基于LabVIEW的陀螺儀振動(dòng)信號采集與分析

1、基于LabVIEW 的陀螺儀振動(dòng)信號采集與分析竇修朋,尤傳富,歐陽國鑫(長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長春130012摘要:針對陀螺馬達(dá)振動(dòng)信號的微弱性,通過數(shù)據(jù)采集卡檢測到的信號要進(jìn)行大量復(fù)雜的線形系統(tǒng)分析,要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,根據(jù)虛擬儀器設(shè)計(jì)思想在PC 下利用圖形化編輯語言LabVIEW 對陀螺馬達(dá)的振動(dòng)信號進(jìn)行過采樣數(shù)據(jù)采集、波形顯示、時(shí)域分析、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲、頻域分析,從而實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)信號的多通道信號采集和實(shí)時(shí)分析。系統(tǒng)邏輯圖形清晰,可以有效的防止波形失真,誤差小,起到了很好的故障診斷分析作用,在工程應(yīng)用中實(shí)用性強(qiáng)。關(guān)鍵詞:LabVIEW 系統(tǒng);虛擬儀器;過采樣;時(shí)域分析;頻域分析中

2、圖分類號:TP311.52;TP274+.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-5124(200902-0064-03Acquisition and analysis of gyroscopic vibration signal based on LabVIEWDOU Xiu-peng ,YOU Chuan-fu ,OUYANG Guo-xin(School of Electric and Electricity Engineering ,Changchun University of Technology ,Changchun 130012,China Abstract:According t

3、o the weakness of the vibration signal of gyroscope motors ,a large number of complexlinear system analyses needed to process the signal detected by data acquisition card ,and the data must be precise ,those of the gyroscope motor vibration signal such as data acquisition ,waveform display ,time dom

4、ain analysis ,digital filtering ,data storage and frequency -domain and so on were analyzed according to the virtual instrument design with graphical progamming software LabVIEW on PC to realize the multi -channel signal acquisition and real -time analysis of the vibration signal.The logic diagrams

5、of this system are clear ,the waveform distortion can be effectively prevented ,and the error can be reduced.Thus ,this system can play a very important role in the fault diagnosis and has very practical impacts on engineering.Key words:LabVIEW ;Virtual instrument ;Over-sampling ;Time-domain analysi

6、s ;Frequency domain analysis收稿日期:2008-09-05;收到修改稿日期:2008-11-30作者簡介:竇修朋(1982-,男,河北滄州市人,碩士研究生,專業(yè)方向?yàn)樾盘柗治黾疤幚怼?引言隨著科學(xué)的不斷發(fā)展,人們對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺儀要求越來越高。陀螺馬達(dá)是陀螺儀的心臟,要使陀螺定向精度高,必須保證陀螺馬達(dá)在工作過程中正常工作,盡量減少無規(guī)則振動(dòng)和噪聲。轉(zhuǎn)子要保持高度的動(dòng)態(tài)平衡,除此之外,馬達(dá)軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)也產(chǎn)生振動(dòng)信號,轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)引起風(fēng)阻和由此引起的噪聲會(huì)誘導(dǎo)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。而信號往往淹沒在機(jī)械本體幾信號處理電路包含的大量噪聲中1,這些振動(dòng)和噪聲都會(huì)影響陀螺羅盤的定

7、向性能。因此,在陀螺馬達(dá)的設(shè)計(jì)和安裝高度中,非常需要明確振源,是由轉(zhuǎn)子不平衡引起,還是軸承振動(dòng)或風(fēng)阻噪聲引起的。振動(dòng)測試及分析系統(tǒng)主要用來分析陀螺轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況。引起陀螺轉(zhuǎn)子振動(dòng)的因素可分為質(zhì)心偏移因素和非質(zhì)心偏移因素,質(zhì)心偏移因素可通過動(dòng)平衡消除,而非質(zhì)心偏移因素多數(shù)是由軸承(特別是滾珠軸承引起的,無法通過動(dòng)平衡消除。振動(dòng)大的陀螺在系統(tǒng)使用中會(huì)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響。因此,在陀螺總裝前對陀螺馬達(dá)進(jìn)行振動(dòng)測試和分析十分必要。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合而成的虛擬儀器是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。虛擬儀器的最突出的特點(diǎn)可以發(fā)揮出計(jì)算機(jī)的能力,具有強(qiáng)大的數(shù)值處理功能,可以根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)造出功能強(qiáng)大的儀

8、器。在這一領(lǐng)域內(nèi),使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)和開發(fā)環(huán)境的是美國NI 公司的LabVIEW 。整個(gè)系統(tǒng)只有輸入、輸出端,其他儀器功能鍵都在可視軟件板上完成,操作簡單方便2,并且能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制3。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示,陀螺儀振動(dòng)的信號由傳感器接收,經(jīng)信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡后傳遞到虛擬儀器控制面版,其主要功能如下。第35卷第2期2009年3月中國測試CHINA MEASUREMENT &TEST Vol.35No.2Mar.2009第35卷第2期2.1數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡的功能一般有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O 、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等。INV306U-5164數(shù)據(jù)采集卡是美國國家儀器公司設(shè)計(jì)的一種

9、多功能數(shù)據(jù)采集卡(DAQ ,適用于PC 及兼容機(jī),可用于各類電信號的采集、控制及處理后電信號輸出。2.2虛擬儀器控制面版利用LabVIEW 軟件開發(fā)出具有形象按鈕的前面板,利用其強(qiáng)大的圖形化編程功能,可以實(shí)現(xiàn)各種顯示和處理功能。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板,以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果4。只要對微機(jī)面板上的按鈕進(jìn)行操作就能完成監(jiān)測與診斷任務(wù)。3采用過采樣方式進(jìn)行AD 采集信號過采樣技術(shù)就是指高于奈奎斯特采樣頻率的頻率對模擬信號進(jìn)行采樣的技術(shù)。過采樣法是提高分辨率和信噪比的十分有效的方法3,獲得與高分辨率ADC 相同的信噪比4。過采樣對量化噪聲功率起到平均作用

10、5,定由量化噪聲引起的固定噪聲功率后,可以計(jì)算增加有效分辨率所需要的過采樣比。(1確定有效采樣頻率:選擇一個(gè)略大于2n 的有效采樣頻率S sin ,視M 為整數(shù)時(shí),2/(MT =S min 成立,且T 能被方便的設(shè)計(jì)。采樣率的選擇M 實(shí)際采樣頻率s =M S min =2/T ,M 取值一般較大。每增加一位分辨率或每減小6dB 的噪聲,需要以4倍的采樣頻率進(jìn)行過采樣6。(2采樣長度的選擇:對于振動(dòng)信號,通常是每次采集1024個(gè)數(shù)。出于某些特殊考慮,采樣長度也可以取其他值,如2048、4096等,但都要取為2的整數(shù)次冪。因?yàn)樵谶M(jìn)行快速傅里葉變換(FFT 時(shí),運(yùn)算起來比較方便。(3多周期的平均計(jì)數(shù)

11、方法:在數(shù)據(jù)采集的環(huán)境下,利用計(jì)數(shù)方法測量信號的頻率?？梢詫Χ鄠€(gè)周期的采樣信號進(jìn)行記計(jì)數(shù),然后以其平均值作為頻率測量值。假設(shè)采樣頻率為F ,共采集m 個(gè)周期信號,用計(jì)數(shù)的方法找到各個(gè)周期樣本個(gè)數(shù),分別為N 1,N 2,N m ,那么對應(yīng)于各周期的頻率值分別為F/N 1,F/N 2,F/N m ,考慮m 個(gè)周期的頻率均值有f=F/m 1/N 1+1/N 2+1/N/m ?？梢钥闯?所求的頻率值實(shí)際上是在m 個(gè)周期范圍內(nèi)的加權(quán)平均值。一般情況下該計(jì)數(shù)方法的頻率誤差小于1%7.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)LabVIEW 是一種圖形化編程環(huán)境,采用它開發(fā)陀螺馬達(dá)振動(dòng)信號數(shù)據(jù)采集程,能夠充分地利用圖形化編程語言的優(yōu)勢

12、,通過對數(shù)據(jù)采集卡的初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì),就可以方便地構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)是根據(jù)美國國家儀器公司最新虛擬軟件版本LabVIEW8.5進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。其功能包括號信號輸入、波形顯示、頻譜分析、波形存儲與回放等。LabVIEW 通過函數(shù)庫或是控件的形式提供了大量的用于信號處理的函數(shù),即濾波器函數(shù)、窗函數(shù)、信號發(fā)生函數(shù)、時(shí)域函數(shù)和頻域函數(shù)5個(gè)子函數(shù)庫。系統(tǒng)必須濾出信號中高頻成分,采用低通濾波方式,在實(shí)際應(yīng)用中可以調(diào)用上述函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各種信號處理功能。頻譜分析是振動(dòng)信號處理的最重要的一種分析方法。對于頻譜分析,可以進(jìn)行濾波窗口選擇。頻譜分析可以選擇傅里葉譜、功率譜

13、(包括自功率譜、互功率譜頻率響應(yīng)函數(shù)以及相位譜等。把功率譜和頻譜用波形圖顯示可以更直觀的功率譜和頻譜的變化,并且能測信號的最大幅值。在陀螺轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜上,不同的頻率分布往往對應(yīng)著不同的振動(dòng)原因。在PC 上實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號的頻譜分析,通常的方法是對信號進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT,但是這種算法的計(jì)算量大,計(jì)算時(shí)間較長,所以采用快速傅里葉變換(FFT 算法這樣可以節(jié)省時(shí)間,也能達(dá)到所需要求。FFT 算法把一個(gè)信號數(shù)組分解為奇數(shù)下標(biāo)和偶數(shù)下標(biāo)兩個(gè)數(shù)組,然后利用指數(shù)函數(shù)(即旋轉(zhuǎn)因子的周期性消去多余操作8。圖3、圖4為LabVIEW 下檢測到的某一陀螺馬達(dá)信號的頻率譜和功率譜。竇修朋等:基于LabVIEW 的

14、陀螺儀振動(dòng)信號采集與分析652009年3月中國測試在本系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)采集卡(DAQ采集到的馬達(dá)信號進(jìn)行分析處理后并將數(shù)據(jù)記錄到一個(gè)特定的存儲文件里,該路徑可以根據(jù)需要自由設(shè)定。LabVIEW中有一組功能強(qiáng)大、伸縮性強(qiáng)的文件處理工具,能夠完成對信號數(shù)據(jù)讀/寫數(shù)據(jù),完成測試數(shù)據(jù)的存取與回放功能。在線檢測和故障診斷時(shí)需要根據(jù)回放記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)觸發(fā)的警報(bào)或事件判斷是否合格。設(shè)備的組件應(yīng)當(dāng)簡單而且對于用戶是透明的,在數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)不同類型的安全性應(yīng)當(dāng)非常方便?？梢杂肔abVIEW軟件平臺提供一個(gè)專用工具以快速和方便地構(gòu)架檢測應(yīng)用。5結(jié)束語本文針對陀螺馬達(dá)振動(dòng)信號的特點(diǎn),對其振動(dòng)信號進(jìn)行適時(shí)采集、處理和分

15、析,由此可知陀螺儀的工作狀況,如果工作不正常則能分清是否由于質(zhì)心原因或其他原因,可以隨時(shí)調(diào)取標(biāo)準(zhǔn)信號或保存的信號進(jìn)行比較。由于陀螺馬達(dá)屬于保密器件所以只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬防真實(shí)驗(yàn),有一定的局限性。利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形化編輯語言和高性能數(shù)據(jù)采集卡,構(gòu)建先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和分析處理系統(tǒng),實(shí)際工作中狀態(tài)良好,通過防真得到的可以改善和提高信號檢測精度。利用虛擬儀器技術(shù)以透明的方式把硬件、PC、軟測量技術(shù)結(jié)合到一起,可以實(shí)現(xiàn)開發(fā)周期短、高效率、性價(jià)比高、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1余亮琴.微陀螺微弱信號數(shù)字處理技術(shù)的分析與仿真J.中國機(jī)械工程,2006,15(7:304-306.2董介春.基于LabVIEW的虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.青島大學(xué)學(xué)報(bào),2002,17(3:59-60.3胡仁喜.LabVIEW8.2.1虛擬儀器勢力指導(dǎo)教程M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.4王萍.利用過采樣法提高A/D分辨率和信噪比J.儀器儀表學(xué)報(bào),2002,23(3:1-2.5丁曉紅.LabVIEW在實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用J.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2003,23(3:139-141.6趙選民.數(shù)理統(tǒng)計(jì)M.北京:科學(xué)出版