（精密仪器及机械专业论文）分布式实时振动监测系统设计.pdf

摘要 论文题目：分布式实时振动监测系统设计 学科专业：精密仪器及机械 研究生：王斌 指导教师：晏克俊副教授 摘要 签名： 签氲她签名i 善幽： 旋转机械是电力、石油化工、冶金、机械、航空以及一些军事工业部门的关键设备， 对旋转机械状态的监测是保障大型机组安全高效运行、防止恶性事故的有效手段。传统的 在线振动监测主要是单机监测模式，即每一台机器由一个监测系统来控制，它的缺点是工 作效率低，浪费了大量的人力、物力，而且随着工厂规模的扩大，机器数的增加，这种模 式的局限性日益突出。 本文设计了一种分布式振动监测系统，通过总线把分布于各现场的下位机连接起来， 达到集中监测、管理、诊断的目的，成功地解决了测点数量多、分布广及监测、操作、管 理、诊断困难的问题。它具有可靠性高、扩展灵活、网络互联能力强、系统构成成本低、 系统功能强等特点。 系统主要由数据采集及处理模块、c a n 总线的网络通信模块和上位机监控模块三部 分组成。数据采集及处理模块以t i 公司的d s p 2 4 0 7 为核心处理器，充分利用其较快的处 理速度和强大的外设功能以满足对于振动信号的采集和处理。与上位机的通信采用现场总 线中的c a n 总线技术，它具有突出的可靠性、实时性和灵活性，能有效地支持分布式系 统。上位机与下位机的连接通过可同时操作两个独立的c a n 网络的c a n 接口卡，并能 与上位机编程环境l a b v l e w 兼容。上位机采用可视化的开发平台l a b v i e w ，使得监控 人机界面更加直观。 系统通过对振动信号进行时域、频域分析，包括实时振动波形，滤波后波形、功率谱、 幅值谱、轴心轨迹，能够及时监测旋转机械的运行状况，并预报设备故障。利用l a b v i e w s q l t o o l k i t 和r e p o r tg e n e r a t i o n 工具包实现了与数据库的链接和自动生成报表的功能。 课题研究的内容主要有以下几个部分： ( 1 ) 基于d s p 的数据采集模块设计 以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为下位机核心处理器，实现振动信号的采集与数字信号 处理。包括数字滤波和快速傅立叶变换，并设计c a n 接口与上位机实现通信。 ( 2 ) 基于c a n 总线的网络通信模块设计 西安理工大学硕士学位论文 利用现场总线技术的c a n 总线构建分布式网络结构并与上位机进行数据传输，包括 内部的通信接口程序及外部c a n 通信接口程序。编写上位机c a n 通信的接收和发送程 序。用s q ls e r v e r 建立网络数据库，存储采集数据。 ( 3 ) 基于l a b v l e w 的上位机监控软件设计 利用l a b v l e w 可视化开发平台，分析处理振动信号并显示结果，包括振动波形、 功率谱、幅值谱、轴心轨迹以及显示数据库数据和自动生成报表功能的实现。 关键词：振动监测；d s p ；c a n ；l a b v i e w t i t l e = d e s i g no fd i s t r i b u t e dr e a l - t i m ev i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m m a j o r ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n t sa n dm a c h i n e r y n a m e ：b i nw a n g s u p e r v i s o r = a s s o c i a t ep r o f k e j u ny a n a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： r o t a t i n gm a c h i n e r yi s t h ec r i t i c a le q u i p m e n tf o rt h ee l e c t r i cp o w e r , p e t r o l e u ma n d c h e m i c a l ，m e t a l l u r g y , m e c h a n i s m , a v i a t i o na n dm i l i t a r yd e p a r t m e n t m o n i t o r i n gf o rr o t a t i n g m a c h i n e r ys t a t ei sa ne 毹c t i v es t r a t e g yt h a tc a ni n s u r es a f ea n dh i g h l ye f f e c t i v er u n n i n go fl a r g e e q u i p m e n ta sw e l la sa v o i dm a l i g n a n ta c c i d e n t t h et r a d i t i o n a lo n 1 i n ev i b r a t i o nm o n i t o t i n gi s m o s t l ys i n g l em o n i t o r i n gm o d e i e o n em a c h i n ei sc o n t r o l l e db yo n em o n i t o t i n gs y s t e m i t s d i s a d v a n t a g ei sl o we 伍c i e n c y , t h ew a s t i n go fm a n ym a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e sa n dt h e e x t r u s i v el i m i t a t i o n so f t h i sm o d e lw i t ht h ee n l a r g e m e n to f t h es c a l eo f t h ef a c t o r ya sw e l la st h e i n c r e a s e dn u m b e ro f m a c h i n e s t h ea r t i c l ed e s i g n sad i s t r i b u t e dv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hr e a l i z e dt h ec e n t r a l i z i n g o fm o n i t o t i n g , m a n a g e m e n t d i a g n o s i st h r o u g hi i n kd i s t r i b u t e dl o w e rc o m p u t e r sb yb u sa n d s u c c e s s f u l l yr e s o l v e dm a n yp r o b l e m s ，i u s ta ss u b s t a n t i v ea n dw i d e l yd i s t r i b u t e dm e a s u r i n g p o i n t s ，t h ed i f f i c u l t yo fm o n i t o r i n g , o p e r a t i o n , m a n a g e m e n ta n dd i a g n o s i s i th a sh i g hs e c u r i t y , f l e x i b i l i t yi ne x p a n s i o n g r e a tn e t w o r ka b i l i t y , l o wc o s ta n ds t r o n gf u n c t i o n s t h es y s t e mi s c o m p o s e do ft h e d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l e , n e t w o r k c o m m m c a t i o nm o d u l eo fc a nb u sa n dm o n i t o t i n gm o d u l eo ft h eu p p e rc o m p u t e r t h ed a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l eu s e dt h ed s p 2 4 0 7a sc o r ep r o c e s s o r , w h i c hh a dh i g h p r o c e s s i n gs p e e da n dp o w e r f u lp e r i p h e r a lf u n c t i o n st h a tc a ns a t i s f i e dw i t ht h ea c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n go fv i b r a t i o ns i g n a l b yu s i n go fc a n b u sa sc o m m u n i c a t i o nw i t hu p p e rc o m p u t e r , i t h a so u t s t a n d i n gr e l i a b i l i t y , c e l e r i t ya sw e l la sf l e x i b i l i t ya n dc a ne f f e c t i v e l ys u p p o r td i s t r i b u t e d s y s t e m t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h eu p p e rc o m p u t e ra n dt h ei o w e rc o m p u t e rc a ns y n c h r o n o u s l y o p e r a t et w oi n d e p e n d e n tc a nn e t w o r ka n dc a ni n t e r f a c ec a r da n dc a nc o m p a t i b l e 、析t l l l a b v i e w t h eg r a p h i c a lp r o g r a m m a b l el a n g u a g el a b v i e wa d o p t e db yt h eu p p e rc o m p u t e r c a nm a k et h em o n i t o r i n gm a n m a c h i n ei n t e r f a c em o r ei n t u i t i o n i s t i c t h r o u g ht h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ，i n c l u d i n gr e a l t i m ev i b r a t i o n w a v e ，w a v ea f t e rf i l t e r i n g , s p e c t r u m ，a m p l i t u d ea n df r e q u e n c yc u r v e ，s h a f tc e n t e r l i n eo r b i t ，t h e s y s t e mc a nt i m e l ym o n i t o rt h eo p e r a t i o ns t a t eo ft h er o t a t i n gm a c h i n e r ya n df o r e c a s te q u i p m e n t f a i l u r e b yu s i n go fl a b v i e ws q lt o o l k i ta n dr e p o r tg e n e r a t i o nt o o l k i t , t h ed a t a - b a s e i n t e r l i n k a g ea n da u t o c r e a t i n go fr e p o r tf o r m sw e r er e a l i z e d i n v e s t i g a t i o na n ds t u d ya r em a d ei nt h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： n ) d s p - b a s e dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l e b yu s i n go ft i st m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7a sc o r ep r o c e s s o ro f l o w e rc o m p u t e r , t h ev i b r a t i o ns i g n a l a c q u i s i t i o na n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gw e r ea c h i e v e d ，i n c l u d i n gd i g i t a lf i l t e r i n ga n df a s t f o u r i e rt r a n s f e r , a sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc a ni n t e r f a c ea n d 也eu p p e rc o m p u t e r ( 2 )b a s e do nc a nb u sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e u s i n go ff i e l d b u st e c h n o l o g yo ft h ec a nb u sc o n s t r u c t s d i s t r i b u t e dn e t w o r ka n d c o m m u n i c a t e sw i t hu p p e rc o m p u t e r , i n c l u d i n gi n t e r n a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ep r o g r a ma n d e x t e r n a lc a nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ep r o g r a m , c o m p i l i n gr e c e i v i n ga n ds e n d i n gp r o g r a mo f c a nc o m m u n i c a t i o n , b u i l d i n gn e t w o r kd a t a b a s eb ys q ls e r v e ri no r d e rt os t o r a g ea c q u i s i t i o n i i i 西安理工大学硕士学位论文 d a t a ( 3 ) b a s e do nl a b v i e wm o n i t o r i n gs o f t w a r ed e s i g nt ou p p e rc o m p u t e r u s i n go fl a b v i e wd e v e l o p m e n tp l a t f o r mp r o c e s sa n dd i s p l a ya n a l y s i sr e s u l t so fv i b r a t i o n s i g n a l s ，i n c l u d i n gp o w e rs p e c t r u m ，a m p l i t u d es p e c t r u m ，s h a t tc e n t e r l i n eo r b i ta n dd i s p l a y i n g d a t a b a s ed a t aa n da u t o - c r e a t i n gr e p o r tf o r m s k e yw o r d s ：v i b r a t i o nm o n i t o r i n g ；d s p ；c a n ；l a b v i e w i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 吖、 论文作者签名：生窒堑殳一 删年岁月印日 学位论文使用授权声明 本人 壶燃i 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版瓤电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) ：娥黜一川年岁月纠日 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 振动信号常见于旋转机械中( 包括汽轮机、燃汽轮机、水轮机、发电机、航空发动 机、离心压缩机等机械设备) ，这些旋转机械是电力、石油化工、冶金、机械、航空以及 一些军事工业部门的关键设备，而对于旋转机械的监测常通过对振动信号的监测来实现 的。对旋转机械振动的监测可用于各类大型旋转机器轴承和转轴的振动测量与评价、振动 数据采集及建立数据库、振动故障分析、转速测量、转子在线高速和离线低速动平衡试验 和平衡加重计算。 。 因此，对于振动的测量研究有很重要的意义： 1 预防事故、保证人身和设备的安全。预防事故，保证人身和设备的安全是开展设 备诊断工作的直接目的和基本任务之一。我们知道，一些设备，特别是流程大型设备一旦 发生故障将会引起链锁反应，造成巨大的经济损失，甚至灾难性的后果。因此，为了避免 设备事故，保障人身和设备的安全，应当积极发展设备振动诊断。 2 提高经济效益。开展设备诊断所带来的经济效益包括减少可能发生的事故损失和 延长检修周期所节约的维修费用，国外一些调查资料显示，开展设备诊断可带来可观的经 济效益。英国曾对2 0 0 个工厂作过调查，结果表明，采用设备诊断技术后维修费用每年 节约3 亿英镑，除去诊断技术的费用0 5 亿英镑，净获利2 5 亿英镑。在我国的大型电厂， 若出现故障其停机一天造成的损失就达一百多万元。因此对设备故障进行有效的诊断有着 明显的经济效益i l l 。 1 2 国内外发展状况 目前国外的在线监测和故障诊断系统比较先进和成熟，一方面，过外的信号处理与数 据分析技术发展较快，而这些处理机、分析仪和数据采集系统是机械设备状态监测的基础 和核心，是发展后续技术( 故障诊断) 所不可分割的部分；另一方面，国外的一些专业公 司，对旋转机械的运行及监控、机组可靠性、安全性、维修性与经济管理技术已从事有 4 0 多年的研究历史，建立了庞大的数据管理系统，开展了专家系统的研究，具有雄厚的 数据与软件实力。国外机组状态监测和故障诊断的商品化应用系统有b e n t l y 公司的数 据管理系统d m 2 0 0 0 ，趋势分析系统2 0 0 0 ；p h i l i p s 的r 3 0 0 0 状态监测系统；s c h e n c k 的 r o c o m 4 0 0 0 ，v i b r o c o m 5 0 0 0 计算机化的状态监测系统；丹麦的b & k 3 5 4 0 系统， 它可在线监测，也可离线监测。在线监测时，振动监测仪2 5 2 0 将在线监测采集的数据送 至中心振动监测( c 旧工作站，两者的联接可通过r s 2 3 2 、局域网或电话线；离线监测采 用b & k 便携数据采集器，将采集的数据回放到c v m 。在3 5 4 0 系统中，所有的分析需在 c v m ( 上位机) 上进行，振动监测仪2 5 2 以下位机) 完成实时数据采集的任务。 我国在机械故障诊断技术方面的研究和应用相对说来开展的比较晚。在1 9 7 9 年以前， 一些大专院校和科研单位结合教学和有关设备诊断技术的研究课题，逐步开始进行机械设 i 西安理工大学硕士学位论文 备状态监测与故障诊断技术的理论研究工作和小范围工程实际应用研究。特别是某些工厂 某些机组的事故频繁发生，促进了对设备故障诊断技术发展的重视。二十世纪八十年代国 内开始着手组建故障诊断的研究机构。其发展经历了从简单诊断到精密诊断、从单机诊断 到网络诊断的过程，发展速度愈来愈快1 。但与国外发达国家相比，我国虽然在理论上 跟踪较紧，总体而言，在机械设备诊断的可靠性等方面仍有一定的差距。 国内目前大多数企业在生产中对大型设备的管理维修一般采用定期维修和事后维修 方法，即按预定的检修周期对设备进行维修或设备发生故障后才进行维修。定期维修有明 显的缺点，主要表现在过剩维修和不足维修。过剩维修就是设备尚未出现故障，还可运行 一段时问，但规定的检修时间己到，也要按制度停机检修。这不但浪费人力、物力和时间， 还会因检修不当而引起人为故障，从而人为增加维修费用”儿 1 。另一方面，一些大中 专院校和研究所开始重视振动监测和故障诊断技术的应用，如中国浙江大学检测技术与智 能仪器研究所的c m d 3 系统，是由上位机和前置机通过r s 2 3 2 通讯联接。前置机是一 个主从计算机结构形式的微机系统，主要完成数据采集任务以及部分监测功能，每一分钟 对监测参数和振动波形数据监测一次，前置机可单独工作，但数据的存储量受到限制，如 在所监测机组处于升、降速时，前置机只可保存最后一次升速或降速数据。 对机器设备振动监测诊断模式随着检测技术和手段的进步尤其是计算机技术和网络 技术的发展，己经发生了本质的变化，大致可以分为三个阶段1 。 ( 1 ) 单机监测诊断模式( s m d s ) 在机器逐步取代手工在工厂的地位后，对机器设备的状态监测和故障诊断仅局限于 “点到点”的诊断模式，即每一台机器由一个监测系统来控制。这是一个封闭的系统，信 息只在系统内部流动和处理，这种系统对于早期的小规模工厂还是可以实施的。它的缺 点是每个系统的工作效率低，浪费了大量的人力、物力；而且随着工厂规模的扩大，机器 数的增加，这种模式的局限性日益突出。目前这种模式的在线监测诊断系统己经逐步被 淘汰。 ( 2 ) 分布式监测诊断模式( d m d s ) 分布式监测诊断模式d m d s ( d i s t d b u t c dm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m ) 是针对大 型设备主机和多台辅机功能分布和地域分布的特点，通过工业局域网把分布于各局部现 场、独立完成特定功能的本地计算机互联起来，以达到资源共享、协同工作、分散监测 和集中操作、管理、诊断目的的工业计算机网络系统，是以微型计算机为核心的计算机 技术、设备故障诊断技术、网络通讯技术、c r t 显示技术竞相发展并紧密结合的产物。 分布式监测诊断模式具有可靠性高、扩展灵活、网络互联能力强、系统构成成本低、系 统功能强等特点。 分布式监测诊断模式如图1 1 所示。在这一过程中，又以流程工业大型成套、关键设 备的在线状态监测与故障诊断系统首当其冲。通过网络以分散监测和集中操作、管理、诊 断的优良特性成功地解决了测点数量多、分布广及监测、操作、管理、诊断困难的问题。 2 绪论 同时，从长远发展来看，通过网络互连，可以弥补当前上层网络设备管理信息系统中设备 现场运行工况动态信息的空白，为实现企业全局设备生产任务的动态调度铺平了道路。 i 现场机组现场机组 jj 传感器子系统 图1 - 1 分布式监测诊断模式 f i g 1 - i d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m ( 3 ) 远程监测诊断模式( 1 洲d s ) 机器设备监测和故障诊断技术和网络技术、通讯技术相结合形成的监测诊断模式称之 为远程监测诊断模式r m d s ( r e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m ) 。生产企业设备运 行出现异常时，其状态监测服务器立即以工作传票方式向诊断分析服务器申请在线技术援 助，同时以电子邮件方式向有关专家发出离线会诊请求：在短时间内调动入网的所有诊断 资源，实现对设备故障的早期诊断和及时维修。整个系统中流动的是数据，而不是技术人 员；而且所有的诊断信息可以由网络获得。这种系统将管理部门、监测现场、诊断专家、 设备厂商联系起来，形成了一个真正的开放的系统u 1 。 1 3 课题研究目的及内容 针对工业现场中目前对对旋转机械振动单机监测模式工作效率低的特点，而且随着 工厂规模的扩大，机器数的增加，这种模式的局限性日益突出，文章设计分布式实时振动 监测系统，可通过网络成功地解决了测点数量多、分布广及监测、操作、管理、诊断困难 的问题。 本课题研究的内容主要有以下三部分： ( 1 ) 基于d s p 的数据采集系统 以1 i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为下位机信号处理的核心的处理器，利用它自带的 a d 做数据采集后做数字信号处理，包括数字滤波和快速傅立叶变化，通过d s p 2 4 0 7 自 3 西安理工大学硕士学位论文 带的c a n 控制器将处理的结果传输给上位机。 ( 2 ) 基于c a n 总线的网络通信系统 利用现场总线技术的c a n 总线构建分布式网络结构并与上位机进行数据传输，包括 内部的通讯接口程序及外部c a n 通讯接口程序。编写了上位机通过c a n 接口卡进行通 讯的接收和发送程序。用s q ls e r v e r 建立网络数据库，存储采集数据。 ( 3 ) 基于l a b v i e w 上位机监控软件设计 利用l a b v i e w 可视化开发平台，显示振动信号处理后的数据和结果，包括振动波形、 功率谱、幅值谱、轴心轨迹以及显示数据库数据和自动生成报表功能的实现。 4 振动测量技术基础 2 振动测量技术基础 2 1 振动信号介绍 振动是一种十分普遍的运动形式，广义地说，是指物体或某种状态随着时间往复变化 的现象。振动可以分为简谐振动和周期性振动。任何一个周期性振动都可以分解为一系列 不同频率且不同简谐振幅的简谐振动之和。 简谐振动是可用正弦函数描写的周期运动形态，表达式为： x = a s i n ( o t + ) ( 2 1 ) 其中，x 表示质点在t 时刻偏离平衡位置的位移；a 是振幅，彩是角频率，耐手提t 时刻的相位。堤初相位。刻画振动的参数只有三个：振幅a 、角频率缈、初相位。 振动分为径向振动、扭转振动、纵向振动等几种。我们这里主要研究测量径向振动。 径向振动分强迫振动和自激振动。强迫振动所需能量由系统外提供，自激振动所需能量由 旋转系统内部提供。 在旋转机械如汽轮机、发电机等中，发电机组在起动及运行时发生超过允许值的振 动危害是很大的。以汽轮机为例，它可能引起紧急保护装置动作而造成事故，引起轴瓦乌 金碎裂，汽轮机发电机组的轴瓦和轴承座的紧固螺丝等其他一些零件损坏。严重的会使转 子弯曲，造成和转子连接的零件因振动疲劳而断裂等严重后果i s j 。 2 2 振动信号分析方法 对于振动信号的处理方法二般包括时域分析、频域分析、相关分析、联合时频分析、 小波分析、振动图形分析等方法。 2 2 1 时域分析 时域是指信号随时间变化的一种函数关系。包括时域连续信号和时域离散信号。它是 通过对连续振动信号进行采样得到的。我们通过a d 采集卡将振动数据采集，并通过计 算机将该信号按时间的关系绘制出来，这样我们就可以看见一条振动幅值与时间的连续的 函数曲线，在采样频率较高的情况下，这种近似是比较真实的反映时域连续信号的。 采样率决定了模数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数 字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。 根据耐奎斯特采样理论，采样频率必须是信号最高频率的两倍。例如，信号的最高 频率若为2 0 k h z ，则其采样频率一般需要4 0 k h z 。振动信号采样频率一般为被测信号频 率范围的2 5 6 倍。 通过比较我们可以明确的知道，在同一周期内点数越少，画出的曲线越有折线感， 因此提高采样频率，是保证我们采集到的信号准确的重要手段，但是较高的采样频率又对 a d 采集卡的硬件提高了要求。因此选取合适的采样频率对于我们获得正确信号非常重 要。如果采用较低的采样频率，就不得不采用各种补偿与近似技术来模拟信号，这样又会 花掉大量的计算机时间，因此可能无法实现信号的实时显示。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 频域分析 复杂振动波形可以按傅立叶分析原理分解为一系列组成它的谐波分量，每一谐波分 量又有其幅值和相位。各谐波分量以频率为横坐标的谱图称为频谱。振动信号可在频域内 经过多种处理方式，获得识别故障特征信息所必须的几类频域图像。 频谱图的幅值有两种表示法：一种以振幅( 均方根值或峰值) 形式表示，称为幅值 谱；另一种以能量形式表示，称为功率谱。 倒谱变换是将自功率谱密度函数的对数再做一次傅立叶变换。变换的结果得到倒频 谱。倒谱变换与自相关函数相比较，其特点主要在于变换之前要对功率谱密度取对数。倒 频谱是频谱的频谱，它能分析出复杂频谱图上的周期结构，分离和提取频谱中的周期成分。 在各种分析方法中，快速傅里叶变换( f f r ) 的频谱分析是当前应用最广、最有效的 分析方法。 2 2 3 相关分析 研究信号之间关联程度的分析叫相关分析。 自相关函数r x ( o 描述对于同一信号，一个时刻的值与另一个时刻的值之间的关联程 度。 1， r ，( f ) 2 憋亭j ：x ( t ) x ( t + r ) d t ( 2 2 ) 采用自相关分析，可以分析出混杂在随机信号中的周期信号。 两个随机信号x ( t ) 和y ( t ) 的互相关函数r x y ( t ) 定义为： ， r 夥( f ) 2 舰7 i tj ；x ( t ) x ( t + r ) d t ( 2 3 ) 如果荆和y ( o 是两个完全独立无关的信号，蹦t ) = 0 。因此，利用互相关函数能够寻 找隐藏在噪声信号中有关联的信号。 相关分析是同时在两个通道上进行信号分析处理以求取两个信号通道之间的相互关 系。由于实际测量的机械振动，有周期性的信号( 如转子的不平衡、不对中等) ，冲击性 的信号( 如轴承上的缺陷) ，还有很多随机性的信号( 如主风机的气流冲击或液体扰动等) ， 在这些信号中往往混有许多随机噪声，当这些噪声大时会淹没故障信号。自相关分析是用 来描述随机信号在某一时刻的瞬时幅值垧与另一时刻的瞬时幅值x ( t + t 1 ) ，或者说它是用 来表示工在两个时刻的相似性。用自相关函数可以从随机信号中把周期信号检测出来。 而隐藏在噪声中的周期信号成分往往意味着某种缺陷。 互相关函数是用来确定一个信号x 何对另一个信号y 相似程度的函数，亦即考察信 号x ( o 在时刻t 与信号j ，渺在时刻t + h 之间的幅值有什么联系。它能反映机器上两点之 间随频率变化的传递关系，即当机械系统受到激励而有响应时，激励点与响应点或者系统 6 振动测量技术基础 上任意两点之间只与系统本身特征参数有关的函数关系。利用两信号相关时的滞后时间测 量，可诊断故障信号发生的位置。互相关分析还可以用来判别振动的传递途径。 2 2 4 联合时频分析 传统的分析方法是信号单独在时域中进行分析，而联合时频分析( j o i n tt i m ef r e q u e n c y a n a l y s i s ，j t f a ) 可以同时在时域和频域中对信号进行分析，这有助于更好地了解和处理 特定的信号。j t f a 的主要用途是观察功率谱如何随时间变化，以及信号如何提取。 2 2 5 小波分析 傅立叶变换适用于平稳信号，通过f f t 得到的频谱反映了信号在整个时间域上的频 谱特性。它成功地应用于平稳信号的频域分析。但在这种变换中，它把瞬态信号的频域信 息分配给了整个频域分析范围内的其他频率分量，因此，傅立叶变换不适合于非平稳信号 的处理。 作为傅立叶变换的发展，加窗傅立叶变换利用一固定的时间窗，通过沿时间轴的滑动 进行时域局部化的傅立叶变换，固定时间窗造成了时变信号分析时带有一定的局限性。 小波变换发展了加窗傅立叶变换的时域局部化思想，窗口宽随频率的增高而缩小，保 持高频信号仍具有较高的分辨率。小波变换适当离散化之后可构成标准的正交系。 信号脚的小波变换为： r r f ( s ，力= f 厂( f ) 矽f 三二2k s ，xer ，s o( 2 4 ) s ”s ， 这里( f ) 是满足膨( f ) = 0 ，( 振荡性) 和在时域里具有紧支集( 时域有限) 的函数， ； 称为小波。当j 增大或缩小时，响应夕斩t - x s ) 在时间上扩展或收缩，即可计及长短的时间 过程。s 是尺度因子，大尺度可观察总体信号，小尺度可观察细微信号。 小波变换的特点为： ( 1 ) 对非平稳信号进行时频分析时，其时频局部化方式是高频范围内时间分辨低，低 频范围内时间分辨率高。 ( 2 ) 信号的小波分解有二进多分辨快速算法( s m a l l a t 算法) ，运算次数为n l g n 。 ( 3 ) 信号的分解和重构可有针对性地选择有关频带信息和剔除噪声干扰。 ( 4 ) 信号在全频带内正交分解的结果，信息量即无冗余，也无渗漏。 ( 5 ) 如果非平稳信号是由低频长波期叠加高频短波期组成，小波变换是最理想的工 具。小波变换是一种多分辨率的信号处理技术。它利用一系列不同尺度的基函数对信号 进行分解，这些基函数可以根据信号不同的频率段，通过母小波的伸缩于平移而得到。 离散小波变换( d w t ) 是一种高效快速算法，它把信号以一系列相互正交的小波函数为 基函数进行分解，没有任何多余信息。并且可以利用d w t 的结果对原始时域信号进行 7 西安理工大学硕士学位论文 重构。正交小波变换把原始信号分解成一紧支撑小波序列，这对于信号的重构是有益的。 但是，由于其形状及尺度数的限制，单一的小波幅值谱难以满足信号信息丰富的要求， 往往不能描述全部所关心的细节。当样本数为n = 2 m 时，一般只能提供m + 1 个不同宽度 的小波。分析信号中的不同频率成分的信息及一些瞬态信号只能以比较接近的小波进行 分解。 2 2 6 振动图形分析法 不同的振动状态表示方式具有不同的特点。有些故障在某些图形上反映不明显，但在 另外一些图形上却表现得比较突出。因此，工程上进行振动分析时经常同时用到大量振动 图形，这些振动图形对振动分析很有帮助。常用的图形有波形图、频谱图、瀑布图、级联 图、趋势图、轨迹图、奈奎斯特图、波德图等。下面对这些图形分别加以介绍 9 1 0 1 振动波形 振动波形是转子振动振幅的瞬态值随时间延续而不断变化所形成的动态图像，就是将 振动信号的时间历程表示出来。从振动波形中可以看出振动信号是否平稳、有没有毛刺、 削波、调频、调幅、波动、不稳定等异常现象。这些现象在频谱图上有时表现得并不是很 明显。例如，转子出现摩擦故障时，振动信号会出现很多毛刺或削顶等现象，不平衡故障 波形为标准正弦波等，这就为我们提供了很多有用的诊断信息。 2 振动频谱 通常情况下振动信号中包含了很多简谐振动成分，即 一 y = a ie o s ( a h t + 仍) ( 2 5 ) i = 1 当频率成分较多时，从振动波形中很难直接看出波形中包含的频率成分。这时可以 对上述振动信号做傅立叶变换。傅立叶变换可以求出振动信号中包含的所有频率成分。频 谱图就是将这些频率成分和大小表示出来。 由振动故障机理可知，不同振动故障所包含的振动频率成分并不相同。例如：不平 衡故障主要为与转速同频的工频成分；油膜振荡故障为与转子系统固有频率相对应的低频 成分等。频谱图将振动信号中包含的频率成分非常直接地表示出来，对于故障诊断非常重 要。频谱分析是技术人员采用得最为广泛的分析手段。所有故障诊断几乎都是从频谱分析 开始。旋转机械故障诊断中常将与转速相等的频率成分定义为基频或工频。为了直观起见， 人们也常以l x 、2 x 、1 2 x 等表示与一倍转速、二倍转速、1 2 倍转速相等的频率 成分。 3 轴心轨迹 轴心轨迹就是将转子在轴承种的运转情况以二维轨迹形式表示出来。要了解轴心轨迹 情况，必须在转子截面上同时安装两个互成9 0 度夹角的涡流传感器。根据轴心轨迹图， 振动测量技术基础 我们可以得到 ( 1 ) 轴颈在轴承中的位置。根据轴心位置的高低，结合瓦温等参数可以判定轴承承载 等情况。轴颈位置高，轴承承载轻。 ( 2 ) 根据轴心轨迹形状可以帮助判定不对中、摩擦、油膜涡动、油膜振荡等异常故障。 这些故障的轴心轨迹具有不同的特征。 4 奈奎斯特图 奈奎斯特图就是将不同转速下的振动以极坐标形式表示出来。 奈奎斯特图可以帮助我们： ( 1 ) 判定转子临界转速。由振动理论可知，过临界时振动幅值最大，相位变化最明显。 因此奈奎斯特图上共振点就位于极坐标最大的一点，共振幅值和相位就是最大极坐标 所对应的半径和角度。 ( 2 ) 确定转子上不平衡所在轴向位置。 5 瀑布图 瀑布图就是将不同时刻的频谱图叠加在仪器，以时间作为坐标得到的三维图形。根 据瀑布图，我们可以直观地看到不同时刻的振动频谱，了解异常故障发生时频谱变化情况。 6 级联图 级联图就是将不同转速下的频谱图叠加在一起，以转速作为坐标的三维图形。根据级 联图，我们可以获得变速过程中的频谱，分析升、降速过程中频谱变化情况。 7 趋势图 趋势图就是将振幅和相位随时间变化情况表示出来。根据趋势图，我们可以对一段时 间的振动变化情况进行分析，判定机组振动是否稳定、有没有周期性等，为故障诊断提供 有用信息m 1 。 2 3 本章小结 本章介绍了振动测试的基础知识，包括振动测试的主要参数以及分类。给出了振动分 析的基本方法，包括时域分析、频域分析、时频联合分析、小波分析、相关分析、振动图 形分析，为下面几章振动信号的测试做好铺垫。 9 西安理工大学硕士学位论文 3 分布式实时振动监测系统总体方案设计 3 1 系统设计的总体要求 系统是针对工业现场中旋转机械地域分布广的特点采用分布式系统，实现多个不同 点的振动信号的实时采集、处理，由d s p 完成数字信号处理，再通过现场总线中的c a n 总线将处理后的数据传输给上位机存储和显示。保证采集、传输的速度快，精度高，上位 机监控软件能实时对采集的数据进行显示。 系统主要用于各类旋转机器轴承和转轴的振动测量与评价、振动数据采集及建立数 据库、振动故障分析、转速测量、转子在线高速和离线低速动平衡试验和平衡加重计算。 3 2 系统总体结构设计 系统结构如图3 1 所示，信号采集处理单元采集被测对象的信号通过c a n 总线传输 给上位计算机。不同的被测对象对应不同的信号采集处理模块。 图3 1 系统总体结构图 f i g 3 1 b l o c kd i a g r a mo f m e a s u r i n gs y s t e m d s p l 传感器 = o信号调理 = on d c a n 数字滤波f f t 控制器 p c i 上位机 7 8 4 l 图3 - 2 系统处理流程图 f i g 3 - 1d i a g r a mo fs y s t e m 如图3 2 所示，是系统处理的流程图，传感器拾取振动信号通过信号调理电路，信 号调理主要是实现滤波和放大。d s p 通过自带的a d 采集放大后的信号并作信号处理， 包括数字滤波和快速傅立叶变化。处理后的结果在通过d s p 自带的c a n 控制器通过c a n 总线传输给上位机显示。上位机采用的是凌华的p c i 7 8 4 1 接口卡。系统是分布式设计， 1 0 分布式实时振动监测系统总体方案设计 被测对象有多个，对应的下位机信号采集处理模块也是多个，这个流程图是被测对象为一 个是的流程图。 3 2 1 下位机微处理器的选择 在整个数据采集与处理系统设计过程中，对下位机和新处理器的选择，我们开始 制定了两种方案：方案一是由5 1 单片机来作为系统核心处理单位，方案二是由d s p 来作 为核心处理器。但是经过比较，我们最终选择了方案二，也就是d s p 来作为整个数据采 集与处理系统的核心处理器。 虽然单片机已经从8 位，1 6 位向3 2 位发展，而且价格低廉，结构简单，但是它的两 个最大的不足之处在于，首先，单片机的数学运算能力不高；其次就是它的运算速度慢， 对于振动信号数据量大，运算速度高的要求，其实时性不能满足要求。而d s p 芯片则完 全弥补了单片机的这两点不足。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有 专门的硬件乘法器，广泛