采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了一套電機故障聲頻檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺，實現(xiàn)電機聲信號的實時采集、分析和后處理，達到檢測故障電機的目的。除了功率譜和1/3倍頻程分析，系統(tǒng)在LabVIEW平臺下，采用Matlab script節(jié)點方法完成小波變換，實現(xiàn)噪聲信號的特征向量提取?，F(xiàn)場應(yīng)用表明該系統(tǒng)效果良好。
0 引 言
為了確保產(chǎn)品的高質(zhì)量，每臺電機出廠前都要進行參數(shù)檢測。在規(guī)模化生產(chǎn)的今天，電機檢測線是目前大部分電機生產(chǎn)廠家采用的出廠檢測方式。噪聲檢測是其中一個測試項目。通常的方法是讓檢測線經(jīng)過消音室，富有經(jīng)驗的工人在室內(nèi)憑聽覺辨別故障電機。這種方式對操作人員要求高，勞動強度大，缺乏客觀性，不能保證質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且檢測速度慢，也嚴(yán)重影響了電機出廠試驗的速度與準(zhǔn)確率。因此，電機廠家迫切需要改造現(xiàn)有的噪聲出廠檢測技術(shù)。
目前采用較多的方法有振動診斷技術(shù)和聲頻診斷技術(shù)。振動診斷技術(shù)是接觸式測量，需克服測試線線體振動的影響，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度慢；而聲頻診斷技術(shù)為非接觸式測量。設(shè)備簡單、速度快。為此，研制了基于美國NI公司軟件平臺LabVIEW的電機故障聲測系統(tǒng)。
1 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成
虛擬儀器是當(dāng)今世界流行的一種儀器構(gòu)成和檢測控制方案。虛擬儀器是一種開放式的、將計算機平臺與具有標(biāo)準(zhǔn)接口的硬件模塊以及開發(fā)測試軟件相結(jié)合的系統(tǒng)，具有通用性好和使用方便等特點。其典型的硬件結(jié)構(gòu)為：傳感器一信號調(diào)理器一數(shù)據(jù)采集設(shè)備一計算機。電機故障聲測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由監(jiān)聽頭f傳聲器、放大和保護電路）、音頻卡和計算機組成[1]。
圖1電機故障聲測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
監(jiān)聽頭采用多個傳聲器拾取被測電機多點噪聲信號，將空氣振動信號轉(zhuǎn)換為電信號；音頻卡采用聲卡，實現(xiàn)噪聲電信號（模擬信號）與數(shù)字信號(WAV格式)的相互轉(zhuǎn)換；計算機記錄WAV格式數(shù)字信號，并對該波形進行處理，判斷有無故障發(fā)生。
2 電機故障聲測軟件系統(tǒng)
LabVIEW是虛擬儀器概念的首創(chuàng)者。該軟件平臺綜合了GPIB、VXL PXIRS-232 RS-485以及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通信的全部功能，提供了大量的信號處理函數(shù)和信號分析工具，便于用戶高速、快捷地構(gòu)建虛擬儀器測試系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)軟件部分采用圖形化軟件LabVIEW。系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 電機故障聲測系統(tǒng)軟件框圖
系統(tǒng)軟件完成的主要任務(wù)有：
(1)電機噪聲信號的顯示、記錄；
(2)信號分析（包括文件分析和實時分析）采用小波分析和頻域分析法，對非正常信號進行報警和故障顯示：
(3)文件的保存和打?。?/p>
(4)電機與傳感器參數(shù)設(shè)置。
2.1信號采集
本系統(tǒng)采用聲卡作為噪聲采集工具。從分辨率看，一般微機多媒體聲卡為16位，取樣頻率為44.1/48kHz。而主流中高檔聲卡大多具備96kHz/24 bit的取樣精度，有的甚至達到了32位，噪聲水平和總諧波失真等指標(biāo)較高，超越了絕大多數(shù)模擬設(shè)備的指標(biāo)，并且價格較便宜。因此系統(tǒng)采用聲卡是可行的。
LabVIEW提供了完備的聲卡控制模塊。本文選擇“Sound Input”模塊。該模塊含有多個函數(shù)，實現(xiàn)對聲卡的設(shè)置、開始、采集、停止和清內(nèi)存的操作。圖3示出了一個通道的聲音采集程序框圖。系統(tǒng)中通道參數(shù)設(shè)置如下：輸入為單通道，16位采樣位數(shù)，44.1kHz采樣頻率；輸出為16位單通道。圖4示出了是某電磁故障電機的噪聲信號。
圖3聲音采集程序框圖
圖4某電磁故障電機噪聲信號
2.2信號分析
信號采集完畢后，程序自動進行處理和分析。采用頻域分析法得到噪聲信號的功率譜和1/3倍頻譜。便于測試人員觀察。圖4是圖3電機的功率譜。LabVIEW軟件可選購“聲音和振動”工具包，可方便地進行各種相關(guān)分析。圖5示出了某電磁故障電機噪聲功率譜。
圖5某電磁故障電機噪聲功率譜
電機是一個非常復(fù)雜的機械系統(tǒng)，其噪聲信號中蘊涵著豐富的設(shè)備狀態(tài)信息。由于測得的聲音信息包含各種成份和干擾，屬于非平穩(wěn)信號，而傳統(tǒng)的建立在傅里葉變換基礎(chǔ)上的濾波方法在提高信噪比和空間分辨率兩項指標(biāo)上存在矛盾，因此系統(tǒng)采用小波技術(shù)作為特征提取工具。采用的主要方法是：
(1)小波變換軟閾值消噪方法。在一維信號的消噪算法中，最關(guān)鍵的是閾值的選取和閾值的量化，采用軟閾值消噪方法可以更準(zhǔn)確地提取信號特征。
(2)小波變換的任意尺度重構(gòu)，可以按照選擇的尺度進行連續(xù)小波的重構(gòu)，以提取信號特征。
在LabVIEW平臺下?？刹捎猛鈷斓男盘柼幚砉ぞ甙鼘崿F(xiàn)小波變換，也可在LabVIEW中調(diào)用Matab即Matlab Script節(jié)點方式。Matlab Script節(jié)點使用戶既可將．m程序?qū)肓鞒虉D，又可在流程圖中根據(jù)Matlab程序的語法編輯M程序。通過這種方式，用戶可以在LabVIEW中使用Matlab強大的數(shù)值運算功能。
使用Matlab腳本節(jié)點時必須注意：①Matlab腳本節(jié)點只能用于Windows平臺；②機器上必須安裝Matlab才能使用Matlab腳本節(jié)點；③LabVIEW和Matlab結(jié)合應(yīng)用時必須注意Matlab腳本節(jié)點內(nèi)外數(shù)據(jù)類型的匹配，否則LabVIEW運行時將產(chǎn)生錯誤或錯誤的信息。
圖6示出了采集到的故障為后軸承刮的噪聲信號。采用Matlab中的函數(shù)，用軟閾值濾波算法對信號進行消噪，得到如圖7所示的消噪效果?？梢?，在一些突變或尖峰部分，達到了很好的消噪效果。
圖6某后軸承刮電機噪聲信號
圖7某后軸承刮電機小波消噪后信號
確定電機故障特征值是故障診斷的關(guān)鍵之一。在各個頻段成份信號的能量中，綜合包含了豐富的故障信息，某些頻段能量蘊涵了某種故障特征。本文采用多分辨率分析法對噪聲信號進行小波分解，以各頻段的能量特征值為判據(jù)，逐步從低頻到高頻進行故障診斷。圖8示出了某軸承故障電機小波分解的第三層高頻系數(shù)。從圖8中可以清楚地觀測出發(fā)生故障的時刻，也可以清楚地捕捉到噪聲信號在不同頻段上的故障特征信息，進行特征提取。
圖8某軸承故障電機小波分解系數(shù)
3 結(jié)論
(1)應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)電機故障聲測系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡單，適應(yīng)性強；
(2)采用LabVIEW軟件平臺開發(fā)效率高；
(3)應(yīng)用小波分析非平穩(wěn)信號處理技術(shù)實現(xiàn)故障特征提取，實際應(yīng)用證明該方法的有效性；
(4)Matlab Scrpt節(jié)點方式具有強大的數(shù)值運算功能，但執(zhí)行速度會有損失。
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