專利名稱：基于虛擬儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量分析儀，特別是可用于對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的噪聲和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)的一種基于虛擬儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀。
在機(jī)電行業(yè)中，為了改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、查找系統(tǒng)故障或?qū)Ξa(chǎn)品的整體性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)等等，都需要測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)或零部件的噪聲和振動(dòng)。噪聲和振動(dòng)測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，是由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、頻譜分析軟件和顯示器幾部分組成。
目前國內(nèi)的噪聲和振動(dòng)測(cè)量?jī)x器存在如下幾個(gè)問題1.噪聲測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量分離 一臺(tái)儀器不能同時(shí)測(cè)量噪聲和振動(dòng)兩種信號(hào)，在一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中，噪聲和振動(dòng)往往是同時(shí)存在的，雖然兩者之間具有一定的關(guān)系，但僅通過測(cè)量振動(dòng)信號(hào)間接獲得的噪聲信號(hào)是不準(zhǔn)確也不詳細(xì)的，會(huì)影響對(duì)系統(tǒng)分析的可靠性。
2.測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)形式 儀器由電路板、機(jī)箱和操作面板組成，由于硬件和軟件資源有限且硬件制作成本高，導(dǎo)致儀器的性能和功能受到很大限制，舉個(gè)例子，為了提高噪聲頻譜的分辨率，采用分段濾波的方法，濾波器帶寬取1/3倍頻，如果采用硬件濾波器，受硬件體積和成本的影響，濾波器的個(gè)數(shù)是有限的，如果采用軟件濾波器，也同樣受到硬件和軟件資源的限制，所以，傳統(tǒng)儀器的測(cè)量精度和分辨率難以提高。
3.測(cè)量?jī)x采用單傳感器 較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，各機(jī)械部件連接在一起，運(yùn)動(dòng)的部件有多個(gè)，它們所產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)信息相互疊加或混疊在一起，采用單傳感器測(cè)量?jī)x無法準(zhǔn)確識(shí)別和區(qū)分噪聲及振動(dòng)信號(hào)的具體特征，從而難以對(duì)系統(tǒng)和機(jī)械零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和評(píng)價(jià)。
虛擬儀器是繼數(shù)字化儀器和智能儀器之后的新一代儀器，它以計(jì)算機(jī)作為儀器的軟硬件平臺(tái)，傳感器與計(jì)算機(jī)之間通過接口卡進(jìn)行聯(lián)接。其最大特點(diǎn)是充分利用計(jì)算機(jī)資源，突破傳統(tǒng)儀器的概念，省去了儀器的面板、機(jī)箱和大量的硬件，利用軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上構(gòu)造軟操作面板，并替代硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和診斷，它的計(jì)算功能和數(shù)據(jù)處理功能是傳統(tǒng)儀器無法比擬的。
國家科技部在《2003年度科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金若干重點(diǎn)項(xiàng)目指南》中已明確表示重點(diǎn)資助這類測(cè)量?jī)x器的研制和產(chǎn)業(yè)化(參閱項(xiàng)目指南四、光機(jī)電一體化(二)高性能、智能化儀器儀表5.虛擬儀器和通用測(cè)試平臺(tái)(1)聲、振分析虛擬儀器)。
多傳感器信息融合是一門新興學(xué)科，許多國家(包括中國在內(nèi))都把它列為下一階段重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。多傳感器信息融合實(shí)際上是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬人腦綜合處理復(fù)雜問題的能力。在多傳感器系統(tǒng)中，將多個(gè)傳感器安裝在被測(cè)系統(tǒng)的不同部位，各傳感器獲得的信息具有不同的特征，這些信息可能是相互支持或互補(bǔ)的，也可能是相互矛盾或沖突的，通過多傳感器信息融合技術(shù)對(duì)各傳感器獲得的信息進(jìn)行優(yōu)化組合從而獲得真實(shí)有效和可靠的信息。
從專利數(shù)據(jù)庫中查到如下專利《電機(jī)振動(dòng)噪聲檢測(cè)儀》(00216296.2)和《數(shù)字式振動(dòng)噪聲檢測(cè)儀》(01238477.1)，是用加速度振動(dòng)傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的加速度，經(jīng)過一次積分得到速度信號(hào)，經(jīng)過二次積分得到位置信號(hào)，位置信號(hào)經(jīng)過A計(jì)權(quán)器得到振動(dòng)信號(hào)的等效值，因?yàn)檎駝?dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)之間有一定的關(guān)系，所以用這種方法可以間接得到噪聲信號(hào)的大小，該法稱為噪聲的振動(dòng)測(cè)量法，它不可能獲得詳細(xì)和準(zhǔn)確的噪聲信息。這兩項(xiàng)專利實(shí)質(zhì)上是振動(dòng)測(cè)量?jī)x?！杜_(tái)架用振動(dòng)噪聲測(cè)試裝置》(01205906.4)主要是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的測(cè)試裝置，它是將一臺(tái)獨(dú)立的聲級(jí)計(jì)的輸出信號(hào)(是一個(gè)直流電平，它的大小反映了噪聲的大小)和加速度傳感器的輸出信號(hào)同時(shí)送到濾波器，濾波器的輸出信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。這項(xiàng)專利實(shí)質(zhì)上是將聲級(jí)計(jì)和加速度測(cè)量系統(tǒng)兩套獨(dú)立的裝置同時(shí)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試臺(tái)上，而且從專利說明書和附圖
中沒有體現(xiàn)出該測(cè)量裝置能同時(shí)測(cè)量記錄噪聲和振動(dòng)，因此，這項(xiàng)專利并不是具有能同時(shí)測(cè)量噪聲和振動(dòng)的獨(dú)立測(cè)量?jī)x器，而且聲級(jí)計(jì)的輸出是聲壓級(jí)，它是噪聲的所有頻率成分的綜合反映，不能用來分析聲壓和頻率之間的關(guān)系。
要從根本上解決噪聲和振動(dòng)測(cè)量?jī)x器存在的問題，必須從儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上著手，虛擬儀器技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)為解決上述問題提供了依據(jù)。采用虛擬儀器技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)的噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀，國內(nèi)未見相同報(bào)道。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是基于虛擬儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀，主要由傳感器、模擬輸入前端處理器、PC機(jī)組成，其特征是傳感器的輸出端與模擬輸入前端處理器的輸入端相連接，模擬輸入前端處理器的串行I/O口與PC機(jī)串行口相連接，傳感器將測(cè)量的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送入模擬輸入前端處理器，模擬輸入前端處理器將信號(hào)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)通過串行口輸入PC機(jī)，模擬輸入前端處理器的工作狀態(tài)受PC機(jī)控制，PC機(jī)通過測(cè)量軟件模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理；所述的傳感器包括噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器分別至少1個(gè)，模擬輸入前端處理器的個(gè)數(shù)根據(jù)傳感器的個(gè)數(shù)確定。其中噪聲傳感器和振動(dòng)傳感器可由用戶根據(jù)需要選擇若干個(gè)，轉(zhuǎn)速傳感器用于配合旋轉(zhuǎn)工件在不同轉(zhuǎn)速條件下的噪聲和振動(dòng)測(cè)量。
所述的模擬輸入前端處理器為美國AD公司的AD73360芯片，該芯片有6個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器通道(6個(gè)通道可以同時(shí)采樣)，每個(gè)通道由信號(hào)調(diào)理器、可編程增益放大器、模擬∑-Δ調(diào)制器、抽樣器及串行I/O口等幾部分組成，也可采用其它型號(hào)的模擬輸入前端處理器或采用分離的芯片組成模擬輸入前端處理器。
所述的PC機(jī)裝有測(cè)量軟件模塊，采用美國NI公司的產(chǎn)品LabVIEW虛擬儀器軟件構(gòu)造虛擬儀器軟件平臺(tái)，測(cè)量軟件模塊包括軟件操作界面、測(cè)量控制軟件模塊、多傳感器信息融合軟件模塊和頻譜分析軟件模塊四部分，用戶通過軟件操作界面選擇噪聲傳感器和振動(dòng)傳感器的個(gè)數(shù)，并確定是否啟用轉(zhuǎn)速測(cè)量，然后啟動(dòng)測(cè)量控制軟件模塊；測(cè)量控制軟件以巡回檢測(cè)方式控制AD73360采集各傳感器的信號(hào)，并將信號(hào)存入內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中；多傳感器信息融合軟件模塊將各傳感器的信號(hào)進(jìn)行融合，并將融合后的信號(hào)也存入內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中；頻譜分析軟件模塊將融合前后的噪聲和振動(dòng)信號(hào)都進(jìn)行頻譜分析，并將頻譜圖顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。
多傳感器信息融合是對(duì)噪聲傳感器和振動(dòng)傳感器的信息進(jìn)行加權(quán)處理的過程，設(shè)X1(ω)、X2(ω)、…、Xn(ω)分別表示n個(gè)傳感器所測(cè)量信號(hào)的頻譜表達(dá)式，則n個(gè)信號(hào)的合成表達(dá)式為X(ω)=Σi=1mAliXl(ω)+Σi=1mA2iX2(ω)+···+Σi=1mAniXn(ω)]]>式中A1i、A2i、…、Ani分別表示X1(ω)、X2(ω)、…、Xn(ω)不同頻率分量的加權(quán)系數(shù)，其取值范圍為
，加權(quán)系數(shù)的計(jì)算可采用算術(shù)加權(quán)、統(tǒng)計(jì)加權(quán)或其它加權(quán)算法，如模糊算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。
本發(fā)明由于采用了多個(gè)傳感器(噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器，其中噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器分別至少1個(gè))，并且由模擬輸入前端處理器與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量噪聲和振動(dòng)兩種信號(hào)、測(cè)量精度和分辨率高、能對(duì)系統(tǒng)和機(jī)械零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和評(píng)價(jià)的目的。有益效果是1.由于計(jì)算機(jī)的軟硬件資源非常強(qiáng)大，所以在頻譜分析軟件模塊中，濾波器的頻帶可以做得非常窄，大大提高了測(cè)量的分辨率和準(zhǔn)確性；2.不僅可以對(duì)確定性的噪聲和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行各種頻譜分析，而且可以對(duì)隨機(jī)的噪聲和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)分析；3.由于采用了多傳感器信息融合技術(shù)，使得對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量分析、故障診斷和性能評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確和可靠。
圖3是對(duì)大型電機(jī)的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行測(cè)量分析的應(yīng)用實(shí)例，目的是分析電機(jī)轉(zhuǎn)軸是否存在因力不平衡或力偶不平衡或其它原因而產(chǎn)生的搖擺振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)，同時(shí)還分析在不同轉(zhuǎn)速下軸承的噪聲和振動(dòng)之間的關(guān)系以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速與整體噪聲之間的關(guān)系。圖中振動(dòng)傳感器1-1、1-2、1-3和1-4通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸5的軸承座6-1和6-2測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)軸5的徑向和軸向振動(dòng)，噪聲傳感器1-5和1-6測(cè)量軸承的噪聲，噪聲傳感器1-7測(cè)量電機(jī)外殼7輻射的噪聲，轉(zhuǎn)速傳感器2測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)軸5的轉(zhuǎn)速。傳感器1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7和2接模擬輸入前端處理器3，模擬輸入前端處理器3接計(jì)算機(jī)4。在本例的實(shí)施方式中，振動(dòng)傳感器1-1、1-2、1-3和1-4的相位關(guān)系對(duì)分析軸的振動(dòng)模態(tài)非常重要，如果采用單傳感器測(cè)量?jī)x是無法實(shí)現(xiàn)這一功能的，既使采用多臺(tái)振動(dòng)測(cè)量?jī)x，也無法測(cè)量4個(gè)振動(dòng)傳感器之間的相位關(guān)系。本發(fā)明可同時(shí)給出單個(gè)噪聲傳感器和振動(dòng)傳感器測(cè)量信號(hào)的頻譜圖、融合后的噪聲信號(hào)頻譜圖和振動(dòng)信號(hào)頻譜圖以及融合后的噪聲和振動(dòng)信號(hào)頻譜圖，據(jù)此可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的噪聲和振動(dòng)進(jìn)行分析和綜合評(píng)價(jià)。本發(fā)明的實(shí)施方案無論在分辨率、精確度、可靠性和詳細(xì)性方面都是傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方案無法比擬的。
權(quán)利要求
1.基于虛擬儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀，主要由傳感器、模擬輸入前端處理器、PC機(jī)組成，其特征是傳感器的輸出端與模擬輸入前端處理器的輸入端相連接，模擬輸入前端處理器的串行I/O口與PC機(jī)串行口相連接，傳感器將測(cè)量的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送入模擬輸入前端處理器，模擬輸入前端處理器將信號(hào)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)通過串行口輸入PC機(jī)，模擬輸入前端處理器的工作狀態(tài)受PC機(jī)控制，PC機(jī)通過測(cè)量軟件模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理；所述的傳感器包括噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器分別至少1個(gè)，模擬輸入前端處理器的個(gè)數(shù)根據(jù)傳感器的個(gè)數(shù)確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀，其特征是所述的模擬輸入前端處理器為美國AD公司的AD73360芯片，AD73360芯片有6個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器通道，每個(gè)通道由信號(hào)調(diào)理器、可編程增益放大器、模擬∑-Δ調(diào)制器、抽樣器及串行I/O口組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀，其特征是所述的PC機(jī)裝有測(cè)量軟件模塊，測(cè)量軟件模塊包括軟件操作界面、測(cè)量控制軟件模塊、多傳感器信息融合軟件模塊和頻譜分析軟件模塊四部分，用戶通過軟件操作界面選擇噪聲傳感器和振動(dòng)傳感器的個(gè)數(shù)，并確定是否啟用轉(zhuǎn)速測(cè)量，然后啟動(dòng)測(cè)量控制軟件模塊；測(cè)量控制軟件以巡回檢測(cè)方式控制AD73360采集各傳感器的信號(hào)，并將信號(hào)存入內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中；多傳感器信息融合軟件模塊將各傳感器的信號(hào)進(jìn)行融合，并將融合后的信號(hào)也存入內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中；頻譜分析軟件模塊將融合前后的噪聲和振動(dòng)信號(hào)都進(jìn)行頻譜分析，并將頻譜圖顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀，其特征是PC機(jī)通過測(cè)量軟件模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，包括多傳感器信息融合，多傳感器信息融合是對(duì)噪聲傳感器和振動(dòng)傳感器的信息進(jìn)行加權(quán)處理的過程，設(shè)X1(ω)、X2(ω)、…、Xn(ω)分別表示n個(gè)傳感器所測(cè)量信號(hào)的頻譜表達(dá)式，則n個(gè)信號(hào)的合成表達(dá)式為X(ω)=Σi=1mAliXl(ω)+Σi=1mA2iX2(ω)+···+Σi=1mAniXn(ω)]]>式中A1i、A2i、…、Ani分別表示X1(ω)、X2(ω)、…、Xn(ω)不同頻率分量的加權(quán)系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及可用于對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的噪聲和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)的一種基于虛擬儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀?；谔摂M儀器技術(shù)的多傳感器噪聲和振動(dòng)測(cè)量分析儀，主要由傳感器、模擬輸入前端處理器、PC機(jī)組成，其特征是傳感器的輸出端與模擬輸入前端處理器的輸入端相連接，模擬輸入前端處理器的串行I/O口與PC機(jī)串行口相連接，PC機(jī)通過測(cè)量軟件模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理；所述的傳感器包括噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器分別至少1個(gè)，模擬輸入前端處理器的個(gè)數(shù)根據(jù)傳感器的個(gè)數(shù)確定。本發(fā)明能同時(shí)測(cè)量噪聲和振動(dòng)兩種信號(hào)、測(cè)量精度和分辨率高、能對(duì)系統(tǒng)和機(jī)械零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和評(píng)價(jià)。
文檔編號(hào)G01H17/00GK1475779SQ03128320
公開日2004年2月18日 申請(qǐng)日期2003年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者王春麟, 江征風(fēng), 胡業(yè)發(fā), 周祖德, 吳禹東, 鄭永健, 吳琳方 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)