基于LabVIEW的發(fā)動機振動信號采集系統(tǒng)

何 蕓

HE Yun

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070）

基于LabVIEW的發(fā)動機振動信號采集系統(tǒng)

Vibration signal acquisition system of engine based on LabVIEW

何 蕓

HE Yun

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070）

本文基于LabVIEW圖形化編程語言，實現(xiàn)了發(fā)動機曲軸軸承處振動信號采集系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分：硬件部分由傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成；軟件部分主要完成信號采集程序的設(shè)計。通過對比驗證，表明系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

動力機械工程；信號采集；LabVIEW；發(fā)動機振動

0 引言

發(fā)動機作為車輛的核心部件，車輛的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和環(huán)保性等性能指標都直接與其有關(guān)[1]，它的技術(shù)狀況直接決定了車輛是否能夠正常運行。但由于該機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非線性和不確定性因素較多，為了減少設(shè)備故障造成的損失，需對發(fā)動機運行狀態(tài)進行監(jiān)測和診斷分析，而振動信號無疑是一個重要信息。發(fā)動機是往復(fù)運動機械，其激振力主要來源于活塞——曲柄機構(gòu)周期性運動時產(chǎn)生的慣性力，以及氣缸內(nèi)氣體燃燒產(chǎn)生的周期性氣體壓力[2]。因此，對產(chǎn)生激振力的發(fā)動機機構(gòu)表面振動信號進行采集與監(jiān)測，對進一步進行故障診斷、排除故障隱患、防止事故的發(fā)生以及提高發(fā)動機的經(jīng)濟性有著重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)檢測發(fā)動機振動的物理儀器因功能單一、檢測結(jié)果可靠性差和成本較高等因素影響，在實際應(yīng)用中受到很大制約。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了有別于傳統(tǒng)儀器的虛擬儀器，因其高性能的模塊化、硬件結(jié)合靈活的軟件功能，在機械測試與試驗方面應(yīng)用越來越廣泛。本文基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺設(shè)計了一套發(fā)動機振動信號采集系統(tǒng)，很好的實現(xiàn)了發(fā)動機表面振動信號的采集。

1 采集系統(tǒng)的構(gòu)成

信號采集系統(tǒng)由傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機四部分組成。圖1為采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)據(jù)采集硬件的選擇需根據(jù)具體的應(yīng)用場合和現(xiàn)有的技術(shù)資源確定，由于本采集系統(tǒng)的應(yīng)用場合為發(fā)動機實驗室，其環(huán)境條件較惡劣，所以對采集系統(tǒng)硬件的要求較高。

圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 傳感器

傳感器選用壓電式加速度計，它將傳統(tǒng)的壓電式傳感器與電荷放大器集于一體，能直接與記錄和顯示儀器相連，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。其突出特點是：輸入阻抗低，抗干擾能力強，噪聲??；性價比高，安裝方便，可通過磁座吸附在發(fā)動機缸體表面，尤其適于多點測量；穩(wěn)定可靠，抗潮濕、粉塵和有害氣體；傳感器外殼絕緣，避免了測試環(huán)境的干擾，保證了測試的可靠性。本系統(tǒng)選用的壓電式加速度傳感器測量范圍：-100g～+100g, 靈敏度為：50.81mv/g，工作溫度范圍：-40～120℃。將傳感器垂直安裝在氣缸體與曲軸箱的連鑄體側(cè)壁，這樣采集的機體低頻段振動信號直接反映了發(fā)動機工作中振動激勵源的信息[3]。

1.2 調(diào)理電路

調(diào)理電路將傳感器信號與計算機隔開，放大弱信號，必要時進行濾波處理。調(diào)理電路由信號隔直電路、交流信號放大電路、交流信號濾波電路和信號疊加電路等組成，經(jīng)過放大、濾波后的信號疊加后送入數(shù)據(jù)采集卡。由于本系統(tǒng)選用的傳感器產(chǎn)生的振動信號伴隨一定的干擾，在進行加速度信號采集前，要對傳感器輸出信號進行濾波處理，實現(xiàn)對原始振動信號的提取。此外，還需要對測量信號進行放大處理，以滿足采集卡模擬輸入電壓范圍的要求。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是外界信號進入計算機的通道，在這個通道中要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、放大等功能。數(shù)據(jù)采集卡選用NI USB-6009，8路模擬輸入，2路模擬輸出，14位模數(shù)轉(zhuǎn)換，最高采樣頻率48kHz，電壓范圍-10V～+10V。用戶可以使用LabVIEW自帶的NI-DAQmx測量軟件進行自定義測量系統(tǒng)編程。圖2是數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入電路。

圖2 模擬輸入電路

一般來說，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動程序，該程序控制采集卡的硬件操作，通常這個驅(qū)動程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶只需對驅(qū)動程序的源程序進行適當?shù)奶砑雍托薷?，就可以滿足系統(tǒng)硬件的需求。NI公司為基于NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了相應(yīng)的接口驅(qū)動及VI函數(shù) (VI，Virtual Instrument)。本系統(tǒng)利用NI公司提供的數(shù)據(jù)采集設(shè)備驅(qū)動程序DLL文件在LabVIEW環(huán)境下完成數(shù)據(jù)采集程序的編寫。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集流程

軟件設(shè)計基于LabVIEW自帶子VI的基礎(chǔ)上，通過CLF方式（調(diào)用動態(tài)鏈接庫方式）實現(xiàn)驅(qū)動程序的調(diào)用，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲和圖形顯示等功能。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集利用NI-DAQmx模塊下的DAQmx Read.vi和DAQmx Clear Task.vi來控制DAQ采集卡實現(xiàn)模擬信號的數(shù)據(jù)采集，將外部模擬信號通過采集卡的A/D功能轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過USB總線連接到控制主機上；信號調(diào)理通過Filter.vi實現(xiàn)信號濾波；最后用寫入測量文件Express VI將濾波后的信號寫入測量文件，進行數(shù)據(jù)的存儲和圖形的顯示。

2.2 采集參數(shù)設(shè)置

數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置的主要作用是對采集卡的工作參數(shù)進行必要的設(shè)置，使之能夠進行正常的數(shù)據(jù)采集。這些參數(shù)設(shè)置的是否合理，關(guān)系到傳感器信號的采集乃至整套系統(tǒng)能否正常工作，因此具有重要的意義[4]。

2.2.1 采集通道設(shè)置

采集通道設(shè)置用來設(shè)置同時采集的輸入通道數(shù)。對于本系統(tǒng)選擇的數(shù)據(jù)采集卡而言，1至8路模擬輸入通道可同時采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)只用到其中兩個通道。

2.2.2 采樣點數(shù)和采樣頻率設(shè)置

采集點數(shù)用來設(shè)置數(shù)據(jù)存儲緩沖區(qū)的大小，本系統(tǒng)設(shè)為2048點，即存儲在緩沖區(qū)內(nèi)的采集點數(shù)為2048點。采樣頻率則是對采集卡的采集頻率進行設(shè)置，根據(jù)采樣定理，本系統(tǒng)設(shè)置的采樣頻率為24000Hz。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

2.3 數(shù)據(jù)采集程序編寫

數(shù)據(jù)采集程序的編寫利用NI-DAQmx模塊下的相關(guān)VI進行組合，實現(xiàn)發(fā)動機振動信號的數(shù)據(jù)采集功能。首先使用DAQmx創(chuàng)建通道.vi創(chuàng)建加速度計的測試通道；其次用DAQmx定時.vi和DAQmx配置輸入緩沖區(qū).vi分別對采樣頻率和緩沖區(qū)大進行設(shè)置；然后，在DAQmx開始任務(wù).vi的觸發(fā)下，利用DAQmx讀取.vi對設(shè)置的兩條輸入通道進行數(shù)據(jù)讀取，并在前面板顯示波形；最后，利用DAQmx清除任務(wù).vi清除任務(wù)。最終的程序框圖見圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

2.4 數(shù)據(jù)的存儲

數(shù)據(jù)的存儲是將采集到的信號參數(shù)進行保存，為后續(xù)的分析處理做參考。為了滿足不同數(shù)據(jù)的存儲格式和性能需求，LabVIEW提供了多種類型的文件存儲格式，比如，文本文件（txt）、二進制文件、數(shù)據(jù)記錄文件、基于文本的測量文件（LVM）、數(shù)據(jù)存儲文件（TDM）和TDMS文件等。本文選擇基于文本的測量文件（LVM文件）進行數(shù)據(jù)的存儲，這種文件格式的特點是它能將動態(tài)數(shù)據(jù)按一定格式存儲在文本文件中，并且在數(shù)據(jù)前加上一些信息頭，例如采集時間等，可以由Excel等文本編輯器打開查看其內(nèi)容。

2.5 系統(tǒng)驗證

圖5 設(shè)計系統(tǒng)采集到的發(fā)動機曲軸軸承處原始信號

圖6 采集儀采集到的發(fā)動機曲軸軸承處原始信號

LabVIEW很大的一個優(yōu)勢就是它提供了豐富的數(shù)據(jù)圖形化顯示控件，而且使用起來極其方便[5]。采用圖形的形式來顯示測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，能看出被測對象的變化趨勢，使虛擬儀器的前面板更加形象直觀。圖5是本設(shè)計系統(tǒng)采集到的發(fā)動機曲軸軸承處原始信號，圖6是利用一數(shù)據(jù)采集與分析儀采集到的發(fā)動機曲軸軸承處原始信號，通過對比圖5和圖6可知，本系統(tǒng)采集的信號是穩(wěn)定可靠的。

3 結(jié)論

1）本文基于LabVIEW圖形化編程語言，實現(xiàn)了對發(fā)動機曲軸軸承處振動信號采集系統(tǒng)的設(shè)計，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了信號采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲和圖形顯示幾個功能，并通過系統(tǒng)驗證，證明本系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的；

2）對發(fā)動機曲軸軸承表面振動信號進行采集和存儲，為進一步進行故障診斷、事故預(yù)防和提高發(fā)動機的經(jīng)濟效益都有重要意義；

3）與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有價格低廉，使用性強，開發(fā)周期短，數(shù)據(jù)處理簡單方便以及便于維護等優(yōu)點。

[1] 曹炳元.應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)與系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[2] 張小明,劉建敏,喬新勇.柴油機缸蓋振動信號關(guān)聯(lián)維數(shù)的影響因素分析[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報,2008,(02).

[3] 廖東,符欲梅,周榮建.柴油機供油系統(tǒng)故障的振動診斷法研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報,1998,(05).

[4] 張曉娟.基于LabVIEW的發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

[5] 趙易彬,周以琳.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報,2005(10).

U464.132

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1009-0134(2010)09-0196-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.60

2010-05-05

何蕓（1988 -），女，本科，主要從事信息工程及控制工程方向的研究。