基于LabVIEW的電機故障聲測系統(tǒng) - 全文

?

　　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(dá)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。

　　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(hù)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(jìn)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(jìn)行報警和故障顯示：

　　(3)文件的保存和打印;

　　(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(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(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(jìn)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(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(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某軸承故障電機小波分解系數(shù)