基于LabVIEW的船用電機故障檢測系統(tǒng)的研究

摘要：文章針對現(xiàn)在船用電機故障的主要問題，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平臺實現(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、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和PC機組成;系統(tǒng)軟件利用LabVIEW平臺編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、保存、小波除噪處理及小波變換，檢測出故障特征信息。實驗表明，本系統(tǒng)大大提高了故障檢測的實時性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：小波分析;LabVIEW;特征提取;故障檢測

0 引言

船用電機由于工作在環(huán)境溫度高、濕度大、有油污及振動大的惡劣環(huán)境中，其整體使用性能及技術(shù)工況會逐步下降，一旦電機發(fā)生故障，就可能導(dǎo)致動力系統(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平臺開發(fā)的船用電機故障檢測系統(tǒng)，能及時、準(zhǔn)確地診斷出電機故障，具有廣闊的應(yīng)用前景。

虛擬儀器是一種以全新的理念來設(shè)計和發(fā)展的儀器，與傳統(tǒng)的儀器相比，性價比高，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)運用到對故障信號的采集分析處理中，一臺PC機，配上數(shù)據(jù)采集卡、信號調(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 故障信號的分析方法

電機出現(xiàn)故障時，往往能通過其振動信息反映出來，故障信號特征提取是檢測的第一步，也是關(guān)鍵因素。當(dāng)電機處于復(fù)雜的多噪聲系統(tǒng)中時，包括機械噪聲和電氣噪聲，傳感器往往會采集到各種系統(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，這樣可以在時間軸上定位各個噪聲的種類，濾除掉無關(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信號分析中最常用的方法，它僅適應(yīng)于分析干穩(wěn)信號，但故障信號中往往含有大量的時變、短時突發(fā)性質(zhì)的成分，人們提出了短時傅立葉變換，其雖然具有時間頻率可變性，但時間頻率的大小是固定的，與振動信號的時間頻率大小可變不相適合，因此，也不能滿足故障信號特征提取的要求。小波分析，作為一種時頻分析方法，對不同的頻率成分采用不同的時間分辨，通過伸縮和平移運算，達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，對于電機故障分析，尤其是對突變信號分析效果顯著。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計的工作原理是采用振動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)信號采集部分和數(shù)據(jù)信號處理部分組成。振動傳感器、信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡組成數(shù)據(jù)信號采集部分;裝有LabVIEW程序的PC機主要完成對數(shù)據(jù)采集卡的配置及對采集的數(shù)據(jù)進行存儲和處理。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，同時其輸出的電荷量非常小，引起需要高輸入阻抗同時高增益的放大器。因此，信號調(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，同時要求輸入的偏置電流極小，這樣才能盡量地減少測量的誤差。

2.2 信號調(diào)理電路

本電路設(shè)計的電荷放大器如圖2所示。其中第一級電荷放大器采用的必須是高輸入阻抗低偏置電流的運算放大器，一般采用FET前級。這里采用BiMOS前級的運算放大器CA3140，其輸入阻抗高達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測量結(jié)果的影響很大，必須做好屏蔽，同時運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)過信號調(diào)理電路后的模擬信號，轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字信號。對于數(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傳感器電路的輸出信號頻率來決定?？紤]前級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，一般可以達到100kHz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，采集頻率為f的信號時，所需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最低采樣率為2f，實際中為了保證信號的頻譜完整性，一般采用5f的采樣率進行采樣。

3 數(shù)據(jù)的處理分析

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

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進行處理，其程序框圖如圖4所示。實驗分別對含有白噪聲的方波和具有奇異點的正弦波信號進行濾波，并與一般的巴特沃茲濾波器對比。采用LabVIEW自帶的小波工具包實現(xiàn)小波濾波器，設(shè)置閾值為軟閾值，基礎(chǔ)小波選用bior2_2，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5中左右兩個圖最頂層皆顯示為原始夾雜白噪聲的信號，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?)對于左圖有奇異點的信號而言，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濾除了，導(dǎo)致了信號信息的丟失，而小波濾波器卻可以完好地保留奇異點信息。2)對于右圖方波信號而言，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，實驗表明系統(tǒng)設(shè)計的小波除噪程序能較好地對信號進行除噪。

3.2 小波變換

電機突發(fā)振動產(chǎn)生的信號經(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。實驗用的時域波形如圖7第一行所示。在開始電機轉(zhuǎn)速為10r/s，在0.1s的時候突然發(fā)生轉(zhuǎn)速的改變。實驗依次采用了db02、db05和db09三個不同的小波，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)果中幅值變換點處所占用的時間跨度最小，因此可以最精確的確定時間位置，檢測效果明顯。

4 結(jié)論

本文通過分析電機故障信息，采用了小波變換對采集的數(shù)據(jù)進行除噪和特征提取，本系統(tǒng)設(shè)計了主要硬件電路，然后利用LabVIEW平臺對數(shù)據(jù)采集卡的配置及對采集的數(shù)據(jù)進行存儲和處理，實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地診斷出船用電機故障及時間，具有良好的應(yīng)用前景。