基于Labview的軸承故障監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計摘要本文將深入淺出闡述我國軸承振動結(jié)構(gòu)中整體振動質(zhì)量特性、振動質(zhì)量評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與軸承振動檢測信號處理分析等在軸承相關(guān)技術(shù)理論研究基礎(chǔ)上,以lapcw的計算機平臺作為主要顯示終端,以采用虛擬化振動儀器軟件labview的應(yīng)用軟件開發(fā)作為主要技術(shù)研究平臺開發(fā)應(yīng)用平臺,結(jié)合了振動傳感器、信號控制調(diào)理器以及振動數(shù)據(jù)采集顯示卡等專用設(shè)備,通過labview進行編程,設(shè)計一套基于labview的監(jiān)控管理系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可以對各種軸承的振動信號進行檢測和分析,實現(xiàn)信號的采集、信息存儲與讀取、處理分析和結(jié)果顯示,通過對信號的時、頻域分析來對軸承振動進行故障判別和診斷,并通過仿真中的模擬信號進行檢測和監(jiān)控系統(tǒng)實驗,驗證了所使用的開發(fā)系統(tǒng)信息的有效性和檢測準(zhǔn)確度。為了更好地實現(xiàn)軸承振動狀態(tài)的監(jiān)視和診斷,設(shè)計一套基于labview的軸承監(jiān)視檢測系統(tǒng),對于掌握軸承的故障情況具有重大的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵字：軸承；振動信號；測試分析；LabVIEW目錄TOC\o"1-3"\h\u17494摘要 I15846第一章緒論 152071.1課題研究的目的及意義 1307771.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1163531.3監(jiān)測系統(tǒng)的介紹 2215471.4主要研究內(nèi)容 3179131.5本章小結(jié) 421308第二章軸承監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案分析與設(shè)計 5305592.1軸承監(jiān)測方法研究 529142.1.1數(shù)字濾波技術(shù) 5249592.1.2軸承振動信號小波變換 5118812.1.3軸承振動信號傅里葉變換 622702.1.4其他分析方法 6269002.2軸承監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計 782232.2.1硬件系統(tǒng)的搭建 7165542.2.2軟件系統(tǒng)的搭建 7266092.3本章小結(jié) 82455第三章軸承監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計 1019533.1軸承測點的選擇 10103003.2傳感器的選型設(shè)計 11274433.3機箱的選型設(shè)計 1254183.4數(shù)據(jù)采集卡的選型設(shè)計 13233273.5電氣原理設(shè)計 14103373.6本章小結(jié) 16253894軸承監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計 1728824.1虛擬儀器及LabVIEW介紹 1723134.2系統(tǒng)主界面設(shè)計 18285014.3信號采集模塊設(shè)計 2062664.3.1模擬信號 20225584.3.2實時信號 22149554.4信號存儲與讀取模塊設(shè)計 23308524.5信號處理模塊設(shè)計 24299924.6小波變換分析模塊設(shè)計 26267854.6.1小波變換統(tǒng)計分析 28264834.6.2信號的相關(guān)分析 30243144.7傅里葉變換分析模塊設(shè)計 31239064.7.1FFT分析 32123854.7.2功率譜分析 3354224.8軟件系統(tǒng)測試實驗 34133394.9本章小結(jié) 3831564全文總結(jié) 398338參考文獻(xiàn) 41第一章緒論1.1課題研究的目的及意義隨著經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展,機械行業(yè)的發(fā)展越來越智能化,標(biāo)志著機械行業(yè)的一大重大變革。人們生活質(zhì)量和生活水平逐漸提高的同時,在機械時就不僅僅只考慮機械的外觀、經(jīng)濟性和動力性。軸承作為機械的主要核心部件之一,直接影響著機械的整體性能和乘員的舒適性。本研究論文中所設(shè)計的基于labview的軸承振動監(jiān)控系統(tǒng),以對軸承結(jié)構(gòu)振動特性、振動評估標(biāo)準(zhǔn)和對振動信號的分析作為其理論依據(jù),旨在通過對軸承結(jié)構(gòu)振動信號進行測試和分析來實現(xiàn)對其進行故障的判斷,對于更好地實現(xiàn)對軸承結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和故障判斷,具有重大的指導(dǎo)價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀軸承是旋轉(zhuǎn)機械的重要分支之一,旋轉(zhuǎn)機械的振動分析方法主要應(yīng)用于軸承振動分析。在20世紀(jì)60年代,機械檢測裝置的運動狀態(tài)變化檢測與機械故障分析診斷等新一代技術(shù)在國外也已經(jīng)開始了迅速興起,至此振動逐漸成為一個重要的評價齒輪運行狀態(tài)的主要因素。20世紀(jì)70年代,人們采用最簡易的振動信號分析技術(shù)對軸承零部件進行了故障識別和診斷,即通過對振動信號的小波變換指數(shù)對設(shè)備運行狀態(tài)進行判斷。從70末一直到80中旬,研究者們已經(jīng)開始把頻域分析法的技術(shù)運用于軸承振動實驗[1]。自90以來,離散頻譜校正技術(shù)飛速發(fā)展,借助這一技術(shù),可以進一步提高頻域分析的準(zhǔn)確度,為傳動振動測試分析提供了重要手段,但仍僅適用于軸承在穩(wěn)態(tài)速度條件下的試驗分析。在國內(nèi),一些軸承生產(chǎn)商也已經(jīng)開始針對自己的測量和應(yīng)用需求設(shè)計和研發(fā)出一套相關(guān)傳輸測量和分析系統(tǒng)。例如,上海機械齒輪廠和同濟大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所共同開發(fā)的軸承傳動在線故障檢測和診斷系統(tǒng),完成了手動傳輸在線故障檢測和診斷的基本實現(xiàn)[2,3]。另外,其他大學(xué)或者是研究機構(gòu)在軸承檢測系統(tǒng)以及類似于軸承分析系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)方面還在與其他軸承制造商和廠家之間進行交流。目前,狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展得更加成熟,從最初的單一影響因素、單機監(jiān)測發(fā)展到多影響因素、綜合分析的聯(lián)合監(jiān)控管理系統(tǒng),更多的軟硬件裝置被研究和制造生產(chǎn)出來,新的硬件系統(tǒng)也在不斷地被研究和開發(fā)中使用,故障診斷方法也從最原始的人體感官判斷發(fā)展到運用各種各樣的測試與監(jiān)測技術(shù)、信息處理和圖像分析技術(shù)等,并且取得了相當(dāng)多的理論成果,被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工程技術(shù)系統(tǒng)以及大型復(fù)雜設(shè)備中。1.3監(jiān)測系統(tǒng)的介紹目前,信號采集及分析系統(tǒng)發(fā)展已比較成熟,市場上有許多用于信號采集分析的系統(tǒng),比如朗德、BK(Brüel&Kj?r)、LMS等。朗德科技為用戶提供了多通道的振動測試分析系統(tǒng),其中SquadrigaII便攜式8通道數(shù)據(jù)采集及回放系統(tǒng)(圖1.1),具有獨立的工作模式,提供多種采樣率、實時FFT分析等特點,并能夠?qū)崟r分析和回放。圖1.1朗德SquadrigaII便攜式8通道數(shù)據(jù)采集及回放系統(tǒng)BK(Brüel&Kj?r)公司研發(fā)的LAN-XI數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)(圖1.2)具有多種通道且采樣同步,無線數(shù)據(jù)帶寬以及自動從傳感器讀取數(shù)據(jù)等特點,適用于大型的測量任務(wù)。PHOTON+動態(tài)信號分析儀(圖1.3)是一款多功能的信號分析儀,采用USB接口,即插即用,簡單便捷,可在多種場合下進行快速聲音與振動分析。 圖1.2LAN-XI數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)系列 圖1.3PHOTON+動態(tài)信號分析儀LMSSCADAS多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖1.4)是一款非常便捷的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其工作性能和質(zhì)量非常高,適合于大型試驗任務(wù),并且可以同時對多項任務(wù)進行試驗,能夠快速完成數(shù)據(jù)采集,縮短試驗周期。該系統(tǒng)支持多種類型的傳感器,并具有信號調(diào)理功能,具有靈活性和可拓展性等特點。圖1.4LMSSCADAS多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1.4主要研究內(nèi)容本課題針對軸承性能試驗的需求進行軸承振動信號測試系統(tǒng)的設(shè)計,要求提出合理的軸承振動信號分析方法、測試采集分析系統(tǒng)方案,完成對試驗軸承振動狀態(tài)的測試分析。完成了整套包括有關(guān)振動信號傳感器、信號采集調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集存儲卡等在內(nèi)的軟件產(chǎn)品設(shè)計選型與開發(fā)設(shè)計,并親自負(fù)責(zé)設(shè)計編寫有關(guān)振動傳感信號的數(shù)據(jù)采集、存儲、分析等程序。具體內(nèi)容如下:監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計軸承振動影響著整個傳動系統(tǒng)的功能實現(xiàn),本文從軸承結(jié)構(gòu)特點與振動特性出發(fā),分析軸承的結(jié)構(gòu)特點和振動特性,以及振動的評價標(biāo)準(zhǔn),并對軸承振動測試方法進行研究,合理對振動測試與分析系統(tǒng)進行方案設(shè)計。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計本測試系統(tǒng)以PC為硬件平臺,選擇PCB-352C3加速度傳感器、NIcDAQ-9184以太網(wǎng)機箱、NI-9234數(shù)據(jù)采集卡,并說明軸承測的選取原則,最后對硬件系統(tǒng)的電氣原理進行設(shè)計。監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計本測試系統(tǒng)以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺,通過LabVIEW對各個模塊進行編程,將振動信號測試分析的理論方法轉(zhuǎn)換為圖形化的LabVIEW程序框圖,主要內(nèi)容包括信號采集、信號存儲與讀取、信號處理、小波變換分析以及頻域分析模塊,且可以根據(jù)用戶需求拓展相關(guān)功能。1.5本章小結(jié)本章主要介紹了該課題在技術(shù)上研究的主要目的和意義、軸承振動信號檢測與設(shè)備故障診斷相關(guān)技術(shù)與國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀、國內(nèi)外監(jiān)測系統(tǒng),并對課題研究內(nèi)容進行闡述,列出所要設(shè)計的模塊,為總體設(shè)計提供思路。第二章軸承監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案分析與設(shè)計2.1軸承監(jiān)測方法研究2.1.1數(shù)字濾波技術(shù)在我們研究機械振動的頻率時,數(shù)字濾波技術(shù)一直是信號分析的研究中最常用,也是最簡單的振動信號處理方法。數(shù)字濾波按照高頻帶寬低通來進行劃分主要分為包括低通、高頻中通、帶寬低通和高級頻率抑制電阻四種濾波形式,它們都實現(xiàn)能夠直接促使特定頻率范圍內(nèi)的一個特定頻率電阻組件和成分子的通過,并且很好地實現(xiàn)可以通過衰減或直接過濾其他非特定的一個頻率電阻組件和成分,達(dá)到了盡量減少和增強抑制干擾信號,提取有用量的頻率電阻信號的主要目的[13]。在研究軸承振動測試方法時,可以用數(shù)字濾波技術(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行處理,將傳感器得到的數(shù)據(jù)記錄并繪制成圖表,之后用數(shù)字濾波器將不用的信號數(shù)據(jù)進行篩選刪除,把有用的信號數(shù)據(jù)保留下來再加以分析。數(shù)字濾波器被廣泛地應(yīng)用于各種信號的分析和實驗中,它們具有運行穩(wěn)定性好,能夠進行預(yù)測和編程,而且還可以通過軟件進行編程。雖然數(shù)字濾波器主要是被廣泛的使用在較惡劣的工作環(huán)境中,但其設(shè)計使用起來并不會因為受到溫度和相對濕度變化所產(chǎn)生的影響而導(dǎo)致設(shè)計錯誤,并且它們沒有符合國際標(biāo)準(zhǔn)的精度元件,在信號分析技術(shù)領(lǐng)域始終具有非常高的性價比。數(shù)字信號濾波器在脈沖中的主要應(yīng)用不僅僅是可以用來控制數(shù)字濾波器的脈沖運行起始順序和控制脈沖起始位置的完整個數(shù),而且還能夠?qū)刂诡l率及電容阻帶的衰減均具有一定的調(diào)節(jié)作用。正是由于這些特點,數(shù)字濾波技術(shù)被廣泛應(yīng)用于消除干擾噪聲和進行系統(tǒng)或裝置的頻率分析,也可以很方便地對軸承振動信號進行測試和研究[14]。2.1.2軸承振動信號小波變換軸承發(fā)生故障時,振動頻率是無規(guī)律的改變的,因此經(jīng)過采集的信號是隨機信號,原始信號數(shù)據(jù)通常為時間歷程函數(shù),是無法直觀觀察到振動信號的特點的。因此我們可以用軟件和編程方法對采集到的小波信號和數(shù)據(jù)進行處理,得到一個小波變換的波形圖,對于有故障的頻段,會非常直觀地反映在小波變換波形圖中,能夠很快速的找到故障源。這對于軸承故障診斷以及振動信號測試方法的研究非常重要。通過小波變換的波形圖,可以很直觀地判斷和觀察出一個信號的類型,并且我們可初步判斷它具有是否存在一個復(fù)雜的頻段,得知一個信號在某種時間內(nèi)的幅值變化和變動規(guī)律,以及它是否會存在明顯的電磁沖擊和調(diào)制組成分,來進一步確定故障存在的頻段。為了準(zhǔn)確地識別出故障中可能存在的時間和頻段,在小波變換的統(tǒng)計中一般都需要尋找到各種信號的特點和參數(shù),其中包括峰值、峰值、方差、平均值、正比值、平均值、正比值、平均值、正比值和平均值。這對小波變換分析以及研究振動信號的特征和振動故障診斷有著至關(guān)重要的意義。2.1.3軸承振動信號傅里葉變換在對軸承振動信號進行測試分析時,可根據(jù)不同的情況將信號數(shù)據(jù)編制成傅里葉變換譜圖,傅里葉幅值圖等。由于振動頻譜不同,采用不同的分析方法對傅里葉進行分析后,就可以獲得不同的數(shù)據(jù)類型,進而為軸承故障查找原因。軸承在正常工作的情況下,各個零部分的結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)態(tài)的工況下,振動一般都會比較小,頻率也非常低。當(dāng)一個滾動軸承或者也就是一個齒輪軸承出現(xiàn)嚴(yán)重故障時,軸承的機械振動產(chǎn)生可能性就會隨之不斷加劇,振動的產(chǎn)生信號形式可能會瞬間隨之發(fā)生重大改變,振動頻率也隨著升高。所以我們就需要一種合適的加速度傳感器方法來檢測到與軸承不同的位置相關(guān)點上的振動信號,從而可以檢測得出其中的振動頻率[15],再通過FFT分析方法來進行對振動頻率信號的特征數(shù)據(jù)值提取,繪制成幅值譜、功率譜等。因此軸承振動信號頻譜分析對機械軸承振動測試方法的研究十分重要。2.1.4其他分析方法除了上述兩種分析方法以外,對于軸承振動信號的測試分析,還可以用細(xì)化譜分析、解調(diào)分析以及傳遞相干分析來研究。所謂細(xì)化譜分析,即對振動信號頻譜中的某一段特定頻率進行處理,通過局部放大的手段對信號進行分析。對于軸承振動的信號進行了測試和分析,先通過信號采集裝置從設(shè)備中獲取原始的信號數(shù)據(jù),移頻后再對其進行低通濾波處理,之后再對其進行重新采集,對于所得到的新信號序列操作FFT后,即可以直接得到精確的信號細(xì)化光譜。細(xì)化光譜分析法這是一種極其精細(xì)的分析方法,能夠極大地提高頻段分析的精確性和頻率分析的準(zhǔn)確性,用來分析軸承振動故障中軸承類問題特別有效[15]。在軸承發(fā)生振動故障時,振動信號的頻譜中通常都會有一個調(diào)制的現(xiàn)象,采用高通噪聲和絕對值進行分析,經(jīng)過高通噪聲濾波處理后,對噪聲和濾波后的信號采用相應(yīng)的噪聲和絕對值,再次進行低通噪聲濾波,之后再次重新進行抽樣、做譜,即可找到故障源,是一種非常有用的信號處理與分析方法,多用于軸承振動診斷。傳遞式相干分析法的目標(biāo)主要在于為了研究該系統(tǒng)的固有性質(zhì),其參數(shù)包括固有頻率、阻尼比等。在軸承振動故障診斷中,軸承齒輪、傳動軸、滾動軸承和箱體都可以用傳遞相干分析來測量其固有頻率和阻尼比,用于診斷齒輪磨損、滾動軸承故障、傳動軸以及箱體的振動問題[16]。2.2軸承監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計本設(shè)計主要是開發(fā)一套完整的軸承監(jiān)測系統(tǒng),用于軸承的振動信號測試與故障診斷。從理論上講,設(shè)計一套完整的軸承監(jiān)測系統(tǒng)需要硬件和軟件的結(jié)合,主要包括硬件系統(tǒng)的選型設(shè)計和軟件系統(tǒng)開發(fā),而重點在于軟件系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。軸承監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計流程見圖2.5[17]。2.2.1硬件系統(tǒng)的搭建硬件系統(tǒng)的搭建主要是為了采集振動信號,為軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集提供工具。硬件控制系統(tǒng)主要由加速度傳感器、機箱和數(shù)據(jù)采集控制卡部分組成。經(jīng)過綜合考慮,選擇以下硬件來搭建硬件系統(tǒng):(1)PCB-352C33通用型單軸加速度傳感器;(2)NIcDAQ-9184CompactDAQ機箱;(3)NI-9234數(shù)據(jù)采集卡。2.2.2軟件系統(tǒng)的搭建軟件系統(tǒng)是整個監(jiān)測系統(tǒng)的重要部分,設(shè)計軟件系統(tǒng),以實現(xiàn)與硬件系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)采集,并對采集的信號進行分析以及存儲。本軟件系統(tǒng)主要是以基于虛擬儀器的軟件LabVIEW為主要的開發(fā)平臺,通過LabVIEW編程,將振動信號測試分析的理論方法轉(zhuǎn)換為圖形化的LabVIEW程序框圖,實現(xiàn)信號的采集、存儲和分析。本系統(tǒng)主要有以下模塊組成:(1)信號采集模塊;(2)信號存儲與讀取模塊;(3)信號處理模塊;(4)小波變換分析模塊;(5)頻域分析模塊。圖2.5為軸承監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計流程2.3本章小結(jié)本章主要對軸承監(jiān)測系統(tǒng)進行總體方案設(shè)計,探究軸承結(jié)構(gòu)振動特性,了解振動評價標(biāo)準(zhǔn),對軸承振動測試方法進行分析,針對軸承振動故障,采用不同的方法進行研究,對數(shù)字濾波技術(shù)、頻譜分析、細(xì)化譜分以及調(diào)制分析等進行了簡單的理論分析,并對硬件和軟件系統(tǒng)進行搭建。第三章軸承監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計3.1軸承測點的選擇軸承在正常工作情況下的振動是非常小的,但是如果軸承發(fā)生故障,齒輪產(chǎn)生磨損或軸承斷裂等會對軸承產(chǎn)生巨大的沖擊,振動信號也會隨之發(fā)生變化。因此需要布置不同的加速度傳感器來檢測這些振動點的信號[18]。軸承在進行振動信號的采集時,每一點的振動頻率都不一樣,通常會在輸入軸、輸出軸、中間軸和箱體的各個部分分布測試點。這樣要的目的是為了采集到更加全面且能反映軸承真實振動情況的信號,呈現(xiàn)出來的頻譜更能夠反映軸承的振動情況。本文以SG135軸承作振動實驗,具體測點布置如下:軸承作為主要傳動元件,軸端部位的振動較為明顯,故在輸入軸與傳動軸之間及其輸出軸兩端的前后面平直方向各部位均勻?qū)ΨQ地分別布置6個檢測點[19],分別按照標(biāo)準(zhǔn)值編號1,2,4,7,8,10。軸承的箱體一般較為薄弱,中間的部位振動最為厲害,故在箱體中間位置布置兩個測點,分別編號3和9。軸承的振動對于軸承的振動評估影響較大,故在軸承座附近的測量部位分別布置兩個檢測點,編號為5和6。測點空間分布圖如圖3.1所示。圖3.1振動測點空間分布圖3.2傳感器的選型設(shè)計傳感器是測量、控制和信息技術(shù)領(lǐng)域里的一個重要的構(gòu)成因素,通常直接作用在被測量的物體上,并可以將其轉(zhuǎn)換為同一種或者輸出為其他類型的值[20],其組成如圖3.2所示。傳感器類似于人體的感官,經(jīng)常被用來測量力、位移、速度、溫度等。傳感器會將被測量的物體受激勵而振動獲取的參數(shù)轉(zhuǎn)換為容易被測量的非電信號,并將此信號傳送給信號調(diào)理器,因此傳感器亦被稱為測量轉(zhuǎn)換器。圖3.2傳感器的組成在軸承振動測試實驗中,常采用壓電式加速度傳感器來將非電信號轉(zhuǎn)換成電信號。壓電式傳感器在機械設(shè)備上的使用十分普遍,它可以使機械能和電能在一定條件下相互轉(zhuǎn)化,因此又被稱為可逆換能器,被廣泛應(yīng)用于加速度、力、溫度以及壓力等測量。本測試系統(tǒng)主要采用長沙艾克塞普儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的通用型單軸加速度傳感器作為硬件系統(tǒng)的檢測前端元件,其主要型號是PCB-352C33,如圖3.3所示。圖3.3PCB-352C33通用型單軸加速度傳感器PCB352C33通用型單軸加速度傳感器剛體可作六自由度的運動，通過機械激勵可以模擬現(xiàn)實工作狀態(tài)下可能遇到的各種機械運動。無論哪種儀器設(shè)備，測試的終目的都是為了確保被測產(chǎn)品在運輸或者工作環(huán)境中能夠保持其穩(wěn)定性和可靠性。在測試環(huán)境中，PCB加速度傳感器可以提供控制振動輸入以及分析產(chǎn)品振動響應(yīng)的測試信號。PCB加速度傳感器352C33具有以下性能特點：

1、靈敏度：(±10%)100mV/g(10.2mV/(m/s2))。

2、測量范圍：±50gpk(±490m/s2pk)。

3、寬帶分辨率：0.00015grms(0.0015m/s2rms)。

4、頻率范圍：(±5%)0.5&﹟12316;10000Hz。

5、感應(yīng)元件：陶瓷。3.3機箱的選型設(shè)計傳感器的輸入和輸出信號常見的方法主要有兩種類型:一種就是通用電信號,如電壓、電流等;另一個則是電路中各個元件參數(shù)發(fā)生了變化,例如電阻、電感和電容。[21]。這些信號太微弱或不能夠滿足要求且幅值和頻率的影響范圍很廣,而對于數(shù)據(jù)采集的設(shè)備一般都是只能直接采集到位于其中一個輸入?yún)^(qū)間范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號,所以由于傳感器輸出的信號必須需要經(jīng)過調(diào)理設(shè)備對其進行放大、變換等處理,才可以正常地進入到數(shù)據(jù)采集的設(shè)備,以此為基礎(chǔ)來改善信噪比,便于對后續(xù)各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用。常見的信號調(diào)制方法主要包括放大、濾波、激勵、調(diào)制和解調(diào)。本次硬件中選擇了一種型號名稱為NIcDAQ-9184的機箱作為該硬件系統(tǒng)的信號調(diào)理設(shè)備,如圖3.6所示。NIcDAQ-9184是一款4槽NICompactDAQ以太網(wǎng)機箱，適用在遠(yuǎn)程或者分布式傳感器和電子測量等方面。單個NICompactDAQ機箱可測量最多128路通道的電子、物理、機械或聲音信號。NICompactDAQ系統(tǒng)可結(jié)合傳感器測量與電壓、電流與數(shù)字信號，通過單個以太網(wǎng)接口連接至上位機或筆記本來構(gòu)建自定義的混合測量系統(tǒng)。圖3.4NIcDAQ-9184CompactDAQ以太網(wǎng)機箱3.4數(shù)據(jù)采集卡的選型設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為整個檢測系統(tǒng)的一個前端,必須在設(shè)計上具備良好的高性能、低可靠度,且在設(shè)計上能夠為用戶提供優(yōu)質(zhì)和可靠的驅(qū)動程序來適應(yīng)不同類型的終端,以及簡單易用的多種高層次語言和接口。數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的一種設(shè)備,它本身就是一座連接電腦和外部的橋梁,其主要功能就是將外部的模擬信號進行收集和轉(zhuǎn)換成計算機所需要處理的數(shù)字信號[22]。本次采用了一種型號為NI-9234的數(shù)據(jù)采集卡方式來直接完成對振動信號的采集,如圖3.7所示。NI9234作為4通道C系列動態(tài)信號采集模塊，能針對配備NICompactDAQ系統(tǒng)的集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器，進行高精度音頻測量。NI9234具有102dB動態(tài)范圍，并能對\t"/item/NI%209234/_blank"加速度傳感器和麥克風(fēng)進行軟件可選式集成電路壓電式(IEPE)信號調(diào)理。4條輸入通道借助自動調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置\t"/item/NI%209234/_blank"抗混疊濾波器，同時以每通道高達(dá)51.2kHz的速率對信號進行數(shù)字化。NI-9234具有的優(yōu)勢:1、軟件可選的IEPE信號調(diào)理(0mA或2mA)

2、每通道最高51.2kS/s采樣速率;交流耦合(0.5Hz)

3、24位分辨率;102dB動態(tài)范圍;防混疊濾波器

4、4路同步采樣模擬輸入,±5V輸入范圍

5、兼容智能TEDS傳感器圖3.5NI-9234數(shù)據(jù)采集卡3.5電氣原理設(shè)計軸承的質(zhì)量監(jiān)測生產(chǎn)過程控制管理系統(tǒng)包括主要應(yīng)用的硬件控制系統(tǒng)和主要應(yīng)用的軟件控制系統(tǒng)三個絕對重要的部件共同構(gòu)成,硬件控制系統(tǒng)主要組成包括軸承加速度控制傳感器、信號控制調(diào)理器和測量數(shù)據(jù)采集處理卡,他們共同作用構(gòu)成了我國軸承產(chǎn)品測試過程控制管理系統(tǒng)的最后一個硬件前端。硬件系統(tǒng)的構(gòu)成和原理可以用圖3.8關(guān)系表示[23]。PCB352C33PCB352C33加速度傳感器NIcDAQ-9184機箱NI-9234數(shù)據(jù)采集卡振動信號電信號數(shù)字信號PC端測試系統(tǒng)前端虛擬儀器的硬件部分硬件系統(tǒng)虛擬儀器的軟件部分信號調(diào)理非電信號圖3.6硬件系統(tǒng)構(gòu)成硬件系統(tǒng)組建完成后,便可對軸承進行振動信號采集。軸承正常啟動后,加速度運動傳感器控制系統(tǒng)端卡會自動實時監(jiān)視整個軸承的正常運行運動情況,并以模擬無線電數(shù)字信號或非無線電信號號的形式記錄下來發(fā)送到滾動軸承上并由傳遞卡端給軸承信號放大調(diào)理器,信號放大調(diào)理器端卡會把軸承傳感器上所需要傳出的非無線電信號分別依次進行了信號放大、激勵、濾波等,使其首先變化為模擬無線電數(shù)字信號并向后將傳感器數(shù)據(jù)輸送送到數(shù)據(jù)采集機的卡端,數(shù)據(jù)采集機端卡會把無線電信號分別變化為模擬數(shù)字信號,然后通過信號USB方式發(fā)送數(shù)據(jù)并由傳遞卡端到滾動軸承上。c端,進行后續(xù)的信號處理和分析。硬件系統(tǒng)各部分連接方式如下圖所示。圖3.7硬件系統(tǒng)的連接方式3.6本章小結(jié)本章主要是軸承振動信號硬件系統(tǒng)的選型設(shè)計以及軸承測點的選擇,作為測試系統(tǒng)的前端,硬件系統(tǒng)的選型以及測試點的選擇都會影響到信號數(shù)據(jù)的采集。本章完成硬件選型設(shè)計、測點選擇和硬件系統(tǒng)電氣原理圖,為軟件系統(tǒng)的設(shè)計做好準(zhǔn)備。4軸承監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計在一個應(yīng)用硬件基礎(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)基本搭建好之后,便們就可以直接開始對其產(chǎn)品進行配套相應(yīng)的應(yīng)用軟件和基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。本射頻信號數(shù)據(jù)測試處理系統(tǒng)基于一種新型的射頻虛擬儀器并對labview進行自主開發(fā)研制設(shè)計開發(fā),具有新型小波射頻信號數(shù)據(jù)采集控制模塊、信號信息儲存與數(shù)據(jù)讀取控制模塊、信號數(shù)據(jù)處理控制模塊、小波變換分析四個模塊以及傅里葉變換分析五個模塊,可以進行信號的采集、存儲、讀取、處理和分析,具有完整的振動信號測試分析功能,并可以根據(jù)用戶需求增添或調(diào)整相關(guān)功能。該測試系統(tǒng)軟件部分的方案設(shè)計如圖4.1所示。軸承監(jiān)測系統(tǒng)軸承監(jiān)測系統(tǒng)信號采集信號管理信號處理小波變換分析頻域分析模擬信號實時信號信號存儲信號讀取數(shù)字濾波加窗處理小波統(tǒng)計相關(guān)分析傅里葉分析功率譜分析圖4.1監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計4.1虛擬儀器及LabVIEW介紹虛擬儀器是一種新型的具有很強的靈活度和可擴充性的計算機化儀器,主要包括計算機終端設(shè)備、信號監(jiān)控及測量軟件等模塊以及計算機開發(fā)的應(yīng)用程序軟件三個大部分。與其他傳統(tǒng)的儀器相比較,虛擬儀器最重要的特征之一就是其所具有的功能由應(yīng)用程序軟件自己來定義,可以由使用者按照不同需要自己來進行設(shè)計和開發(fā)[24]。從其整體結(jié)構(gòu)的基本組成和其主要功能實際上的使用上來說,虛擬儀器主要原理是以現(xiàn)代計算機專用軟件為其技術(shù)基礎(chǔ),利用各種新型高性能的儀器模塊化系統(tǒng)硬件,并充分利用結(jié)合靈活的現(xiàn)代計算機硬件專用系統(tǒng)軟件,使得現(xiàn)代計算機專用軟件技術(shù)在我國現(xiàn)代儀器測試管理系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計中已經(jīng)能夠充分發(fā)揮更高的重要地位和主導(dǎo)作用,并將現(xiàn)代計算機硬件測試系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)理論、高速數(shù)字總線控制技術(shù)、計算機硬件接口技術(shù)、儀器的基本工作系統(tǒng)原理和控制技術(shù)以及各種通用圖形控制軟件以及可編程控制技術(shù)等融為一體[14]。虛擬儀器的本質(zhì)就是一種利用計算機圖形顯示的功能,通過軟件系統(tǒng)中的圖形化編程來實現(xiàn)對信號的運算處理和特征分析,并將檢測結(jié)果以各種語言表達(dá)方式進行輸出。labview是美國國家儀器公司旗下的一款專業(yè)化創(chuàng)新型測試軟件系列產(chǎn)品,是一家專業(yè)化測試和技術(shù)研究開發(fā)的平臺。labview##db##c是一種將工業(yè)應(yīng)用程序設(shè)計進行數(shù)據(jù)圖形化的新型通用可編程設(shè)計語言,具有符合國際化和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用模塊和專門為工業(yè)儀器儀表測試系統(tǒng)設(shè)計人員開發(fā)的應(yīng)用模塊,被廣泛應(yīng)用在學(xué)術(shù)研究、工業(yè)應(yīng)用以及實驗室開發(fā)等領(lǐng)域。LabVIEW不僅具有各種協(xié)議的硬件模塊里的功能,而且能夠和數(shù)據(jù)采集卡通訊模塊對接,完成信號從硬件系統(tǒng)到軟件系統(tǒng)的傳輸,并且具有圖形化的程序語言,簡單易開發(fā),是應(yīng)用最多的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺之一[25]。4.2系統(tǒng)主界面設(shè)計本系統(tǒng)基于LabVIEW開發(fā),其應(yīng)用程序由前面板和程序框圖組成,其中前面板是圖形用戶界面,用于測試的顯示和控制,程序框圖是程序的結(jié)構(gòu)和功能模塊的連接,是整個程序的核心[26]。該操作系統(tǒng)的主要操作界面和主框圖結(jié)構(gòu)如下文本表4.2所示。其左邊的電動方向盤就是。功能控制的區(qū)域,包括信號源選擇、信號分析和停止三大功能,其中信號源選擇包括模擬信號功能、實時信號功能和信號讀寫功能,信號分析包括信號處理功能、小波變換分析功能和傅里葉變化分析功能。主界面右側(cè)為結(jié)果顯示區(qū)域,并在部分功能下含有控制和設(shè)置按鈕。圖4.2系統(tǒng)主界面本程序采用事件結(jié)構(gòu),并結(jié)合選項卡控件和簇來控制各個功能,其優(yōu)點在于用戶可以根據(jù)自己的需要增添相關(guān)功能而不用很大地改動其他程序結(jié)構(gòu),對于系統(tǒng)的擴展十分方便。labview中的每一個事件結(jié)構(gòu)都具有各自的分支獨立執(zhí)行的功能和特點,是一種極其靈活的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu),它能夠通過改變數(shù)據(jù)流的執(zhí)行方式,實現(xiàn)用戶在前面板界面上的控制和程序框圖執(zhí)行之間的聯(lián)系[27]。通常的情況下,程序運行的過程中往往都是多種不同的事件共同進行處理的,所以往往都會把事件結(jié)構(gòu)存儲器放在一個"while"循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi),并將此種程序的模式統(tǒng)統(tǒng)地命名為"循環(huán)事件結(jié)構(gòu)"[28],如圖4.3所示。圖4.3測試系統(tǒng)中事件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在運用事件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本程序共有7個事件分支,包含信號源選擇、信號分析和停止三個模塊,其中信號源選擇包括模擬信號、實時信號和信號讀取3個分支,信號分析包括信號處理、信號的小波變換分析和信號的傅里葉分析3個分支,見圖4.2和4.3。在系統(tǒng)運行狀態(tài)下具體可實現(xiàn)以下功能:(1)單擊按鈕"模擬信號",進入信號源選擇模塊下的模擬信號界面并運行該程序,界面左側(cè)可以進行模擬信號參數(shù)設(shè)置;(2)單擊按鈕"實時信號",進入信號源選擇模塊下的實時信號采集界面并運行該程序,按"停止按鈕"可停止采集并存儲信號數(shù)據(jù);(3)單擊按鈕"信號讀取",進入信號源選擇模塊下的信號讀取界面并運行該程序,讀取信號文件或音頻文件;(4)單擊按鈕"信號處理",進入信號分析模塊下的信號處理界面并運行程序,對模擬信號、實時信號或讀取的信號進行濾波和加窗處理;(5)單擊按鈕"小波變換",進入信號分析模塊下的小波變換分析界面并運行程序,對處理后的信號進行小波變換統(tǒng)計和自相關(guān)分析;(6)單擊按鈕"傅里葉變換",進入信號分析模塊下的傅里葉變換分析界面并運行程序,對處理后的信號進行FFT分析和功率譜分析;(7)單擊按鈕"停止",系統(tǒng)運行停止。4.3信號采集模塊設(shè)計信號采集是軸承監(jiān)控硬件系統(tǒng)中所有信號數(shù)據(jù)唯一來源,結(jié)合硬件系統(tǒng)中的信息采集卡,將所有信號數(shù)據(jù)發(fā)送到pc端,并由此通過信號采集卡系統(tǒng)執(zhí)行。本信號采集模塊包含模擬信號和實時信號連個部分,模擬信號是非常標(biāo)準(zhǔn)的信號,為檢驗系統(tǒng)的正確性和合理性提供依據(jù),實時信號則是由數(shù)據(jù)采集卡端實時傳輸?shù)碾S機信號,為軸承監(jiān)測診斷提供信號源。4.3.1模擬信號模擬信號模塊主要是為了在系統(tǒng)設(shè)計過程中檢驗和測試分析系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確度,因此選擇了"基本函數(shù)發(fā)生器"vi來進行模擬信號的輸出。在應(yīng)用程序框示意圖編輯頁面,點擊右鍵選擇基本函數(shù)的發(fā)生器vi,然后自動創(chuàng)建一個信號的類型、頻率、幅度、相位、采樣信息和方波占空比輸入控件,在前面板上即可直接進行全局變量采樣,并將所有的采樣信息分別捆綁在一起,分別目的是為了設(shè)置采樣的次數(shù)和所有采樣的頻率,并將所有的采樣次數(shù)分別在模塊中寫入一個全局變量,便于各種信號處理模塊中使用;在前面板上可以創(chuàng)建波形圖,在應(yīng)用程序的框圖頁面上與基本函數(shù)發(fā)生器的一個輸出端互相連接,并寫入全局變量,為信號處理和分析提供信號源;最后添加"寫入測量文件"將采集的信號進行存儲。該模塊的程序框圖以及前面板如圖4.4和4.5所示。圖4.4模擬信號模塊程序框圖圖4.5模擬信號模塊前面板4.3.2實時信號實時信號來自于數(shù)據(jù)采集卡端的實時傳輸,實時信號模塊由圖形與聲音工具的聲音輸入函數(shù)來完成,包含配置聲音輸入、啟動聲音輸入采集等。本模塊中添加了"While循環(huán)"結(jié)構(gòu)用于信號的實時采集,在前面板可以用"停止"按鈕自由控制信號的采集。在"配置聲音輸入"輸入端創(chuàng)建每通道采樣數(shù)、采樣模式、設(shè)備ID和聲音格式輸入控件用于控制采集信號的參數(shù);在"讀取聲音輸入輸出端將輸出信號拆分為左右兩個通道并通過"索引數(shù)組"寫入全局變量;最后添加"寫入測量文件"將采集的信號進行存儲,存儲格式為信號文件(Lvm)格式。本模塊的編程框圖及其前面板設(shè)計如圖4.6、4.7所示。圖4.6實時信號模塊程序框圖圖4.7實時信號模塊前面板4.4信號存儲與讀取模塊設(shè)計本系統(tǒng)所設(shè)計的信號存儲與讀取模塊是與信息采集模塊相結(jié)合的。在模擬信息和實時信息模塊已有信號存儲功能,用兩種方式采集到的信號均已信號文件(Lvm)格式保存,保存狀態(tài)由布爾控件來表示,保存路徑可用戶自行設(shè)定。具體的程序設(shè)計框圖和前面板可參看圖4.4、4.5、4.6和4.7。信號的讀取模塊具備了讀取兩種不同文件格式的功能,利用條件結(jié)構(gòu)設(shè)計制作出分別是讀取兩種信號文件(lvm)格式和兩種音頻(wav)文件格式的程序,如圖4.8和4.9所示,其前面板的顯示方式如圖4.10所示。這種設(shè)計方式要得益于字符串的應(yīng)用。先通過"路徑與字符串轉(zhuǎn)換(pathtostring)"的常數(shù)把讀取到的文件名轉(zhuǎn)換成路徑為路徑的字符串,用"字符串長度(stringlength)"的常數(shù)來計算一個字符串的長度并對其做一個加減法,將"截取字符串(stringsubset)"常量里的長度(剩余)輸入控件設(shè)值為3(也是"減"常量的y值),輸出端與"等于?"一個常量的輸入x端可被設(shè)為x或y,y端則被設(shè)置為lvlvm,并將其作為輸入的終端與完成條件分支結(jié)構(gòu)過程中的各個條件分支中的選擇器終端進行相互連接,構(gòu)成Lvm格式的識別讀取,如圖4.8所示。在條件結(jié)構(gòu)"真"分支中創(chuàng)建"讀取測量文件"VI,即可完成Lvm格式的讀取。音頻(wav)的格式讀取模塊是由圖形與聲音模塊下的兩個聲音文件函數(shù)組成,它們是設(shè)計在條件結(jié)構(gòu)"假"的兩個分支中,由圖形與聲音模塊下的兩個聲音文件的格式函數(shù)所組成,包含了讀取并自動打開的兩個聲音(soundfilereadopen)vi、聲音的文件信息(soundfileinfo)vi和聲音的文件(soundfileread)VI,其連接方式如圖4.9所示。程序框圖右側(cè)為波形顯示,將讀取的信號進行拆分顯示并通過"索引數(shù)組"寫入全局變量,為信號分析提供信號數(shù)據(jù)。圖4.8信號文件（Lvm）格式讀取的程序框圖圖4.9音頻文件（Wav）格式讀取的程序框圖圖4.10信號讀取模塊前面板4.5信號處理模塊設(shè)計由于信號采集模塊在分析時所采集得到的原始信號中可能會含有許多干擾信號,這些干擾信號可能會對最終的分析結(jié)果產(chǎn)生不利影響[29],故我們就需要針對采集得來的干擾信號和數(shù)據(jù)量進行相應(yīng)的處理,一般包括數(shù)字濾波和加窗處理。本模塊主要由數(shù)字濾波模塊和添加窗口處理模塊組成,其程序框圖和前面板顯示如圖4.11和4.12所示。圖4.11信號處理模塊程序框圖圖4.12信號處理模塊前面板數(shù)字濾波是一種指按照一定的前提和預(yù)先設(shè)計要求通過數(shù)字化的方法將輸入信號轉(zhuǎn)換為原始的頻率進行轉(zhuǎn)換或者經(jīng)過加工等處理,使原始信號在頻譜上發(fā)生改變[30]。本數(shù)字濾波器軟件系統(tǒng)主要設(shè)計采用的一種數(shù)字信號濾波器器件是一個iir數(shù)字濾波器,其中數(shù)字濾波器器件類型主要包括有butterworth、chebyshev等幾種,包含了iilowpass(低通)、highpass(高通)、bandpass(帶通)、bandstop(低通帶阻)四種通帶類型,如圖4.13所示。加窗處理能夠?qū)π盘栠M行截斷,減少頻譜能量泄漏。本系統(tǒng)可供選擇的窗函數(shù)有漢寧窗(hanning)、海明窗(hamming)、矩形窗、三角窗、Blackman窗和高斯窗,通過條件結(jié)構(gòu)可在前面板上自由切換,如圖4.14所示。一個好的窗函數(shù)主要表現(xiàn)為:其頻譜的主瓣突出,旁瓣衰減大[13]。在信號一定長度的場合情況下,適當(dāng)?shù)卦黾哟昂瘮?shù)的長度,這樣就能夠有效地減少信號頻譜中能量泄漏,在特殊場合下,加窗函數(shù)還有利于抑制信號噪聲,提高信號頻率分辨度和信號清晰度等功能。[31]。窗口瓣函數(shù)分值評估的主要指標(biāo)內(nèi)容包括最大側(cè)瓣的側(cè)瓣衰減值,旁瓣瓣的衰減和增加速度,主瓣衰減的寬度。最大不同旁瓣的峰值,即最大不同旁瓣的峰值和十個不同主瓣的最大峰值對數(shù)增加衰減率對數(shù)的正比,通常都是采用單位對數(shù)法對其進行峰值表達(dá),而十個旁瓣的峰值衰減消除率則一般是以十個不同相鄰瓣的旁瓣及其峰值的最大衰減比為單位對數(shù)計算出來。[26]。圖4.13數(shù)字濾波類型 圖4.14窗函數(shù)類型4.6小波變換分析模塊設(shè)計信號小波變換頻率分析法主要應(yīng)用指的也就是在一定一段時間域內(nèi)用來研究一個射頻系統(tǒng)在其多個輸入輸出信號的相互作用下,其中所進入輸出的一個信號小波會是否伴隨著特定一段時間的頻率變化而發(fā)生變動。[27]。通過小波變換分析,可以獲得信號在小波變換內(nèi)的特征參數(shù)(均值、峰值、方差、均方根等),這些特征參數(shù)可以用來描述信號的波動大小、分布情況等。此外還要求能夠通過小波變換的方法進行綜合分析,得出各種波形信號間的各個波形在不同時間和地點的交互相似性與其相互之間的關(guān)聯(lián)程度,包括各種波形信號之間的自交互相關(guān)、彼此之間的交互相關(guān)等。本系統(tǒng)所設(shè)計的小波變換分析模塊主要包含小波變換統(tǒng)計和相關(guān)分析兩個模塊,其程序框圖和前面板如圖4.15和4.16所示。圖4.15小波變換分析模塊程序框圖圖4.16小波變換分析模塊前面板4.6.1小波變換統(tǒng)計分析小波變換統(tǒng)計分析模塊主要目的是對小波變換處理后信號的特征參數(shù)進行獲取,通過調(diào)用labview里expressvi下的"統(tǒng)計vi"來返回所需要的特征參數(shù),包括小波變換信號的平均值和峰值,信號的峰值和峰值,信號的標(biāo)準(zhǔn)差和方差,還可以根據(jù)需要自行選擇所要返回的參數(shù),如圖4.17所示。圖4.17統(tǒng)計ExpressVI（1）峰值（Peak）和峰-峰值（P-P）峰值xp（4-1）在振動信號分析時,將原始信號通過小波變換分析后可得出其峰值：（4-2）峰-峰值xp?p意義：在振動信號分析系統(tǒng)中,通過對信號峰值和峰值的計算,可以確定監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)字信號的動態(tài)范圍,防止信號產(chǎn)生削波,從而能夠真實地反映出原始振動信號的幅值（2）均值（Mean）周期信號中的均值μx周期信號中的是指信號在一個周期內(nèi)幅值對時間的平均，也就是用傅里葉級數(shù)將其展開后得到的常值分量，即（4-3）在振動信號分析時,將原始信號通過小波變換分析后可得出其均值:（4-4）意義:在振動信號分析領(lǐng)域中,均值是信號在一個周期內(nèi)幅值對時間的平均,可用來描述其靜態(tài)分量。（3）方差（Variance）方差是一種信號在偏離平方或者正比率的均值下產(chǎn)生的平方,信號的正比率可以定義為:（4-5）在振動信號分析時，將原始信號通過小波變換分析后可得出其方差：（4-6）意義:信號一般都是分布在平均值附近,在兩個平均值零線之間上下波動,方差常被用來描述一個信號的頻率和分布狀態(tài),反映其波動程度。（5）標(biāo)準(zhǔn)差（StandardDeviation）標(biāo)準(zhǔn)差又被當(dāng)時人們通常統(tǒng)稱成作為標(biāo)準(zhǔn)平方差,其數(shù)學(xué)定義上的基礎(chǔ)就是一個作為方差的標(biāo)準(zhǔn)算術(shù)函數(shù)平方根,反映了一個信號傳輸后在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)的距離和近似程度。標(biāo)準(zhǔn)差法在數(shù)字計算中的每個單位都是完全等同于方差,但是標(biāo)準(zhǔn)差的優(yōu)點在于當(dāng)對某一時間段信號的波動范圍進行描述時,前者要比后者更方便。其表達(dá)式為:（4-7）在振動信號分析時,將原始信號通過小波變換分析后可得出其標(biāo)準(zhǔn)差:（4-8）意義：標(biāo)準(zhǔn)差主要用來描述信號的波動大小。（4）均方根值（RMS）均方根值被廣泛地定義為一個算術(shù)平方根,又可以簡稱為一個信號的有效值,是一個信號在一定時間內(nèi)的平均能量的一種表征和反映,其中均方根的表達(dá)式定義為:（4-9）在振動信號分析時，將原始信號通過小波變換分析后可得出其有效值：（4-10）意義：均方根值主要用來描述振動時信號的強度。4.6.2信號的相關(guān)分析所謂的向量相關(guān)性,就是一個術(shù)語用來描述泛指兩個線性變量之間的一種線性向量關(guān)系及它是否真實存在。一般來說,確定性信號中的變量之間是具有某種特定聯(lián)系的,隨機信號中的變量之間由于數(shù)值不是一一對應(yīng),所以就不能用某種關(guān)系來描述。但是如果通過對隨機信號進行大量的統(tǒng)計分析和計算,還是能夠發(fā)現(xiàn)各個變量之間的某種近似關(guān)系,雖然不夠精確,但能夠反映其對應(yīng)關(guān)系和特性[13]。本模塊對信號進行了自相關(guān)分析,其程序框圖見圖4.15。(1)自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)通常是一種用來表示和描述一個信號在不同的時刻中所獲得值的相關(guān)性程度或者相互依賴關(guān)系的函數(shù),其定義如下。（4-11）在振動信號分析時,將原始信號通過小波變換分析后對其再進行估計:（4-12）自相關(guān)函數(shù)的主要應(yīng)用：可以依據(jù)相關(guān)圖形來區(qū)分原始信號的類型；在帶有干擾噪聲的信號中能夠檢測出是否有周期性確定信號；并且能辨別出周期性頻率成分[13]。（2）互相關(guān)函數(shù)隨機信號x(t)和y(t))的互相關(guān)函數(shù)（4-13）在振動信號分析時，將原始信號通過小波變換分析后對其再進行估計：（4-14）自相關(guān)函數(shù)的主要適用:我們可以通過依據(jù)相關(guān)的圖形方式來準(zhǔn)確地區(qū)分原始信號的種類;在一個帶有干擾和噪聲的時候,它們能夠被檢測到是否存在一個周期性的確定信號;而且它們還能夠辨別出一個周期性的頻率組成部件。[13]。4.7傅里葉變換分析模塊設(shè)計將一個小波信號通過一種數(shù)學(xué)分析處理,從小波變換的頻譜描述分析方式轉(zhuǎn)變成傅里葉變換的頻譜描述分析方式,這種頻譜分析描述方式被我們統(tǒng)稱成即為對一個小波信號通過頻譜分析進行數(shù)學(xué)分析。由于一個不同信號本身往往具有不同的數(shù)學(xué)特征和物理性質(zhì),且在傅里葉變換的計算過程中所用的需要同時使用的各種計算分析方法也不同,所以將一個不同信號的傅里葉變換分析函數(shù)可以被廣泛表現(xiàn)為包括功率譜、幅值譜、相位譜等各類信號譜線的函數(shù)以及包括能量峰值譜函數(shù)密度、幅度峰值譜函數(shù)密度、功率譜函數(shù)密度等各類信號譜函數(shù)密度的分析函數(shù)。本系統(tǒng)所設(shè)計的傅里葉變換分析模塊主要對信號進行FFT分析和功率譜分析,通過調(diào)用ExpressVI下的"頻譜測量"VI(如圖4.18)對加窗處理后的信號進行基于FFT的功率譜測量,以及信號處理工具下的"自功率譜"VI對信號進行自功率譜分析,將其通過前面板的波形圖表展現(xiàn)出來。傅里葉變換分析模塊的程序框圖及其前面板設(shè)計如圖4.19、4.20所示。圖4.18基于FFT的頻譜測量ExpressVI圖4.19傅里葉變換分析模塊程序框圖圖4.20傅里葉變換分析模塊前面板4.7.1FFT分析快速傅里葉變換(fft)在傅里葉變換的快速數(shù)據(jù)處理和信號分析中主要研究目的之一是廣泛廣義地被人們用來用于研究如何對其進行快速的處理分析一個調(diào)頻器的信號,最基本的一種應(yīng)用方式是通過快速計算平穩(wěn)頻率信號中的頻譜,通過這種快速計算信號頻譜圖的方式我們可以很好地通過觀察和準(zhǔn)確地地分析計算出平穩(wěn)調(diào)頻信號的各個不同頻率點所構(gòu)成的各部分。連續(xù)傅里葉變換直接地明確定義了如何實現(xiàn)連續(xù)離散的最小波函數(shù)信號從小型離散波里葉函數(shù)變換直接擴展為大到傅里葉變換的傅里葉變換,而小型的連續(xù)離散傅里葉函數(shù)變換則將連續(xù)離散的傅里葉信號從小型離散波里葉函數(shù)變換直接擴展為小到傅里葉變換,fft則被廣泛認(rèn)為為它是其迅速的信號處理最佳算法,是其快速處理連續(xù)離散小波信號的重要計算手段。[32]。離散傅里葉邊換定義為：（4-15）離散傅里葉逆變換為：（4-16）4.7.2功率譜分析功率譜功能密度計算函數(shù)式它是一種在高頻信號傅里葉變換分析中可以表現(xiàn)為給出各種信號功率特性的全頻譜功率密度計算函數(shù),也被稱之為功率譜,用來描述信號在傅里葉變換內(nèi)的統(tǒng)計特性以及信號的功率隨頻率的變化情況。在對振動信號進行測試和分析中,不僅能夠作為一種檢測系統(tǒng)的主要頻率組件,而且能夠作為一種檢測系統(tǒng)中所有振動信號的頻率組件。（1）)當(dāng)自相關(guān)函數(shù)滿足傅里葉變換條件時,其傅里葉變換定義為（4-17）稱Sxf為(2)將所有的密度相關(guān)功率函數(shù)都代入進行傅立葉變換時然后所計算得到的功率譜和高密度相關(guān)函數(shù)統(tǒng)統(tǒng)可以稱之為互補性功率譜或高密度相關(guān)函數(shù),也就是可以將其統(tǒng)之為互補性功率譜。隨機運動信號與的一個互相關(guān)密度函數(shù)及之間的一個互譜傅里葉變換形式可以被直接定義如下為（4-18）從互功率譜中可以看出兩種信號的相關(guān)聯(lián)系和區(qū)別,并保留了幅值、頻率和相位三個基本參數(shù),相較于自功率譜,更能反映出信號的頻譜特性。4.8軟件系統(tǒng)測試實驗對系統(tǒng)軟件進行測試實驗時,主要是對所設(shè)計的各個模塊進行功能測試,驗證每一個系統(tǒng)模塊能否滿足功能要求。為驗證本測試分析系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計的有效性,采用示波器模擬信號來代替軸承振動信號進行系統(tǒng)測試實驗。本測試實驗采用的虛擬示波器(圖4.21),該示波器具有萬用表、頻率計和信號源三個模塊,是一個非常好用的模擬軟件。本次測試所選用的波形及參數(shù)如下表所示:表4.1虛擬示波器模擬信號參數(shù)通道波形頻率（Hz）L正弦波40R方波20測試波形如下圖所示：圖4.21虛擬示波器模擬信號源界面(1)信號采集模塊和信號存儲模塊測試本系統(tǒng)的信號采集模塊包括模擬信號發(fā)生和實時信號采集兩種采集方式,由于使用示波器來模擬信號,所以只測試實時采集模塊。將示波器參數(shù)設(shè)置好之后,便可進行系統(tǒng)測試。運行程序后,點擊"實時采集"按鈕,系統(tǒng)開始實時采集信號,如圖4.22所示。待信號采集一段時間后點擊"停止"按鈕,系統(tǒng)停止信號采集,此時布爾控件(狀態(tài)顯示燈)會亮起(如圖4.23),表示信號以存儲在指定路徑,即完成信號采集和信號存儲模塊的測試。圖4.22實時信號采集界面存儲狀態(tài)顯示和存儲路徑存儲狀態(tài)顯示和存儲路徑圖4.23采集結(jié)束和存儲界面(2)信號讀取模塊測試在信號采集模塊測試中,已將信號存儲到指定路徑,在程序運行狀態(tài)下,點擊"信號讀取"按鈕,選擇信號存儲的路徑,便可讀取所選擇的信號,如圖4.24所示。此外,本程序還可以讀取任意的音頻格式(Wav)文件,在選擇路徑處選擇音頻文件(xiaoge.wav),點擊"信號讀取"按鈕,便能讀取所選音頻文件,如圖4.25所示,即完成信號讀取模塊測試。圖4.24信號讀取界面圖4.25任意音頻文件讀取界面（3）信號處理模塊測試本系統(tǒng)對信號的處理采用了Butterworth低通濾波器。其最主要的特點是在該濾波器的通頻帶內(nèi),高頻信號會被過濾,低頻信號保留,使得頻率響應(yīng)曲線具有最大平坦度;而且振幅對角頻率單調(diào)減小,其曲線不受階數(shù)的影響[29]。對于一個信號函數(shù)進行的疊加窗和對函數(shù)的映射處理,可以為其提供一個選用的窗口該函數(shù)主要類型有:矩形窗、hanning窗和矩形hamming窗等,默認(rèn)為Hanning窗。在程序正常運行的狀態(tài)下,點擊"信號處理"按鈕,輸入低截止頻率,選擇"lowpass"和"hanning窗"并調(diào)整好后進行圖形顯示,即可以完成對信號的濾波和添加窗處理,濾波后的信號波形和加窗處理后的信號波形如圖4.26所示。圖4.26信號處理（濾波和加窗處理）界面(4)小波變換分析模塊測試小波變換分析模塊主要是對采集到的小波信號進行小波變換統(tǒng)計并針對經(jīng)過相關(guān)的信號進行分析統(tǒng)計,在程序運行狀態(tài)下,點擊"小波變換分析"按鈕,即可對信號進行小波變換內(nèi)的特征參數(shù)統(tǒng)計和自相關(guān)分析,運行結(jié)果如圖4.27所示。圖4.27小波變換分析界面(5)傅里葉變換分析模塊測試本測試系統(tǒng)的傅里葉變換分析模塊主要對信號進行FFT分析和頻譜分析。在程序運行狀態(tài)下,點擊"傅里葉變換分析"按鈕,即可對信號進行分析,完成FFT、功率譜、自功率譜的信號測量,如圖4.28所示。圖4.2傅里葉變換分析界面4.9本章小結(jié)本章主要是針對軸承監(jiān)控系統(tǒng)的一些軟件構(gòu)成部分進行了設(shè)計,其中主要包括信號采集模塊、信號儲存與讀取、信號處理、小波變換分析和傅里葉變換分析等模塊,根據(jù)測試原理對其進行了分析,并對所設(shè)計的系統(tǒng)進行了測試和實驗,以便于驗證該系統(tǒng)的有效性和測試的準(zhǔn)確度。全文總結(jié)本論文介紹了軸承監(jiān)測系統(tǒng)的研究意義,軸承振動和故障診斷的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,以及軸承結(jié)構(gòu)振動特性研究,并詳細(xì)地分析了基于LabVIEW的軸承監(jiān)測系統(tǒng)的組成。在此基礎(chǔ)上,對測試系統(tǒng)的硬件進行選型,并開發(fā)出一套基于LabVIEW的監(jiān)測系統(tǒng)。論文主要工作以及特點有:(1)對軸承振動特性進行研究分析。通過滾動軸承故障分析,探究其振動的原因和評價標(biāo)準(zhǔn),并對軸承振動測試的方法進行研究。(2)對測試系統(tǒng)硬件選型進行設(shè)計。選擇CA-YD-186G壓電式加速度傳感器、YE3826多通道IEPE信號調(diào)理器(恒流適配器)和USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡作為信號采集裝置,詳細(xì)介紹各硬件裝置,并對硬件系統(tǒng)進行電氣原理設(shè)計。(3)對軸承監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計。以先進的圖形化和編程軟件labview為主要研究和開發(fā)的平臺,設(shè)計了一套完整的信號采集和分析系統(tǒng),包含了信號采集模塊、信號存儲和讀寫模塊、信號處理模塊、小波變換分析模塊和傅里葉變換分析模塊。詳細(xì)地介紹了振動信號測試的一些基本原則,主要內(nèi)容包括數(shù)字濾波、加窗處理、小波變換統(tǒng)計和信號的相關(guān)分析、FFT分析、功率譜分析。最后對測試系統(tǒng)進行測試實驗,通過示波器模擬信號來驗證系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。(4)本系統(tǒng)采用了LabVIEW圖形化開發(fā)平臺,界面友好,功能強大,編程直觀,調(diào)試便捷,軟件開發(fā)周期短,是一款簡單易用的圖形化編程軟件。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,利用事件結(jié)構(gòu)的特點,用戶可根據(jù)自身需求增添相應(yīng)功能,保證了系統(tǒng)良好的拓展性。致謝時至今日，我的大學(xué)生活已經(jīng)接近尾聲，回顧四年來忙碌而又充實的時光，我感到收獲滿滿。這一段時間對我的成長和磨礪是深刻而豐富的。這種成長和磨礪，來源于老師的諄諄教誨，同學(xué)的熱情幫助，以及家人的鼎力支持。在畢業(yè)論文完成之際，我要衷心感謝所有給予我關(guān)懷和幫助的人。首先我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計導(dǎo)師張超教授。張老師在繁忙的教學(xué)、科研之余，對我的論文選題、框架結(jié)構(gòu)、資料收集、軟件設(shè)計、乃至格式修改都傾注了大量心血，從張