基于声卡和LabVIEW的电机噪声测试系统

2010,37(9)测试技术与检测设备 EMC A
基于声卡和LabVI E W 的电机噪声测试系统
*
金爱娟, 莫晓非, 李少龙
(上海理工大学光学信息与计算机学院,上海 200090)
摘 要:针对无法屏蔽外界环境噪声的大电机,设计基于声卡和L abV IE W 的噪声测试系统。

利用计算机强大的运算功能并结合声卡成熟的A /D 转换技术,通过L abV IE W 平台进行软件编程,实现对受背景噪声干扰较大的电机噪声信号的采集、存取、FFT 分析、数据运算处理和信号显示等功能。

该测试系统以滤除电机噪声中的环境噪声为出发点来实现对真实电机噪声的还原。

关键词:L abV IE W;声卡;噪声测试
中图分类号:TM 301.4+3 文献标志码:A 文章编号:1673 6540(2010)09 0029 03
A Noise M easure m ent Syste m ofM otor Based on Sound Card and Lab VIE W
JI N A i juan, MO X iao fei , LI Shao long (School of Optica l E lectrica l and Co m puter Eng i n eeri n g ,Un iversity of Shanghai for Science and Techno l o gy ,Shanghai 200090,Chi n a)
Abstract :A no ise m easure m en t syste m o f electr ica lm ach i nes based on sound card and L ab V I E W w as designed for the h i gh pow er m ach i nes w hich can not shie l ded fro m ex ternal env iron m ental no i se .Fo r the pow erful computi ng capab ilit y o fm icroprocessor and the m ature A /D conversi on techno logy o f sound card ,a soft ware w as deve l oped by u s i ng the v irtual i nstrument progra mm i ng language L abV IE W p l a tfor m,and several functions w ere realized i nclud i ng si gnal acquisiti on ,access ,FFT ana l y si s ,da ta opera ti on and si gnal display,et a.l T h i s m eas u re m ent syste m ach i eved the rea l no i se of t he e lec trica lm ach i ne by filter i ng out t he amb i ent no ise i n t he e lec trica lm ach i ne no ise .
K ey word s :LabV I EW;sound card ;no ise m eas u re m en t
*基金项目:上海市教育委员会科研创新项目(09YZ214)
0 引 言
随着工业技术的迅速发展,噪声污染的问题
也随之不断加剧。

若能对电机噪声进行准确测试,并根据噪声与振动的相关性来识别声源特性,分析出导致电机噪声的各种机器故障,即可有效地进行电机控制和故障排除。

在实际生产中,利用传统的频谱仪对大功率电机进行噪声测试和分析,难以屏蔽环境噪声所带来的随机性干扰,无法对电机的运行情况作出准确分析。

本文提出一种基于声卡的电机噪声测试系统,利用计算机强大的运算能力和LabV I E W 完善的图形化编程功能,在进行电机噪声的FFT 分析后,通过对其幅频图的运算处理,尽可能地滤除电机噪声中的环境噪声,实现对真实电机噪声的频谱分析和信号还原。

1 测试系统的硬件结构设计
测试系统的硬件部分,采用普通的PC 声卡从其Line I n 插口引入噪声信号并进行A /D 转换传入计算机。

如果传感器输出的电信号大,可以在声卡输入插孔处配置一个衰减器来确保输入到声卡的电平信号控制在允许的输入电平范围内。

测试系统的硬件组成结构用图1
来表示。

图1 硬件结构设计
本文将重点放在利用LabV I E W 编程来实现环境噪声滤除的方面,故在此对硬件设计不作过多阐述。

硬件结构的设计上,只要确保声卡能准
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确采集噪声信号即可。

2 软件的具体实现
基于LabV I E W 强大的图形化编程功能,将噪声测试系统分为噪声采集和噪声分析两个子模块。

本文在介绍各模块功能实现的同时,通过仿真试验来验证该噪声测试系统的实用性。

2.1 噪声信号的采集
噪声测试的首要工作是数据采集,LabV I E W 软件中有现成的声卡采集模块,可以结合 声音读取!v i 和w hile 循环结构等函数控件设计出基于声卡的噪声数据采集系统。

前面板如图2所示,包括4部分:(1)采样信道设置;(2)声音格式选择;(3)声波显示W ave f o r m ;(4)停止采集的控制按键。

该模块的程序如图3所示,操作面板如图2
所示。

图2 数据采集的前面板
先利用计算机内部产生的信号来进行整个测试系统的仿真。

在实际的电机噪声测试中,则通过硬件部分的声卡采集线路将外部噪声信号输入到计算机。

设置采样频率为22050H z ,应用16位采样精度,每信道采样数为10000/ch 。

为了便于频谱分析和数据运算,本文只采用单声道进行噪声测试。

由于环境噪声具有很大的随机性,设想在声音采集模块中再添加一个采样选择模块。

该功能模块旨在实现:通过在用户界面上对采样类型的选择,可以在电机运行和停止两种情况下对噪声信号分别采样;同时,能对电机停止工作时的环境
噪声进行多次采样和数据存储,尽可能得出最具普遍性的环境噪声近似信号,作为下一步过滤电
机噪声时的环境噪声参照标准。

图3 噪声采集程序
2.2 噪声信号的模拟
本文主要对经FFT 变换后的噪声幅值谱进行运算处理。

为了便于在不外接硬件电路的情况下,直接验证所设计的噪声测试系统算法的正确性,利用LabV I E W 中的信号发生器v i 设计了一个可以自定义波形的功能模块,用户只要在前面板上对相关的参数进行设置和选择,便能模拟出实际的噪声信号,从而进行电机噪声测试。

自定义噪声模块的实现程序如图4
所示。

图4 自定义噪声模块程序
2.3 噪声信号的处理
在仿真试验中,利用文中提到的自定义波形模块,设置一个正弦波来作为电机运行时的真实
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噪声信号,并定义一个随机的白噪声来模拟环境噪声。

在对噪声信号进行FFT 分析前,先利用
LabV I E W 控制选板!中相应的数学控件,对正弦波和白噪声进行简单的波形叠加,用该合成信号模拟实际中掺杂了环境噪声的电机噪声信号。

图5显示了仿真测试中声音信号的相关参数设
置。

图5 噪声信号参数设置
对白噪声信号及合成信号分别进行频谱分析,利用LabV I E W 应用函数!选板上的FFT Fpectru m (M ag Phase).v i 可直接得到幅值谱和相位谱。

接着,再利用 应用函数!选板上的 解捆绑!v i 对FFT 分析出来的幅频信号进行数据分离,分离出其幅值数组。

应用Express 数值板块中的相关算术控件,实现对同一频率下的合成信号幅值与白噪声幅值的平方差运算。

将运算所得的一组数据开二次根号后,结合for 循环、数组比较函数等,求出过滤后的噪声波形的有效值和最大值。

将运算求得的最大值重新引入正弦波发生器v i 的幅值输入端(正弦波发生器所需频率和相位值可以从原始的正弦波中直接测得),可重新获得初始的正弦波信号,完成对真实噪声信号的还原。

整个噪声信号处理过程的实现如图6所示。

图7将初始正弦信号和经运算处理后输出的还原信号进行了波形对比,图8为上述两信号的FFT 幅频图。

仿真试验结果表明,还原信号的波形图和幅频图分别与初始正弦波的波形图及幅频图吻合,即达到了滤除白噪声的目的。

本文设计的噪声测试系统,其优点在于很好地利用了计算机强大的运算能力,不但能对噪声信号进行多次采样和存储,还能将FFT
变换后的
图6
噪声信号处理的程序实现
图7 测试前后波形图对比
大量幅频数据进行快速的运算处理,从而更真实地还原了电机噪声信号。

值得注意的是,由声卡采集到的噪声信号传入该系统的软件模块时,有可能出现数据类型不匹配的现象,根据实际情况在LabV I E W 中编写一个数据转换模块即可解决该问题。

3 结 语
工业生产中所用到的大中型电机,若在其运行过程中发生故障,会影响到整条生产线的运作,
(下转第67页)
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和推广价值。

图7 转子故障智能诊断流程图
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收稿日期:2010-04-20
(上接第31页
)图8 测试前后FFT 幅频图对比
因此提高电机故障诊断的准确率并及时采取有针对性的调制,将给工业企业带来更好的经济效益。

目前工业上采用较多的故障检测方法是振动诊断技术和声频诊断技术,其主要以电机振动频率为出发点,从掺杂了大量环境噪声的电机噪声中提取真实的电机噪声。

该方法的缺陷在于,环境噪声的随机性和多样性使得在电机振动频谱与电机噪声频谱之间寻求一个完全独立于环境噪声的明
确对应关系绝非易事。

本文还原电机噪声的真实信号则是从另一个角度出发,以滤除环境噪声为测试系统的功能目
标,简化了软件编程和运算量的同时,提高了噪声测试系统的实用性。

此外,用声卡作为数据采集卡,计算机无需添加额外配件便能完成采集功能。

由此可见,本文设计的基于声卡和LabV I E W 的电机噪声测试系统,具有价格低廉、采样精度高、测试准确和易于实现等优点。

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收稿日期:2010-05-21
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