虚拟检测系统设计与开发.docx
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虚拟检测系统设计与开发
工业设备运行状态虚拟检测系统设计与开发
一．实验目的
1．了解旋转机械检测系统的结构及组成，根据实际需要确定系统的方案。
2．了解检测系统中各部分元器件的工作原理、特点和作用，并根据实际需要选择合适的元器件。
3．掌握传感器的安装方式、选择和标定。
4．掌握状态检测虚拟仪器系统设计与开发的基本步骤。
二．系统设计
1．实验对象
该实验台是一种模块化、开放型的机械设计综合实验装置，由硬件[动力模块、传动模块、支承联接、调节模块、加载模块]和软件【控制模块、工具模块、测试模块】等组成，通过对不同模块德选择和装配搭接可以组成典型机械传动装置。
如图所示：
实验台结构简图
2．实验对象名称、型号及主要零部件的性能参数
1）动力模块
（1）Y90L-4电动机：
额定功率1.5KW;同步转速：
1500r/min，额定电压下，最大转矩予额定转矩之比2.3。
（2）MM420-150/3变频器。
2）传动模块
JS-100齿轮减速器：
减速比1：
1.5，齿数：
Z1=32、Z2=48，螺旋角β＝8°4’9”，中心距a=100mm.法面模数Mn=2.5.
3）加载模块
CZ-5型磁粉制动器：
额定转矩50Nm,激磁电流0.8A，允许滑差功率4KW。
3．监测参数
频带选定测量参数指南
测量参数
位移
速度
加速度
适用频带
0~100HZ
10~1000HZ
大于1000HZ
1）电动机的测试参数
♦电动机
♦电源：
单相交流，200/220伏，频率50/60Hz
♦功率：
1.5KW
♦设定转速：
1500rpm（25Hz）
♦电动机振动的测定参数：
速度
♦轴的转速：
1500rpm
2）齿轮的测定参数
♦电机转速设定为：
1500rpm（25Hz）
♦若出现齿轮故障，将引起的振动频率
♦啮合频率=轴转频×齿数
小齿轮啮合频率=25×32=800（Hz）
大齿轮啮合频率=25×32/48×48=800（Hz）
♦考虑3次谐波，为244Hz，属于“高频”。
♦齿轮振动测定参数：
加速度
3．监测位置（如图）
测点位置如图所示，由左到右依次为扭矩、齿轮低速端、齿轮高速端和电机。
虚拟仪器处理的通道依次为4、3、2、1，其对应数据采集卡通道依次为6、5、1、0通道。
4．传感器的选择与安装
选择压电式传感器：
它体积小、重量轻、灵敏度高、测量X围大、频响X围宽、线性度好、安装简便等诸多优点，因此获得了最为广泛的应用。
初选采用XX佳盟测控技术XX的ck8305标准参考加速度计，采用石英晶体压电元件，性能指标：
结构形式
灵敏度
重量（g）
频响（10%）
振频（kHz）
石英晶体中心压缩
~0.1pc/ms-2
35
1Hz~10KHz
30
速度X围（ms-2）
大横向灵敏度
安装螺钉
温度X围（0c）
外形尺寸（mm）
15000
≤5%
M5
-54~+260
六方16高30
价格：
1580元/只
实际用传感器为压电加速度计——Type4291，且传感器用蜂蜡直接粘在所示测点处。
5．故障评价标准
常用的标准判别法有绝对标准、相对标准和类比标准三种方法，在此选用绝对标准判别法。
它是在一定的测试条件下，按规定的方法确定的用以判别设备状态的界限值。
把测得的参数值与标准值比较即可判别设备处于“良好”、“允许”、“较差”、“不允许”等各种状态。
主要采用ISQ1372判别：
见表
振动速度有效值Vrms（mm/s）
状态判别
Vrms≤1.8
良好
1.8≤Vrms≤4.5
允许
4.5≤Vrms≤11.2
较差，应设法降低
Vrms≥11.2
不允许
6．检测系统方案
机械测振系统的结构框图如图所示，主要由传感器、电荷放大器、分析仪、显示输出和磁带记录几个部分组成。
传感器将机械振动量转变为适于电测的电参量，电荷放大器将机械量转变成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出极高的阻抗Ra，分析仪测试分析统计结果，用计算机显示输出结果，并用磁带记录仪记录结果数据。
1）数据采集器的选型
数据采集卡的选择是硬件系统建设的关键，基于性能的稳定性和性价比的原因，选用了凌华的PCI16通道，250K/s低价位多功能采集卡产。
♦特性
型号DAQ-2214
32位PCI总线，即插即用
16个单端以及8个差动模拟量输入通道
输入通道能够允许单端与差动混合组成
16位AD分辨率，采样频率可达250K
双极性/单极性模拟量输入
模拟/数字触发
2路带波形发生功能的D/A输出通道
双极性/单极性模拟量输出
D/A：
I/O更新及支持Scatter/Gather功能的总线主控DMA
系统同步接口
完全自动校准
完全软件配置
价格：
4200元/块
实际采用数据卡参数：
型号——BNC—212.
板卡——6024E
2）转速的测量
转速直接采用机器加载上去，例如直接加载200、400、600等等。
3）计算机选型
选择凌华工控机RACK-610
价格：
5600元/台
配置：
RACK-610／PIV2.0G／841主板／512M／80G／光驱／键盘＋鼠标
产品简介：
EIARS-310C19”上架式标准4U机箱，易于更换和清洁的滤网，三个5.25”和一个3.5”外置驱动器架和一个3.5”内部驱动器架，均为抗振动、抗冲击设计
前部机箱门内已有USB接口，前面板配有一个PS2键盘接口，专门的板卡固定，卡架设计以抵抗运输过程中的震动，支持300W/400W冗余电源，可更换为BP/MB/MBDVR后面板：
♦规格：
♦尺寸19×7×17.8”（483×177×451mm）（W×H×D）
♦驱动器架3个5.25”和1个3.5”前置可达驱动器架
♦1个内置3.5”驱动器架
♦结构：
高强度钢板
♦颜色标准：
米色和黑色
♦其它：
按需而定
♦散热In：
一个120x120x25mm和一个80x80x25mm滚轴风扇
♦前面板前面板带锁
♦2个LEDs：
硬盘活动指示和系统电源指示
♦系统复位开关、ATX电源开关和K/B锁开关
♦后面板支持14槽无源背板和ATX母板
♦支持PS2架构ATX电源
♦包装尺寸24.8×13×21.9”（630×330×555mm）
♦重量12kgs/26.4lbs
4）选用的电荷放大器
型号——VM—27M
6CHMETER、UNIT（6通道）
公司：
RIONCO、LTD（日本）
5）软件开发工具
选用虚拟仪器开发平台，它是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。
灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。
这是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。
只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。
7、初选检测系统的软硬件成本报价
编号
设备名称
型号
规格
台
单价（元）
总价（元）
生产厂家
1
压电式传感器
ck8305
石英晶体中心压缩
4
1580
6320
XX佳盟测控技术XX
2
数据采集卡
DAQ-2214
32位PCI总线、16个单端、8个差动模拟量输入通道、16位AD分辨率，采样频率可达250K
1
4200
4200
凌华
3
工控机
RACK-610
配置：
RACK-610／PIV2.0G／841主板／512M／80G／光驱／键盘＋鼠标
1
5600
5600
凌华
合计
￥16120
四．实验研究
（1）程序流程图：
程序设计
1.程序前面板
程序后面板：
（2）标定传感器步骤。
实验步骤：
1.首先在虚拟仪器程序里，将DAQ中的传感器通道打开。
2.再按照所打开的通道，将传感器、电荷放大器和数据采集卡联接好。
3.将传感器接于自激振动器上，打开电荷放大器，校正传感器，观察程序上所显示的时域信号，调整到使幅值为1。
4.将校正好的传感器放在一边，并将调节好的通道的灵敏度锁住。
5.再校正其它几个传感器，重复3、4步骤，直到所有传感器校正结束。
6.选择试验台上所要检测的点，将传感器和所测点上涂上松脂，把传感器紧贴在所测点处。
（3）测试实验台的振动和噪声步骤。
实验步骤：
1.首先在虚拟仪器程序里，将DAQ中的测噪声传感器通道打开。
2.将传感器接在精密声级计倍频程滤波器上。
3.再将声级计与数据采集卡上的通道相连接。
4.把校正传感器的仪器接在声级计上，观察程序上所显示的时域信号，调整到使幅值为1。
5.将声级计放在离声源一米内，与声源平行即可。
下图为数据保存程序：
（4）处理实验数据。
1.电机200转测得的数据：
1通道波形
2通道波形
3通道波形
4通道波形
声通道波形
10.500075-0.46875010.500075-0.08544910.5000750.004883
10.5000750.14648410.5000750.090332
10.921775-0.62988310.921775-0.10986310.921775-0.034180
10.9217750.13427710.9217750.102539
11.5000500.49072311.500050-0.17578111.5000500.004883
11.5000500.16845711.5000500.139160
11.968650-0.18310511.968650-0.15625011.9686500.014648
11.9686500.08056611.9686500.070801
12.500000-1.25976612.500000-0.07080112.5000000.007324
12.500000-0.01953112.5000000.036621
12.9999000.48828112.9999000.03662112.999900-0.009766
12.999900-0.03662112.999900-0.078125
13.500000-0.30761713.500000-0.05615213.500000-0.036621
13.500000-0.00732413.500000-0.131836
13.9999000.04150413.999900-0.02197313.999900-0.021973
13.999900-0.18066413.999900-0.158691
14.5156251.12548814.5156250.21484414.515625-0.004883
14.515625-0.11230514.515625-0.075684
15.015525-0.78857415.0155250.02685515.015525-0.024414
15.015525-0.04150415.015525-0.080566
分析：
以上是五个通道传感器所测得的波形图和每个0.5秒截取的信号数据，从上面的波形我们可以看出，试验台电机为200转低速旋转时，每个通道的情况如下：
一通道检测电机，其时域出现周期变化，引起原因可能是由于电机转子不平衡所引起的，从而导致时域波形出现周期变化；其频域波形在500Hz左右时出现了一个较大值，这也可能是由于转子不平衡引起的
而通道检测齿轮传动的高速端，其时域也出现了同电机一样的周期变化，其原因是因为电机转子的不平衡以及转子在连接过程中不对中引起；其频域在1800Hz时有较大值出现，原因同上。
三通道检测扭矩处，其时域波形变化较为集中，有效值为0.0707，产生的变化可能是有齿轮传动中，齿轮误差、齿轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不平衡等原因造成；其频域变化X围同样也相对集中，所以扭矩处工作情况较为正常。
四通道检测齿轮传动的低速端，其时域有突发性较大值出现，产生的变化同样可能是有齿轮传动中，齿轮误差、齿轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不平衡等原因造成；其频域变化同样有影响。
声通道检测的情况中，我们可以看到有突发性的较大值出现，由于声通道距离电机所产生的声源最近，所以其主要原因可能是电机转子不平衡造成的。
总的说来，试验所检测的仪器情况都在允许的X围之内，所以试验台在200转的速转动是运行情况还算良好。
2.电机800转测得的数据：
1通道波形
2通道波形
3通道波形
4通道波形
声通道波形
分析简述：
电机在转速为800转/分的情况下的出上示五个波形图，从中可以反映出各通道情况；
一通道检测电机情况与电机在200转/分情况相似，亦出现周期性变化但比电机转速在200转/分时更稳定。
其中转子不平衡是导致此现象的主要原因，另外由于安装时各模块位置的误差导致传动轴的不对中是此现象的另一重要原因。
二通道检测齿轮传动高速端，出现与一通道变化规律相似的波形。
其导致因素与一通道一致。
三通道检测加载模块的输出扭矩，其波形的周期性显得较一二通道差，导致该现象的原因是动力经加载处理其能量变的较弱，从而导致其波动较缓和。
四通道检测齿轮传动低速端，由电机传来的动力经齿轮减速器减速变的相对柔和，波形周期性显著。
五通道为声通道的信息反映，波形整体平稳，但也有较小的周期性振动伴随。
其原因可以追诉到安装误差导致的不对中与转子不平衡。
3.电机启停
1通道波形
2通道波形
3通道波形
4通道波形
生通道波形
分析：
以上是五个通道传感器所测得的波形图和启停过程中截取的信号数据，从上面的数据v我们可以看出，试验台电机从启动到停止的过程中，振动情况不断加剧，记录数据由0.163574递增至61.453025。
从各通道的时域波形中也可直观地看出振动在启停过程中呈线性递增关系。
电机处振动最为强烈。
在声级计灵敏度为1时，噪声为52分贝，按评价标准系统启停过程运行状态可容许。
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