电子电路基于LABVIEW和三轴加速度传感器的振动信号测量系统设计文档格式.docx
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检测系统可充分利用LabVIEW提供的各种功能，包括数据采集、串口控制、数据显示、存储等。
开发此振动检测系统使更多的用户能够利用振动检测系统，对电机实行实时监测，及早发现故障征兆，使用户及早更换故障零件，减少轮检、大修次数，节约成本，创造更多的效益，并避免事故的发生，对电机运行监测及故障诊断具有重要的现实意义。
1.3研究现状
1.3.1电机检测的研究现状
早期的电机故障检测与诊断主要是依靠人体的感官与工人的的经验，或者借助简单的工具来进行检测判断。
随着科学技术日新月异的发展，工业化进程的加速，机械设备的精密程度、复杂程度以及自动化程度更是越来越高，依靠简单的检测显然不能满足当今的需求。
到目前为止人们已经研究出了多种现代化的诊断方法，按诊断方法主要分为：
电流分析法、声学法、温度检测法及振动分析法。
（参考论文《电机振动故障巡检系统的研究与开发》）。
其中振动分析法现已发展较为成熟：
电机在稳定运行状态，其振动具有典型的特征和允许阀值，当电机运行出现异常或故障时，其振动的幅值、形式及频谱均会发生变化。
不同的缺陷与故障又会产生不同频率的振动，几乎所有的故障都可以通过振动体现出来。
通过传感器检测电机的运动状态，并对信号进行分析处理，分析各信号参数，与已知振动特征对比，可以诊断出振动故障的原因与部位，得出维修方案。
1.3.2三轴加速度传感器研究现状
20世纪80年代初，继微压力传感器之后微加速度传感器作为微型惯性组合测量系统的核心器件成为第二个进入市场的微型机械传感器。
其中单轴加速度传感器技术发展比较成熟，如美国AD公司、日本日立公司、加州大学分校UCB、均开展较早，国内也有清华大学、哈工大、北京大学、中北大学、东南大学等都相继开展了各种原理、各种结构的微加速度传感器的研究。
在单轴加速度传感器的研究开发基础之上，根据三轴传感器信号获取方式的不同,可以分为几种不同的形式:
伺服平衡式、压阻式、压电式、电容式、光纤位移式、温敏式（热对流式）、真空微电子式、隧道式、光波导式、谐振式等形式这些采用不同原理的三轴加速度传感器近年来都有一些报道[5]。
例如秦皇岛鑫华科技有限公司生产的AD系列ICP传感器是内装微型IC放大器的压电式三轴加速度传感器，将传统的压电式传感器与放大器集成在一起，简化了测试系统，提高了精度。
可以达到以下几点:
1、结构合理，电路优化
2、配长电缆不影响测量精度
3、可直接传至信号采集设备
4、有害防尘防潮放有害气体
1.3.3基于LabVIEW的虚拟仪器研究现状
伴随着个人PC计算机配置的提升性能的优化，使个人PC机的功能更是今非昔比，正是由于PC机的迅速发展，基于PC机的虚拟仪器也如雨后春笋般涌现出来：
从1988年虚拟仪器开始在国际市场上出现，到现在已有数以千计的虚拟仪器产品。
其中对虚拟仪器研究最为突出、发展最为成熟当属美国NI公司的LabVIEW虚拟仪器开发平台，在20余年的时间里已经发展成为具有有好的界面、可视化编程、以及庞大的软件包与数据库，其强大的功能已广泛被市场所接受，且已进入中国，并获得认可。
近年来我国在虚拟仪器的研究也取得了很大的进展，基于虚拟仪器形式的状态监测和故障诊断正适应了当今的生产需要与，顺应了发展方向，处在并将持续处在快速发展阶段。
1.4存在的问题，我的方案
过程检测控制SPC虽然在理论上有了较大的发展，但是在实际应用中由于科学技术与经济条件等的约束，还存在很多问题。
很多企业并没有SPC系统，采用检测设备也是起到抽检、把关的作用，使产品的质量的不到有效地控制，生产的安全也得不到根本的保障。
在国内的运用虽然得到了很大程度上的推广，但还远远的不到普及，还存在如下问题：
1、SPC数据采集困难
应用SPC的企业大多数是由检测设备读取到数据后，绝大部分的数据由人们手工完成采集与数据的处理，信息传递明显滞后导致测量误差过大、统计分析工作量过大、过程得不到及时的过程监控等问题。
2、管理水平低
能够实施SPC的企业型不多，能够严格按照SPC管理程序的企业更是少之又少，有的控制线长年不变，有的工人意识不够，导致企业钱力物力也有投入但却收效甚微。
3.通用性差
当今企业应用的振动检测系统，其大多是通过硬件来实现，不仅造成上述问题，而且通用性差，一种仪器仅能实现一种功能或出厂时通过硬件来实现的功能，而不能够根据企业自身特点自由发挥其主动效能，结构死板，灵活度差。
4.成本高
也正是由于其通过硬件实现，导致SPC系统不能普及的很重要的一个原因是成本高，在企业的投入产出比中收益比较低，是企业不愿意把钱花在过程监控上，虽然他们明白实时监测的重要性与意义。
为解决上述问题以及迫于实现工业系统的自动化与系统化，提高产品质量，关注生产劳动的安全环境，我们基于电机检测应用最广、监测信息最多且发展较为成熟的振动分析检测方法，结合最新的三轴加速度传感器技术及基于LabVIEW的虚拟仪器技术开发一种实时性好；
人工工作量小；
信息处理方便、准确；
且价格低廉、设备简单的实时过程检测系统。
2.方案论证
基于上述研究现状及存在的问题，我们决定基于LabVIEW和三轴加速度传感器设计大型高速电机振动实时检测系统，我们依据其原理及可行性分析，设计出以下方案，如下所述：
2.1整体设计方案
振动实时检测系统主要结构由三部分组成：
振动信号采集部分、振动信号处理部分及振动信号的分析结果输出部分。
其关系如图3所示：
图3：
振动检测系统顺序图
2.1.1.振动信号采集部分
在本系统中大型高速电机作为被测件为系统提供初始振动信号，安装在大型高速电机上的三轴加速度传感器跟随电机一起振动，检测其加速度信号经信号调理电路转变为分析性能更好的较为稳定输出，通过数据采集卡采集传送至终端PC机，完成振动信号的采集工作。
图4：
振动信号采集部分
2.1.2.振动信号处理部分
振动信号处理部分是本振动监测系统中的核心部分，主要由运行于PC上的LABVIEW软件平台上的一个计算分析模块来完成其主要振动信号的分析工作。
该部分的结构及流程是由数据采集卡经模数转换后采集过来的振动信号传至PC机的LABVIEW平台经除噪滤波后，由核心模块对其进行频域、振幅分析，核心模块内容详见软件部分说明，主要流程如下图所示：
图5：
振动信号处理部分
2.1.3振动信号分析结果输出模块
振动信号分析结果输出模块作为本设计系统的终端模块，其界面的友好程度，人机信息的交换程度很大程度上决定了该系统用户使用的方便程度与满意度。
该系统与传统的专用振动监测系统不同，我们不采用示波器，没有单独的配置硬件设备，我们基于用户PC机本身及LABVIEW软件平台来实现所需信息的输出显示，异常报警功能；
并可以实现数据的存档与报告的生成。
其上部分（振动信号处理部分）主要是PC机LABVIEW平台数据实时处理模块将信号进行分析处理后将图像信号传至计算机显示器进行显示，通过振幅阀值、频率阀值的设定进行振动异常的报警也是由PC显示器进行警示，其数据的存储与报告的生成则由LABVIEW工具包插件及相应程序复合完成后，数据存放于硬盘之上。
其主要结构如下图所示：
图6：
振动信号分析结果输出模块
2.1.4软件部分
作为系统的内核，软件部分担任着信号的分析处理、数据存贮等核心功能，软件结构流程图如下图所示：
打开LabVIEW软件，开始初始化程序，启动数据采集驱动，开始采集三轴加速度传感器传递过来的数据，由于在工作场地存在着各种噪声以及电磁电路产生的信号干扰，信号数据中会存在大量的杂波，须经滤波器将影响较大的杂波滤掉，为了检测大型高速电机的振动速度，我们将加速度信号进行积分处理，将得到的运算值预设定警戒值相比较，若低于设定值则说明运行平稳正常，若高于警戒值则说明振动幅度过大，记录数据并进行报警。
流程图如下：
图7：
软件处理流程图
2.2方案一
基于整体系统框图的设计思路，按照大型高速电机的实时监测需求，我们根据市场现有的ICP压电型三轴加速度传感器，及DAQ数据采集装置，来完成一个NI-DAQ插卡式虚拟仪器的设计：
1、三轴加速度传感器选择
现在市场上三轴加速度传感器已经较为完善，其主要有压电型、电阻型、应变型等。
根据该系统的需求，我们采用ICP型压电传感器。
图2.2-1：
ICP压电型传感器内部原理图
2、数据采集卡的选择
虚拟仪器系统主要有PCI-DAQ插卡式、并行口式、GPIB总线式、VXI总线式及PXI总线式。
其中PCI-DAQ插卡式方式使用数据采集卡以计算机平台和虚拟仪器软件，可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。
它充分利用了计算机总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于模拟信号的数字转化转换技术。
随着计算机的发展，其PC机箱、总线受限制、插槽数目不足等缺点正得到改善。
随着PC机庞大的数量，以及插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特别适合于工业现场测控、各种实验室和教学部门使用。
数据采集卡我们选用NI公司的PCI插卡式数据采集卡，其与LABVIEW有着完美的兼容，是A/D转换更加准确，功能更加匹配，其构成方式如下：
图9：
DAQ插卡式虚拟仪器系统
根据上述系统的设计我们为了测量电机的振动参数，主要是电机振动速度，我们根据位移传感器对低频比较敏感；
而加速度传感器对高频比较敏感的特性，我们选择ICP压电式三轴加速度传感器，我们把加速度传感器安装位置的选择在了电机的两侧轴承外侧，采用打孔螺栓安装的方法，获得最佳的频响特性。
加速度传感器的信号至数据采集卡的传输方式选为有线传输。
2.3方案二
基于整体设计的主旨思路，基于市场上多种多样的各种硬件器材。
我们设计与方案一不同的方案来进行比对。
在本方案我们决定采用电荷输出型三轴加速度传感器，采用结构紧凑式的数据采集器，采用无线传输的方式进行信号的传输，其安装部位选择微电机外壳与底座。
无线信号传输应用最广泛的两种方式是红外传输与蓝牙传输，其中红外传输是以红外线的方式传递数据，可以很方便地实现无线方式连接，传输速度快，但是存在传输距离短，只能直线传输的缺点。
蓝牙传输，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电传输技术。
能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
实现最高数据传输速度1Mbps（有效传输速度为721kbps）、最大传输距离达10米，用户不必经过允许便可利用2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频带，在其上设立79个带宽为1MHz的信道，用每秒钟切换1600次的频率、滚齿（hobbing）方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。
2.4最终方案的确定
综合比较方案一与方案二，其大体系统相同，工作原理及处理内核均相同。
不同之处在于加速度传感器的选型不同；
安装位置不同；
数据采集方式不同；
信号的传输方式不同。
我们来对两种方案进行对比：
（1）三轴加速度传感器其内置IC放大器，在检测到振动信号的同时直接将主信号放大，比将信号传输出来后将混入噪声杂波的信号同时放大信号要好，当今传感器正由结构性向物性型转变，物性型加速度传感器受结构而改变影响较小，故选用压电式加速度传感器。
（2）电机的轴承是最能反映电机振动的部位，对电机轴承的检测至关重要。
（3）由于本系统较小，采用三轴方向三路信号，我们采用4通道的DAQ插卡式数据采集即可满足要求。
无需做成CompactDAQ结构，造成资源浪费。
（4）虽然无线信号传输更为方便，是线路更加优化，在工厂条件下更加安全，但是考虑到工厂电磁设备众多，信号杂乱，为了传感器信号能够更为准确的得到采集，本系统的可靠性更强，我们采用有线传输方式。
综上所述：
我们确定方案为方案一。
2.5我的研究目标
如前面所述本系统有硬件部分与软件部分两大部分组成，由于本科生毕业设计的一些约束，硬件方面我们采取模拟，我的任务主要在软件部分。
基于LabVIEW平台开发一个振动信号滤波、积分、存贮以及显示的软件，其三轴加速度信号有软件模拟生成。
希望系系统可以移植到其他的振动测试系统中，再结合硬件实物后，能够形成切实的功能，形成实时性好、功能完善、经济使用的实时监测系统，能够在生产中切实的发挥作用。
3.振动检测系统的硬件设计
众所周知，任何一个实际的集数据采集、转换、分析的检测系统是不可能凌架于物理原件之上的，而这个物理存在，对本振动检测系统而言，由振动源的振动采集，直到输入个人计算机进行分析的这个过程实现的物理依托就是本系统的硬件部分。
其主要三轴加速度传感器、信号调理电路与数据采集卡组成（包括软件运行依托工作计算机）。
该部分将振动源的加速度信号转化为我们计算机课识别的数字信号，供我们做进一步的计算与分析。
接线方式如下所示：
我们用恒流源为AD100-3X加速度传感器和NIPCI-4474数据采集卡提供电源，分别将三轴加速度传感器的三个轴向方向的加速度模拟信号分别接到数据采集卡的前三个通道上，数据采集卡通过PCI总线结构，将数据采集卡的插卡直接插入计算机的PCI插槽中。
3.1三轴加速度传感器部分
三轴加速度传感器是将电机振动源的加速度振动信号转化为我们可以分析、计算、处理的电信号的核心转换原件，是我们本系统的核心部件，也是我们本系统的第一步，也是最为重要的一环、其性能的优略，决定了本系统的灵敏度、回程误差等重要性能指标，其作用的重要性不言而喻。
3.1.1压电式ICP三轴加速度传感器原理
压电传感器是一种有源传感器。
它是基于压电材料的压电效应为转换原理而工作的。
压电材料在发生机械形变时，内部产生极化现象，材料的表面会产生电荷聚集的现象。
反过来我们可以根据其电荷的多少来计算其发生应变的大小，继而计算其所受压力的大小。
而具体到我们加速度传感器上的话，由于其质量是固定不变的，而如我们所熟知的牛顿经典定律
，加速度大小自然可以得出。
加速度也是空间矢量，我们要在立体空间对三个轴向加速度都进行测量，我们可以通过压电元件不同的方向的电荷量的不同来得到相应轴向的加速度值。
ICP型即将IC电荷放大器内置于三轴加速度传感器，直接与压电元件相连接，较少外界噪声对其的干扰。
3.1.2三轴加速度传感器的选型
本振动检测系统之中的检测对象为高速电机，我们选用江苏靖江所生产的的JGA型高速电机，其主要参数如表3.1.2所示：
型号
转速（r/min）
电机参数
功率（Kw）
电压（V）
频率（Hz）
电流（I）
JGA-110/3.0
210000
3.0
380
350
5.0
根据上述电机振动的检测需求，我们传感器的性能指标提出相应的要求，为了使该系统的适用范围更大，我们对加速度传感器的要求较高。
我们选择灵敏度100mV/g,频率响应1-3000Hz，加速度测量量程30g以上，传感器重量不超过100g。
传感器的选用原则，我们基本上基于灵敏度与量程范围、线性范围、响应特性、稳定性以及精确度，在满足此条件下选用经济型。
基于上述原则我们选用了秦皇岛鑫华科技有限公司生产的生产的ICP封装三轴压电加速度传感器AD100-3X。
图3.1.2AD100-3X传感器实物图
如上图所示即为AD100-3X传感器，该传感器压电材料为压电陶瓷，外壳为不锈钢。
性能参数如下：
灵敏度：
100mV/g；
非线性度:
1%，频率响应：
0.5-5000Hz；
安装谐振频率：
20KHz;
检测加速度量程：
-50g—+50g；
输出阻抗：
100
；
重量:
96g;
工作温度-40—120摄氏度。
本传感器采用直流24V电源，输出方式采用M5出线。
3.1.3三轴加速度传感器的安装
根据大型高速电机自身相对传感器足够大，且可以在电机上打孔安装的自身特点，结合《动态测试中加速度传感器安装使用方法摸索及应用》中实验得出的相关结论,我们决定采用M5螺钉连接安装方式，安装力矩20-30Kgf.cm，以获得最佳的频响特性。
:
表3.1.3：
序号
安装方式
优点
缺点
1
螺钉连接的安装方式
连接牢固，可获得最佳频响特性
需要在事件上打孔，安装准备工作较为繁琐
2
直接粘结的安装方式
不需要在事件上打孔，安装简单、便捷
连接牢固性较差，频响特性较差，不能用于外壳不绝缘加速度传感器的安装
3
垫块为胶木的安装方式
不需在试件上打孔，安装简单，便捷，且能很好的实现加速度传感器与被测件的绝缘，适用于所用加速度传感器的安装，在三种不同材料垫块中，频响特性最佳
连接牢固性较差，频响特性较差
4
垫块为有机块的安装方式
不需在试件上打孔，安装简单，便捷，且能很好的实现加速度传感器与被测件的绝缘
连接牢固性较差，频响特性较差，三种垫块中，频响特性最差
5
垫块为酚醛玻璃布板的安装方式
连接牢固性较差，频响特性较差，三种垫块中，频响特性居中
除了传感器的安装方式，安装位置也是十分关键的。
考虑到被测部位的振动状态和传感器的工作环境，以及传感器高的可靠性和灵敏度、宽的频响范围，需要遵循以下2个原则：
（1）选择结构阻尼小、刚度高的位置作为被测点。
（2）由于振动信号在传递过程中幅值要衰减，所以被测点应尽量靠近振动产生的位置。
根据GB10068.1—1988（代替GB2807—1981）旋转电机振动测定方法及限值中的国家标准规定，测点数为7个。
因此本系统进行单通道测量时，传感器选择安装在位置7，双通道测量时分别安装在垂直和水平方向的位置1和2，进行双通道采集时还要考虑到如果两个传感器同时工作，不能靠得太近，否则会产生交叉感应[10]。
图12：
电机振动测定点位图
3.2IEPE恒流源部分
所谓IEPE是压电集成电路的缩写，我们ICP型三轴压电传感器的输出电压信号十分弱小，不能进行较长距离的信号传输，在传输路径过程中，我们需要对信号进行再次的稳定与放大，跟系统的实际需求:
ICP型三轴加速度传感器AD-1003X的三轴向信号的放大需求，及稳定电流4mA的电流值，我们选择恒流源。
我们选择市场上的江苏联能公司生产的IEPE适配器YE8321型恒流源，该恒流源有四个通道，可满足我们对于三轴向方向信号的传输放大需求，电流值4mA/10mA可选，可为我们的4mA传感器信号进行配备。
更重要的是该型号为IEPE型，专门用于传感器传感器测试，也可作为电压放大器使用，具有频响范围宽，稳定性好，增益、激励电流可调的特点。
实物图如下所示：
图3.2-1：
YE8321型恒流源
该型号恒流源具体参数如下：
激励电压：
24VDC；
激励电流：
4mA/10mA可选；
响应频率：
0.3Hz-100kHz；
输出信号：
精度：
噪声：
输入电压：
AC：
220V50Hz；
采用BNC接口输入输出，可在0-85摄氏度工作，满足我们的使用要求。
其连线部分参见图3.5：
硬件电路电路接线图所示。
3.3数据采集部分
随着计算机的发展越来越普及，功能越来越强大。
现在我们已经习惯于使用计算机来处理速度、压力、流量、位移等物理量，而把模拟信号转换成计算机可以识别的数据信号就需要数据采集。
3.3.1数据采集卡的选型
目前市场上的数据采集卡也是多种多样，我们选择数据采集在满足通道要求情况下的参数主要有两个，一个是转换精度，另一个是采集速度。
依照我们基于本系统三轴路信号转换的实际需求，转换原始信号为电压信号，支持同步采集，主板具有缓存功能，分辨率12位，采样率50kS/s,支持LabVIEWRT。
基于上述参数需求，我们选择了NI9234动态数据采集卡，实物图如下：
图3.3.1-1NI9234动态数据采集卡
本采集卡为C型总线结构，其驱动可在windows系统运行。
其拥有四个BNC连接器，具有同时对4路电压信号同时予以实时采集的功能，分辨率24位，采样频率51.2kS/s，最大测量输入电压范围-5V—5V，最大电压范围敏感度1.19
V，板上存储量1023样本，动态范围110dB，激励电流4mA，功耗900mW功率较小，我们可以由USB接口提供电源直接提供。
满足我们对于本系统的全部需求，我们的选型是合理的。
模拟信号的输入，我们采用浮接方式。
使用浮接的连接方式可以避免对地噪声，避免BNC连接器与金属外壳，及与其他模块、机箱的接触有效地降低噪声干扰。
如下图所示，在浮接信号源连接之中，我们信号源的正端连接BNC接线端的内部，负接线端连接外侧金属。
图3.3.1-2：
NI9234采集器与浮接信号源的连接示意图
NI9234每一个模拟输入通道都通过一个50
的电阻连接机箱，我们通过将机箱接地处理，可使噪声最小化；
每个通道都具有过压保护功能；
每个通道的模拟输入信号经过缓冲、调理后，由24位Delta-Sigma模数转换器对输入信号进行采样。
通过模拟和数字滤波，NI9234可精确表示带宽内部信号并且抑制带宽外信号。
基于上述特点与功能，9234能够很好地实现本系统数据的采集转换需求。
3.2.2数据采集卡的安装
NIPCI-4474型4通道24位动态信号采集卡可以完美的实现我们对三轴加速度传感器
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