Labview Basied Data Acquisition System For Monitoring And Analysis Of Vibration Signal
1 Introduction
This chapter reflects the general overview of the project work. This comprises of a brief description of vibration testing system and vibration signal processing followed by literature review. The objective, motivation and organization of the thesis are mentioned in this chapter.
1.1 Overview
Vibration occurs in machine in different plant or in daily life. Vibration can be a good indicator of machine monitoring system. Vibration can produce noise to harm the human health. The vibrations are very much negative and harmful. The effect of vibration can be reduced or eliminated using vibration testing system.
The nature of acquired signal from the sensor to be measured and scrutinized dictates the degree of erudition required in the acquisition system. Numerous ways are available to transfer the data into a computer .Data acquisition (DAQ) card is one of the module that interfaces the physical performance in the real world to the digital computation of artificial world. It is easy to use, multifunctional and less costly than other data transfer device. Data acquisition is a process in which the analog signals originated from physical parameter like temperature, pressure, flow rate, force, and vibration are converted to digital signal. Simultaneously the analog signals are conditioned by appropriate signal conditioner. With rapid advancement of personal computer (PC) hard ware and software technologies, it is easy to adopt the PCs efficiently in various precise measurement and complex control application. A PC- based data acquisition system can be easily configured to cope with the changing requirements of the user. So PC-based DAQ system is used as a combination of hardware and flexible software to transform in standard computer into a user defined control or measurement unit.
Earlier GPIB was the most popular interfacing for test and measurement instruments as prior to virtual instrumentation (VI). VI has emerged into a multifaceted technique that encompassed the entire area of computer based instrumentation. To a large extent, hardware is also reduced. For these advantages, VI has made as the dominant tool for the expansion and contrivance of instrumentation applications and systems. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) may be interfaced with many hardware such as data acquisition card, instrument control, and industrial automation as the driver software which is easily available. LabVIEW is a system design platform and development environment based on
the concept of data flow programming. It also allows creating programs with graphics instead of text code. Many applications like data acquisition, data analysis, signal occurrence, signal processing, controlling and monitoring are done by LabVIEW. Hence, LabVIEW is used to simulate the vibration testing system and also vibration signal processing.
Vibration occurs when a machine runs. It is an important technique in which internal faults of the machine can be easily detected. There are various causes for which vibration occurs. These are repeating force, looseness, resonance etc. By vibration monitoring, the preventive action can be taken on the machine. Different control actions like manual, automatic, sine wave generation, square wave generation can be done on the machine in advance. Vibration signal processing and monitoring are performed by two processes. One is time domain signal processing. This signal analysis gives the real time signal and extracts the signal characteristics like value of amplitude, time amp; phase characteristics. Another one is frequency domain analysis. The various information like amplitude, phase, power spectrum, Fast Fourier transforms (FFT), a windowing action, filtering are obtained by this signal analysis. Spectrum domain analysis provides more information about the signal system amp; signal by which it is generated. It is good as compared to time domain analysis.
1.2 Literature Review
The literature study on application and fundamentals of data acquisition system is very wide in nature. Now a day in various types of computer aided developed project or in many laboratory test, Data acquisition system, accuracy and consistency of instrumentation causes major effect on result. Hence a comprehensive knowledge of data acquisition system is very important for obtaining the signal in manufacturing, test and measurement system. The literature study begins with data acquisition system. “PC-Based Instrumentation” Concepts and practice by N.Mathivanan is a very good book for learning the fundamentals of data acquisition system.
1.3 Motivation
Machine plays a vital role in the plants. Maintenance is a very significant factor for a machine, which is required regularly. Various faults are occurred in the machine. Vibration monitoring and analysis is a predictive maintenance technique by which the faults can be detected in the machines. So the main purpose of this work is to find out the error extent and error region of the vibration signal and taking the necessary control action to stop the machine. We have got the idea about vibration signal processing. It has done and by using spectrum analyzer and piezoelectric transducer and it is processed in time domain form. It has several problems for finding the exact error of vibration signal. Hence the necessary control action can be taken to stop the machine. It causes a greater loss to plant. Previously all simulations for vibration signal monitoring are done in MATLAB programming language. It is very difficult to write the code for every step and it takes a large memory space. The given above reasons have motivated me to search for an alternative method to overcome the
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Labview基础数据采集系统对振动信号的监测与分析
1 介绍
本章反映了项目工作的总体概况。这包括振动测试系统和振动信号处理的简要描述，然后进行文献综述。本章提到了论文的目标，动机和组织。
1.1概述
在不同工厂或日常生活中的机器中发生振动。振动可以是机器监控系统的良好指标。振动会产生噪音，危害人体健康。振动是非常消极和有害的。使用振动测试系统可以减少或消除振动的影响。
从待测传感器获取的信号的性质决定了采集系统所需的知识渊博程度。数据采集卡是将现实世界的物理性能与人工世界的数字计算接口的模块之一。与其他数据传输设备相比，它使用方便、功能齐全、成本低廉。数据采集是将由温度、压力、流量、力、振动等物理参数产生的模拟信号转换为数字信号的过程。同时，通过适当的信号调节器对模拟信号进行调理。随着个人计算机(PC)硬件和软件技术的飞速发展，在各种精密测量和复杂控制应用中，很容易有效地采用PC。一个基于PC机的数据采集系统可以很容易地配置以适应用户不断变化的需求。因此，将基于PC机的数据采集系统作为硬件和软件的结合，将标准计算机转换成用户自定义的控制或测量单元。
在虚拟仪器出现之前，GPIB是最受欢迎的测试和测量仪器接口。虚拟仪器已经发展成为一个涵盖整个基于计算机的仪器领域的多方面技术。在很大程度上，硬件也减少了。由于这些优点，VI已经成为扩展和发明仪器仪表应用程序和系统的主要工具。实验室虚拟仪器工程工作台(LabVIEW)可以与数据采集卡、仪器控制、工业自动化等多种硬件接口作为驱动软件，使用方便。LabVIEW是一个基于LabVIEW的系统设计平台和开发环境数据流编程的概念。它还允许用图形而不是文本代码创建程序。许多应用程序，如数据采集，数据分析，信号发生，信号处理，控制和监测都是由LabVIEW完成的。因此，利用LabVIEW对振动测试系统进行仿真，并对振动信号进行处理。
机器运转时发生振动。它是一种能够很容易地检测出机器内部故障的重要技术。产生振动的原因有很多。这些是重复的力量，松散，共振等。通过振动监测，可以对机器采取预防措施。可在机器上进行手动、自动、正弦波、方波等不同的控制动作。振动信号的处理和监测由两个过程完成。一个是时域信号处理。该信号分析给出了实时信号，提取了幅值、时间和相位等信号特征。另一个是频域分析。通过对信号的分析，得到了幅值、相位、功率谱、快速傅里叶变换(FFT)、加窗、滤波等多种信息。频谱域分析提供了更多关于信号系统和产生信号的信息。与时域分析相比，该方法具有较好的适用性。
1.2文献综述
关于数据采集系统的应用和基础的文献研究性质非常广泛。现在每天在各种类型的计算机辅助开发项目或许多实验室测试中，数据采集系统，仪器的准确性和一致性对结果产生重大影响。因此，全面的数据采集系统知识对于获得制造，测试和测量系统中的信号非常重要。文献研究始于数据采集系统。“基于PC的仪器”N.Mathivanan的概念和实践是一本非常好的书，用于学习数据采集系统的基础知识。
1.3目的
机器在植物中起着至关重要的作用。维修是机器的一个非常重要的因素，这是经常需要的。这台机器发生了各种故障。振动监测与分析是一种预测维修技术，可用于机器故障的检测。因此，本工作的主要目的是找出振动信号的误差范围和误差区域，并采取必要的控制措施来停机。我们对振动信号处理有了一定的了解。并利用频谱分析仪和压电换能器对其进行了时域处理。在确定振动信号的准确误差方面存在着一些问题。因此，可以采取必要的控制措施来停止机器。它会造成更大的损失。以往的振动信号监测仿真都是用MATLAB编程语言进行的。为每个步骤编写代码是非常困难的，而且需要很大的内存空间。以上的原因促使我寻找一种替代的方法来克服上述问题。
2振动监测系统的结构
2.1简介
机器在工厂中起着至关重要的作用。在不同工厂的机器中发生振动。机器故障的风险可以显着地对人们的日常生活和生产活动造成严重危险。振动会产生噪音和能量，这对人体健康非常有害。它还会影响机器的设备寿命和运行稳定性。它会给工厂带来巨大的损失。因此，维护是机器的一个非常重要的因素，这是必不可少的。通过使用振动信号监测和分析，可以消除或减少振动的影响。振动被认为是机器监控系统的良好指标。振动信号的监测和分析是LabVIEW的应用领域之一。振动信号的监测与分析是实现预测维修和故障检测的关键。振动信号中显示了振动信号的状态变化和机床故障特征的各种信息。因此，对振动信号进行测量和分析是降低振动影响的必要手段。需要足够的训练来熟悉不同的参数。从而使给定的分析方法能够有效地消除振动的影响。旋转机械的性能也可以通过振动信号的测量和分析来确定。为了更好地了解机械故障，开发了振动故障仿真系统(VFSS)。采用基于LabVIEW的数据采集系统对故障信号进行分析。
2.2各种维护技术
需要定期维护。存在各种类型的机器维护技术，通过它们可以检测故障。
2.2.1 故障维护
在故障维护中，在机器发生故障之前不会对机器进行定期维护。基本上，除非产生未接受的产品，否则在机器中不执行维护技术。所以这种方法不适合维护。
2.2.2预防性维护
预防性维护，方法是故障维护方法的进一步改进。在该方法中，机器需要在规定的时间段之后定期维护机器是否运行。在那个特定时期，机器的工作已经停止，工厂从生产中移除。在那个时期，整个机器都经过培训。为了仔细检查机器，需要对特定部件进行常规更换。由于浪费生产时间和更换机器部件，这是昂贵的。
2.3振动监测系统的组成部分
振动监测分析系统由以下部分组成：传感器系统，振动信号采集，振动信号分析，振动信号处理，振动信号显示和记录。在振动监测系统中，加速度传感器，放大器，数据采集卡，计算机等不同组件是必要的。为了控制机器，需要电机控制单元。在该系统中，数据采集被认为是系统的硬件。LabVIEW软件安装在计算机中，用于处理振动信号。
2.3.1机器
在许多工厂，机器状态监测是非常重要的角色，因为任何停电都可能导致材料和财务损失。例如，电机是现代生产中电能转化为机械能的重要设备之一，在最近的工业厂房中起着重要的作用。机器的典型部件，如轴、轴承、齿轮、转子、传动带等都受到监控。与机械部件相关的常见问题有不平衡、偏心、滚珠轴承、松动、轴弯曲、轴颈轴承、齿轮问题、叶轮叶片问题、电机问题等。将虚拟仪器技术和振动分析技术应用于电机的各种故障监测和检测。当机器运行时，它会产生振动，这种振动产生的振动信号由加速度传感器感知。安装在机器上的加速度传感器。
2.3.2加速度传感器
换能器把一种形式的信号转换成另一种形式的能量。自然界有各种各样的能源可供利用，这些能源有电能、机械能、电磁能、光能、化学能、声能或热能。传感器一般用于测量仪器中[1-3]。传感器的选择和它们安装在机器上的方式是决定任何监视程序成功与否的非常关键的因素。在某些情况下，质量差的传感器很容易给出误导的数据，也会导致一个关键的机器状态被完全忽视。因此，振动监测传感器的选择是一个重要因素。在振动监测与分析系统中，振动传感器是一种安装在机器上的传感器。压电加速度计是广泛应用于振动监测系统的传感器。位移、速度和加速度这三个约束条件通过振动监测和分析技术来表示感知到的运动。这些参数可以用加速度计传感器测量。压电加速度计的选择过程与振动机械的位移、速度和加速度成正比。这种关系取决于感兴趣的频率和信号电平的参与程度。精密传感器的选择和安装是机械状态精确诊断的决定因素。
2.3.3电荷放大器
压电换能器给出一个模拟输出，该模拟输出是通过一个电荷放大器，它给出一个中等输出的模拟信号，该模拟信号满足数据采集卡的要求。仪器放大器采用AD629A构成低功耗、高精度[10]电荷放大器。
2.3.4数据采集系统
数据采集系统的定义是将物理信号转换为电信号，然后测量电信号并将其转换为数字信号，由计算机进行处理、收集和存储的过程。它是虚拟仪器的硬件部分。模拟信号从电荷放大器进入数据采集卡。DAQ系统由各种组件组成
2.4方法论
在振动分析中，振动传感器安装在机器上，如图2.5所示。加速度传感器用作振动传感器。当机器发生振动时，三个参数发生变化。位移，速度和加速度这三个参数通过振动监测和分析来表示检测到的运动。
图2.5：基于pc的振动监测数据采集系统
在早期阶段，压电换能器用作振动传感器。压电元件（加速度）在图中以坐标的形式示出;因此，坐标的导数不可能找到速度和位移。因此很难在图中找到故障区域。加速度传感器用作振动传感器。这里可以在图表中找到X轴加速度计和y轴加速度计。振动信号的加速度的导数很容易完成，如下一节2.5所示。这样就很容易找出错误或错误。它在时域方面产生了模拟信号。现在它被传递给信号调节元件。
2.5 结果和讨论
在本节中，将简要介绍用于根据加速度生成振动信号的LabVIEW实现。机器振动时，其加速度，速度和位移按比例改变。通过分别对振动信号的加速度进行单次和双次推导来设计振动信号的速度和位移。加速度的二次积分框图如图2.5所示。加速度的二次积分前面板如图2.6所示。
图2.6：加速度的双重积分框图
使用图2.5所示的方框图，模拟振动器的加速度。实现了许多子VI，分别使用加速度的单导数和双导数来求出速度和位移。由于通过机器的振动产生圆周运动，实现XY绘图仪以找到圆周运动的X轴和Y轴。
图2.7：双积分加速前面板
加速度信号和它的双重积分清晰地显示在前面板中，如图2.6所示。清楚地表明，加速度信号在其图形上有一些波动。因为在机器振动时会添加一些噪音。使用像Butterworth，Chebyshev这样的数字滤波器进行集成，同时进行了集成。
3振动信号处理
3.1简介
信号处理是监测和分析信号的一个非常重要的过程。要使用数字信号处理技术，必须将采集的模拟信号转换为数字信号。它通过使用模数转换器（ADC）来执行。处理采集的模拟信号的最重要参数是采样率。模拟信号转换的质量由采样率决定。
3.2时域信号处理
时域信号处理被定义为通过使用时间差变量来存储，检测和操纵采样的模拟信息。时域信号处理提供了使用最重要的基本元素即传播延迟在任何技术中执行模拟信号处理功能的手段。尽管有电压或电流，但时间被认为是所有计算的有效变量。时域信号分析提取值的信号特征并包含实时信号的显示，包括值的时间特征，值的幅度特征和值的相位特征。
从DAQ设备获取信号的样本。这些是时域表示的形式。该表示提供了幅度信号，在该时刻已经对信号进行了采样。它没有提供更好的信号处理，这将在下一节中讨论。
3.3频域信号处理
通常通过傅里叶变换（即离散傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT））将信号从空间域或时间转换到频域。使用傅立叶变换将信号信息变换为每个频率的幅度和相位分量。本章讨论了周期信号的值特性和幅值特性。信号的幅值特性一般用峰值、平均、均方根等来描述。信号值的时间特性通常由信号的频率和周期来描述。在工程试验中，信号值的相位特性一般由两个周期信号的相对相位角和相同频率信号的初始相位角来描述
使用频率作为x轴变量的信号用于描述相位和频谱以及幅度谱。通过频谱分析研究信号的频率，其中诸如幅度和相位的结构的频谱是重要特征。在研究和开发除工程技术外，频谱分析仪是一种非常重要的测试仪器分析。分析涉及信号的相位谱和幅度谱，功率谱，FFT变换，滤波等。
3.4方法论
信号分析通常意味着在时域和频域分析信号，它是信号传输和处理的基础。对于机器故障诊断，时域分析提供的信息量有限，只能粗略地判断机器和设备的故障和故障程度，但不能确定故障类型和故障位置。因此，还需要分析频域中的信号，例如功率谱分析。时域和频域信号的处理，监测和分析由振动测试和分析系统的软件设计完成，由流程描述。
3.4.1流程图描述
简要描述了如图3.5所示的振动监测系统的流程图容易执行。在机器正常工作状态下，选择电机测点。在机器运行状态下，产生振动信号。当机器发生振动时，要改变三个参数。这些是位移，速度和加速度的机器。加速度传感器与信号的速度、位移、加速度和频率成正比。通过以上因素，可以准确地诊断机械状态。然后就可以对机器进行控制了。下一章将讨论振动信号的控制技术。
加速度计传感器将物理信号即振动信号转换为模拟信号。模拟信号将进入数据采集卡。这里必须设置采样率或采集率。数据采集卡必须具有较高的采集率。数据采集卡必须具有较高的采集速率，因为如果机器的振动增加，那么机器的速度也随之增加。为了防止波形的混叠效应和计算位移分量频率，还必须提高采集速率。因此，数据采集卡必须随身携带，具有较高的采集率。数据采集卡发出数字信号。它将模拟信号转换成数字信号。数据采集卡上的数字信号为
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