1、labview實現機械設備狀態監測與故障診斷劉全心鄒州大學機械系，湖北 鄂州436000）摘要:提出了利用labview實現機械設備狀態監測與故障診斷的方法，詳細說明了機械設備中常見參量的監測和診斷原 理，給出了監測診斷系統的硬軟件結構和應用功能模塊，最后提供了振動和溫度兩參量的監測和診斷程序實例。該系統 簡單易用測試效率高柔性強，同時可實現多參量測試并行化，大大提高機械設備狀態監測和診斷水平。矣鍵詞：labvibv機械設備 狀態監測 故障診斷中圖分類號：tp2 文獻標識碼：aconditbnlnon itorhg and fa ilureldhgnoshg and d agnosis bas

2、ed on labviesv for m echan ic equentsl iu quanxiiabstract: a systan based on labv iew tormonik)ring and diagnosingmechanica 1 equipnients isput ibiwanl, the principles of this system are de sc ribed in detail, the haidware struc lu re and applica tbn func lion modu le s of th is system are given, an

3、d the p lograni exam： pies the vibratbn and temp e ra tu re te sting are b tough t fbiwaid finally this system is sinp le and easy use. with h ighe r de tec ting ec flc iency and flexibility m ulliple paraneters can be tested shiultaneously so the mon it) ring and d iagno sis a re b mugh loam uch h

4、ighe i level than beforekey words:labv iew; mechanic equipment; condition monitoring; foilure diagnosing0前言機械設備故障診斷（m ach ine cond ition d iagno sis tech： n ique,縮寫為cd t）是一項隨著大型設備管理和維修發展 起來的綜合性技術。通過對設備的故障診斷，可以了解初 械設備在使用過程中的狀態，早期發現其整體或局部故障 及其原因，從而及時采取措施予以修復，保證設備良好高 效運行。常用診斷方法有振動法超聲波法聲發射探測法紅 外線法等，輔以溫度

5、監測技術噪聲測昴壓力測昴等技術 手段c其中振動法應用最為廣泛，它是依據設備運行或激 振時的振動信息，通過特征信息處理的方法來進行故障診 斷。振動法使用的檢測利分析儀器包括頻譜分析儀 模擬 濾波器 數字存儲示波器 動態信號分析儀等。但是，利用 這些分析儀器進行設備故障診斷，往往需要的儀器種類繁 多，操作復雜，價格昂貴，如一臺hp3562a動態信號分析 儀價值人民幣近20萬元，一臺b&k的2010b頻率分析儀 價值人民幣16萬元。因此，必須尋找一種簡便易行，功能齊全,價格低廉的檢測和分析診斷方法山。虛擬儀器，一種代表著檢測技術發展方向的新型技 術，能滿足該應用要求。虛擬儀器（virtual

6、 instnment,簡 稱vd是由美國國家儀器公司（national hstnment,簡稱 nd于20世紀70年代中期提出，它是以計算機作為儀器 主機，充分發揮其運算分析顯示儲存等功能，實現對參 數的檢測分析表現和控制。ni公司作為美國一家專 門從事vi技術幵發和生產的公司，其獨創的labvbv作 為圖形化（g語言）的編程軟件，直觀方便 簡單易行，很符 合非程序幵發的科研人員使用。另外該公司提供的硬軟 件系列產品性能可靠，種類豐富。該設備故障診斷系統將 主要是利用ni公司產品（包括labview和采集卡）來松 架和實現的。1實現原理"i根據需要，該診斷系統主要是對振動特征信號進行

7、監 測，輔以溫度轉速應變壓力等參量監測模塊，綜合考慮 各種特征值后再基于知識和經驗作出診斷。其過程包括：1）信號樣本采集；2）分析提取特征信息；3）狀態評價；4）自動或人工修復。即首先利用數據采集卡采集設 備本身的特征參數信號樣本，接看利用labv ibv中的分析函數和功能模塊對 特征參數值進行分析，并采用一定機制方法，如值域判定、 時域判定功能判定和邏輯判定等作出評判，最后實現故 障診斷和修復等操作。1. 1振動信號的監測和診斷設備在運轉過程中不可避免地會發生振動，一般來 說,振動由一系列簡諧振動分量淇它振動分量和隨機噪作者簡介:劉全心（1969-），男漢族，湖北鄂州人，講師，碩士研究生，研

8、究方向:材料成型與控制。 收稿日期：2008 -1-11中國機械采購網ao =2 也）uuq圖1系統硬件結構和配渥聲迭加而成，其中簡諧振動分量的頻率大多數與轉子轉速 或固有頻率有尖，不規則振動主要來自非線性的自激振 動。通過對振動波形分析，觀察和推斷設備的振動過程和 變化規律,得到反映設備運行狀態和故障的各種特征。振動測試項通常有加速度速度和振幅等。本系統選 用差動變壓器式電感傳感器獲取各時刻振幅值，形成振動 波形，其測雖范圍一般為幾mm,分辨率可（1 1 “m（1 f。根據傳戚器檢測原理，利用采集卡進行采樣各點拆 幅值為：其中5為等效電路輸出電壓, ®角頻率，斤為一次線圈 的有效電

9、阻，厶為一次線圈的電感。將采集得到的數據列在labv jew中表現出振幅一時域”波形，用fft對其進行頻譜分析，獲得振動波頻率 構成,從而與原始波形比較判斷振動狀態和故障問題點。1. 2溫度的監測和診斷對機械設備某些尖鍵部位進行溫度監測，通過實時表 現的溫度測量值來輔助判斷機械設備的故障點。常用的 溫度傳戚器有熱電偶熱電阻熱敏電阻半導體集成溫度 傳感器，其中熱電偶應用最為廣泛。根據熱電偶測溫的工 作原理，熱電偶輸出電壓和溫度尖系為：%（t %）=跖（t） c =f（ t） t = g（lf）該值表現為熱端對冷端的相對值，實際測溫時，需要 進行冷端補償值，通過兩通道同步采集后進行疊加運算， 求得

10、真實溫度值。當控制電腦接收到的輸入信號超出規 定的數值范圍時，自診斷系統就確認該輸入信號出現故障。例如:某轎 車水溫傳感器設計在正常使用溫度范圍30°c120c 或范圍更大些）內，輸出電壓為q 30v4. 70 v,所以當 控制電腦檢測出信號電壓小于q 15 v或大于4. 85 v時, 診斷系統就發出報警信號，從而可判定水溫傳感器信號系 統發生短路或斷路故障。i. 3運動轉速的監測和診斷運動轉速測量的方法有機械式閃光頻率式光電式、 霍爾效應式和測速發電機等，本系統采用光電式測速方 法。該方法是基于光電效應,將光電二極管與光電晶體管 配對構成光電開矢，測速過程中通過帶孔圓盤輸出脈沖系

11、列，利用labv iew中計數器便可測出脈沖個數，再通過計 算求出轉速：77 =60 /v/zz故障。1.4應變和力的監測和診斷應變檢測應用最基本最廣泛的方法是電阻應變式電 測法。根據材料力學知識可知，如果將應變片貼敷在將測 應變量的材料上，材料變形引起應變片變形，應變效應使 導體電阻發生變化，有：（1 +2v + 入e） ut式中，”為泊松比，入為壓阻系數, e為導體的彈性模量； e為導體的應變，是傳感器的輸出量；址為激勵電壓；納為 輸出電壓。測力基于應變測量，依據上面方法求得應變值，然后 根據力和應變比例尖系求得力：實際應用中，基于壓電效應的壓電應變式測力方法較 為廣泛，它的敏感元件多采用

12、石英晶體，其傳感器由三對 不同切型的石英晶體片組成，中間一隊具有縱向壓電效 應,可測得軸向力幾另外兩對具有切向壓電效應,方向互f二j# +忙+疋2模塊設計在labvibv平臺上，用戶可以利用強大的圖形化編 程功能，開發cdt所需儀器，也可以直接調用該軟件自帶 的例子，包括:多通道示波器 頻譜分析儀 任總函數發生 器數據記錄儀各種功能的濾波器曲線擬合概率統il 直方圖噪聲處理振動分析儀（仿真）動態信號分析（ft 真）等進行監測和分析。這些儀器內容十分豐富，界面友 好，可以像操作一臺常規儀器方便，并可選擇不同的數拒 處理和分析方法，使測試變得便捷方便。2 1硬件組成由于振動溫度轉速應變壓力等參量信

13、號大部分 是穩態和低頻信號,考慮到檢測過程中的采樣率檢測精 度模塊擴展性,以及測量信號多樣性測量便攜式和成本 等因素，本系統選用如圖1所示硬件平臺結構：2 2軟件結構和應用程序模塊監測和診斷應用程序模塊ijibview設備軟動程用操作系統（什算機及標準外設）圖2系統結構和硬件配置內燃機扭內燃機溫度測試逮砂砂檢測診斷 液爪溫度檢測診斯支架應變和壓力 h測 支架按動檢測診新按動檢測診斷 軸承轉速檢測診斷圖3某大型機械設備監測診斷系統應用程序功能模塊式中，為被測軸轉速（r/min）;/v為計數器的讀數值, z為 圓盤孔數；為計數的時間。脈沖信號進入微機后,計脈沖 數計時計算轉速都通過軟件功能來實現。

14、采用邏輯判定法來診斷轉速故障，即電腦對兩個具有 相互聯系的傳感器進行數據比較，當發現兩個傳感器信號 之間的邏輯矢系違反設定條件時，就斷定其一有故障。例 如:控制電腦檢測到發動機轉速大于某個轉速時,節氣門 位置傳感器輸出信號小于某個值，則判定節氣門位置出現© 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights rescued. 軟件是本系統的尖鍵部分，由系統程序和應用程序兩 部分組成。其中，系統軟件包括操作系統w indows xp瑟 據采集卡驅動程序 程序開發工具labvew等，見圖2ff

15、示;應用程序模塊集成了振動溫度轉速應變壓力等參 量信號的特征值監測波形顯示和時頻分析等功能，并根 據監測結果作系統分析和評判，從而達到警示和診斷的巨 的，見圖3所示。3狀態檢測和故障診斷實踐3. 1振動監測與診斷對某外圓磨床的工作臺作振動監測與診斷的前面 板如圖4所示。町抿動旳域記錄曲線b)頻譜分析圖4某外圓庭床的工臺作振動監測與診斷系統圖4a)為外圓磨床在空轉時工作臺的振動時域記錄 曲線，圖4b)則是該信號的頻譜分析，通過該頻譜曲線可 估計振動的根源和干擾。結合設計機床的結構，可判斷 27. 5 h z頻率成分是砂輪不平衡所引起的振動，329 h z 頻率成分是由油泵脈動引起的振動，50 h

16、zqoohz和150 hz 的頻率成分是工頻干擾和電機振動的頻率，500 hz以上的 高頻振動源則較為復雜,包含有軸承噪聲和其它振源。當外圓磨床進行常規負荷工作時，由診斷系統實吋監 測獲得的波形及其頻譜與以上曲線存在差異時，可立即根 據經驗和如識診斷出外圓磨床的故障所在，從而及時進行 設備維修或部件更換。3. 2溫度的監測與分析溫度監測模塊主要用來對機械設備有矢部件如c夜壓 系統和燃氣系統)的油溫水溫氣溫等進行實時顯示和分 析,從而輔助判斷設備工作狀態。下面是一個溫度監測與分析的應用實例，其前面板框和程序框如圖5。該模塊實時顯示溫度值,如果超出給定 范圍就報警，前面板上還給出了溫度值的統計數據

17、如平均 溫度,方差等，并給出溫度直方圖作頻數統計。整個界面 友好直觀,集檢測和分析于一體，大大豐富了常規溫度監(a)前面板(h)程胖框圖圖5 溫度監測與診斷模塊4結論1) 本系統主要對振動量進行監測和分析，輔以溫度、 轉速應變壓力等參量監測模塊，來綜合判斷設備運行狀 態和故障產生與否,使用界面友好，擴展性強,效果好。2) 系統采用um總線數據總線采集卡compacdaq 920和筆記本電腦作為應用和開發主要工具，充分發揮機動監測和診斷過程的便攜簡便特點。3) 該系統的建立不僅可以完成機電類電工電氣測量 等基礎課程的課堂實驗，還為cdt教學實驗提供了廣泛 的發展天地,真正體現了虛擬儀器技術中軟件就是儀 器”臺計算機就是一個實驗室”的特殊優勢。參考文獻i鄧炭,王磊.labvibv7. 1測試技術與儀器應用m .北京:機械工 業出版社,2005: 17421872姜海波，殷祥超.機械設備故障信號檢測的labv ibv實現j丄煤 礦