基于LabVIEW的電機(jī)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(jì)算機(jī)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(diǎn)。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(jì)算機(jī)。電機(jī)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(hù)電路)、音頻卡和計(jì)算機(jī)組成[1]。
圖1電機(jī)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(jī)多點(diǎn)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(shí)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(jì)算機(jī)記錄WAV格式數(shù)字信號，并對該波形進(jìn)行處理，判斷有無故障發(fā)生。
2 電機(jī)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(jī)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(jī)噪聲信號的顯示、記錄;
(2)信號分析(包括文件分析和實(shí)時分析)采用小波分析和頻域分析法，對非正常信號進(jìn)行報警和故障顯示：
(3)文件的保存和打印;
(4)電機(jī)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(jī)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(dá)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(shí)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(jī)的噪聲信號。
圖3聲音采集程序框圖
圖4某電磁故障電機(jī)噪聲信號
2.2信號分析
信號采集完畢后，程序自動進(jìn)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(jī)的功率譜。LabVIEW軟件可選購“聲音和振動”工具包，可方便地進(jìn)行各種相關(guān)分析。圖5示出了某電磁故障電機(jī)噪聲功率譜。
圖5某電磁故障電機(jī)噪聲功率譜
電機(jī)是一個非常復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，其噪聲信號中蘊(yùn)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(xiàng)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(jìn)行連續(xù)小波的重構(gòu)，以提取信號特征。
在LabVIEW平臺下。可采用外掛的信號處理工具包實(shí)現(xiàn)小波變換，也可在LabVIEW中調(diào)用Matab即Matlab Script節(jié)點(diǎn)方式。Matlab Script節(jié)點(diǎn)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(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算功能。
使用Matlab腳本節(jié)點(diǎn)時必須注意：①M(fèi)atlab腳本節(jié)點(diǎn)只能用于Windows平臺;②機(jī)器上必須安裝Matlab才能使用Matlab腳本節(jié)點(diǎn);③LabVIEW和Matlab結(jié)合應(yīng)用時必須注意Matlab腳本節(jié)點(diǎn)內(nèi)外數(shù)據(jù)類型的匹配，否則LabVIEW運(yùn)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(jìn)行消噪，得到如圖7所示的消噪效果。可見，在一些突變或尖峰部分，達(dá)到了很好的消噪效果。
圖6某后軸承刮電機(jī)噪聲信號
圖7某后軸承刮電機(jī)小波消噪后信號
確定電機(jī)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行故障診斷。圖8示出了某軸承故障電機(jī)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(jìn)行特征提取。
圖8某軸承故障電機(jī)小波分解系數(shù)
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