基于LabVIEW2010的发动机振动信号采集系统的开发与研究

武 健， 郭 永， 侯占峰， 张 忱， 梁志强

（1.内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.包钢集团巴润矿业有限责任公司，内蒙古 包头 014080）

0 引 言

目前，在很多科学研究领域中，如实验室所进行的各种分析研究、测试、测量以及工业自动化等方面，越来越多的科研人员都通过使用“虚拟仪器”构建各种系统。而所谓虚拟仪器，是指以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。

就汽车发动机的振动信号而言，由于内部包含了丰富的相关信息，它能够反映发动机的整体状态以及变化规律，所以在汽车发动机的状态监测以及故障诊断过程中，若通过测取发动机工作时的大量振动信号，则可以诊断出发动机70%以上的故障和状态信息[1]。而通过对比分析正常状态以及故障状态的振动信号，从而可对汽车发动机的状态进行预测，这是发动机状态诊断的发展方向[2]。

然而，传统的数据采集系统由于受到检测的可靠性以及准确性差、开发时间长、成本高和缺乏便捷性等因素的影响，无法即时地提供可靠的振动状态信号。而通过虚拟仪器建立的数据采集系统，在信号的即时采集和分析中，则能够克服上述缺点[3]，明显地体现出较大的优势。

1 LabVIEW简介

LabVIEW是NI，即美国国家仪器有限公司开发的一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。与传统的文本编程语言不同，它采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。

LabVIEW程序被称为VI，即虚拟仪器。每个VI包括前面板和程序框图两部分。前面板又被称为用户界面，LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便的创建用户界面。前面板上的每一个控件对应于程序框图中的一个对象，当数据"流向"该控件时，控件就会根据自己的特性以一定的方式显示数据。LabVIEW还包含大量的工具与函数，用于数据采集、分析、显示与存储等。这些工具都是交互式工具，用户只需要按照提示就可以实现与仪器的连接和参数的设置[4-5]。

2 基于LabVIEW2010数据采集系统

2.1 数据采集系统构成

所谓数据采集是指从传感器和其他待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。一个完整的数据采集系统包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等，如图1所示[6]。

2.2 数据采集系统软硬件的选择

2.2.1 系统软件选择

图1 数据采集系统结构图

在利用LabVIEW2010建立汽车发动机振动信号采集系统时，考虑到对发动机振动信号进行实时采集时的数据传输速度，以及与驱动程序和上位机在通信时应当匹配等因素，选用NI公司USB-6251型数据采集卡。该采集卡具有16路模拟输入，单通道1.25MS/s的采样率。同时选择NI公司提供的DAQmx9.2.2版本的驱动软件，可以方便地在LabVIEW2010中对其进行控制。

2.2.2 系统硬件选择

以中国上海大众公司的AJR型发动机作为被测对象，它是目前比较普遍使用的四缸发动机，同时还采用德国（BOSCH）的电控系统，被广泛的用在发动机实验平台。传感器选择B&K公司型号为4382的压电加速度传感器，它可以将加速度转变为电压信号，通过采集卡到达上位机，使人们对信号进行实时观测。该传感器频率范围为0.1～8400Hz，灵敏度为30.8PC/g，满足汽车振动时的要求。在实验前使用B&K公司型号为4294的振动传感器标定仪对其进行了标定。利用最大最小值的平均值计算其有效值，用10 m/s2除以有效值及得标定值，最后标定值为0.952395072m/s2/mv。发动机振动信号经过传感器转变为电压信号，由于电压较小，使用B&K公司型号为2635的电荷放大器对电压进行放大。该放大器还具有一定的滤波作用，但是无法精确选择范围，因此只能进行初步滤波。经过标定发现，该系统可以稳定地测量振动加速度以及功率谱。通过测取振动加速度的电压值，得到表1所示的标定传感器相关数据。图2和图3为在标定实验过程的加速度和功率谱图。

表1 传感器标定仪数据

图2 振动加速度图

图3 功率谱图

3 LabVIEW程序

3.1 程序框图的设计

系统使用LabVIEW2010进行采集程序设计，可实现振动信号及其功率谱信号的采集、显示和存储，并能在程序中进行精确地低通滤波，可使采集到的信息更加准确。LabVIEW2010软件具有很多功能齐全的函数，类似于当今电视机中的各个芯片，只需将各芯片有序地结合为一体就可以方便快速地完成程序框图的设计。在设计过程中，使用了DAQ Assistant、滤波器、频谱测量、写入测量文件函数以及计时函数[7-8]。

DAQ Assistant函数，又称数据采集函数，用于交互式地创建、编辑和运行NI-DAQmx虚拟通道的任务。在使用时要对NI-DAQmx虚拟通道所对应的DAQ设备上的物理通道、采样率、待采样率及量程进行设置。

滤波器函数的作用是对信号进行低通滤波。创建时对低截止频率以及窗函数进行设置，需注意的是截止频率以及采样率要满足Nyquest采样定律。在设计时还应该能针对发动机运行状态的不同，随时更改截止频率。

频谱测量函数，对信号进行功率谱分析，从而在测量前进行干扰分析，在测量中进行主要频谱测量以及实时观察。

写入测量文件函数，用于对函数进行及时地存储，存储的格式选择为TDM。TDM文件将动态类型的信号数据存储为二进制文件，这些信息以XML的格式存储在扩展名为.tdm的文件中。图4为基于NI-DAQmx的数据采集系统的整体结构框图[9]。

图4 基于NI-DAQmx的数据采集系统

3.2 前面板设计

前面板不仅要实现将加速度变为电压信号及其功率谱，还需要对采样频率、低截止频率实时进行修改，并对存储开关进行控制，因此设计两个示波器，以及相应的控件和显示程序运行时间的显示控件。

3.3 实验测试

利用该系统对发动机正常怠速状态进行实时测量，并对测量数据进行标定，得到数据即为发动机正常怠速状态振动加速度。表2为测量实验的部分数据，以及根据传感器标定值计算出的加速度值。

表2 发动机怠速振动加速度

4 结束语

本系统充分发挥了虚拟仪器的优势，首先，其使用硬件少，大大缩小了开发时间以及费用，由于受硬件的局限性极小，可以方便地对发动机的各个位置的振动进行测量；其次，该系统利用计算机强大的用户界面，可以方便地改变采样率、低截止频率，从而对各个转速下的发动机各时刻的加速度以及功率谱进行实时的图形监测；最后，系统通过将各时刻加速度转化为电压值保存为TDM文件格式，从而实现了对数据的实时存储，其中加速度实验数据精确到小数点后第9位，方便用户在实验后对数据进行回放并进行后续的处理。

[1]熊国良，李玲新，曾诚.回转机械振动模糊故障诊断系统的理论和应用研究[J].机械设计与研究，1999（3）：46-48.

[2]王朝晖，张来斌，刘春，等.基于振动信号的车用发动机运行状态预测[J].机械强度，2006（5）：649-653.

[3]王建群，南金瑞，孙逢春，等.基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J].计算机工程与应用，2003（21）：122-125.

[4]白云，高育鹏，胡小江.基于LabVIEW的数据采集与处理技术[M].西安：西安电子科技大学，2009.

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

[6]雷振山，魏丽，赵晨光，等.LabVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[7]National Instruments LabVIEW Help[Z].Texas：National Instruments，2003.

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

[9]陈锡辉，张银红.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2008.