韓杰 張志強 陳品

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥，230009）

0 引言

現(xiàn)如今，電機控制的機電產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國民生活、生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。為控制產(chǎn)品質(zhì)量，除了功能和電氣性能檢測之外，通常會在生產(chǎn)線的末端對此類旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)的機電產(chǎn)品進(jìn)行故障檢測，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品早期可能存在的故障。傳統(tǒng)檢測方法大多使用人工利用探針聽診器的方式，效率較低。近十年隨著故障監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始研究具有自動故障診斷功能的監(jiān)測方法和測試設(shè)備。

從基于聲強法的故障診斷技術(shù)上，國內(nèi)外都做了較多的研究。國外的的R.P.Kending等人[1]曾提出“聲強測量法”的噪聲測量技術(shù)，可以實現(xiàn)測量環(huán)境情況較差的車間內(nèi)進(jìn)行聲功率測量。國內(nèi)的甘長勝等人關(guān)于聲強在一些常用機械結(jié)構(gòu)的噪聲檢測發(fā)面做了大量的實驗和研究[2-4]，為聲強測量和故障檢測技術(shù)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。但是針對聲強法的這些研究都是對穩(wěn)態(tài)下的測試對象做等時基測試而展開的，而旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)的機電產(chǎn)品故障往往是在升速或降速過程中顯現(xiàn)較為明顯，使用傳統(tǒng)的聲強測試分析方法并不適用。

本文提出了一種基于角域聲強法的故障監(jiān)測方法，與傳統(tǒng)故障診斷方法相比較，具有測試效率高、指向性強、診斷效率高的優(yōu)點，具有更多的優(yōu)勢和發(fā)展空間，且有著較好的實用前景和巨大經(jīng)濟價值。

1 聲強測量理論基礎(chǔ)

1.1 近場聲強測量方法

根據(jù)聲學(xué)理論，當(dāng)介質(zhì)中無均流時，在穩(wěn)態(tài)條件下的隨機過程，某點聲強等于該點上質(zhì)點瞬時速度和瞬時聲壓的乘積

圖1 p-p測量法聲強探頭

在使用如圖1.1所示的聲強探頭測量時，左右兩個傳聲器分別測得聲壓數(shù)據(jù)設(shè)為以及，傳聲器A以及傳聲器之間的距離設(shè)為 。

于是，式（2）可改寫為

被測點的聲壓用算術(shù)平均聲壓代替

則在兩傳感器中心線連線方向上的瞬時聲強為

1.2 角域采樣法

在機電產(chǎn)品運行過程中，電機在變速階段其轉(zhuǎn)速是變化的 ，對其轉(zhuǎn)速實現(xiàn)跟蹤測量并進(jìn)行等角度增量采樣的過程稱為階次跟蹤采樣。階次跟蹤技術(shù)能夠測量并獲得旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)速相關(guān)數(shù)據(jù) ，且對和轉(zhuǎn)速無關(guān)的信號進(jìn)行過濾 ，達(dá)到二次濾波的效果。

角域采樣法是對時域信號進(jìn)行角域重采樣，階次跟蹤分析法的一種運用。階次跟蹤分析采用的方法是等角度信號采樣，在信號的每個周期內(nèi)采樣點數(shù)相同，即同步采樣。非穩(wěn)態(tài)信號在等角度采樣后會變?yōu)榉€(wěn)態(tài)信號，再將采樣后的信號進(jìn)行FFT變換即可得到階次譜。

實現(xiàn)等角度采樣的方法有下面兩種

轉(zhuǎn)速脈沖觸發(fā)采樣是通過分析旋轉(zhuǎn)電機上的固定轉(zhuǎn)速盤，在發(fā)動機每旋轉(zhuǎn)一定角度時，轉(zhuǎn)速盤發(fā)出脈沖信號，同時進(jìn)行采樣。這種方法能夠嚴(yán)格控制采樣的同步，但實際操作難度大，不具有普適性。

等時重采樣具體分為等時間間隔采樣和插值重采樣兩個過程。首先是在相同時間間隔的條件下對旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的振動信號和轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行采樣，并且要保證采樣的頻率不會改變，以得到同步采樣信號。然后，根據(jù)測得的轉(zhuǎn)速數(shù)組，計算出一組的時間點，這組時間點就是等角度采樣的時刻，在這些時刻的鄰域內(nèi)對同步信號進(jìn)行插值算法處理，并進(jìn)行再次采樣，最后得到所需的角域重采樣信號。

角域重采樣需要求出在時域條件下，重采樣的時刻，要先設(shè)定被測機構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸的角加速度，一般取很短的時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸作勻角加速度運動，此假設(shè)在文獻(xiàn)[6]的可以查到。

在這樣一前提下，參考軸的轉(zhuǎn)角 可以有如下表達(dá)式

對同步采樣信號，將相鄰的三個脈沖時間點和間隔時間段內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度帶入式（7），得

對上式求出的單位角增量所對應(yīng)的時刻，利用插值算法對振動信號用處理，即可得到振動信號在角域重采樣后對應(yīng)時刻的幅值數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行快速傅里葉變換，就能得到重采樣信號的階次譜。

2 故障檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件方案設(shè)計

圖2 基于角域采樣聲強法故障診斷技術(shù)試驗研究基本硬件方案

圖3 基于角域采樣聲強法的故障診斷軟件模塊組成

圖2 為基于角域采樣聲強法故障診斷技術(shù)試驗研究基本硬件方案。角域采樣聲強法的硬件系統(tǒng)主要包括三大方面：聲強探頭、處理電路、計算機。聲強探頭將探頭所在的聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過前置放大器帶動低噪聲電纜輸送到處理電路；處理電路前端總成了低頻補償、雙級變換、差分變換電路對信號進(jìn)行初步處理，再通過電纜輸送至單端電路、增益電路、單極變換電路進(jìn)一步處理，處理后的信號經(jīng)過抗混濾波電路處理再通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)USB接口輸入計算機；在計算機中通過 LabVIEW軟件對采集到的聲音信號進(jìn)行分析處理達(dá)到所需的效果。

本小組采用的數(shù)據(jù)采集器為NI USB-9233。NI USB-9233帶有4個BNC連接器，可提供4路同步采樣模擬通道輸入。

其中 表示2到25的任意整數(shù)。

其中 表示2或3。

2.2 軟件模塊設(shè)計

經(jīng)硬件電路采集到的信號在LabVIE中進(jìn)一步分析處理并顯示出來。主要包括：角域聲強階次比分析、對比及故障識別、譜庫建立。角域聲強階次比分析即通過軟件自帶功能進(jìn)行角域重采樣實現(xiàn)對信號的跟蹤測量；對比及故障識別是對多次采樣的信號譜進(jìn)行對比分析找出異常部分；譜庫建立需要通過大量實驗建立一系列異常譜譜庫供故障診斷使用。

圖4 LabVIEW數(shù)據(jù)采集前面板

圖5 LabVIEW聲音數(shù)據(jù)采集程序框圖

2.3 LabVIEW軟件的應(yīng)用

基于角域采樣聲強法的故障檢測系統(tǒng)設(shè)計采用NI公司的虛擬儀器（VI）開發(fā)平臺Labview來進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計。程序總共有兩個部分：前面板和程序框圖。

前面板可以設(shè)置輸入?yún)⒘浚部梢杂^察輸出變量和輸出譜線圖。在前面板中的每一部分都對應(yīng)一段框圖程序。

圖4為LabVIEW聲強數(shù)據(jù)采集前面板，在前面板中可以設(shè)置每通道采樣數(shù)、采樣頻率、采樣模式等。同時，通過前面板可以直觀的觀察到采集的聲強的時頻波形圖、濾波后的波形圖、頻域轉(zhuǎn)換后的幅度譜圖和相位譜圖和功率譜。通過分析這些譜圖所顯示出來的信息，將被測樣品的圖形與合格品圖形相互對比，即可檢測出被測樣品的合格與否。

框圖程序可用LabVIEW圖形編程語言——G語言來編寫。

圖5為聲強數(shù)據(jù)采集程序框圖，聲強數(shù)據(jù)在while循環(huán)體外被寫入，進(jìn)入while循環(huán)體之后首先在前面板中顯示其時域波形（圖4）；然后對聲強數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜變換，轉(zhuǎn)換為功率譜后，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行幅值以及相位信息提取，并在前面板中以圖像方式顯示；之后再進(jìn)行角域譜的變換，在前面板上顯示各個階段的圖形譜，以便采集分析數(shù)據(jù)。程序里還設(shè)置了數(shù)據(jù)的存儲，以便形成圖譜數(shù)據(jù)庫，建立故障譜和正常譜的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供支持。

3 結(jié)論

在分析旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的變速過程時，測量得到的信號常常是非穩(wěn)態(tài)信號，而傳統(tǒng)的頻譜分析方法因“頻率模糊”而不能反映被測機構(gòu)的真實情況； 而角域采樣聲強法，在對時域信號進(jìn)行角域重采樣，將頻域非穩(wěn)態(tài)信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻怯蚍€(wěn)態(tài)信號，可以避免“頻率模糊”現(xiàn)象的發(fā)生，對基于聲強檢測的故障診斷方法有很大幫助。

基于角域采樣聲強法的故障檢測法能夠克服傳統(tǒng)振動階比故障診斷方法的不足，研究基于角域采樣聲強法的非接觸式故障在線診斷技術(shù)并開發(fā)其應(yīng)用系統(tǒng)，具有很好的實用前景與巨大的經(jīng)濟價值。