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1、中 国 矿 业 大 学 （ 北 京 ） 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中文题目： 洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 英文题目：Fault Diagnosis System for Key Equipments in Coal Washery 姓 名： 李传生 学 号： 0203050113 学 院： 机电与信息工程学院 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 02 级 1 班 指导教师： 薛光辉 职 称： 讲师 完成日期： 2006 年 6 月 12 日 科研背景：横向科研课题“马脊梁洗煤厂振动筛及轴承故障诊断研究”中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）任务书中国矿业大学（北京）本
2、科生毕业设计（论文）任务书 学院 机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学号 0203050113 学生姓名 李传生 任务下达日期： 2006 年 1 月 12 日 完成日期： 2006 年 6 月 6 日 题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目：香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 主要内容和要求： 1、完成振动筛故障诊断系统的方案设计； 2、完成该振动筛故障诊断系统软件的功能和模块分析； 3、实现振动数据的记录、存储、显示和频谱分析模块设计； 4、实现该振动筛故障诊断系统的软件编程，要求界面美观，操作简便。 院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学（北京）
3、本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书 学院 机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学生姓名 李传生 题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目：香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 指导教师评语指导教师评语： 论文符合毕业设计任务书和教学大纲的要求。 该生在了解了振动筛整体结构及工作过程的基础上，参阅了大量的相关资料，完成了振动筛故障诊断系统的总体方案设计，重点开发了振动筛故障诊断系统软件系统，包括数据的记录、存储、显示和频谱分析功能，最后对所设计的软件进行了测试，结果表明实现了预期的功能。 设计采用的技术
4、路线正确、合理。论文书写条理清楚、分析详细、结构合理。该同学基础扎实，具有较强的自学能力，较好的素质，较强的创新精神和创新能力，并且具备很好的专业技能和科研能力，能够从事本专业的工程技术工作和理论研究。 同意以此论文安排毕业论文答辩。 成绩：成绩： 95 95 指导教师签名： 指导教师签名： 年 月 日 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅书 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅书 学院 机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学生姓名 李传生 题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目：香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 指导
5、教师评语指导教师评语： 该生在了解了振动筛整体结构及工作过程的基础上，参阅了大量的相关资料，完成了特定型号振动筛的测绘和故障诊断系统的总体方案设计，重点开发了振动筛故障诊断系统软件系统，包括数据的记录、存储、显示和频谱分析功能，最后对所设计的软件进行了测试，结果表明实现了预期的功能。 设计采用的技术路线正确、合理。论文书写条理清楚、分析详细、结构合理。该同学基础扎实，具有较强的自学能力，较好的素质，较强的创新精神和创新能力，并且具备很好的专业技能和科研能力，能够从事本专业的工程技术工作和理论研究。 同意以此论文安排毕业论文答辩。 成绩： 95 成绩： 95 评阅教师签名： 评阅教师签名： 年
6、月 日 中国矿业大学（北京）2002 级本科生 中国矿业大学（北京）2002 级本科生 毕业设计（论文）答辩及综合成绩 毕业设计（论文）答辩及综合成绩 学院：学院：机电与信息工程学院 学生姓名学生姓名：李传生 学号学号：0203050113 专业专业：测控技术与仪器 班级班级：02 级 1 班 题目题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目专题题目：香香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 说明书说明书 75 页页 图纸图纸 张张 其它材料其它材料 答答 辩辩 情情 况况 回回 答答 问问 题题 提提 出出 问问 题题 正确正确基 本基 本 正 确正 确有 一般 性错 误有 一般 性错 误 有
7、 原则 性错 误有 原则 性错 误 回 答回 答 不 清不 清 1.简述时域分析与频域分析的概念，为什么进行了时域分析还要进行频域分析,简述幅频特性与相频特性？软件系统数据回放模块回放的是什么信号，为什么要回放? 2.论文中提到的“一次积分” 、 “二次积分”的物理意义。3.软件系统中提供了许多滤波器，主要使用那种，为什么? 4.简述“香蕉直线振动筛”的含义。 答辩成绩： 96 答辩小组长： 年 月 日 答辩成绩： 96 答辩小组长： 年 月 日 指导教师评价成绩：指导教师评价成绩： 95 指导教师签字：指导教师签字： 年年 月月 日日 评阅教师评价成绩：评阅教师评价成绩： 95 评阅教师签字
8、：评阅教师签字： 年年 月月 日日 答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会评语及建议成绩： 论文完成了洗煤厂关键设备故障诊断系统的软件设计与开发， 圆满完成了毕业设计规定的任务。设计（论文）条理清楚，论述充分，文字通顺，符合技术用语要求，水平较高。答辩时思路清晰，论点正确，回答问题有理论根据，基本概念清楚，对主要问题回答正确、深入。 建议成绩：96。 答辩委员会主任：答辩委员会主任： 年年 月月 日日 学院领导小组综合评价成绩：学院领导小组综合评价成绩： 学院领导小组负责人：学院领导小组负责人： 年年 月月 日日 摘摘 要要 现代大型洗煤厂多为流水线作业，某一关键设备，如振动筛，出现故障将直接导
9、致整个生产线陷入瘫痪，给洗煤厂造成巨大的经济损失。但目前对洗煤厂关键设备的状态监测和故障诊断研究还很少开展。因此，开展洗煤厂关键设备的故障诊断研究符合生产现场的急需，具有重要的理论意义和应用价值。 开发一个振动筛实验系统，是开展香蕉直线振动筛的状态监测和故障诊断研究的前提和基础。该系统包括实验模型和检测系统两部分。其中，检测系统又包括硬件系统和软件系统两部分。 本文利用虚拟仪器的开发平台LabVIEW开发了该实验系统的软件系统，主要包括五个模块：数据采集、显示记录、数据回放、数据处理和数据分析。数据处理模块主要实现数字滤波和加窗处理两大功能，可以选择不同的滤波器和窗函数以适应不同的情况。数据分
10、析模块能够实现信号的时域分析、FFT 分析、功率谱分析等。 测试结果表明，该软件系统操作方便、可行。该系统是一个开放性的系统，能够方便的添加分析功能，便于二次开发。 关键词：香蕉直线振动筛；状态监测；故障诊断；虚拟仪器；LabVIEW ABSTRACT The production of most modern large scale coal washeries is streamlined coordination production, so failure of any key equipment, such as vibrating screen, in production lin
11、e would lead directly to the production line paralysis, which would result in huge economic losses to the coal washery. However, the study on condition monitoring and fault diagnosis of the key equipment in coal washery rarely carried out yet. Therefore, it is important theoretical and practical val
12、ue, and met the need of production site, to study fault diagnosis of the key equipments in coal washery. It is the premise and the basis to design an experimental system of vibrating screens for studying the fault diagnosis and status monitoring of vibrating screen The experimental system is divided
13、 into two parts: the experimental model and the testing system. The testing system includes hardware system and software system. In this paper， the software system of experimental system was developed in LabVIEW，which primarily included five modules, namely data acquisition module， display and recor
14、d module ，data replay module ，data processing module and data analysis module. The author also discussed the digital filter and signal windows, and designed the related programme. The data analysis modules can accomplish signal processing of time domain analysis， FFT analysis and auto-power spectrum
15、 analysis. The testing results indicate that the software system works well, and operates easily. Keywords：banana-shaped linear vibrate screen；fault diagnosis；status monitoring；virtual instrument；LabVIEW 目目 录录 一般设计部分一般设计部分 1 绪论绪论.1 1.1 课题概述.1 1.2 香蕉直线振动筛概述.3 1.2.1 香蕉直线振动筛的结构及其工作原理.3 1.2.2 香蕉直线振动筛常见故
16、障及相关研究状况.5 1.3 课题研究的内容和意义.5 1.3.1 课题研究的内容.6 1.3.2 研究意义.6 1.4 毕业设计所作主要工作. 6 专题设计部分专题设计部分 2 虚拟仪器技术虚拟仪器技术.8 2.1 虚拟仪器技术概述.8 2.1.1 虚拟仪器的概念.8 2.1.2 虚拟仪器的工作原理.9 2.1.3 虚拟仪器系统的组成.10 2.2 图形化编程语言 LabVIEW 概述 . 11 2.2.1LabVIEW 的基本概念.12 2.2.2LabVIEW 程序设计中的结构 .14 2.2.3LabVIEW 的运算形式.14 2.2.4LabVIEW 的开放性.15 3 香蕉直线振动
17、筛故障诊断中的信号处理理论香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论.17 3.1 数字信号处理技术概述.17 3.2 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论.17 3.2.1 信号的统计特征参量.17 3.2.2 信号的数字化.19 3.2.3 离散时间信号分析.22 3.2.4 截断与加窗.29 3.2.5 数字滤波器.31 4 香蕉直线振动筛故障诊断系统总体方案香蕉直线振动筛故障诊断系统总体方案.34 4.1 香蕉直线振动筛故障检测原理综述.34 4.2 振动筛实验系统的设计.35 4.2.1 振动筛实验系统检测对象的设计.35 4.2.2 振动试验系统检测系统的设计.36 5 振动筛实验系
18、统软件设计振动筛实验系统软件设计.38 5.1 软件系统的总体结构.38 5.2 各软件模块的设计与实现.40 5.2.1 数据采集模块的设计.40 5.2.2 显示记录模块的设计.46 5.2.3 数据回放模块的设计.49 5.2.4 数据处理模块的设计.50 5.2.5 数据分析模块设计.52 5.3 软件使用说明.60 5.3.1 操作说明.62 5.3.2 操作中应注意的问题.66 5.4 软件系统的测试.67 结结 论论.72 参考文献参考文献.73 致致 谢谢.75 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 1 - 1 绪论 1.1 课题概述 地下或露天矿场开采出来
19、的煤炭或矿石，在未处理之前常常是以各种大小不同的颗粒混在一起的形式存在，甚至混有许多水分、粘土或其他有用、无用的介质。为了合理使用和满足产品质量要求，筛分机械广泛应用于选矿厂、选煤厂、洗煤厂以及其他工业部门。筛分机械是一种广泛用于将松散物料分为两种或多种粒度级别的设备。常用的筛分机械包括惯性振动筛（简称振动筛） 、共振筛和固定筛。其中，振动筛因其处理能力大，筛分效率高得到了更为广泛应用。洗煤厂作为煤炭产品加工的主要场所，承担原煤的筛分，洗选，分级，分类存放等工作，筛分工作是其生产过程中的第一道工序。振动筛使用情况的好坏对洗煤厂的生产至关重要，作为关键设备一旦出现故障，将可能导致整个生产线的瘫痪
20、，造成巨大的经济损失。因此，振动筛早期故障检测、预警及诊断是事关洗煤厂经济效益的一个重要问题。 本课题主要针对山西大同马脊梁洗煤厂的生产设备香蕉直线振动筛来展开。马脊梁洗煤厂是中煤进出口总公司与大同煤矿集团公司共同组建的大同中煤出口基地建设有限公司下属洗煤厂，年洗煤量达 360 万吨，采用流水线作业。其主要洗选设备约 30 台（套） ，全部从国外引进。2004 年，洗煤厂关键设备 Honert 公司生产的 BRU-1-420/610 型香蕉振动筛大梁出现断裂，振动筛侧帮固定大梁螺栓处出现裂纹，致使振动筛无法正常工作，导致整个洗煤厂的生产都陷于瘫痪。由于振动筛为国外进口，因此出现问题后，更换新的
21、大梁需要从国外订货。而订货周期长，这严重影响了洗煤中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 厂的日常生产，造成巨大的经济损失。如果能够在香蕉振动筛大梁断裂前检测到出现的裂纹，那么就可以变事后维修为状态维修，采取有效的措施减轻大梁的进一步破坏并在大梁断裂前进行订货，这样在大梁完全破坏前做出预警，就可以减少因振动筛破坏以及更换造成的停产时间，降低经济损失。 （a）正面 （b）侧面 图 1.1 正常工作的振动筛 图 1.2 大梁上的裂纹- 2 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 （b） 大梁工字钢中部的修补情（a）在大梁上下沿加补钢板 图 1.2 修补过的振动筛 图
22、 1.4 止裂孔图 1.5 修补过的侧帮 图 1.1 是正常工作的香蕉振动筛。图 1.2 所示是损坏的振动筛。它的工字钢大梁已经断裂，洗煤厂通过钢板将断裂的大梁重新加固勉强维持生产。图 1.3(a)大梁上下沿加补钢板对断裂的大梁进行加固的情况，图 1.3(b)梁工字钢中部的修补情况。图 1.4 和图 1.5 是振动筛的侧帮出现裂纹后洗煤厂的两种加固措施。图 1.4 是通过在侧帮上打止裂孔来阻止裂纹的继续扩展。图1.5 是通过加补钢板来固定已经出现裂纹的侧帮。 1.2 香蕉直线振动筛概述 1.2.1 香蕉直线振动筛的结构及其工作原理香蕉直线振动筛的结构及其工作原理 - 3 - 中国矿业大学（北京
23、）级本科生毕业设计（论文）2002 1)香蕉直线振动筛的结构 如图 1.6 所示，香蕉直线振动筛主要由筛箱、激振器和隔振装置（图中未画出）组成。 (1) 筛箱 筛箱是一个组合框架，主要由侧板、横梁、激振器安装梁、筛网托架、筛板、大梁及后挡板组成，侧板与相应的梁之间依靠胡克螺栓连接。 (2) 激振器 采用块偏心的箱式激振器，主要由两根回转轴组成，每根回转轴上安 图1.6香蕉直线振动筛装有两个偏心块并被安装在箱体侧板的两边，两个激振器之间通过联轴器由一根横轴连接，激振器通过地脚螺栓连接在激振器安装梁上。 (3) 隔振装置 在振动筛的侧板上通过螺栓连接弹簧的安装座，弹簧被安装在安装座与地面上的支撑装
24、置之间，有一定的预压缩。 - 4 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 5 - 2)香蕉直线振动筛的工作原理 香蕉直线振动筛是利用同步反向旋转的双不平衡块激振来实现筛箱振动的。由电动机带动皮带轮始一根轴上的偏心块回转，通过两个等齿数的齿轮相互啮合，使另一根轴的不平衡块也回转，不平衡块转动时所产生的离心惯性力的分力在某一方向上总是相互叠加，形成了单一方向的合力，这个力就是激振力，这个方向就是筛箱的振动方向，在与振动方向垂直的方向，离心力的分离总是相互抵消的。激振器与筛面成 45倾角，故筛面上的物料的抛射角为 45。物料在抛起时被松散，在与筛面撞击时水和小于筛孔的颗粒透筛，
25、从而实现脱水、脱泥、脱介和分级。11.2.2 香蕉直线振动筛常见故障及相关研究状况香蕉直线振动筛常见故障及相关研究状况 1) 振动筛常见故障 (1) 筛体部分 侧帮钢板产生裂纹；筛板发生破坏性断裂；筛板下大梁断裂；弹簧断裂；振动噪声大。 (2) 激振器部分 传动齿轮损坏；轴承润滑不良及损坏。 (3) 激振电机部分 电机支撑钢板断裂；地脚螺栓断裂。 2) 相关研究状况简介 根据目前所查阅的资料，洗煤厂设备特别是振动筛大梁和侧帮裂纹的早期检测和诊断的研究目前在国内还开展得很少，还没有形成较为成熟的手段！ 1.3 课题研究的内容和意义 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 6 -
26、 1.3.1 课题研究的内容课题研究的内容 课题研究的内容主要包括： 1)总体设计： 与课题组成员共同完成香蕉直线振动筛故障诊断系统的总体方案的设计。 2)软件设计：利用 LabVIEW 的图形化编程环境和数据采集卡构建数据采集和分析处理系统。研究的重点包括： (1) 利用 LabVIEW 提供的函数实现数据的采集、显示、记录、回放以及分析处理，为故障的监测和诊断提供依据。 (2) 力求界面美观，操作简便，能够方便的进行二次开发。 1.3.2 研究意义研究意义 由于香蕉直线振动筛大梁的故障检测及诊断，目前在国内还没有形成较为成熟的手段，该课题的研究具有重要的意义： 1)研究成果符合生产现场的急
27、需。 2)对其他洗煤厂同类设备的故障检测和诊断极具推广价值。 3)对于其他洗选设备的故障检测和诊断及预警也具有广泛的借鉴意义。 1.4 毕业设计所做主要工作 毕业设计是对大学期间所学知识的全面总结和综合应用，是一个培养分析问题和解决问题能力的过程，也为今后走向社会的实际应用铸就了一个良好的开端。毕业设计期间，我主要做了以下几方面的工作： 1)学习图形化编程语言LabVIEW 的使用，掌握了其基本操作。 2)查阅了与振动筛相关的资料， 对其结构、 工作原理及其重要的作用有了一定的了解。 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 7 - 3)两次到马脊梁洗煤厂实地考察，对洗煤厂的生
28、产工艺有了大体地了解，并参加了香蕉直线振动筛实体的测绘工作。 4)完成了振动筛实验系统软件部分的设计， 包括振动信号的采集、 显示、记录、回放及分析处理等。 5)编写了软件使用说明书。 6)完成了软件系统的调试。 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 8 - 2 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 2.1 虚拟仪器技术概述 始自 20 世纪 40 年代末的计算机革命给当代社会的发展注入了活力，计算机的迅速发展和普及带动了各行各业的进步，有力地促进了多年来发展缓慢的仪器技术的飞跃，给仪器仪表领域带来了深刻的变化。20 世纪 70年代初期将微处理器引入仪器设计中，出现了智能仪器。20 世
29、纪 80 年代初在个人机上发展了仪器。 20 世纪 80 年代后期将虚拟现实技术引入到仪器设计中，最终发展成为虚拟仪器。 2.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 虚拟仪器是基于计算机的仪器。简单地说，虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和(或)硬件， 使得使用者在操作这台计算机时就像是在操作他自己设计的专用的电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统得关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法方便地改变和增减仪器系统的功能，即“软件就是仪器”。虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的固定模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才
30、能、想象力的空间。用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的用户需求。表 2.1 为传统仪器与虚拟仪器的比较一览表。 虚拟仪器作为一种新型的仪器种类，具有以下特点： 1)强调“软件即仪器”的概念， 软件充当了仪器中相当重要的且以往由硬件充当的角色。 2)打破了传统仪器小而全的现状，可以将信号的分析、显示、存储、打中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 9 - 印和其它管理利用计算机来完成。 3)便于工作和管理， 虚拟仪器技术是仪器的设计和管理统一到虚拟仪器的标准，使得仪器管理规范，使用简便，维护费用低。 4)仪器自定义， 科研和工程人员自己设计自己的
31、仪器。 由于虚拟仪器的开放性，用户可以方便地修改测试方案，构成各种专用仪器。仪器的开发周期短，升级容易，节省了硬件开发和生产的费用。 5)便于组成自动测试系统。 虚拟仪器充分利用计算机技术， 可以对测试方案进行编程；而且数据的远程传输、数据在软件之间的交换等，都使系统组建变得灵活；计算机的存储、打印和网络化等功能也进一步增进了虚拟仪器的功能2。 表 2.1 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统仪器传统仪器 虚拟仪器虚拟仪器 仪器厂商定义 用户自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器的功能、规模均已固定 系统功能和规模可通过软件修改和增减 封闭的系统， 与其它设备连接受限制 基于计算机的开放系统，可方便
32、地同外设、网络及其它相应设备连接 价格昂贵 价格低，可重复利用 技术更新慢 技术更新快 开发和维护费用高 软件结构可大大节省开发和维护费用 多为实验室拥有 个人可拥有一个实验室 2.1.2 虚拟仪器的工作原理虚拟仪器的工作原理 与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 处理、结果表达三大功能模块，如图 2.1 所示。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。 虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放
33、大倍数” 、 “通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。 PC-DAQ 采集卡PXI 仪器 VXI 仪器 GPIB 仪器 串口仪器 信号处理 - 10 - 2.1.3 虚拟仪器系统的组成虚拟仪器系统的组成 虚拟仪器由硬件平台和应用软件两部分组成。下面从硬件、软件、两个方面来具体说明虚拟和仪器的组成。 1) 硬件平台 虚拟仪器的硬件平台由计算机和 I/O 口设备组成，如图 2.2 所示。 计算机是硬件平台的核心，一般是工作站，亦可用普通的 PC 机。 I/
34、O 接口设备负责被测信号的采集、调理、模数转换等。常用的 I/O 接口设备有以下五种： (1) PC-DAQ 接口： PC-DAQ 接口采用计算机本身的 PCI 总线或 ISA 总线，将数据采集卡插入计算机主板上的空槽中即可。 数字滤波 统计 分析 网络传输 磁盘复制 文件 I/O 图形用户接口 图 2.1 虚拟仪器的功能模块 PC-DAQ 采集卡PXI 仪器 VXI 仪器 GPIB 仪器 串口仪器 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 工作站或PC 机GPIB 接口 串行接口 PC-DAQ 接口 被测信号 PXI 接口 图2.2虚拟仪器的构成VXI 接口(2) GPIB 接口
35、：GPIB 接口采用 GPIB 标准总线连接仪器与计算机。 (3) 串行接口：串行接口采用 Serial 标准总线连接仪器与计算机。 (4) VXI 接口：VXI 接口采用 VXI 标准总线连接仪器与计算机。 (5) PXI 接口：PXI 接口采用 PXI 标准总线连接仪器与计算机。 2) 软件平台 虚拟仪器软件将可选硬件(如 DAQ、GPIB、RS-232、VXI、PXI)可重复使用源码库函数等软件结合起来，实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测
36、试要求。 虚拟仪器软件包括应用程序和 I/O 接口设备驱动程序。 应用程序由实现虚拟仪器前面板功能的软件程序和定义测试功能流程图的软件程序两部分组成。 I/O 接口设备驱动程序实现对特定外部硬件设备的控制。 2.2 图形化编程语言 LabVIEW 概述 LabVIEW 是美国国家仪器公司的创新产品，被誉为“科学家与工程师”- 11 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 的语言。为不熟悉文本语言编程的设计者在测控领域建立计算机仪器系统提供了便捷、轻松的图形化设计开发集成环境。虚拟仪器是 LabVIEW 的精髓，正是因为 LabVIEW 的成功，才使虚拟仪器的概念为学术界和工程
37、界广泛接受。目前，以 LabVIEW 为核心，包括仿真控制、高级数字信号处理、模糊控制和 PID 控制等众多附加软件包运行于 Windows 系列、Linux、Macintosh、Sun 和 Unix 等多种平台的工业标准软件环境。 2.2.1LabVIEW 的基本概念的基本概念 LabVIEW 使用了一种称为 G 的数据流编程模式， 它有别于基于文本语言的线性结构。在 LabVIEW 中执行程序的顺序是由块之间的数据流决定的，而不是传统文本语言的按命令行次序连续执行的方式。 LabVIEW 程序称为虚拟仪器(Virtual Instrument)程序，简称 VI。VI 包括 3 个部分：前面
38、板、框图程序和图标/连接器。 前面板用于设置输入量和观察输出量，它模拟真实仪器的前面板。其中，输入量称为 Controls（控件） ，用户可以通过控件向 VI 中设置输入参数等；输出量被称为 Indicators(指示器)，VI 通过指示器向用户提示状态或输出数据等。用户还可以使用多种图标，如旋钮、开关、按钮、图表等使前面板易看易懂。如图 2.3 所示是一个温度计虚拟程序的前面板。 图 2.3 温度计前面板 - 12 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 每一个程序的前面板都有相应的框图程序与之对应。框图程序用图形编程语言编写，它相当于传统程序的源代码。框图程序中的部件可看
39、成程序节点，如循环控制、事件控制和算术功能等。这些部件之间用连线连接一定以框图程序内数据的流向。上述温度计的框图程序如图 2.4 所示。 图 2.4 温度计框图程序 图标/连接器部件可以让用户把VI程序变成一个对象，然后在其他程序中像子程序一样调用它。图标表示在其他程序中被调用的子程序，而连接器则表示图标的输入输出接口3。 作为一种图形化的编程语言， LabVIEW的特点可归纳为以下几个方面： 1)图形编程方式：使用直观形象的数据流程图式的语言书写程序源代码。 2)提供程序调试功能，如设置断点或探针，单步执行，语法检查等。 3)拥有数据采集、仪器控制、分析、网络、 ActiveX 等集成库。
40、4)继承传统编程语言结构化和模块化的优点， 这对于建立复杂应用和代码的可重用性来说是至关重要的。 5)提供 DLL 库接口、CIN 节点以及大量的仪器驱动器、网络通信 VIs与其它应用程序或外部设备进行连接。 6)采用编译方式运行 32 位应用程序。 - 13 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 14 - 7)支持多种系统平台， 如 Macintosh、 HP-UX、 SUN SPARC 和 Windows 3.x/95/NT 等，LabVIEW 应用程序能在上述各平台之间跨平台进行移植。 8)提供大量的函数库及附加工具。如数学函数、字串处理函数、数组运算函数、文件
41、I/O、高级数字信号处理函数、数据分析函数、仪器驱动和通信函数等。 2.2.2LabVIEW 程序设计中的结构程序设计中的结构 1) 层次化结构 LabVIEW 是模块化程序设计语言，用户可以把一个 VI 程序创建成自己的一个图标/连接器(即 VI 子程序)，然后被其它 VI 程序所调用。用这种方法可设计出一个有层次关系的 VIs 或子 VIs ，而且调用的阶数是无限制的。 2) 并行工作 LabVIEW是一个多任务的软件系统， 当创建具有同步工作的程序块时，就可交互地运行并行 VIs 程序。 3) 常规语法结构 LabVIEW 中常用的语法结构主要有： While Loop 结构、 For
42、Loop 结构、Case 结构以及 Sequence 结构等。 4) 基于文本的公式结点(Formula Node) 公式结点是一种用于书写数学公式的文本编辑框。 2.2.3LabVIEW 的运算形式的运算形式 1) 模块化图标运算 LabVIEW 中的图标/连接器表示一定的函数功能，将若干个图标/连接口组合起来就可进行有关运算，如算术、布尔逻辑、比较和数组运算、数中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 15 - 值运算(三角函数、对数等)、字符串运算和文件 I/O 等。 2) 公式运算 使用公式结点进行公式运算。公式结点包含一个或多个公式表达式，各公式之间用； 隔开。 公式
43、表达式使用了一种类似于大多数基于文本编程语言(如 BASIC 语言)的算术表达式的语法。 3) 使用集成库的功能子模板完成运算 LabVIEW中集成了大量的生成图形界面的模板， 丰富实用的数值分析、数字信号处理功能，以及多种硬件设备驱动器(包括 RS232、GPIB、VXI、DAQ 卡和网络等)。 用户不需了解有关运算细节就能直接使用这些功能子模块，这对于编程工作来说，可节省了大量的时间开销。 4) 通过链接 DLL 形式的代码进行运算 LabVIEW 提供 DLL 库接口和 CIN 节点来使用户有能力在该平台上使用其它软件开发平台生成的模块。即用户可通过其它开发平台(如 VC+)建立一个子例
44、程， 并生成动态链接库 DLL， 然后与 LabVIEW 框图程序进行链接。LabVIEW 的这一开放性，为用户自行编写某些软件模块提供了方便。如用户可通过 C+/C 语言为某一新设备开发通信及驱动程序，或编写一个控制算法，然后链入 LabVIEW 程序。 2.2.4LabVIEW 的开放性的开放性 LabVIEW 是开放型的开发环境，它拥有大量的与其它应用程序进行通信的 VI 库。因此，LabVIEW 可从众多的外部设备获取或传送数据，这些设备包括 GPIB、VXI、PXI、串行设备和插件式 DAQ 板等；LabVIEW 甚至可以通过 Internet 取得外部数据源。 1) DLLs 中国
45、矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 16 - 在Windows或其它平台下调用内部或外部的DLL形式的代码或分享其它平台(包括 Windows)中的库资源；使用 CodeLink，同样可自动分享在LabWindows/CVI 中开发的 C 程序库。 2) ActiveX、DDE、SQL 使用自动化 ActiveX、DDE 和 SQL，与其它 Windows 应用程序一起集成用户的应用程序。 3) 远程通信：Internet，TCP/IP 使用 TCP/IP 和 UDP 网络 VIs，与远程应用程序进行通信；在用户的应用程序中融入 e-mail、FTP 和浏览器等；通过远程自动
46、控制 VIs，可远程操作其它机器上的分散 VIs 的执行。 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 17 - 3 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论 3.1 数字信号处理技术概述 信号处理是起源于 17 和 18 世纪数学的一个学科，目前在各个领域中已成为一种重要的现代化工具。信号处理的各种方法和应用既有悠久的历史，又像计算机和集成电路那样以崭新的面貌出现在科技和工程实践中。 由于计算机技术的应用，现代工程信号处理主要是指数字信号处理技术。数字信号处理主要研究如何用数字或序列表示信号及如何处理这些序列，其目的可能是估计信号的特征参数，
47、亦可能是将信号转化成更为需要的形式。经典数值分析公式（如内插、微分、积分等数值方法）无疑就是数字信号处理的算法，而计算机的出现促进了现代信号处理的算法日益复杂巧妙，集成电路技术的突飞猛进又使得十分复杂的信号处理系统变得更为经济。 数字信号处理技术在各个不同的领域（如声学、声纳、雷达、地震学、语音通信、数据通信、机械工程、电子工程、医疗工程等）都显示了其重要的作用。目前，数字信号处理技术正以惊人的速度迅猛的发展。随着大规模集成电路的成本的下降、体积的缩小以及运算速度的提高，信号处理的应用日益广泛；信号处理的标准算法不断出现；各种高效经济的信号分析仪广泛应用；在普通微机上就能实现的功能强大的虚拟仪
48、器更代表了信号处理技术的一个发展方向。 3.2 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论 3.2.1 信号的统计特征参量信号的统计特征参量 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 在时域中，常用的描述信号特征的统计参量主要包括：均值x、方差2x、标准差S、有效值（均方根值）、偏态指标和峭度指标等。 rmsX3K4K1) 均值x 信号的均值又称一次矩，它描述了信号的平均变化情况，代表信号的静态部分或直流分量。数学表达式为 TxT01limx(t)dtT= (3-1) 其离散化计算公式为 ?N 1ii 01x(t )N=x (3-2) 2) 方差2x标准差S 方差用来描述信号相对于均值
49、的波动情况，反映信号的动态分量，数学表达式为 T22T01limx(t)dtTX=X (3-3) 其离散化的计算公式为 ?21201()NNxiXix t= (3-4) 方差的开方用标准差表示，即 T2T01limx(t)dtTXS= (3-5) 其离散化计算公式为 ?2101()NNxiiSx t= (3-6) - 18 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 3) 有效值（均方根值） rmsX这是一个应用广泛的统计参量，对振动速度而言，其有效值与振动能量相对应，数学表达式为 21lim( )TrmsToXT=x t dt (3-7) 其离散化计算公式为 ?1201( )N
50、rmsiiXN=x t (3-8) 4) 偏态指标和峭度指标 3K4K偏态指标和峭度指标常用来检验信号偏离正态分布的程度，它们的数学表达式如下： 3K4K333()( )xxp x dxKS+= (3-9) 其离散化计算公式为 ?3130( )16Nxiix tKNS= (3-10) 444()( )xxp x dxKS+= (3-11) 其离散化计算公式为 ?1440( )()24Nxiix tNKS=3= (3-12) 3.2.2 信号的数字化信号的数字化 工程上测得的信号大多是模拟信号，为了利用计算机得其进行处理，首先要对模拟信号进行数字化处理，即采样和量化。图 3.1 为信号数字化的-
51、 19 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 全过程。 图 3.1 信号数字化 低通滤波器 采样器计算机 x(t)A/D 1) 采样与采样定理 (1) 采样 所谓采样就是利用采样脉冲( )s t从连续信号( )x t中抽取一系列离散样本值获取采样信号的过程。在数学上，它实质上是连续信号( )stx( )x t与采样脉冲( )s t相乘的结果，即： ( )( )( )sx tx ts t= (3-13) 图 3.2 描述了采样间隔为 1 秒时时域采样的过程。 图 3.2 时域采样 (2) 采样定理 一个在频谱区间(,mm)以外为 0 的频带有限信号 （简称带限信号）( )x
52、t可以唯一地由其均匀时间间隔sT)(1 2smTf上的取样值()sf nT确定，这就是时域采样定理。 - 20 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 如果当m时( )0X=且2sm，就可以设法（通过低通滤波器） 从采样信号中恢复( )x t； 如果2sm， 要 指 出 的 是 ： 在0f=处 ，。功率谱可以反映信号的频率结构，并且反映的是信号幅值的平方，因此其频率结构特征更为明显。但丢失了相位信息，在相位信息部重要的情况下可以采用。 ( )( )xxxxGfSf=3.2.4 截断与加窗截断与加窗 从信号的数字处理出发，对信号进行加窗处理是不可避免的，窗函数- 29 - 中国
53、矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 的作用主要有：截断信号；减少频谱泄漏；分离幅值相近的大幅值信号和小幅值信号。 1) 能量泄漏与截断误差 用计算机对连续时间信号的采样值进行 DFT 运算时，只能取有限采样点（1024，2048，4096） 。这相当于用一个高度为 1，长度的矩形计权函数乘以原时间函数，或者说是加了一个矩形窗，窗口以外的信号为零。这种有限的截取将引起信息的损失，在相应得谱图上除主频率分量外，还会出现一些附加的频率成分，引起能量的泄漏，给傅立叶变换带来误差，这种误差称泄漏误差，也叫泄漏误差。 sTNT=2) 加窗处理 为了减小截断误差，可选取一些比矩形窗泄漏小的其他
54、窗函数。在信号处理中，用其他窗函数进行截取称为加窗处理，而一般直接截取成为不加窗，实际上是加了一个矩形窗。 加窗处理，也就是对被分析信号的不同时刻的值给予不同的加权，使截断的影响尽量小。一般的选择原则是窗函数的旁瓣与主瓣高度之比尽量小，且旁瓣衰减得很快。另外，主瓣不应该太宽，即不能使频率的分辨率下降得太多。一般是以降低频率分辨率来换取泄漏的减少。 3) 窗函数 窗函数的提出通常是基于它的某种最优性质，其中一些共同特性可归纳如下： (1) 窗函数是实偶非负函数。 w(t)(2) 的傅氏变换在原点附近有主瓣，两侧有旁瓣。 w(t)( )W f(3) 为 不 失 一 般 性 ， 令在 原 点 处 为
55、 1 ， 且 宽 度 区 间 是，即 w(t)0.50.5t - 30 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 (0)( )1( )0,0.5wW f dfw tt= (3-38) 常用的窗函数主要有以下几种： (1) Rectangular 窗 Rectangular 窗可以用来分析持续时间比窗短的信号，也可以用于阶次追踪。 ( )1.0,0,1,2,1w iiN=L (3-39) (2) Hanning 窗 Hanning 窗用来分析持续时间比窗长的信号，也可以作为通用窗函数。 20.51 cos() ,0,1,21iiiyxiNN=L (3-40) (3) Hammin
56、g 窗 Hamming 窗与 Hanning 窗很相似， 只是在时域中 Hamming 窗的边缘并不趋近于 0。 20.540.46cos() ,0,1,21iiiyxiNN=L (3-41) (4) Triangle 窗 21,0,1,2iiiNyxiNN=L1 (3-42) (5) Blackman 窗 240.420.50cos()0.08cos() ,0,1,21iiiiiNNyxN+=L (3-43) 3.2.5 数字滤波器数字滤波器 - 31 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 1) 数字滤波器的基本概念 滤波器的作用是对信号进行筛选，只让特定频带的信号通过。
57、经典滤波器假定输入信号中的有用成分和噪声成分各自占据不同的频带，通过滤波器后，可将噪声成分有效出去。但如果信号和噪声的频谱互相重叠，那么经典滤波器将无能为力。现代滤波器理论研究的主要内容是从含有噪声的数据记录中估计出信号的某些特征或信号本身。一旦信号被估计出，那么估计出的信号与原信号相比将有很高的信噪比。维纳滤波器是这一类滤波器的代表，此外还有卡尔曼滤波器、线性预测滤波器、自适应滤波器等。如果滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么该滤波器的单位冲激响应也一定是离散的，称这样的滤波器为数字滤波器。 设( ),0,1,2h n n=L是滤波器的单位冲激响应。一个线性时不变因果（所谓因果是指系统的
58、输出仅取决于过去和现在的输入）滤波器若对所有（为有限正整数） ，有nNN( )0h n=，则称其为有限冲激响应滤波器（FIR）否则称之为无限冲激响应滤波器（IIR） 。 IIR、FIR 两种滤波器相比较，FIR 滤波器的输出只决定于现在和过去的输入，而 IIR 滤波器还决定于过去的输出；IIR 滤波器可以有很好的幅频特性，但其相频响应是非线性的，如果被测信号不需要线性相位，可以选择 IIR 滤波器，但被测信号需要线性相位时，必须选择 IIR 滤波器；在计算机上实现两种滤波器的功能时，在完成相同的滤波功能的情况下，IIR 滤波器所需内存更少，运行更快。 2) 数字滤波器设计概述 滤波器应该是稳定
59、的，不稳定的滤波器是无法正常工作的。设滤波器的冲激响应为，当且仅当 ( )h n- 32 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 0( ),0,1,2nh nn=Array 子模板）该函数用来分离数据缓冲区中的各通道的数据。 2)Build Array（Functions 模板Array 子模板）该函数用来将各通道的数据形成一个二维数组。 3)Bundle（Functions 模板Cluster 子模板）绑定起始值、时标及加速度数据生成一个簇，用于显示。 - 47 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 图 5.11 显示记录模块框图程序 4)New Dir
60、ectory（Functions 模板File I/O 子模板Advanced File Function 子模板）该函数用来创建一个存储目录。 5)Format Date/Time String（Functions 模板Time & Dialog 子模板）该函数用于获取系统时间作为文件名。该函数有几个格式化的参数：%Y、%m、%d、%I、%M 用于输出系统日期中的年、月、日、时、分。 6)Concatenate Strings （Functions 模板String 子模板） 该函数用于将多个字符串合并成一个字符串。 7)Build Path （Functions 模板File I/O 子模
61、板） 该函数用来创建数据文件的完整存储路径。 8)Insert Into Array（Functions 模板Array 子模板）该函数用于在数组- 48 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 的指定位置上添加一个元素。 9)Write To Spreadsheet File.VI（Functions 模板File I/O 子模板）该函数用来将采集到的数据（二尾数组）写入指定路径下的电子表格中。 该模块中采用了一个 For Loop 结构，其中嵌套一个 Case 结构，使得用户可以动态的选择要显示的通道，这也是本文通用的一种显示形式。该模块所处理的数据在数据采集模块的第 2
62、 帧程序获得，如图 5.9(c)所示；此外，时标和采样参数数组通过第 1 帧程序中创建的 Sequence Local节点获得。 开始 结束 图 5.12 数据回放模块流程 选择文件路径 读取数据 分 离 数 据 获 取 时 标 选择显示通道 显示 5.2.3 数据回放模块的设计数据回放模块的设计 数据回放模块主要用于对当前采集的数据或历史数据进行回放，以便对其进行离线的处理和分析。从指定的路径下读取数据并对其进行分离，从第一列中获取采样频率，通过运算得到显示时标，而其余几列数据即是各通道所采集的加速度数据，对其进行显示，该模块的具体流程如图 5.12 所示。 图 5.13 为数据回放模块的框
63、图程序，数据回放模块主要使用了以下三个函数： 1)Read From Spreadsheet File（Functions 模板File I/O 子模板）从指定路径下读出存储的数据（二维数组） 。 2)Index Array（Functions 模板Array 子模板）分离出电子表格中的每一列（每一通道）数据以便显示。 - 49 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 Index Array（Functions 模板Array 子模板）返回特定序号对应的数组元素的值。 图 5.13 数据回放模块框图程3) 5.2.4 数据处理模块的设计数据处理模块的设计 数据处理模块主要对采
64、集的数据进行处理，包括数字滤波和加窗两部分。该模块的具体流程如图 5.14 所示。 图 5.15 为数据采集模块的框图程序。在设计中，考虑到要适应不同的情况，提供了多种滤波函数和窗函数，包括巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、反切比雪夫滤波器、椭圆滤波器、贝塞尔滤波器以及矩形窗、海明窗、汉宁窗、三角窗、Blackman 窗、Exact Blackman 窗、Blackman-Harris窗、Flat Top 窗等，根据具体情况的不同可以动态的进行选择。另外，对于每种滤波器，还可以选择为低通、高通、带通和带阻四种类型。 数据处理模块主要采用的函数主要有： - 50 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕
65、业设计（论文）2002 1)数字滤波函数：Butterworth Filter.VI、Chebyshev Filter.VI 、 Inverse Chebyshev Filter.VI、Elliptic Filter.VI、Bessel Filter.VI（Functions 模板Analyze 子模板Signal Processing 子模板Filters 子模板） ，主要参数包括：滤波类型、采样频率、高截止频率、低截止频率和滤波器的阶数。 开始 设置相关参数 数 字 滤 波 - 51 - 2)窗函数：None（不加窗，相当于加矩形 窗 ）、 Hamming Window.VI 、 Hann
66、ing Window.VI、Triangle Window.VI、Blackman Window.VI、Exact Blackman Window.VI、Blackman-Harris Window.VI 、 Flat Top Window.VI （Functions 模板Analyze 子模板Signal Processing 子模板Windows 子模板） 。 加 窗 处 理 选择显示通道 显示 结束 图 5.14 数据处理模块流程 图 5.15 数据处理模块框图程序 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 本模块所需的各通道的加速度数据和采样频率是通过数据回放模块中Inde
67、x Array 函数分离二维数组获得的。 5.2.5 数据分析模块设计数据分析模块设计 数据分析模块主要完成振动信号的分析，包括时域分析、FFT 分析、功率谱分析三个子模块，该模块的具体流程如图 5.16 所示。 图 5.16 数据分析模块流程 功 能 选 择开始功率谱分析 时域分析 FFT分析 选择显示通道显示结束 1) 时域分析模块 时域分析模块能够显示加速度、速度、位移的波形并给出三者的峰值，同时计算加速的数据的统计特征参量，该模块的具体流程如图 5.17 所示。 - 52 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 结束图 5.17 时域分析模块流程计算加速度的统计特征参
68、量选择显示通道计算v、s及amax、vmax、smax显 示 结 果开始 图 5.18 为时域分析模块的框图程序，在该模块中，通过调用自行编写的两个子程序（如图 5.19 所示） ，来实现模块的主功能。 图 5.18 时域分析模块框图程序 - 53 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 （a）速度、位移及相应峰值的计算 (b)加速度统计特征参量的计算图 5.19 子程序 - 54 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 (1) 速度、位移及相应峰值的计算 该模块主要使用了以下几个函数： Integral x(t).VI（Functions 模板Analyz
69、e 子模板Time Domain 子模板）由加速度一次积分求得速度，两次积分求得位移。积分 VI 的算法为： 1101(4),0,1,26iijjjjyxxxdt in+=+=L1 (5-1) n数组元素的个数 Absolute Value（Functions 模板Numeric 子模板） 。 Array Max & Min（Functions 模板Array 子模板） ，由两个函数计算加速度、速度、位移序列的峰值。 消除趋势项VI 在编制子程序的过程中，设计了一个虚拟的正弦信号发生器，对其输出信号进行积分，发现一次积分曲线上叠加了直流项，二次积分曲线叠加了一个线性项，如图 5.20 所示。通
70、过查阅资料得知：当使用数值积分类运算时，在积分运算的输出端可能会发现一些不应有的成分，例如，直流项、线性项、周期长度超过样本序列长度的非常缓慢变化的周期项等，这就是所谓的趋势项9。本文编制了一个子程序来消除趋势项，其框图程序如图5.21 所示。 图 5.20 实测曲线 - 55 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 该子程序主要使用了以下两个函数： ? Array Size（Functions 模板Array 子模板） ? Linear Fit.VI（Functions 模板Analyze 子模板Mathematics 子模板Curve Fit 子模板） 图 5.21 消除
71、趋势项框图程序 (2) 加速度统计特征参量的计算 该模块主要使用了以下几个函数： Standard Deviation and Variance.VI、 RMS.VI （Functions 模板Analyze子模板Mathematics 子模板Probability Statistics 子模板）计算加速度数据的均值、方差、标准差和有效值。 Array Size（Functions 模板Array 子模板）返回数组元素的个数。 Index Array（Functions 模板Array 子模板）返回特定序号对应的数组元素的值。 该模块的加速度数据由原始加速度数据经数字滤波后获得，时标与数据回放
72、模块相同。 2) FFT 分析模块 对采集的加速度信号进行 FFT 分析，得到其幅频图，该模块具体流程如图 5.22 所示。 - 56 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 开始结束图 5.22FFT 分析模块流程 获 取 双 边 幅 值 谱转化为单边幅值谱选 择 显 示 通 道显示 图 5.23 为 FFT 分析模块的框图程序，程序中调用了一个自行编写的获取实序列单边谱的子程序来完成模块的主功能。这个子程序是通过LabVIEW 图 5.23FFT 分析模块框图程序 - 57 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 提供的实序列 FFT 分析函数获取信号的
73、双边幅值谱，并调用一个双边谱转化为单边谱的子程序来实现。计算实序列单边谱及双边幅值谱转换为单边幅值谱的框图程序如图 5.24(a)(b)所示。 (a)实序列单边谱计算框图程序 (b)双边谱转单边谱子程序 图 5.24FFT 分析模块中的子程序 FFT 分析模块中用到的函数主要有以下几个： (1) Real FFT.VI(Functions 模板Analyze 子模板Frequency Domain子模板)于计算实序列的 FFT 变换。 (2) Complex To Polar(Functions 模板Numeric 子模板Complex 子模板)实序列的 FFT 变换为复数，此函数将其转化为极
74、坐标形式。 (3) Quotient & Remainder（Functions 模板Numeric 子模板）返回两束相处得商和余数。 (4) Array Subset（Functions 模板Array 子模板）返回指定起始位置、- 58 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 指定长度的子数组。 (5) Index Array（Functions 模板Array 子模板）返回指定位置的元素。 (6) Replace Array Subset（Functions 模板Array 子模板）替换指定位置的元素或子数组。 FFT 分析模块中，各通道的加速度数据应来自数据处理模块中
75、加窗处理后的数据，频标等于每通道的采样频率与采样点数之商，而二者都被存放在数据文件的头部。 3) 功率谱分析模块 对信号进行功率谱分析，它反映的是信号幅值的平方随频率的变化，刻画频域信息更明显，该模块的具体流程如图 5.25 所示。 开始结束图 5.25 自功率谱分析模块流程计算自功率谱 转换输出格式 选择显示通道显示 图 5.26 为自功率谱分析模块的框图程序。 - 59 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 图 5.26 功率谱分析框图程序 该模块主要使用了以下两个函数： (1) Auto Power Spectrum （Functions 模板Analyze 子模板F
76、requency Domain 子模板）计算序列的自功率谱。 (2) Spectrum Unit Conversion （ Functions 模 板 Analyze 子 模 板Frequency Domain 子模板）把自功率谱的结果转化为特定的形式输出。 整个数据分析模块采用 case 结构编写，只需要在增加相应的 case，就可以方便的添加分析功能，便于进一步的开发。 5.3软件使用说明 软件系统具有两大主功能：采集振动信号并显示记录，然后回放数据- 60 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 并分析处理；再现历史数据并对其进行分析，系统前面板如图 5.27 所示。
77、图 5.27 虚拟振动测试系统前面板 - 61 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 5.3.1 操作说明操作说明 1) 前面板窗口工具栏 当进入软件系统的主界面后，屏幕上将出现系统的前面板窗口，在前面板窗口的顶部有一个易与控制的 VI 命令和状态工具栏，如图 5.28 所示。 对于工具栏中的按钮，在操作过程中最常用的是运行按钮，单击此按钮程序将运行，如果在运行程序前发现按钮呈现断裂状，表明程序由于存在错误而无法编译，如果想知道原因可单击此按钮，将弹出一个错误清单。 图 5.28 前面板窗口 2) 操作工具 主要使用 LabVIEW 的工具模板中提供的工具来操作，如图 5.
78、29 所示。工具模板可以在屏幕上任意移动，并可以防止在任何位置。如果该模板没有出现，可从 Windows 菜单下选择 Show Tools Palette 项以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标会变成相应的形状。 操作过程中常用的工具主要有： - 62 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 图 5.29 工具模板 (1) 操作工具，使用该工具来操作前面板的控制量和指示值。 (2) 位置工具，用于选择、移动或改变对象的大小。 (3) 标签工具，用于文本的输入和自由标签的创建。 3) 操作过程 一次完整的振动测试过程包含两部分的操作：首先采集信号并显示存储，然后回放
79、数据进行分析处理。 (1) 数据的采集与显示存储 如图 5.27 所示，在系统的前面板的右上角有一个功能选择开关，请用操作工具将其拨至“采集存储”。 数据采集参数设置 对于首、末通道和采样频率的设定可以采用标签工具输入，亦可用操作工具按动相应的来选择；对于采样点数的设定宜采用标签工具输入； 对于程控增益、 触发方式、 接地方式三个参数应采用操作工具按动相应的按钮来选择。 数据存储参数设置 需要输入一个存储路径，路径名是这样组织的：驱动器名后跟一个冒- 63 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 号，在跟一个反斜杠分开目录名，而文件名会自动生成，它是采集数据时系统的时间。例如
80、：于 2008 年 8 月 8 日 16 时 16 分采集了一次数据存于 D盘某文件夹下，可以这样设置：D:加速度，程序执行完毕后，可以在 D 盘中找到一个名为“加速度”的文件夹， 在其中将有一个名为“2008 年 8 月 8 日16 时 16 分”的 Excel 文件记录着采集的数据和与本次采集相关的一些信息。打开文件，将看到 9 列数据：从第二列开始，每一列依次对应着通道 0 到通道 7 的数据；第一列记录着与本次采集相关的一些信息，这些信息是用数字表示的，对用户有用的是这一列的第 1（第 2 行）到第 7（第 8 行）个数据，它们依次代表首通道、末通道、采样频率、采样点数、程控增益（0，
81、1，2，3 分别代表 1，2，4，8 倍增益） 、触发方式（0，1 分别代表内、外触发） 、接地方式（0，1 分别代表单、双端接地） 。 单击运行按钮，程序执行。 在程序执行的过程中，会在前面板左侧第一个屏幕上显示信号的波形，用操作工具单击屏幕上方的“通道#”按钮，即可观察个通道的波形。 用操作工具单击功能选择开关左侧的“停止采集”按钮，程序停止运行。 (2) 数据的回放与分析处理 用操作工具将功能选择开关拨至“回放分析”。 数据回放参数设置 用标签工具输入采样频率和采样点数；用操作工具单击，此时将弹出一个对话框，从相应的存储路径下选择本次采集的数据文件。 数字滤波参数设置 用操作工具按动或旋
82、转相应的按钮来设置滤波器的种类，类型、阶数和高、低截止频率。 - 64 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 窗函数的选择 用操作工具按动相应的按钮来选择窗函数的种类。 单击运行按钮，程序执行。 在程序执行的过程中，会在前面板左侧第二个屏幕上再现各通道信号的波形，用操作工具单击屏幕上方的“通道#”按钮，即可观察个通道的波形；在第三个屏幕上将显示滤波、加窗后的信号波形，如果窗函数选择“None”，则显示的是只进行滤波处理而不加窗的波形，在程序执行的过程中，也可以改变滤波器和窗函数的种类；前面板的最下方是软件系统的数据分析模块， 程序执行的过程中， 用操作工具分别单击“时域分析
83、”、 “FFT分析”、“功率谱分析”按钮，即可看到分析结果，在每一种分析功能下，单击“通道切换”按钮，就可以看到每个通道的情况。 用操作工具单击功能选择开关左侧的“Exit”按钮，程序停止运行。 对于历史数据的回放与分析，采样频率有目录名获得，采样点数在形应的数据文件中获得，其操作与上述叙述相似，在此不再赘述。 4) 游标和 Graph 模板的使用方法 (1) 游标 游标用来读取波形上某点的坐标值，游标所在点的坐标值显示在游标图例中。如图 5.30 所示，名为 Cursor 0 的游标的坐标为(8.13666，2.0241)。游标图例右侧有三个按钮：移动控制按钮决定游标是否接受游标移动器的移动
84、控制；游标外观按钮控制游标的外观和视觉效果；移动方式按钮确定是否锁定游标的移动路径。使用方法如下： 图5.30游标图例 - 65 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 用操作工具单击移动方式按钮，选择“Allow Drug”，此时游标允许移动，反之游标被锁定； 在选择“Allow Drug”的情况下，若选择“Free”，则游标可随意被移动；若选择“Lock to plot”， 则游标移动的路径被锁定在曲线上， 被锁定的的曲线在菜单的最下面选择。 (2) Graph 模板 Graph 模板用来选择鼠标的操作模式，如图 5.31 所示。模板上有三个按钮，按下十字标志按钮将操作模
85、式切换为普通方式；标志为放大镜的按钮是缩放按钮；标志为手型的按钮是平移工具，用于在显示屏上移动可是区域。 用操作工具单击缩放按钮，弹出菜单中一共有六个选项：第一行的三个选项分别是按鼠标拖拽出的矩形放大、按鼠标拖拽出的水平、垂直范围放大；第二行第一个选项取消最近一次的缩放操作；第二个选项是在显示区内，按鼠标的所在点的位置放大，放大从鼠标按下开始直至释放鼠标为止；第三个选项与第二个相同，但作用是缩小。 5.3.2 操作中应注意的问题操作中应注意的问题 在软件的使用过程中，以下几个问题时需要注意的： 1)在数据采集的参数设置过程中， 首通道序号应不大于末通道序号； 采样频率不能低于 1HZ。 2)设
86、置存储路径时，应保证目录名不重复。 3)在滤波器的高、 低截止频率设置过程中， 如果1f为低截止频率，2f为高截止频率，sf为每通道的采样频率，应保证：120.5sfff。 4)当关闭整个软件系统时，将出现如图 5.31 所示的对话框，请一率单- 66 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 击“Dont save”。 图 5.31 对话框 5) 设置默认值的方法 为了方便地实用软件，对于一些相对固定的值可以将其设置为默认值，设置的方法是：用标签工具输入要设定的值，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选择“Data Operation”下的“Make Current Value D
87、efault”即可。 5.4 软件系统的测试软件系统的测试 由于时间有限，毕业设计期间整个诊断系统尚未搭建起来，为测试软- 67 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 件系统的运行状况，采用信号发生器的输出信号来模拟实际的振动信号。 2006 年 6 月 4 日 12 时 00 分， 使用 HP 公司 HEWLETT 54602A 型示波器，固纬电子实业股份有限公司 GFG-8255A 型函数信号发生器，阿尔泰公司 USB-2002 型数据采集卡及相应的接线端子板等对虚拟振动测试系统进行了测试，实验设备如图 5.32 所示。 图 5.32 软件系统测试实验设备 测试步骤如下
88、： 1)利用信号发生器的输出正弦信号，并用示波器测得各参数为：频率f=123.8Hz，最大值 Vmax=296.9mV，峰-峰值 Vp-p=571.9mV。 2)将信号接入数据采集卡的输入通道。 由于工具有限， 只在数据采集卡的 0 通道接入了信号，其余通道的运行是类似的。 3)运行程序，开始测试。图 5.32 是程序运行过程中的一些情况。 图(a)显示的是在采样频率为 100KHz、采样点数为 2048 的情况下，采集到的信号发生器的输出信号；图(b)显示的是数据回放的情况；图(c)显示- 68 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 的是采用低通滤波器且不加窗的情况，此时
89、的截止频率为 2000Hz；图(d)显示的是截止频率为 10Hz 的情况；图(e)显示的是加汉宁窗的情况；图(f)、图(g)、图(h)分别显示时域分析、FFT 分析、功率谱分析的结果。 从图(d)中可以看到，在截止频率小于信号频率的情况下，信号没有完全被截止，这主要是因为信号发生器自身的输出信号含有更复杂的频率成分，从图(g)中可以看到这一点；图(f)中，加速度的最大值为 299.981m/s2，（假设灵敏度为 1mV/ms-2）大于由示波器测得的 296.9mV，这可能是因为数字积分算法的误差造成的，需要加以校正；图(g)显示的信号的频率基本是正确的，但幅值有一定的误差，这是由于截断造成能量
90、泄露导致的。 （a）数据采集与显示 （b）数据记录与回放 - 69 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 （c）数据处理 1(d)2数据和处理(e)数据处理 3- 70 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 (f)时域分析（g）FFT 分析 （h）功率谱分析 图 5.32 软件系统测试结果 - 71 - 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 72 - 结 论 本课题是以香蕉直线振动筛的状态监测和故障诊断为主要应用背景，设计以虚拟仪器为核心的数据采集和分析处理系统。硬件电路由前端的调理电路和数据采集卡组成，软件系统包括数据采集模块、显示
91、记录模块、数据回放模块、数据分析模块和数据处理模块。 软件系统主要具有以下的功能： （1） 8通道振动信号的并行采集、显示和存储。 （2） 当前采集的数据或历史数据的回放，同时可显示任意点的坐标值，并能对波形的局部进行放大以便观察。 （3） 多种数字滤波器和窗函数的自由选择。 （4） 时域分析能够同时显示各通道加速度、速度、位移的波形，并能计算多种统计特征参量。 （5） 振动信号的频域分析，包括FFT分析和功率谱分析。 （6） 方便地添加分析模块，便于二次开发。 软件系统存在的一些问题： （1） 软件系统缺少小波分析模块。 （2） 软件系统应具备打印的功能。 （3） 应能对某些特定过程中的信号
92、详细的记录。 （4） 软件系统将采集的数据记录在Excel文件中， 存储速度相对较慢。 （5） Case结构过多，影响执行速度。 由于毕业设计前并未接触过LabVIEW这种编程语言，加之知识、时间有限，软件系统有诸多的缺陷是在所难免的，希望我的成果能为这个大的课题提供一些参考。 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 73 - 参考文献参考文献 1 邓晓阳，周少雷，解京选.选煤厂机械设备安装使用与维护.徐州：中国矿业大学出版社，2004，91-96 2 孙传友，孙晓斌，汉泽西等.测控系统原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，2002，275-278 3 汪敏生.LabVI
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95、波 ， 殷 祥 超 . 机 械 设 备 故 障 信 号 检 测 的 LabVIEW 实 现 . 煤 矿 机械.2005(4):137-139 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 74 - 16 魏晨阳，朱建强.基于LabVIEW和声卡的数据采集系统.微计算机信息.2005，21(1):45-47 17 杨桂香.选煤厂直线振动筛故障分析和治理.内蒙古煤炭经济.2001增刊:17-19 18 祁晓英.旋转机械虚拟振动测试分析系统研究与开发硕士论文.南京：东南大学，2004 19 王宝强.基于LabVIEW的大型旋转机械状态监测与故障诊断系统开发硕士论文.大连：大连理工大学，2
96、005 20 孔凡平.基于LabVIEW的虚拟实验仪器的设计与实现硕士论文.陕西：陕西科技大学，2004 21 山西大同马脊梁洗煤厂资料 22 北京阿尔泰科技有限公司网站：www.art- 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 - 75 - 致致 谢谢 本论文是在指导教师薛光辉的悉心指导下完成的。薛老师多次询问我毕业设计的进程，为我指点迷津、开拓思路、精心点拨、热忱鼓励。薛老师严肃的科学态度、严谨的治学精神、一丝不苟的工作作风深深地感染和激励着我。虽仅历时四月，却终生受益。 感谢指导研究生赵国瑞、苏明辉。感谢你们在出差期间给我的照顾，在毕业设计期间给我的帮助，这篇论文的每个细节都离不开你们的指导。 感谢课题组的其他成员：王铁利、肖华、庄德玉。 感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。 感谢我的父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
