基于LabVIEW的振动信号分析与报警系统的设计*

冯俊涛，戚厚军，谭 鹏，王飞跃，杨 正

(1.天津职业技术师范大学，天津 300222； 2.天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222)

0 引 言

随着工业化程度的不断提高，工业系统所使用的机械设备智能化与精密化不断提高，而机械设备的工作性能和运行状态对工业系统的整体运作具有重要的作用。因此，随着对机械设备的可靠性的不断重视，机械状态的监测也变得更加重要。通过对各个阶段设备状态的监测有助于生产的优化，也有助于在运行中及时发现故障从而采取合适的对策。机械设备及其零部件在高温环境下的长时间工作，由于挤压、摩擦或冲击等原因会产生结构关系的变化，导致产生异常的振动信号。此时对振动信号的分析就可以发现问题从而及时报警。

林泽才等人通过设置了故障分析窗口，多种信号超限提示窗口，借助模拟波形的输入来实现对系统的测试，所采集的信号可以被准确的监测[1]。崔喜贺等人对振动信号进行自相关分析、时域分析等多种信号分析，能够做到对发动机工作状态的实时监控，发生故障时能够发现[2]。杨一晴等人设计煤矿旋转机械故障系统。通过对采集的振动信号进行功率谱等分析后得到特征参数与故障特征参数相比较，判断发生了哪种故障，从而预警[3]。唐奕等人对振动信号预处理，再进行时域等分析，提取了振动信号特征，识别了轴承故障特征频率，设计的分析系统具有较强直观性[4]。沈智慧使用振动传感器、数据采集卡等硬件设备对采集的电机振动信号采用滤波器、功率谱分析等处理，得到的功率谱波形。同电机故障振动信号频谱分析后相比较，从而判断出电机是否正常运行[5]。除此之外，使用智能算法分析振动信号也能够对机械设备进行故障诊断。这些方法大多通过MATLAB等平台编程实现。彭鹏等人提出了一种抗噪干扰的RV减速器故障识别ANNET算法，实现了对故障的识别[6]。陈李果等人通过采用小波变换消除了噪声，实现了振动信号的识别，为RV减速器故障的判断提供了参考[7]。MATLAB平台编程过程可视化较为复杂，对开发人员在编程方面提出了较高的要求，制约了其在实际中的应用。LabVIEW软件与传统的编码方式不同，降低了程序设计的复杂度。基于LabVIEW的振动信号分析和报警系统用虚拟仪器技术及VI模块对振动信号进行处理，查看到振动信号含有的信息。LabVIEW软件具有同MATLAB的接口使分析结果更准确、可靠。

尽管前人对信号分析方面已做了大量深入研究，但对如何报警方面还存在一些不足，笔者选择采用LabVIEW软件作为振动信号分析与报警系统的设计软件。。此次设计的分析系统先进行时域，频域分析，设置了超限提示，通过布尔灯亮来实现报警。

1 系统方案总体设计

分析系统由硬件，软件系统组成，实现信号采集，传输，接收，分析的功能。控制底层硬件管理模块与分析功能模块组成了系统软件，实现逻辑分析处理[8]。

硬件选用振动加速度传感器、无线发射器、信号调理器和计算机组成，是虚拟仪器工作的基础。硬件系统架构如图1所示。

图1 硬件系统架构

硬件系统所要实现的功能：

(1) 实现信号的采集，振动加速度传感器采集振动信号。

(2) 实现信号的处理，信号调理器将模拟信号转换至数字信号。

(3) 实现信号的发射，振动信号通过无线发射单元发射。

硬件与LabVIEW软件之间的信号传送通过使用DAQ实现，传输到计算机中通过LabVIEW软件进行信号处理分析等。软件系统设计框图如图2所示。

图2 软件设计框图

软件系统所要实现的功能：

(1) 实现信号的接收通过LabVIEW中DAQ助手来实现。根据实际情况设置采样点数，通道参数，采样频率。

(2) 实现对信号的滤波。确定滤波器选用哪种拓扑结构，根据实际需要选定频率区间。

(3) 实现对信号的时域，频域分析。一旦结果超出范围，系统进行亮红灯报警。

2 信号分析系统设计

分析系统由时域、频域分析两部分组成。通过对振动信号进行时域有量纲参数分析和无量纲参数分析，对其计算结果进行监控，超出设定的范围报警提示。频域分析使用傅立叶变换与幅值谱分析，通过频率，幅值的变化来判断振动信号情况，出现异常则报警提示。

2.1 信号的时域分析

2.1.1 时域有量纲参数分析

时域指标计算主要包括：峰值，均值，方差，有效值，均方值，振动烈度六个指标。通过在前面板框图中显示六项指标的结果，并对显示的结果进行监测，一旦结果超出上下限范围时，系统报警提示现场工作人员，系统采用布尔灯颜色变红的方式进行报警。信号的时域分析流程图如图3所示。

图3 信号的时域分析流程图

以下为对振动信号进行时域有量纲参数分析的特征参数：

(1) 峰值xp主要体现的是一组数据的整体振动情况以及最大振动幅度。其表示式如下：

xp=|x(t)|max

(1)

(2) 均值ux描述一组数集中趋势或离散程度的重要指标。用下式求取均值：

(2)

(3)

(4) 有效值Xrms表示振动信号的实际强度，其表示式如下：

(4)

(5)

(6) 振动烈度来衡量振动强度的大小。其表达式如下：

(6)

对六个指标设立上下限，上下限具体的数值可在前面板中进行设置。对这六个参数指标分别设置上下限，超过报警提示。时域有量纲参数分析程序框图如图4所示。

图4 时域有量纲参数程序框图

2.1.2 时域无量纲参数分析

振动信号无量纲参数采用峰值指标，脉冲指标，裕度指标，峭度指标四个指标。峰值指标，波形指标，脉冲指标表示振动信号能量的大小。裕度指标描述振动信号幅值的改变程度。四个指标在对正常振动信号分析获得的数值设定一个阀值，当超出阈值时，系统要进行报警提示。

(1) 波形指标表达式如下：

(7)

(2) 峰值指标表达式如下：

(8)

(3) 脉冲指标表达式如下：

(9)

(4) 裕度指标表达式如下：

(10)

对四个指标设立范围，具体的数值可在前面板中设置，通过对振动信号的分析得到的四个指标可在前面板中观察到。对这四个参数指标设定范围，超过报警提示。时域无量纲参数分析程序框图如图5所示。

图5 时域无量纲参数程序框

2.2 信号的频域分析

频域分析的主要功能是用于在振动信号监测发生异常以后，用来判断故障部位，以达到更精确的诊断。频谱分析得到信号频率信息。在监测过程中，通过比较同一频率成分下幅值的变化情况和有无新的频率成分的产生，判断信号是否正常。频域分析流程图如图6所示。

图6 频域分析流程图

2.2.1 傅里叶变换分析

对振动信号进行傅立叶变换分析。通过对正常振动信号进行傅里叶变换得到频谱图，将故障振动信号进行傅立叶变换得到频谱图。见图7所示。将不同的频谱图进行分析研究。确定故障振动信号产生了哪些新的频率及其幅值情况。图中a,b表示检测的频率范围，频率最小间隔是0.001hz，spline用于确定数据点的函数值。将产生的新的频率将其设置为所需要检测的频率，根据幅值情况来确定输入频率对应下的正常幅值，当检测到需要检测的频率及幅值情况在误差范围之外时，布尔灯颜色变红来报警提示故障。

图7 傅里叶变换分析程序框图

2.2.2 幅值谱分析

进行幅值谱分析得到频谱图，包含振动信号的转动频率，啮合频率等信息。当发生不同故障后，对振动信号谱线进行分析，谱线的变化也会不同，当出现故障时，通过对谱线进行分析，确定故障原因[9]。

通过对采集的振动信号的幅值谱分析，确定故障振动信号产生了哪些新的频率及其幅值情况，产生的新的频率将其设置为所需要检测的频率，根据幅值情况确定输入频率对应下的正常幅值，当检测到需要检测的频率及幅值情况在误差范围之外时，布尔灯颜色变红来报警提示故障。幅值谱分析程序框图如图8所示。

图8 幅值谱分析程序框图

3 应用效果

随着机械设备成本的降低，生产率的提高，一旦发生故障，就可能会影响整条生产线的运行，对经济造成重大的损失。所以通过对机械设备所产生的振动信号进行在线分析，可以及时发现存在的故障，并采取措施，对降低维修的成本，提高设备的可靠性具有重要的意义。利用仿真振动信号对设计的系统进行验证，通过得到的结果来证明了系统能够实现对振动信号的分析。

3.1 时域分析

进行时域有量纲参数分析，前面板如图9所示。

图9 时域有量纲参数分析前面板

选择合适的上下限，在设置的上下限范围之内时绿灯亮，当超出上下限范围之外时红灯亮。

进行时域无量纲参数分析，前面板如图10所示。选择合适的指标误差范围，在设置的指标误差范围内时绿灯亮，当超出误差范围之外时候红灯亮。

图10 时域有量纲参数分析前面板

3.2 频域分析

进行傅立叶变换分析，前面板如图11所示。进行幅值谱分析，前面板如图12所示。

图11 傅立叶变换分析前面板 图12 幅值谱分析前面板

通过对振动信号进行傅立叶变换分析与幅值谱分析所得的前面板图，可以发现振动信号产生了哪些新的频率及其幅值情况。当监测到所要监测频率的幅值在误差范围之外时，布尔灯颜色变红来报警提示故障。

通过进行时域，频域的分析，所设计的系统能够实现对振动信号的分析，并能够实现报警功能。

4 结 语

为实现对机械工作状态的监测，出现问题及时报警，提出设计一套基于LabVIEW的振动信号分析与报警系统。通过对仿真振动信号进行时域分析，得到具体指标的数值，与设定的指标数值进行对比，及时发现是否异常。通过对仿真振动信号进行频域傅立叶变换，幅值谱的分析判断频率情况，实现了对振动数据特性的判断，能及时发现安全隐患而报警，降低事故发生率，减小故障造成的损失，所设计的系统为企业提高机械设备的工作效率有一定应用价值。