第 24 卷第 5 期 VOI.24 NO.5 ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! JOurnaI Of Chang Chun Teachers COIIege（NaturaI Science） 长春师范学院学报（自然科学版） 基于 LabVIEW 编程语言的重采样阶次比分析研究 2005 年 11 月 NOv.2005 万德安，王远程，赵永杰 （同济大学现代制造技术研究所，上海 200092） ［摘 要］阶次分析是旋转体机械振动监测及故障诊断的最重要方法之一，因为转速的波动会使频谱 图上基频以及各次谐波分量变得模糊。基于重采样原理的阶次分析是实现信号从等时采样到等角度采 样的一种信号处理方法，它主要能解决因转速波动而产生的谐波分量重叠所带来的困难。本文主要通 过对比基于 LabVIEW 编程语言的频谱分析和阶次比分析在研究变速旋转体振动信号中的优劣势，深 入探讨实现阶次比分析的原理过程。 ［关键词］LabVIEW；谐波；重采样；快速傅立叶变换；频谱分析；阶次比分析 ［中图分类号］TP273 ［文章编号］1008 - 178X（2005）05 - 0016-03 ［文献标识码］A 1 前言 LabVIEW 是美国 NI 公司推出的一套图形化编程语言，它以其强大的功能为测试技术带来新的解 决问题的方法。本文先着重分析重采样的原理，然后利用 LabVIEW 实现普桑系列变速箱输入轴的周 期性振动信号阶次分析，并通过对比阶次分析和频谱分析，进一步说明阶次分析在旋转体机械振动信 号分析中能解决的关键问题。 2 重采样阶次分析的原理 阶次分析是一种用于旋转体机械系统故障分析的方法。在转子系统中，某些振动频率总与轴频 （基频）有一定的比值关系。当转速变换时，基频和整个系统的振动频率都会产生变化，但系统各频 率成分和基频的比值是不会变的。如果通过一定的变换，把振动信号频谱图的频率坐标改换为阶次 （即振动频率与转轴频率之比），那么在这种阶次谱上就可以避免一般频谱图上由于转速波动而造成的 谱线分散和幅值量度不准等问题，这就是阶次分析。 要实现阶次分析，必须对振动信号进行等转角采样。等角度采样是指采样的触发时间为旋转机械 每转一定的角度的时间间隔。例如每转采样 12 点，则为每转过 30 度触发一次采样，若转子不是匀速 转动，那么采样间隔在时域上则不是均匀分布的。这就是振动信号的重采样过程，对按等角度采样的 数据进行快速傅立叶变换（FFT）就得到了重采样阶次分析谱，其硬件原理如图 1 所示。 图 1 重采样阶次分析原理图 从图 1 中可以看出，转速计每转提供一个脉冲，改脉冲送入比例合成器，这实际上是一个锁相倍 频电路，它将转速脉冲 n 倍频，从而实现每转提供 n 个触发脉冲到模数转换器（A/D），A/D 在这些触 ［收稿日期］2005 - 09 - 14 ［基金项目］上海汽车基金会资助项目（编号 0502） ［作者简介］万德安（1941 - ），浙江杭州市人，同济大学现代制造技术研究所首席责任教授，博士生导师，从事精密 测试与精度控制、设备故障等方面研究。 ·61· 

发脉冲的控制下进行采样。同时，比例合成器根据触发脉冲的时间间隔来控制抗混叠滤波器，这种抗 混叠滤波器实际上是一个跟踪滤波器。将重采样的信号进行 FFT 变换就可得到阶次分析谱。用等角度 重采样可以将非稳定周期性信号转化为稳定的周期性信号。同时，在这一转换过程中，不能丢失任何 重要信号信息。这一过程具体怎么实现，效果如何？下面将用 LabVIEW 加以形象地说明。 3 用 LabVIEW 实现阶次分析 首先，分析一下所要研究的周期性振动信号。 图 2 普桑变速箱输入轴三档主要结构参数 当输入轴从 2400 r/m 上升到 3600r/m，即基频从 40HZ 上升到 60HZ 这一过程中，谐波分量依次出 现在第 7 阶，第 14 阶，第 18 阶，第 22 阶和第 28 阶。 可以模拟输入轴的周期性振动信号的表达式为：y = 5sin（80!t +!/4） 轴匀加速上升到 3600r/m，终点的周期性振动信号为：y = 5sin（120!t +!/4） 频为 40HZ 基频为 60HZ 在模拟振动源中我们还加入了白噪声信号。 接着，我们就可以探讨一下如何利用 LabVIEW 实现阶次分析过程。重采样阶次分析的本质是等 角度采样，在转速有波动的情况下是非等时采样。可以利用主程序控制采样时间，这一控制过程的依 据是转速的变化，即根据基频来对信号进行重采样。用 LabVIEW 取振动信号的四个周期，每个周期 的采样点数为 256，每次显示 1024 个采样点的计算结果。由公式 采样频率 = 信号频率 > 每周期采样 点计算出采样频率，然后再对重采样后的一维数组作 FFT 变换即可得 阶次分析谱。图 3 是实现重采样的部分控制程序。整个程序主要由以 下几个模块组成：周期性振动信号控制程序，模拟加速控制程序，重 采样控制程序，单边傅立叶变换程序。 在实现阶次分析过程中，定阶次分辨率为 0. 25 阶，根据公式： 最高阶次 = 1/2 > 采样长度 > 分辨率 由于所取的采样长度为 1024，代入上面的公式，可以得到最高阶 次为 128 阶。重采样是实现阶次分析重要的一种途径。同样也可以进 行等时采样，在获得转速信号的前提下，进行线性插值，从而获得重 采样后的一维数组信号。这里所采用的是等角度重采样原理，实现起 来效率高，实时性好。 最后，我们比较一下阶次分析和一般的频谱分析在研究旋转体周 期性振动信号中的优劣势。下面是 LabVIEW 的前面板（ front paneI）， 它实际上是一个虚拟仪器（virtuaI instrument），对应于源程序（bIock diagram），是程序的结果显示。同 样还是看下面的例子，如图 4 所示。 图 3 重采样控制源程序 图 4 是转轴从 2400r/m（40HZ）匀加速到 3600r/m（60HZ），基频刚好为 50. 016HZ 时，所截取的整个系 统振动信号分析。左图为阶次分析谱，右图为频谱图。按照理论分析，在阶次分析谱中，能量值应该出 现在第 7 阶，第 14 阶，第 18 阶，第 22 阶，第 28 阶。而在频谱图中，对应的应该在 50HZ，350HZ，900HZ， 1100HZ，1400HZ 出现能量值。很明显，阶次分析谱在整个加速过程中信号分析一直非常稳定，符合理论 ·71· 

分析结果。而频谱图的能量值在加速过程中，沿着横坐标在不停地叠加和跳动，最后的结果也明显不符 合理论分析。同理，可以分析一下基频为 30. 008HZ 时的系统振动信号，如图 5 所示。 图 4 基频为 50.016HZ 时的振动信号分析 图 5 基频为 30.008HZ 时的振动信号分析 通过上面的对比分析，可以看到阶次分析在旋转体机械振动信号分析中能解决因转速波动而带来 的信号重叠问题。 4 小结 阶次分析在旋转体机械故障诊断分析中被广泛地应用。它解决了转速波动所带来的信号重叠问 题。重采样是实现阶次分析的必要途径，是一种非常有用的信号转换方法。 ［参 考 文 献］ ［1］虞和济，韩庆大，李沈等 . 设备故障诊断工程［M］. 北京：冶金工业出版社，2001，6 . ［2］张正松等 . 旋转机械振动监测及故障诊断［M］. 北京：机械工业出版社，1991，11 . ［3］杨乐平等 . LabVIEW 高级程序设计［M］. 北京：清华大学出版社，2003，4 . ［4］Richard Jennings，等 . 陆劲昆译 . LabVIEW 图形编程［M］. 北京：北京大学出版社，2002，1 . ［5］王江萍 . 机械设备故障诊断技术及应用［M］. 西安：西北工业大学出版社，2001，8 . The Research On Resampling Order Analysis Based On LabVIEW WAN De - an，WANG Yuan - cheng，ZHAO Yong - jie （The Institute of the TechnoIogy of Modern Production，Tongji University，Shanghai 200092，China） Abstract：Order anaIysis is regarded as one of the most important method for inspecting and anaIyzing rotationaI ma- chinery，because the variety of rotationaI speed wiII make the fundamentaI freguency and its harmonics mixed and fIop in the spectrum. The order anaIysis based on resampIing is a signaI processing which turns the constant time in- tervaI sampIing to constant angIe intervaI sampIing，it mainIy soIve the difficuIties because of the variety of the rota- tionaI speed . Through comparing the advantage and disadvantage between spectrum and order anaIysis，the text wiII discuss the order anaIysis from a deep perspective . Key words：LabVIEW；harmonics；resampIing；FFT；spectrum；order anaIysis ·81· 

基于LabVIEW编程语言的重采样阶次比分析研究 作者： 万德安， 王远程， 赵永杰， WAN De-an， WANG Yuan-cheng， ZHAO Yong-jie 作者单位： 刊名： 同济大学现代制造技术研究所,上海,200092 长春师范学院学报（自然科学版） 英文刊名： JOURNAL OF CHANGCHUN TEACHERS COLLEGE(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)： 2005,24(5) 1次 被引用次数： 参考文献(5条) 1.虞和济.韩庆大.李沈 设备故障诊断工程 2001 2.张正松 旋转机械振动监测及故障诊断 1991 3.杨乐平 LabVIEW高级程序设计 2003 4.Richard Jennings.陆劲昆 LabVIEW图形编程 2002 5.王江萍 机械设备故障诊断技术及应用 2001 本文读者也读过(5条) 1. 田昊.栾军英.郑海起.俞文文.高永生.TIAN Hao.LUAN Jun-ying.ZHENG Hai-qi.YU Wen-wen.GAO Yong- sheng 基于LabVIEW的重采样阶次分析技术[期刊论文]-军械工程学院学报2005,17(4) 2. 栾军英.杨通强.郑海起.唐力伟.靳秀文.LUAN JunYing.YANG TongQiang.ZHENG HaiQi.TANG LiWei.JIN XiuWen 非定比传动机械的计算阶次分析[期刊论文]-机械强度2006,28(z1) 3. 汪伟.杨通强.王红.王平 非稳态信号计算阶次分析中的重抽样率研究[会议论文]-2008 4. 肖丹.张勇.刘君华 基于LabVIEW的相关信号提取仪的设计[会议论文]-2007 5. 陈红.彭真明.王峻.洪余刚.邹文.CHEN Hong.PENG Zhen-Ming.WANG Jun.HONG Yu-Gang.ZOU Wen 地震信号 分数阶Gabor变换谱分解方法及应用[期刊论文]-地球物理学报2011,54(3) 引证文献(1条) 1.刘超华.赵勇.杨俊东 基于LabVIEW的重力仪仿真与测试系统设计[期刊论文]-现代电子技术 2011(10) 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_ccsfxyxb-z200505006.aspx