运用小波分析的振动信号采集系统

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｍｅａｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｄａｔａ ａｎａｌｙｚｉｎｇ．Ｄｕｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｓｉ则ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｏｎ－ｆｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｏｎ ｓｐｒａｙ ｄｒｉｅｒ’Ｓ ｓｐｒａｙ ｔｕｂｅ ｆａｕｌｔ，ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
大部分振动信号是非平稳信号，单纯在时域或 频域里描述信号时存在时域和频域的局部化矛盾， 简单的傅立叶变换是不使用的。为解决这个问题， 人们提出了时频分析法。短时傅立叶分析即保持了 傅立叶分析的优点，又在一定程度上弥补了傅立叶 变换的不足，但是短时傅立叶变换确定的时频窗口 的形状和大小是固定不变的，不能敏感地反映信号
事实证明，小波分析能够很好的保留原信号的 有用成分，有效地滤除信号中掺杂的噪声信号，小波 分析在振动非平稳信号的处理中有着良好的优越 性。 ５结束语
本文介绍了喷雾干燥塔喷灌故障在线检测数据 采集系统的设计，并对采集的振动信号进行了小波 去噪处理，较好地恢复了真实信号。
参考文献 ［１］石博强，申焱华．机械故障诊断的分形方法［Ｍ］．北
摘要：介绍了一种振动测试系统设计与数据分析相结合的方法，设计喷雾干燥塔喷管故障在线检测系统时，在主
控计算机的控制下，通过传感器、Ｓ７—２００和计算机等实现了喷管振动信号的采集，并利用小波分析对采集的信号
进行预处理。事实证明，该系统可以完成振动信号的采集，并可以分析强噪声背景下的信号。
关键词：振动；信号采集；小波分析；噪声
参考文献 ［１］Ｒｏｂｅｒｔ Ｈ．Ｂｉｓｈｏｐ．Ｌａｂｖｉｅｗ ６ｉ实用教程［Ｍ］．北京：电子工
、ｌｋ出版社，２００３．
［２］李铁，等．基于Ｌａｂｖｉｅｗ的虚拟技术在无损检测中的应 用［Ｊ］．无损检测，２００１，６：２３—６．
［３］ 欧阳黎，等．虚拟仪器实现光谱测试的数据采集和处 理［Ｊ］．北京：光学技术，１９９９，７：４．
中图分类号：ＴＰ２７４＋．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２．４９８４１２００５｝０１—００４９—０３
Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗａｖｅｌｅｔ ａｎａｌｙｚｉｎｇ
ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ—ｈｎｌ，ＳＵＮ Ｊｉａｎ－ｇｏｎ９２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅ１１９ｉｎｅｅｆｉｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０８１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｌｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０８１，Ｃｈｉｎａ）
较高的频率分辨率，从而弥补了傅里叶变换和短时 傅里叶变换的不足。
实际上在对信号进行处理时，需要将连续小波
及变换离散化，以便计算机分解计算。小波函数的
离散形式如下：
％，。（ｔ）＝口ｏ“２缈（口孑ｔ—ｎｂｏ）
上式中，ａｏ＞１，ｂｏ＞０，ｉｎ，ｎＥ Ｚ。常取ａｏ＝２，ｂｏ＝１，称 为二进制小波函数。离散小波变换公式是：
ｃｊ＋１＝ｔ／ｃｊ，Ｄｉ＋ｌ＝ｃｃｊ
小波重构Ｍａｌｌａｔ算法可以表示为：
Ｇ＝Ｈ＋ｃｉ＋。＋Ｇ＋ｑ＋ｌ ３．３小波去噪原理
为了从含噪信号中还原出真实信号，可以利用 信号和噪声在小波变换下的不同的特性，通过对小
波分解系数进行处理来达到信号和噪声分离的目 的。在实际工程应用中，有用信号通常表现为低频 信号或是一些比较平稳的信号，而噪声信号则通常 表现为高频信号，所以我们可以先对含噪信号进行 小波分解，用门限阈值对小波系数进行处理，重构信 号即可达到去噪的目的。
ｏｆ
ｓｐｒａｙ ｔｕｂｅ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ＳｅＩＩＳＯＩＳ，ＰＬＣ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｅｔｅ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｗａｖｅｌｅｔ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅ ａｔ ｔｈｅ ｓａＩｎｅ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｆａｃｔ
ｔｅｓｔｉｆｉｅｓ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｕｎｄｅｒ ｓｔｒｏｎｇ ｙａｗｐ．
／（￡）＝去ｊｊ孵（。，６）峨“ｆ）等
式中，Ｃｑ，－：ｆ。拦业毕ｄｗ＜。。
Ｊ一∞
ＪＷ
上式中，ｂ为平移因子，决定了小波变换的时空域信
息。ａ为尺度因子，ａ增大时，表示以伸展了霉（ｔ）的
波形去观察整个“ｔ）；当ａ减小时，表示以压缩的皿
（ｔ）波形去衡量局部ｆ（ｔ）。
皿（ｔ）为基本小波。作为基本小波，皿（ｔ）必须是
择合理的模拟量输人模块，可以获得高的转换分辨 率和转换速率。此外，它的通讯模块可以便捷地实 现与上位计算机的数据通讯。
（３）微机有着很强的数据输入和输出功能和数 据处理能力及数据存储功能。上位计算机通过 ＲＳ２３２Ｃ总线连接ＰＬＣ的通讯模块读取数据，通过编 写的信号进行分析处理，用微机来实现实验信号的 采集、显示和分析。
切
换
传感器｝＝ 调理 器
Ｉ＼
电路
图１系统硬件结构图
（１）硬件系统设计中，充分考虑到喷雾干燥塔高 温、多尘、噪声大的工作环境。选择ＬＣ０１系列内置 ＩＣ式压电加速度传感器来拾取管子的振动信号。 选择与其配套的ＬＣ０２系列信号调理器为传感器提 供恒流源驱动，并完成信号的放大、高低通滤波等调 理功能，前后面板配有标准的ＢＮＣ插座，方便传感 器电缆的接入以及与后续ＰＬＣ的连接。
的突变。小波分析具有良好的时频局部化特性，继 承和发展了短时傅立叶变换的思想，具有敏感的“变 焦”特性，被誉为“数学显微镜”，为非平稳信号分析、
弱信号提取和信号滤波等提供了一条有效途径。在 振动信号采集系统中，选择合适的小波函数，建立小 波去噪模型，提取隐含在大量杂乱信息中的喷管振 动信号，进而准确地判断喷管的工作状态。 ３．１信号的小波变换
京：冶金工业出版社，２００１． ［２］李爱萍，段利国．小波分析在信号降噪处理中的应用
［Ｊ］．太原理工大学学报，２００１，３２（１）：６９—７１． ［３］郭宗仁，吴亦峰，郭永．可编程序控制器应用系统设
计及通信网络技术［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００２． ［４］高光天，等．传感器与信号调理器件应用技术［Ｍ］．北
中国测试技术 CHINA MEASURKEMENT TECHNOLOGY 2005，31(1) 1次
（２）ｓ７—２００型号的ＰＬＣ高可靠性和较强的适 应恶劣工作环境的能力适合在喷雾干燥塔喷管故障
万方数据
５０
中国测wk.baidu.com技术
２００５年１月
在线检测系统中使用。它拥有各种专用的模拟量输 入模块，每路信号都要经过前置放大、抗混滤波、多 路选择开关、采样保持、模数转换和光电隔离等环节 最终送入锁存缓冲器，具有良好的抗干扰能力。选
（２）默认阈值降噪处理。
（３）给定软（或硬）阈值降噪处理。该方法利用 实际降噪处理过程中的经验公式给出阈值，往往比 默认阈值更具有可信度。 ４振动信号的分析
分析中采用软阈值中的启发式阈值，小波分解 层次选择５层，去噪彻底，能够取得更为平滑和理想 的去噪效果。
原始信号和经过小波去噪后的振动信号如图２ 所示。
在这三个步骤中，最关键的就是如何选取阈值
万方数据
第３１卷第１期
张文林等：运用小波分析的振动信号采集系统
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图２
和如何进行阈值的量化处理。从某种程度上说，它 直接关系到信号的质量。从小波降噪处理的方法上 说，一般有以下三种处理方法：
（１）强制降噪处理。该方法把小波分解结构中 的高频系数全部变为０，然后再对信号进行重构处 理，该方法比较简单，且重构后的信号也比较平滑， 但容易丢失信号的有用成分。
在时域上以ｔ＝０为中心，随时间振荡的一段小波，
小波名称也由此而来。
皿（ｔ）可以被看作是品质因子Ｑ恒定的带通滤 波器，根据小波变换的性质可得，带通滤波器的带宽
ｗ正比于中心频率ｆ，即：ｖｆ／ｆ＝Ｑ。因此，通过小波 变换，我们就可以在分析信号的低频成分时，使用较
低的频率分辨率；而在分析信号的高频成分时，使用
小波变换的基本思想与傅立叶变换是一致的，
它也是用一族函数来表示信号，这一族函数称之为
小波函数系。它是由一个基本小波函数平移和伸缩 构成的。
函数的连续小波变换是函数在小波函数簇上 ｛叱．。｝的投影，对于ｆＥ Ｌ２的信号，其连续小波变换
和逆变换公式如下：
野（口，ｂ）＝＜ｆ，蛾，６＞＝
１ｒ
Ｉ口Ｉ壹Ｉ
ｆ（ｔ），（三‘ 』型Ｌ ）出
京：科学出版社。２００２．
（上接第３８页）
卡进行Ａ／Ｄ转换，然后供计算机处理。通过输入各
向报警阈值实现在线监控，并且动态检测数据通过 前面板实时显示和处理。
图２切削力检测总体系统框图
由于虚拟仪器的接口具有通用性、开放性，又很 容易将现有设备仪器联网，实现远程测控，实现大规 模自动化，在将来的发展中定会在全球优胜劣汰中 脱颖而出。专家分析预测在中国市场将有５０％的 仪器为虚拟仪器。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；Ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；Ｗａｖｅｌｅｔ－ａｎａｌｙｚｉｎｇ；Ｙａｗｐ
１ 引言 喷雾干燥塔在陶瓷、食品和化工等行业应用十
分广泛，通过它将浆料雾化干燥成粉粒材料或产品。 由于塔内热风烘烤和浆料浓度变化的累积效应，喷 嘴堵塞等故障成为企业头痛的现象，降低了喷雾干 燥塔的生产效率和粉粒质量。为了保证喷管始终处 于良好的工作状态，需要对多路喷管进行长期在线 检测。因为喷头在塔内不能直接观察到，只能靠工 人在塔外触摸连接喷枪的软管来检查。为了提高喷 雾干燥塔的生产效率和粉粒质量，降低工人们的劳 动强度，减少对工人技术水平的依赖，提高喷雾干燥 塔的自动化水平，选择软管的振动信号为检测对象， 设计了基于计算机的振动测试系统，其核心是基于 ｓ７—２００的信号采集系统，通过ｓ７—２００的模拟量输 入模块，进行测试信号的转换，通过Ｓ７—２００的通讯 模块，将转换后的信号送入上位计算机，利用计算机 强大的计算功能完成振动信号的分析处理。
［４］李刚，林凌．Ｌａｂｖｉｅｗ－易学易用的计算机图形化编 程语言［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００１．
万方数据
运用小波分析的振动信号采集系统
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
张文林， 孙建功 张文林(陕西科技大学计算机与信息工程学院,陕西,咸阳,712081)， 孙建功(陕西科技大学 机电工程学院,陕西,咸阳,712081)
２．２系统软件设计
系统软件需要完成振动信号的采集、波形显示、 采集流程控制、采集数据分析、测试结果的判断等功 能。为了提高信号采集的准确性、可靠性和实时眭，
对Ｓ７—２００编程完成ＡＩＤ转换，采集信号分析则用 ＤＥＰＨＩ语言来完成。上位计算机通过串行总线与 ＰＬＣ通讯实现采集过程的控制。
３振动信号采集系统的小波分析
孵（ｍ，ｎ）＝ｏｏ一佗Ｉ厶，。（ｔ）尘（ａＯ－ｍｆ—ｎｂｏ）
３．２小波变换的分解与重构算法 玛拉特于１９８９年提出了多尺度分析和多分辨
率逼近的概念，将正交小波基的构造纳入统一的框 架之中，同时给出了小波分解与重构的Ｍａｌｌａｔ塔形 算法。对初始序列ｃｏ＝（ｑ）。∈：∈Ｌ２（ｚ），小波分解 Ｍａｌｌａｔ算法可以表示为：
第３１卷第１期 ２００５年１月
中国测试技术
ＣＨＩＮＡ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮｒｒ‘ＩＥＣＨＮＯＩ＿０ＧＹ
Ｖ０１．３１ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０Ｑ５
运用小波分析的振动信号采集系统
张文林１，孙建功２
（１．陕西科技大学计算机与信息工程学院，陕西咸阳７１２０８１；２．陕西科技大学机电工程学院，陕西咸阳７１２０８１）
收稿日期：２００４—０４．０６；收到修改稿日期：２００４—０６—１７ 作者简介：张文林（１９４０一），男，陕西清涧人，讲师，主要研 究方向：信号处理、数据库。
２振动信号采集系统设计
２．１硬件系统设计 系统的硬件结构如图１所示。
一．謦／ｌ ｌ传感器ｂ＝
１调理Ｊ
＝１电路产
模
拟
传感器｝＝
ｌ调理ｌ
爿电路Ｆ
多 路