柴油机振动数据采集与分析系统
柴油机振动数据采集与分析系统
吕成绪, 张维强, 彭 刚 ( 南京农业大学工学院, 江苏南京 210031)
摘要 振动信号是设备状态信息的载体, 它蕴含了丰富的设备异常或故障的信息, 而振动特征是设备运行状态正常与否的重要标志。
组建了硬件平台对柴油机的振动信号进行采集, 并在此基础上开发了一套以 VB 为软件平台的柴油机振动数据采集与分析系统。整个
系统能够实现不同通道、不同频率、不同增益的振动数据采集, 能够进行基于分形的数据分析。同时, 该系统可用于柴油机振动状态监
测, 对振动波形进行实时显示、实时分析等。
关键词 发动机; 分形; 数据采集; 振动
中图分类号 TK 427 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2006)21- 5549- 02
Collection and Analysis System of Vibration Data of Diesel Engine
LU Chengxu et al ( College of Engineering,Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210031)
Abstract A data collecting software for diesel engine vibration based on VBwas developed after thehardware system was accomplished. The diesel en
gine vibration signal with different channels, different kinds of frequency and different kind of gains could be collected with thesoftware. Besides, with the
data collecting function of the software, the data files could beanalyzed based on fractal. The software also can beused as a realtime vibration monitoring
system of diesel engine and it displayed the vibration wavewhen the diesel was working, analyzed the realtime vibration data and printed the analysis re
sults.
Key words Diesel engine; Fractal; Data collection; Vibration
柴油机是一种多激励、多振型的复杂振动系统, 其机体
表面的振动信号是柴油机运行状态的外在体现, 是反映柴油
机内在关系极其有效的敏感参数。柴油机的工作过程是非
平稳的, 且整个系统存有非线性, 传统平稳信号的分析理论
和方法不能满足柴油机状态监测和故障诊断的需要。目前
运用较多的诊断方法是提取缸体或气门螺栓处的振动信号
的时域或频域特征来进行故障识别。实际上柴油机表面振
动信号虽然比较复杂( 包含多个激励源的响应) , 但是振动信
号中包含着丰富的工作状态信息和故障特征信息, 因此从其
表面振动信号中提取感兴趣特征参数, 可有效地识别柴油机
工作性能状态和一些故障。
分形维数是用来定量刻画混沌吸引子 奇异 程度的一
个十分重要的参数, 不仅可以定性地分析系统的运动状态,
还可以对其进行量化分析, 被广泛地应用于刻画非线性系统
行为的数字特征。
为便于柴油机振动信号的识别和分析, 并提高信号分析
的效率, 笔者搭建了柴油机振动信号采集的软、硬件平台, 并
将分形维数应用于柴油机振动信号的特征提取, 在 VB 语言
环境下开发了 柴油机振动数据采集与分析系统 。该系统
可实现不同通道、不同频率、不同增益的振动数据采集, 能够
进行基于分形的数据分析。同时, 该系统可用于柴油机振动
状态监测, 对振动波形进行实时显示、实时分析等。
1 系统硬件设计
该系统硬件组成如图 1所示。
图 1 测试系统组成原理
实 验是 在 S195 柴 油 机 上 进 行 的。所 用 传 感 器 为
LC0152T 型内装 IC压电式加速传感器。该传感器是内装 IC
作者简介 吕成绪(1980- ) , 男,山东临清人, 硕士, 助教, 从事机械测试
技术研究。* 通讯作者, 教授。
收稿日期 20060815
放大器的压电加速度传感, 它将传统的压电加速度传感器与
电荷放大器集于一体, 能直接与记录、显示和采集仪器连接,
简化了测试系统, 提高了测试精度和可靠性。由于内装 IC
压电式加速度传感器需要恒流源供电, 典型值为 24 VDC、4
mA, 而不是电子仪器通常具备的恒压源供电。其输出的与
振动加速度成正比的交流信号是叠加在一输出偏压( 8~ 12
V) , 而不是通常意义上的以地为参考点, 所以它需要与专用
信号调理器配合使用。该系统所用信号调理器为 LC02012,
其主要性能特点是: ! 向内装 IC 压电加速度传感器提供 24
VDC、4mA 恒流供电。 ? 将内装 IC 压电加速度传感器输出的
与振动加速度成正比的叠加在输出偏压上交流信号, 通过
CR 隔直电路隔掉输出偏压, 变成通常意义上的以地为参考
点的交流信号。该系统采用优采公司生产的 UA301 型数据
采集器。它是 USB 总线数据采集产品, 可与带USB接口的各
种台式计算机、笔记本机、工控机连接构成高性能的数据采
集测量系统。该产品采用美国新型 12 位 A/D 转换芯片, 设
计讲究, 测量精度高, 速度快, 编程简便, 且具有 USB 设备体
积小巧, 连接方便, 无需外接电源, 即插即用, 可带电拔插等
特有优点, 可广泛应用于科学实验, 工业测量控制领域。
图 2 软件系统结构
安徽农业科学, Journal of Anhui Agri. Sci.2006, 34( 21) : 5549- 5550 责任编辑 孙红忠 责任校对 孙红忠
2 系统软件设计
测试系统 UA301系列数据采集器支持 VB、VC+ + 等编程
语言, 该系统由 VB6. 0语言实现, 整个系统软件结构见图 2。
系统主界面如图 3所示。该系统主要由密码模块、状态
监测模块、数据采集模块、数据处理模块、辅助和帮助功能模
块组成。限于篇幅, 主要介绍状态监测与数据处理模块。
2. 1 状态监测模块 该系统一个重要功能就是柴油机振动
状态监测, 能够实现的状态监测功能主要有: ! 所测通道振
动波形显示; ? 分形维数实时显示及记录; # 状态信息显示。
状态监测模块流程见图 4。状态监测界面见图 5。
图 3 软件系统主界面
图 4 状态监测模块流程
图 5 状态监测主界面
2. 2 数据处理模块 该系统也能够对采集到的数据进行分
析处理, 数据处理模块功能主要有: ! 能够选择不同的数据
段, 不同的数据点进行显示, 以不同的方法分析数据; ? 允许
使用者进行交互式数据分析; # 根据选择的数据分析方法,
计算选择数据的分形维数。
数据处理模块流程见图 6。数据处理界面见图 7。
图 6 数据处理流程
图 7 数据处理界面
3 结论
实验证明, 整个系统能够实现不同通道、不同频率、不同
增益的振动数据采集, 能够进行基于分形的数据分析。同
时, 该系统可用于柴油机振动状态监测, 将分形维数的变化
作为柴油机故障诊断的依据之一。但是, 依靠单一振动波形
的分形维数这一参数来确定故障状态及故障种类还嫌不足,
所以该系统还可以在此基础上进行扩充, 将分形方法与其他
方法, 如频谱分析、小波分析、专家系统等分析方法相结合,
以达到最佳效果。
参考文献
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5550 安徽农业科学 2006 年
柴油机振动数据采集与分析系统.pdf
