动态信号数据采集系统

动态信号数据采集系统设计
岳林
（南阳理工学院机电工程系）
[摘要]：本文以LabVIEW为开发平台，配以NI公司的6009数据采集卡，构建了振动试验台动态信号数据采集系统，实现了对振动、转速、转子轴心轨迹的等多种参数的实时监测、信号分析与处理、显示和数据保存，同时该系统测试结果与实验台自带软件的测试结果保持了良好的一致性。

[关键字]：动态信号；数据采集；LabVIEW；虚拟仪器；测试技术
Design of Dynamic Signal Sampling System
YUE Lin
（The Mechanical and Electrical Engineering of Nanyang Institute of Technology）
Abstract：Based on the development platform of LabVIEW, matched with NI USB- 6009 data acquisition card, this paper constructs the vibration test experimental data acquisition system, which realizes the rotor speed, vibration, the axis path various parameters of the real-time monitoring, signal analysis and processing, and data storage,the system test results and experimental software testing results of bringing good consistency.
Key word: Dynamic signal data acquisition; LabVIEW; virtual instrument; Testing Technology
1引言
LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是美国国家仪器公司（NATIONAL INSTRUMENTS，简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。

LabVIEW具有强大的图形化编程语言（G语言），可以编写满足任何形式的测试与控制要求的可视化程序。

LabVIEW包括齐全的用于数据采集、分析、显示、存储数据、调试代码的工具。

利用LabVIEW，可以和诸如数据采集设备、图像设备、运动控制设备、等硬件进行通信，也可以和GPIB、PXI、VXI、RS-232、RS-485仪器通信。

并且，NI也提供了一款配置管理软件Measurement and Automation Explorer，方便与硬件进行交互，并且无需编程就能实现数据采集功能；还能将配置出的数据采集任务导入LabVIEW，自动生成LabVIEW代码。

2 数据采集系统构成
一个完整的信号测试系统一般由原始信号、信号调理电路、数据采集设备和计算机四个部分构成。

如图2-1所示：
图2-1 数据采集系统的基本组成
但有的时候，自然界中的原始物理信号并非直接可测的电信号，所以，传感器是信息采集的首要部件，是实现数据采集系统搭建的首要环节，对于不同的被测信号选择合适的传感器将起到事半功倍的效果。

在振动试验台动态数据采集过程中，使用了四个传感器，分别是：光电转速传感器、压电晶体位移传感器、涡流位移传感器。

振动试验台动态数据采集系统中，信号调理设备使用试验台自身的电荷电压放大模块。

NI公司USB-6009数据采集卡采用USB接口技术，支持即插即用，驱动程序为自带的DAQ8.7.1。

使用数据线即可实现数据采集卡与PC机的链接。

表1详细描述了I/O连接器的可用信号。

表1 各I/O接口可用信号
按照上述表格的的内容进行接线后的NI USB-6009采集卡可以从Measurement & Automation中找到相应的可用设备通道。

点击自检按钮，可以查看数据采集卡各通道是否正常工作。

在此次课题设计中，使用四个差分接口采集四个动态的模拟信号，对应与接口2、3，5、6,8、9,11、12四对模拟输入通道。

3振动试验台外围电路搭建
本课题以北京东方振动和噪声技术研究所开发的振动试验台为基本硬件平台，依靠传感器测量轴承座的振动、电机转速，转轴的轴心轨迹四个动态信号，如图3-1所示，其中1为压电加速度传感器，2为光电转速传感器，3、4为XY轴位移传感器。

四个传感器输出的电压信号经过电压电荷放大设备进入数据采集卡，数据采集卡将采集到的模拟信号转换为计算机可以接受的数字信号供给对应程序处理，
1：压电加速度传感器；2：光电转速传感器；3，4：涡流位移传感器；
图3-1：振动实验台
4测试程序
4.1振动测试程序
旋转机械轴承座的波形、振幅和频率是反映旋转机械的重要特征量。

通过振动的幅度可以判断设备状态；通过振动的波形可以分析设备的故障；而通过振动的频谱分析是目前最成熟的设备故障诊断技术。

拾取振动信号的常用传感器是压电晶体传感器。

振动信号经过快速傅里叶变换分解为单一的谐波分量，可以得到振动的频谱。

图3-2是系统软件的结构图，如图所示，使用DAQ 采集助手和相应的硬件设备，我们将振动信号采进计算机中，通过数字滤波滤除信号中的噪声和不需要的频率成分。

为了减少或抑制频率泄露，采用加窗处理。

此外，在程序框图中加入FFT （快速傅里叶变换）VI ，以求得信号的实时频率谱，方便对信号的分析，此VI 位于信号处理>>信号分析中，具体程序框图如图3-3所示： 2 1 3,4
图3-3：振动测试程序框图
图3-3中，使用DAQ助手采集得到压电晶体传感器输出的电压信号，经过一个由布尔控件控制的case结构流入频谱测量快速vi中，在case结构中，设置实现了对信号的滤波功能，虑除了低频干扰噪声，有利于有用信号的提取与处理。

DAQ助手的采样频率设置为1000，采样数设置为2000，4秒超时设置，最后用布尔控件控制DAQ助手的启停。

在框图中用到的快速VI有:
“F ilter VI”位于“Express>>Signal Analysis”中，具体配置如下：使用巴斯特沃三阶低通滤波器，截止频率60HZ，此外，为信号加hanning窗函数。

“Spectral measurements VI”位于“Express>>Signal Analysis”中，使用默认配置，对信号进行快速傅里叶变换，提取频率均方根幅值。

我们使用while循环和一个case循环控制程序流程，最后将采集的原始信号和频谱波形分别用一个波形显示控件和图表显示控件显示。

所得到的结果如图3-4所示：
图3-4：振动信号与其频谱
4.2转速测试
本实验台使用一个光电传感器，安放在联轴器轴向位置上，联轴器上有一块光反射片，当轴开始转动时，每转一圈，光电传感器感知一次反射信号，输出一个脉冲信号，于是我们使用LabVIEW编写程序，输出每秒钟出现脉冲的个数就可以计算出轴的具体转速，具体公式如下：
r/min;
r=60×m×S
R
式中：r-------转速（转/分）；
m-------一个采样序列中的脉冲个数；
S-------一个采样序列中的采样点数；
R-------采样点数；
具体的程序框图见图3-5下：
图3-5：转速测试程序框图
图3-5中，DAQ助手配置了数据采集卡的诸项参数，光电传感器输出电压信号经过DAQ输出，使用动态数据到双精度一维数组的转换，信号被保存为可以动态显示的一维波形。

然后经过脉冲计数快速vi，我们将记录每一个超过1v的电压脉冲尖峰，通过while 循环使计数值加1，每秒钟读取2048个数据点，其中脉冲个数是每秒钟的转速值，乘以六十后就是最终的转速。

这里要注意的是在设置采样点数时，要确保每一个脉冲都不会漏记，所以进可能的增加每秒钟采样点数，此外还要综合考虑电脑的性能问题，如果过大就会影响程序运行速度。

所以这里设置采样点数为2048。

运行此程序的结果如图3-6所示：
图3-6：转速测量前面板显示
4.3轴心轨迹
转子轴心轨迹是指转子轴心相对于轴承座在与轴线垂直的平面内的运动轨迹。

轴心
轨迹是表征旋转机械状态的重要特征量，对测得的轴心轨迹的大小、形状、稳定性和旋转等方面进行综合分析，可以判断转子的运行状态是否正常。

测量轴心轨迹通常采用两只点涡流传感器，相互垂直安装在转轴的表面附近，对转轴的X、Y两个方向的径向振动位移进行非接触测量，这样在平面坐标上把测量得到的两个位移值描绘出来就可以得到轴心轨迹。

具体的程序框图如图3-7下：
图3-7：轴心轨迹测试程序框图
DAQ Assist使用两个物理通道采集到X、Y两个信号，经过信号拆分函数，分解为两个独立的信号，每个信号减去涡流传感器中存在的间隙电压值8.7后，再乘以灵敏系数0.008m，得到相应的位移信号，最后使用一个捆绑函数，将X、Y信号组合为一个簇，输出到XY波形显示控件中显示实时的轴心轨迹波形。

如图3-8：
图3-8：轴心轨迹前面板显示
4.4数据存盘
LabVIEW附带大量的数据记录与回放功能函数，供测试系统设计使用，在本课题中，我们需要将测量得到的实时数据保存为excel文件保存在硬盘上，以方便后续的实验分析，此时就需要使用LabVIEW功能强大的数据记录与回放功能函数。

数据的存盘函数在“programming>>file I/O”中。

他们不仅可以用于数据文件的操作，还可以满足任何波形文件的操作，所以可以满足我们此次变成需要。

4.5整体程序调试
完成各个单独传感器的测量后，我们要对四个传感器进行整体的测试，将四个部分整合为一体，在一个主面板中显示。

LabVIEW支持多通道并行采集，采集卡6009总共有四个差分节点，所以可以满足我们的需求，在此，我们一次采集四个节点电压信号输出到信号调理电路经过相应的放大调理电路，流入6009数据采集卡中，最后进入pc机。

程序框图如图3-9：
图3-9：三通道同步测试
在这个程序中，我们使用一个while循环控制整个采集过程的运行，另外我们又使用四个内部while循环分别控制DAQ Assistant,振动，转速，轴向位移的运行。

在前面板中，我们使用一个tab control控件将三个子面板放入其中，只要我们点击相应的测量任务，就可以是相应的子面板前端显示。

此部分在程序框图中有三个case 结构控制，如上面的程序框图所示，在布尔控件为真时，case结构转入TRUE分支运行
相应代码。

到此为止，整个设计过程结束。

再设计中，我们可以将所得数据与试验台自带程序所得进行比较，图3-10是轴心轨迹的实验数据，转速在2000转以下测得的实时数据，图3-11是用保存的电子表格文件复现的轴心轨迹。

图3-10：实验台自带软件振动与轴心轨迹实时显示
图3-11：测试系统保存的电子表格复现的轴心轨迹
经过图3-10与图3-11的比较，可以看出使用LabVIEW构建的动态数据采集显示结果与试验台自带的软件保持了良好的一致性。

5 结论
本文利用NI公司的LabVIEW软件和USB-6009数据采集卡，构建了对北京东方振动所得振动试验台各项测试信号的实时检测、显示、分析处理以及数据存盘，实现了快速高效的动态数据采集和数据共享。

与传统的测试仪器相比，采用虚拟仪器的方法设计的信号采集系统具有效率高，开发周期短，而且功能强大，使用方便，界面友好。

参考文献
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