DOI:10.13436/j.mkjx.2012.05.012 第 33 卷第 05 期 2012 年 05 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.33No.05 May. 2012 基于虚拟仪器与傅氏变换的振动位移测量修正方法 戴庆辉， 唐 猛 （华北电力大学， 河北 保定 071003） 摘 要： 根据振动加速度信号与位移信号之间的关系， 提出了一种基于虚拟仪器与傅氏变换 的振动位移测量修正方法。 利用加速度传感器、信号调理设备、数据采集卡、PC 机组成振动位移测 量的硬件设备，利用图形化编程语言 LabVIEW 开发数据采集程序，并实现基于傅氏变换的振动位 移测量修正方法。 在转子试验台上完成实际转子系统的振动测试，利用该虚拟仪器系统完成信号 的采集， 并利用基于傅氏变换的振动位移测量修正方法完成振动加速度信号至位移信号的转换 。 与实测位移信号的对比结果证明了该方法的有效性。 关键词： 虚拟仪器； 傅里叶变换； 数值积分； LabVIEW 中图分类号： TH825； TP311.1 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2012）05 － 0202 － 02 Measurement and Correction Method of Vibration Displacement Based on Virtual Instruments and Fourier Transform DAI Qing-hui， TANG Meng （North China Electric Power University, Baoding 071003， China） Abstract: According to the relationship between the vibration acceleration signal and the displacement signal, a virtual instrument is presented based on Fourier transform of the vibration and displacement measurement correction method. Fourier transform -based vibration displacement measurement correction method is established by using acceleration sensors, signal conditioning equipment, data acquisition card，PC，component vibration displacement measurement hardware, and graphical programming languages （LabVIEW） data acquisition program. In the rotor system vibration test, the virtual instrument system is used to complete the signal acquisition, and Fourier transform -based vibration displacement measuring correction method is used to complete the conversion from vibration acceleration signal to the displacement signal. The results of comparison with the measured displacement signal demonstrate the effectiveness of the method. Key words: virtual instruments； Fourier transform； numerical integration； LabVIEW 0 引言 虚拟仪器由测试硬件及应用软件组成，由于其 具有开发周期短、可扩展、性价比高等特点，选择好 合 适 的 测 试 硬 件 并 开 发 相 应 的 应 用 软 件 就 可 快 速 地完成特定的测试测量任务要求。 本文利用压电式加速度计、 信号调理设备、数 据采集卡 、PC 机和虚 拟仪器开 发软件 LabVIEW 来 进行转子系统振动位移的测量，并提出了一种基于 傅里叶积分变换性质消除趋势项的软件积分方法。 通 过 对 实 际 转 子 振 动 位 移 信 号 与 加 速 度 信 号 2 次 积分后的振动位移信号比较，说明了基于虚拟仪器 与 傅 氏 变 换 的 振 动 位 移 测 量 方 法 可 有 效 地 测 量 系 统的振动位移，完成测试测量目的。 1 硬件构成 本 文 利 用 ICP 加 速 度 计 、信 号 调 理 设 备 、数 据 采集卡、PC 机组建振动位移测量的硬件系统， 该硬 件系统的结构示意图如图 1 所示。 传感器选用 ICP 加速度传感器。 将传感器安装 在转子系统的轴承座上用来测量转子的径向振动。 2 1 信号调理设备 数据采集卡 PC 机 图 1 硬件系统示意图 1. 电动机 2. 加速度传感器 信 号 调 理 设 备 主 要 包 括 为 ICP 加 速 度 传 感 器 提供电压和电流激励的恒流源、隔直电容以及具有 抗混叠滤波功能的滤波装置。 数据采集卡选用 NI9205， 其主要技术参数为： 32 路 单 端 模 拟 输 入 通 道 （16 路 差 分 模 拟 输 入 通 道）；16 位分辨率；最大电压输入范围为-10~+10 V； 最大采样速率为 250 ks/s。 数采卡的主要功能为对 电压模拟信号进行 A/D 转换，并与上位机进行数据 通信。 PC 机接收数据采集卡传来的数据，根据传感器 的技术参数将数据转换成振动加速度值，最后利用 算法将加速度信号转换成振动位移信号。 202 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

基于虚拟仪器与傅氏变换的振动位移测量修正方法———戴庆辉，等 Vol.33No.05 过图 5 与图 6 的对比， 可以看出基于傅氏变换的振 动位移修正算法可以有效地将振动加速度信号变换 成振动位移信号。 2 - / ·s m 度 速 加 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 -0.05 -0.10 -0.15 -0.20 -0.25 0 / m m 移 位 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 / m m 移 位 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 0 5 结语 第 33 卷第 05 期 2 程序及算法设计 本文利用图像化编程软件 LabVIEW 来编写振 动信号采集的软件系统 ， 并利用 LabVIEW 实现基 于 FFT 的振动位移修正算法。 利用 NI 数采卡提供的 NI-DAQmx 驱动软件完 成 数 据 采 集 卡 的 采 样 参 数 配 置 及 信 号 采 集 工 作 。 NI-DAQmx 具有多线程、智能同步、多态等特性，使 编程变得简洁高效。 数据采集主程序框架采用事件响应机制，在设 置 好 采 集 通 道 、采 样 频 率 等 参 数 后 ， 利 用 “ 开 始 采 集 ”布尔 控 件 值 的 改 变 来 启 动 程 序 ，完 成 振 动 信 号 的采集、显示及保存。 3 基于 FFT 的振动位移测量修正算法 设信号 x（t）的傅里叶变换为 X（ω），对信号进行傅里叶 t -∞乙 x（t）dt→ 1 jω 变换后再利用傅里叶变换的积分特性 gX（ω） 在频域内进行相应的处理，最后利用傅里叶逆变换 同样可实现信号的积分。 对信号进行 2 次积分后， 频域上表现为- 1 ω2 X（ω）。 因为积分所产生的趋势项 多为低频信号，在进行傅里叶逆变换之前可设定一 个低频截止频率，将截止频率前的幅值设为 0，然后 再进行傅里叶逆变换，即可消除趋势项，完成振动信 号积分运算，基于傅氏变换的振动位移测量修正算 法具体流程如图 2 所示。 加速度信号 x（t） 傅氏变换 X（ω） 二次积分特性转换 S（ω）＝－ 1 ω2 X（ω） 设定低频截止频率 S（ω）＝0|ω∈［0，ω0］ 傅里叶逆变换 位移信号 s（t） 图 2 基于傅氏变换的振动位移修正算法流程图 4 转子系统实际振动测试 在 转 子 实 验 台 上 完 成 实 际 转 子 系 统 的 振 动 测 试， 利用本文设计的虚拟仪器系统完成转子系统的 振动加速度信号采集，并利用基于傅氏变换的振动 位移测量修正方法对振动加速度信号进行转换。 设 定信号的采样频率为 1 600 Hz，当转子转速稳定到 3 000 r/min 时，所采集的振动加速度信号的时域波 形如图 3 所示，利用基于傅氏积分变换特性修正后 及实际振动位移信号如图 4 所示。从图 4 可以看出， 本文所利用的基于傅氏变换的振动位移测量修正方 法具有较高的精度。 为了同其他方法相比较，利用最小二乘法对时 域积分后的信号进行修正，拟合阶数设定为 1，一次 积分修正后的振动速度信号如图 5 所示，从图 5 可 以看出，虽然进行了修正但是信号还是存在明显的 趋势项。 二次积分后的振动位移信号如图 6 所示， 由于振动速度信号趋势项的存在，即使利用最小二 乘法对其进行修正拟合，积分后的振动位移信号还 是出现严重偏移，已经不具有任何的参考意义。 通 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.5 时间/s 图 3 振动加速度信号 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.5 时间/s 图 4 实测位移信号及积分修正后的位移信号 1 - / ·s m 度 速 0.000 8 0.000 6 0.000 4 0.000 2 0 -0.000 2 -0.000 4 -0.000 6 -0.000 8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 时间/s 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 图 5 一次积分 LSM 修正后振动速度信号 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 时间/s 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 图 6 二次积分后的振动位移信号 本文利用加速度计、 信号调理设备、 数据采集 卡、PC 机组成测量振动位移信号的硬件系统， 利用 图形化编程软件 LabVIEW 开发数据采集程序及基 于傅氏变换的振动位移修正算法程序。 在转子试验 台上完成了实际转子的径向振动位移测量， 与实测 振动位移信号的对比结果证明了， 该方法可以有效 地将振动加速度信号变换成振动位移信号， 很好地 抑制了积分过程中趋势项的影响， 较时域积分修正 方法具有明显的优越性， 能够达到实际振动测试的 任务要求。 参考文献： ［1］黄 剑. 虚 拟 仪 器 技 术 及 应 用 综 述 ［J］. 计 量 与 测 试 技 术 ，2010(4)： 42-43. ［2］李智勇. 基于频域积分的振动 信 号 处 理 方 法 ［J］. 汽 车 科 技 ，2009 ［3］李 东 文 ，熊 晓 燕 ，李 博. 振 动 加 速 度 信 号 处 理 探 讨 ［J］. 机 电 工 程 (5)：28-30. 技术，2008，37(9)：50-52. ［4］陈 为 真 ，汪 秉 文 ，胡 晓 娅. 基 于 时 域 积 分 的 加 速 度 信 号 处 理 ［J］. 华中科技大学学报（自然科学版），2010，38(1)：1-4. ［5］刘兆妮，雷振山.位移振幅精确测量方法研究［J］. 工具技术，2003，37 (8)：46-48. ［6］解培中，周井泉. 信号时域积分性质的 一 个 推 广 应 用 ［J］. 电 气 电 子教学学报，2002，24(6)：32-34. 作 者 简 介 ： 戴庆辉（1958- ），河北枣强人，教授，主要从事工业工 程、电力设备和先进设计等领域的研究，电子信箱: dqh6789@126.com. 责任编辑：马宝玲 收稿日期：2011－12－12 203 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net