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摘 要 基于LabVIEW，研制设备状态检测及故障诊断实验教学系统。在该系统上，可实现检测信号的存储、显示等过程，也可实现信号的时域分析、频谱分析、时频分析、功率谱分析、倒谱分析、解调分析等多种信号处理方法，还可通过模式识别技术将检测信号进行融合，实现设备运行状态的智能诊断。该实验系统有助于学生直观地学习信号处理方法，培养学生动手设计虚拟仪器的能力，为教师的科研工作创造一个先进的实验平台，具有很强的实用性。
关键词 LabVIEW；状态检测；实验教学系统
中图分类号：TP315 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)24-0102-02
1 引言
设备状态检测与故障诊断是一门实践性很强的综合性学科，创建综合性的设备状态检测与故障诊断实验平台，使学生不仅能完成课程的验证性实验，而且能进行创新性实验，对于培养学生解决实际问题的能力至关重要。LabVIEW是图形化编程语言，采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序，是一个标准的数据采集和仪器控制软件[1]。基于LabVIEW，研制多方法、多参量综合应用的设备状态检测与诊断实验教学系统。在该系统上，可实现设备信号的数据分析、数据存储、数据显示等过程，也可实现信号的时域分析、频谱分析、时频分析、功率谱分析、倒谱分析、解调分析、小波分析等多种处理信号方法，还可将处理得到的关键特征信号作为故障的主要征兆，通过模式识别技术将设备信号进行融合，实现设备故障的智能诊断。
2 实验系统硬件的构架
设备状态检测及诊断实验系统的硬件是以计算机为核心的可编程数据采集系统，由传感器、信号调理器、数据采集卡组成。该电信号经过前置放大器放大后，输入信号调理器进行信号调理和放大处理。放大后的模拟信号由同步数据采集卡转换成数字信号，并送到服务器进行处理。数据采集卡采用PCI总线，有16通道可供选择，系统可设置成单通道或者多通道。每个通道使用独立的A/D转换芯片，由触发卡为所有测量通道提供时钟信号，作为每个采集通道的A/D转换时钟，以确保各通道之间严格同步采集。各通道采用独立程控放大器及8极点Butterworth抗混叠滤波器。每个信号输入通道采用ICP恒流源供电，直接与内置放大器的ICP型压电传感器连接。信号调理放大器的增益、抗混叠滤波器的截止频率和A/D转换器的采样速率等均可由计算机程控实现。
3 系统软件设计
与设备状态有关的特征信息，是设备状态检测的核心问题。当设备发生早期故障时，其信号往往表现为强噪声背景下的微弱特征信号，具有非平稳性。处理故障引起的非平稳信号，需要应用时域波形分析、数字滤波、相关分析等方法对设备检测信号进行预处理，然后应用统计分析、功率谱分析、细化谱分析、倒谱分析、解调分析等信号特征提取方法，提取设备检测信号的特征值[2]。针对设备中非平稳信号的时频特征，可以采用小波分析等方法来提取[3]。图1为设备状态检测及诊断实验系统的软件结构。
4 设备状态检测及诊断实验系统的实现
使用设备状态检测及诊断实验系统进行实验时，根据需要，可以对系统提供的数据预处理方法和特征提取方法进行任意组合，提取多个特征参数，以取得最好的诊断效果。譬如，将相关分析和解调分析相结合，得到的时延相关解调法就具有良好的降噪解调性；而在解调技术的带通滤波器设计环节，系统采用小波变换来代替带通滤波器，可以得到原始检测信号在不同频率段的特性。通过这些方法，可将原始测量信号中较分散的信息凝聚在最敏感的特征量向量上。利用敏感特征向量，通过模式识别技术对设备的健康状况进行智能诊断，并作出相应的维护决策。
该系统可设置成单通道或者多通道显示和分析。系统中的各种算法可根据需要进行选择、添加或者删除，完成对设备状态的检测和诊断。该虚拟实验系统可以实现对信号的真实测量，同时，它具有丰富的信号分析、处理和表示功能，可用于相应专业基础课的课堂演示，使学生直观地了解各种信号处理方法，并可利用LabVIEW编写子VI，嵌入到实验系统软件中，培养学生动手设计虚拟仪器的能力，掌握先进的测试技术。
5 结束语
通过强大的图形编程语言LabVIEW与现有的硬件设备相结合，创建设备状态检测与诊断实验教学系统。学生在进行实验操作，获取实验数据的过程中，将理论与实践结合，加深对知识的理解。同时，该系统还给学生的实验留出充足的创造性思维空间，激发学生参与创新性实验的积极性，更好地培养学生的创新意识、动手能力以及勇于探索的创新精神。
参考文献
[1]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007
[2]陈长征,胡立新,周勃,等.设备振动分析与故障诊断技术[M].北京:科学出版社,2007
[3]何正嘉,訾艳阳,孟庆丰,等.机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2001
关键词 LabVIEW；状态检测；实验教学系统
中图分类号：TP315 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)24-0102-02
1 引言
设备状态检测与故障诊断是一门实践性很强的综合性学科，创建综合性的设备状态检测与故障诊断实验平台，使学生不仅能完成课程的验证性实验，而且能进行创新性实验，对于培养学生解决实际问题的能力至关重要。LabVIEW是图形化编程语言，采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序，是一个标准的数据采集和仪器控制软件[1]。基于LabVIEW，研制多方法、多参量综合应用的设备状态检测与诊断实验教学系统。在该系统上，可实现设备信号的数据分析、数据存储、数据显示等过程，也可实现信号的时域分析、频谱分析、时频分析、功率谱分析、倒谱分析、解调分析、小波分析等多种处理信号方法，还可将处理得到的关键特征信号作为故障的主要征兆，通过模式识别技术将设备信号进行融合，实现设备故障的智能诊断。
2 实验系统硬件的构架
设备状态检测及诊断实验系统的硬件是以计算机为核心的可编程数据采集系统，由传感器、信号调理器、数据采集卡组成。该电信号经过前置放大器放大后，输入信号调理器进行信号调理和放大处理。放大后的模拟信号由同步数据采集卡转换成数字信号，并送到服务器进行处理。数据采集卡采用PCI总线，有16通道可供选择，系统可设置成单通道或者多通道。每个通道使用独立的A/D转换芯片，由触发卡为所有测量通道提供时钟信号，作为每个采集通道的A/D转换时钟，以确保各通道之间严格同步采集。各通道采用独立程控放大器及8极点Butterworth抗混叠滤波器。每个信号输入通道采用ICP恒流源供电，直接与内置放大器的ICP型压电传感器连接。信号调理放大器的增益、抗混叠滤波器的截止频率和A/D转换器的采样速率等均可由计算机程控实现。
3 系统软件设计
与设备状态有关的特征信息，是设备状态检测的核心问题。当设备发生早期故障时，其信号往往表现为强噪声背景下的微弱特征信号，具有非平稳性。处理故障引起的非平稳信号，需要应用时域波形分析、数字滤波、相关分析等方法对设备检测信号进行预处理，然后应用统计分析、功率谱分析、细化谱分析、倒谱分析、解调分析等信号特征提取方法，提取设备检测信号的特征值[2]。针对设备中非平稳信号的时频特征，可以采用小波分析等方法来提取[3]。图1为设备状态检测及诊断实验系统的软件结构。
4 设备状态检测及诊断实验系统的实现
使用设备状态检测及诊断实验系统进行实验时，根据需要，可以对系统提供的数据预处理方法和特征提取方法进行任意组合，提取多个特征参数，以取得最好的诊断效果。譬如，将相关分析和解调分析相结合，得到的时延相关解调法就具有良好的降噪解调性；而在解调技术的带通滤波器设计环节，系统采用小波变换来代替带通滤波器，可以得到原始检测信号在不同频率段的特性。通过这些方法，可将原始测量信号中较分散的信息凝聚在最敏感的特征量向量上。利用敏感特征向量，通过模式识别技术对设备的健康状况进行智能诊断，并作出相应的维护决策。
该系统可设置成单通道或者多通道显示和分析。系统中的各种算法可根据需要进行选择、添加或者删除，完成对设备状态的检测和诊断。该虚拟实验系统可以实现对信号的真实测量，同时，它具有丰富的信号分析、处理和表示功能，可用于相应专业基础课的课堂演示，使学生直观地了解各种信号处理方法，并可利用LabVIEW编写子VI，嵌入到实验系统软件中，培养学生动手设计虚拟仪器的能力，掌握先进的测试技术。
5 结束语
通过强大的图形编程语言LabVIEW与现有的硬件设备相结合，创建设备状态检测与诊断实验教学系统。学生在进行实验操作，获取实验数据的过程中，将理论与实践结合，加深对知识的理解。同时，该系统还给学生的实验留出充足的创造性思维空间，激发学生参与创新性实验的积极性，更好地培养学生的创新意识、动手能力以及勇于探索的创新精神。
参考文献
[1]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007
[2]陈长征,胡立新,周勃,等.设备振动分析与故障诊断技术[M].北京:科学出版社,2007
[3]何正嘉,訾艳阳,孟庆丰,等.机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2001