè)置[4-5]。

2 基于LabVIEW2010數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成

所謂數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬或數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過(guò)程。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件等，如圖1所示[6]。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件的選擇

2.2.1 系統(tǒng)軟件選擇

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在利用LabVIEW2010建立汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)時(shí)，考慮到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速度，以及與驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)在通信時(shí)應(yīng)當(dāng)匹配等因素，選用NI公司USB-6251型數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡具有16路模擬輸入，單通道1.25MS/s的采樣率。同時(shí)選擇NI公司提供的DAQmx9.2.2版本的驅(qū)動(dòng)軟件，可以方便地在LabVIEW2010中對(duì)其進(jìn)行控制。

2.2.2 系統(tǒng)硬件選擇

以中國(guó)上海大眾公司的AJR型發(fā)動(dòng)機(jī)作為被測(cè)對(duì)象，它是目前比較普遍使用的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)還采用德國(guó)（BOSCH）的電控系統(tǒng)，被廣泛的用在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。傳感器選擇B&K公司型號(hào)為4382的壓電加速度傳感器，它可以將加速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，通過(guò)采集卡到達(dá)上位機(jī)，使人們對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。該傳感器頻率范圍為0.1～8400Hz，靈敏度為30.8PC/g，滿足汽車(chē)振動(dòng)時(shí)的要求。在實(shí)驗(yàn)前使用B&K公司型號(hào)為4294的振動(dòng)傳感器標(biāo)定儀對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定。利用最大最小值的平均值計(jì)算其有效值，用10 m/s2除以有效值及得標(biāo)定值，最后標(biāo)定值為0.952395072m/s2/mv。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，由于電壓較小，使用B&K公司型號(hào)為2635的電荷放大器對(duì)電壓進(jìn)行放大。該放大器還具有一定的濾波作用，但是無(wú)法精確選擇范圍，因此只能進(jìn)行初步濾波。經(jīng)過(guò)標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地測(cè)量振動(dòng)加速度以及功率譜。通過(guò)測(cè)取振動(dòng)加速度的電壓值，得到表1所示的標(biāo)定傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)。圖2和圖3為在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程的加速度和功率譜圖。

表1 傳感器標(biāo)定儀數(shù)據(jù)

圖2 振動(dòng)加速度圖

圖3 功率譜圖

3 LabVIEW程序

3.1 程序框圖的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用LabVIEW2010進(jìn)行采集程序設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)及其功率譜信號(hào)的采集、顯示和存儲(chǔ)，并能在程序中進(jìn)行精確地低通濾波，可使采集到的信息更加準(zhǔn)確。LabVIEW2010軟件具有很多功能齊全的函數(shù)，類(lèi)似于當(dāng)今電視機(jī)中的各個(gè)芯片，只需將各芯片有序地結(jié)合為一體就可以方便快速地完成程序框圖的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了DAQ Assistant、濾波器、頻譜測(cè)量、寫(xiě)入測(cè)量文件函數(shù)以及計(jì)時(shí)函數(shù)[7-8]。

DAQ Assistant函數(shù)，又稱(chēng)數(shù)據(jù)采集函數(shù)，用于交互式地創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行NI-DAQmx虛擬通道的任務(wù)。在使用時(shí)要對(duì)NI-DAQmx虛擬通道所對(duì)應(yīng)的DAQ設(shè)備上的物理通道、采樣率、待采樣率及量程進(jìn)行設(shè)置。

濾波器函數(shù)的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波。創(chuàng)建時(shí)對(duì)低截止頻率以及窗函數(shù)進(jìn)行設(shè)置，需注意的是截止頻率以及采樣率要滿足Nyquest采樣定律。在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該能針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不同，隨時(shí)更改截止頻率。

頻譜測(cè)量函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，從而在測(cè)量前進(jìn)行干擾分析，在測(cè)量中進(jìn)行主要頻譜測(cè)量以及實(shí)時(shí)觀察。

寫(xiě)入測(cè)量文件函數(shù)，用于對(duì)函數(shù)進(jìn)行及時(shí)地存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的格式選擇為T(mén)DM。TDM文件將動(dòng)態(tài)類(lèi)型的信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為二進(jìn)制文件，這些信息以XML的格式存儲(chǔ)在擴(kuò)展名為.tdm的文件中。圖4為基于NI-DAQmx的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖[9]。

圖4 基于NI-DAQmx的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.2 前面板設(shè)計(jì)

前面板不僅要實(shí)現(xiàn)將加速度變?yōu)殡妷盒盘?hào)及其功率譜，還需要對(duì)采樣頻率、低截止頻率實(shí)時(shí)進(jìn)行修改，并對(duì)存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，因此設(shè)計(jì)兩個(gè)示波器，以及相應(yīng)的控件和顯示程序運(yùn)行時(shí)間的顯示控件。

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

利用該系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常怠速狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，得到數(shù)據(jù)即為發(fā)動(dòng)機(jī)正常怠速狀態(tài)振動(dòng)加速度。表2為測(cè)量實(shí)驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以及根據(jù)傳感器標(biāo)定值計(jì)算出的加速度值。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速振動(dòng)加速度

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，首先，其使用硬件少，大大縮小了開(kāi)發(fā)時(shí)間以及費(fèi)用，由于受硬件的局限性極小，可以方便地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)位置的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；其次，該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的用戶(hù)界面，可以方便地改變采樣率、低截止頻率，從而對(duì)各個(gè)轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)各時(shí)刻的加速度以及功率譜進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖形監(jiān)測(cè)；最后，系統(tǒng)通過(guò)將各時(shí)刻加速度轉(zhuǎn)化為電壓值保存為T(mén)DM文件格式，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，其中加速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后第9位，方便用戶(hù)在實(shí)驗(yàn)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放并進(jìn)行后續(xù)的處理。

[1]熊?chē)?guó)良，李玲新，曾誠(chéng).回轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)模糊故障診斷系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1999（3）：46-48.

[2]王朝暉，張來(lái)斌，劉春，等.基于振動(dòng)信號(hào)的車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2006（5）：649-653.

[3]王建群，南金瑞，孫逢春，等.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003（21）：122-125.

[4]白云，高育鵬，胡小江.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[5]LabVIEW Function and VI Reference Manual[Z].National Instruments Corporation，1998.

[6]雷振山，魏麗，趙晨光，等.LabVIEW高級(jí)編程與虛擬儀器工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

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[8]National Instruments DataSocket Technical Overview[Z].Texas：National Instruments，1998.

[9]陳錫輝，張銀紅.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.