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基于labview 的虚拟式旋转机械特征分析仪 摘要 旋转机械在机械装备中占有举足轻重的地位，它们大多为生产企业中的关键设备，因此，保证旋转机械的安全可靠运行对企业和国民经济有重要的意义旋转机械特征分析是旋转机械故障诊断和状态监测的重要组成部分，其中的振动测试方法又是特征分析的主要手段，而特征信息提取技术的高低主要取决于相应测试仪器的分析功能目前的测试仪器对平稳振动信号有比较成熟和完善的测试和分析手段，但在对以升、降速过程为代表的旋转机械非平稳振动信号的特征提取方面还缺乏完善而有效的分析功能，这也意味着现有测试仪器在旋转机械非平稳振动信号的分析上还不能很好地适应旋转机械的高速化、精密化和自动化的发展需要因此迫切需要对现有技术的进行补充和完善，并增加新的分析功能 本文在对旋转机械典型故障特征、传统特征分析方法和非平稳信号的时频分析技术进行了详细介绍的基础上，将时频分析技术引入旋转机械特征分析领域同时，对旋转机械特征分析的主要手段——阶比分析技术进行了深入研究，利用信号的瞬时频率与旋转机械转速的对应关系提出了实现阶比分析的崭新途径，并在工程实践中证明了这一途径的正确性。 在课题研究中提出了基于瞬时频率估计的旋转机械阶比跟踪方法，该方法用时频分析技术中的峰值搜索方法直接从原始振动信号中获得旋转机械多分量振动信号中与转速相对应的瞬时频率估计，并通过曲线拟合的方法获得瞬时转速曲线，最后实现了阶比分析中的阶比跟踪采样，成功解决了原来阶比跟踪方法中存在的需要转速计、鉴相装置等专门辅助硬件设备和由此产生的复杂安装要求等问题，使阶比分析实现途径得以简化，并降低了阶比分析的使用成本 通过对阶比跟踪滤波方法进行了深入研究，针对原有硬件方法中存在的需要转速计、跟踪滤波器等专门硬件辅助设备和计算阶比跟踪滤波中使用分块数字滤波会产生的边沿效应问题，提出了基瞬时频率估计和零相位数字滤波的阶比跟踪滤波方法该方法是对现有方法的发展和补充 研究并实现了基于时频滤波的阶比分量提取该技术采用了时频分析中的Gabor变换，可有效地对旋转机械振动信号中的阶比分量信号进行重构提取，使对选定的阶比分量进行单独分析提供了可能 基于以上研究成果，在实现了无需转速计的旋转机械阶比分析，包括阶比谱分析、阶比谱阵、跟踪阶比谱和阶比分量提取等这些分析功能的简化实现为旋转机械特征分析仪器的成功开发奠定了基础。 开发出虚拟式旋转机械特征分析仪该特征分析仪具有时频分析功能和基于研究成果的阶比分析功能，可实现对旋转机械非平稳信号特征信息的有效提取和分析，弥补了传统仪器在非平稳信号分析方面的不足，显示了虚拟仪器这一全新仪器设计理念的强大优势 研究中用开发的虚拟式旋转机械特征分析仪对不同的测试对象进行了实测分析，试验结果表明所研究和提出的方法的有效性，同时也展示了所开发的虚拟仪器具有强大的非平稳信号分析功能。 关键词: LabVIEW 旋转机械 特征分析 阶比计算 1.引言 与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据 显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。 LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。 2．设计 当旋转机械处于升速或降速时，直接用快速傅立叶变换进行频谱分析会引起频率模糊，无法分析出故障所在，而阶比分析是将非平稳信经过等角度采样，转变为平稳信号，然后进行快速傅里叶变换 (FFT)，便可得到准确的故障信息。阶比分析应用于旋转机械升、降速阶段的故障诊断，可以准确的分析出与转速有关的故障信息（如轴承、齿轮的故障），弥补直接使用快速傅里叶变换的不足。使用 LabVIEW 软件设计出计算阶比分析模块，是本次毕业设计的核心内容。用计算阶比跟踪理论实现对旋转机械振动信号进行等角度重采样，主要包括计算阶比模块、转速触发模块、瀑布图模块、分段零相位滤波器设计等。其中计算阶比模块是核心模块，在该模块要确定恒定角增量所对应的时间点，对振动信号插值，实现重采样，然后对重采样的角度域信号进行快速傅里叶变换(FFT)，实现阶比跟踪分析。 2.1 FFT分析 傅里叶变换是将信号从时域转换为频域。对离散信号的傅里叶变换采取傅里叶级数形式 2.2 阶比分析基本理论 转速与旋转机械的振动有密切关联，因此阶比分析在旋转机械非平稳工况下的特征分析重具有重要作用。利用阶比分析可以对传统频谱分析很难提取的旋转机械升，降速等非平稳阶段的系统特征信息进行处理。 下图分别为论文中设计的计算阶比分析模块中的子程序画面 3.结论: （1）.实验验证阶比分析可有效地解决旋转机械升，降速过程中“模糊”现象等问题，是有效的旋转机械振动信号分析方法； （2）.一次线性插值方式得到转速脉冲，对阶比分析实现故障模式识别精度较低，需要改进； （3）.振动信号根据转速信号的重采样是通过阶比分析获取旋转机械特征值的关键。 4.总结: 通过这次设计，我学到了许多关于旋转机械故障诊断的知识，能够根据需要独立使用虚拟仪器软件—— LabVIEW 编写程序。虽然经历了很长时间的适应 LabVIEW的编成方式，但我仍要说的是，LabVIEW 是非常适合我们这些非软件设计专业的学生开发适用的测控仪器，非常适合没有经过正规编成培训的技术型的人员快速构建测控系统，可以这么说，LabVIEW 大大降低了对用户的编成要求。 
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