基于LabVIEW的船用電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)的研究

摘要：文章針對(duì)現(xiàn)在船用電機(jī)故障的主要問題，介紹了基于小波分析原理的消噪和特征提取方法，結(jié)合LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件資源的共享。其中，系統(tǒng)硬件由加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)組成;系統(tǒng)軟件利用LabVIEW平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、保存、小波除噪處理及小波變換，檢測(cè)出故障特征信息。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)大大提高了故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：小波分析;LabVIEW;特征提取;故障檢測(cè)

0 引言

船用電機(jī)由于工作在環(huán)境溫度高、濕度大、有油污及振動(dòng)大的惡劣環(huán)境中，其整體使用性能及技術(shù)工況會(huì)逐步下降，一旦電機(jī)發(fā)生故障，就可能導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)服務(wù)中止，從而威脅船舶航行的安全。因此，基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的船用電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)，能及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷出電機(jī)故障，具有廣闊的應(yīng)用前景。

虛擬儀器是一種以全新的理念來(lái)設(shè)計(jì)和發(fā)展的儀器，與傳統(tǒng)的儀器相比，性價(jià)比高，且在數(shù)據(jù)采集方面具有廣泛的應(yīng)用。把虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用到對(duì)故障信號(hào)的采集分析處理中，一臺(tái)PC機(jī)，配上數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路，及LabVIEW軟件就能開發(fā)出一套完整的數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)，可以完全取代傳統(tǒng)儀器。

1 故障信號(hào)的分析方法

電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，往往能通過其振動(dòng)信息反映出來(lái)，故障信號(hào)特征提取是檢測(cè)的第一步，也是關(guān)鍵因素。當(dāng)電機(jī)處于復(fù)雜的多噪聲系統(tǒng)中時(shí)，包括機(jī)械噪聲和電氣噪聲，傳感器往往會(huì)采集到各種系統(tǒng)存在的噪聲，但其中僅有一部分是與電機(jī)故障有關(guān)的，通過小波除噪，形成位于不同頻率上的帶通濾波器，這樣可以在時(shí)間軸上定位各個(gè)噪聲的種類，濾除掉無(wú)關(guān)噪聲，篩選出的有用噪聲特征送入小波變換多分辨率分析。

傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的頻譜分析法是振動(dòng)信號(hào)分析中最常用的方法，它僅適應(yīng)于分析干穩(wěn)信號(hào)，但故障信號(hào)中往往含有大量的時(shí)變、短時(shí)突發(fā)性質(zhì)的成分，人們提出了短時(shí)傅立葉變換，其雖然具有時(shí)間頻率可變性，但時(shí)間頻率的大小是固定的，與振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間頻率大小可變不相適合，因此，也不能滿足故障信號(hào)特征提取的要求。小波分析，作為一種時(shí)頻分析方法，對(duì)不同的頻率成分采用不同的時(shí)間分辨，通過伸縮和平移運(yùn)算，達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，對(duì)于電機(jī)故障分析，尤其是對(duì)突變信號(hào)分析效果顯著。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作原理是采用振動(dòng)診斷法及小波變換和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的方法，其中硬件部分是由數(shù)據(jù)信號(hào)采集部分和數(shù)據(jù)信號(hào)處理部分組成。振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡組成數(shù)據(jù)信號(hào)采集部分;裝有LabVIEW程序的PC機(jī)主要完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的配置及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1 傳感器

系統(tǒng)采用壓電式加速度傳感器，該傳感器具有非常高的輸出阻抗，同時(shí)其輸出的電荷量非常小，引起需要高輸入阻抗同時(shí)高增益的放大器。因此，信號(hào)調(diào)理電路采用的是電荷放大器，電荷放大器要求輸入阻抗極高，同時(shí)要求輸入的偏置電流極小，這樣才能盡量地減少測(cè)量的誤差。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

本電路設(shè)計(jì)的電荷放大器如圖2所示。其中第一級(jí)電荷放大器采用的必須是高輸入阻抗低偏置電流的運(yùn)算放大器，一般采用FET前級(jí)。這里采用BiMOS前級(jí)的運(yùn)算放大器CA3140，其輸入阻抗高達(dá)1.5T Ω，輸入的偏置電流僅僅有10pA，增益帶寬積有4MHz。電路中的C1是連接傳感器和放大器輸入端的屏蔽電纜的自身電容，一般選用特氟龍絕緣的屏蔽電纜。R1和R2構(gòu)成了反相放大器的調(diào)節(jié)增益的電阻，二者確定的放大器的直流電壓增益為1，R1的阻值取值較大，為了保證放大器擁有較高的輸入阻抗。R3是為了平衡輸入端，保證良好的共模抑制比。后端使用寬帶運(yùn)算放大器OP37作為電壓跟隨器，從而保證了可靠的帶寬。該放大器的輸出與傳感器的輸出電荷以及反饋電容C2有關(guān)，如式(1)所示。C2儲(chǔ)存電荷，因此C2應(yīng)采用低泄漏高精度的電容，一般采用聚苯乙烯電容或者鍍銀云母電容。另外，這些電容具有非常低的溫度系數(shù)，因此特別適合溫度變化劇烈的場(chǎng)合。另外由于電荷放大器放大的是電荷，因此周圍的泄漏電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很大，必須做好屏蔽，同時(shí)運(yùn)算放大器的輸入端需要懸空焊接，避免印制電路板上的電流泄漏影響。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的作用是將傳感器采集的、經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。對(duì)于數(shù)據(jù)采集器的采樣率要根據(jù)奈奎斯特采樣定律和前級(jí)傳感器電路的輸出信號(hào)頻率來(lái)決定?？紤]前級(jí)傳感器的電路的輸出：壓電加速度傳感器的輸出接近于沖擊響應(yīng)，因此其占用的頻帶較寬，一般可以達(dá)到100kHz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，采集頻率為f的信號(hào)時(shí)，所需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最低采樣率為2f，實(shí)際中為了保證信號(hào)的頻譜完整性，一般采用5f的采樣率進(jìn)行采樣。

3 數(shù)據(jù)的處理分析

通過LabVIEW軟件編寫的上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。流程圖如圖3所示。通過采集數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪處理，選擇合適的小波基進(jìn)行小波變換，檢測(cè)出特征故障信息。

3.1 小波除噪

小波除噪程序調(diào)用LabVIEW軟件中小波工具包中的Wavelet Denoise.v進(jìn)行處理，其程序框圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)含有白噪聲的方波和具有奇異點(diǎn)的正弦波信號(hào)進(jìn)行濾波，并與一般的巴特沃茲濾波器對(duì)比。采用LabVIEW自帶的小波工具包實(shí)現(xiàn)小波濾波器，設(shè)置閾值為軟閾值，基礎(chǔ)小波選用bior2_2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5中左右兩個(gè)圖最頂層皆顯示為原始夾雜白噪聲的信號(hào)，中間一排為小波濾波器的濾波結(jié)果，最下面一排為4階巴特沃茲濾波器濾波的結(jié)果?？梢姡?)對(duì)于左圖有奇異點(diǎn)的信號(hào)而言，雖然兩種濾波器都可以有效地消除噪聲，但是巴特沃茲濾波器卻把奇異點(diǎn)濾除了，導(dǎo)致了信號(hào)信息的丟失，而小波濾波器卻可以完好地保留奇異點(diǎn)信息。2)對(duì)于右圖方波信號(hào)而言，巴特沃茲濾波器造成了嚴(yán)重的失真，而小波濾波器則保留了較為完好的方波波形。因此，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小波除噪程序能較好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行除噪。

3.2 小波變換

電機(jī)突發(fā)振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)小波除噪后送入處理分析，采用小波多分辨率分析的方法，圖6為小波多頻率分析程序框圖。實(shí)驗(yàn)用的時(shí)域波形如圖7第一行所示。在開始電機(jī)轉(zhuǎn)速為10r/s，在0.1s的時(shí)候突然發(fā)生轉(zhuǎn)速的改變。實(shí)驗(yàn)依次采用了db02、db05和db09三個(gè)不同的小波，變換結(jié)果如圖7第二、三、四行所示。比較其結(jié)果，db02小波的結(jié)果中幅值變換點(diǎn)處所占用的時(shí)間跨度最小，因此可以最精確的確定時(shí)間位置，檢測(cè)效果明顯。

4 結(jié)論

本文通過分析電機(jī)故障信息，采用了小波變換對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪和特征提取，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主要硬件電路，然后利用LabVIEW平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的配置及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地診斷出船用電機(jī)故障及時(shí)間，具有良好的應(yīng)用前景。