時間：2012-10-21 22:22:40 **：現代電子技術作者：雷剛，許勇
摘要：針對在發動機資料採集過程中，對速度和精度的要求，基於虛擬儀器，利用振動感測器、麥克風、訊號調理電路、pci-4472b資料採集卡，計算機等硬體，對吉利三缸a8發動機的振動訊號及排氣雜訊進行採集，設計出了發動機資料採集系統。實踐表明，該系統可靠、穩定，有很大的實用價值，為診斷和監測發動機故障打下良好的基礎。
關鍵詞：labview；發動機；資料採集；振動感測器；排氣雜訊
0 引言
發動機是乙個綜合的系統，它是汽車的主要總成和行駛的動力**。由於它結構複雜，零件多，執行中各個零件受實際路況、大氣壓力、溫度、濕度等外界環境和導熱、摩擦等自身環境的影響，其技術狀態呈下降趨勢，因此發動機是故障最多的總成之一，是監測的重點
總成。 在現代****中，隨著電子控制燃油噴射系統、電子控制點火系統等裝置已廣泛在汽車上應用，發動機機械結構和電子化程度越來越複雜，不解體診斷技術已經成為深入研究故障診斷不可缺少的技術手段，因此有必要設計一套專門針對發動機故障診斷的資料採集系統。
汽車發動機工作時，在不同部位產生的振動程度是不同的，因此通過測取振動訊號可以診斷發動機70％以上的故障和狀態資訊。本文搭建了乙個發動機振動資料採集系統，輔助採集發動機排氣雜訊訊號，用來監測發動機的工作狀態。
1 開發環境
虛擬儀器(virtual instrumem)的概念是由美國國家儀器公司(ni)最先提出的。labview(laboratoryvirtual instrument engineering)是一種圖形化的程式語言，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為乙個標準的資料採集和儀器控制軟體。labview的圖形化開發環境具有精確、高效、功能強大、開發簡易、實時性強、介面友好等優點，為使用者提供了強大功能和使用的靈活性。
虛擬儀器可以利用高效能的模組化硬體，結合高效靈活的軟體來完成各種測試、測量和自動化應用，與傳統的測量儀器相比，具有成本低、功能強大、整合度高、質量可靠、維護方便等優點，能很方便地組建測試系統，滿足多種測量要求。因此，基於虛擬儀器技術，利用labview語言進行訊號採集系統的研製具有重要意義。
ni pci-4472b資料採集卡是一款專為高通道數的振動和聲音應用而設計的高精度資料採集(daq)模組，提供了振動和低頻交流測量的最優化方案。該板卡具有24位的模／數轉換器，並具有嵌入式可程式設計的icp，用於對加速度計及麥克風的訊號調理。板卡的實時系統介面賦予了基於計算機的儀器，資料採集、運動及視覺產品強大的整合功能，因此可設計出符合實際需求的測量解決方案。
本文利用labview 8．2和pci-4472b搭建了一套高速的資料採集系統，利用虛擬儀器軟體labview把計算機與資料採集卡有機地結合起來，通過資料採集卡對訊號進行數字離散化取樣，將資料傳送到計算機上，由虛擬儀器完成訊號波形的顯示、儲存等功能。
2 系統結構與硬體設計
在發動機振動的各種激勵源中，燃燒氣體壓力，進氣門關閉、排氣門開啟和排氣門關閉所產生的激勵訊號是主要激勵源。凸輪軸控制發動機進排氣門的開閉，凸輪軸旋轉一周，發動機曲軸旋轉二周，即乙個氣缸完成了四個衝程。發動機的氣缸是週期**替工作，引起發動機振動和雜訊的主要激勵源也是週期性的，同時產生的振動訊號和雜訊訊號也是週期性的，故障會影響到週期的振動訊號和雜訊訊號。
通過**從吉利三缸a8發動機讀取乙個開始的參考點，使氣缸與振動訊號和雜訊訊號相對應，用採集到的振動訊號和雜訊訊號，可以對發動機進行故障診斷。該系統分為振動感測器、麥克風、調理電路、資料採集卡、虛擬儀器軟體四部分，如圖1所示。
2．1 訊號調理電路
從感測器採集的訊號形式多樣，可能會很微弱，或者含有大量雜訊，又或者是非線性的。因此感測器轉換成的電訊號，在進入資料採集卡之前，通常需要進行某些調理和處理，把訊號轉換成更便於處理、接收和顯示的形式，以便於資料採集卡採集。訊號調理的主要目的是對訊號進行放大、濾波以及進行有效的隔離，儘量減少干擾訊號的影響，提高被檢測訊號的訊雜比。
振動感測器選用發動機機體的爆震感測器，爆震感測器用於檢測發動機是否發生爆震，當振動發生時，它產生乙個小電壓峰值，振動越大，爆震感測器產生的主峰值就越大。頻率達到一定值時，表明發動機發生爆震，實驗證明頻率為6～9 khz的訊號為發動機的爆震訊號，利用爆震感測器能方便，準確地檢測到發動機振動訊號。另外，可以利用麥克風從發動機排氣管測量雜訊訊號。
2．2 資料採集
2．2．1 資料採集卡
資料採集卡是虛擬儀器系統中的重要組成部分，它的精度和速度影響著測試系統的整體效能。該系統採用的是美國ni公司生產的pci-4472b資料採集卡。ni pci-4472b具有8通道動態訊號採集功能，可用於高精度頻域測量。
輸入通道具有積體電路壓電式(iepe)訊號調理功能，可用於加速度感測器和麥克風的訊號採集。pci-4472b具有8路同步模擬輸入通道，取樣頻寬從直流到45 khz。當pci-4472b的模擬輸入設定為交流耦合時，其截止頻率最低為0．5 hz，因此可用於低頻率交振動測量，足以滿足要求。
實驗所採集的發動機訊號為低壓模擬訊號，一般在10v以內，本採集卡訊號輸入範圍是-10～10 v也能滿足要求。同時取樣率高達102．4 khz。
2．2．2 資料採集卡的引數設定
資料採集卡引數設定包括對通道的詳細設定，如輸入範圍、接線端配置等，以及定時設定，如取樣模式、讀採樣本數、取樣率。因此對採集卡的工作引數進行必要的設定，使之能夠進行正常的資料採集。這些引數設定是否合理，關係到感測器訊號的採集乃至整套系統能否正常工作，因此具有重要的意義。
該設計中訊號輸入範圍設定為-10～10 v，訊號接線端設定為差分，取樣模式設定為連續取樣，讀採樣本數為5 000，取樣率為50khz。
2．2．3 ni-daqmx
ni-daqmx是最新的ni-daq驅動程式，帶有控制測量裝置所需的最新vi、函式和開發工具。此外它還包括measurement&automation expl orer(max)、資料採集助理(daq assistant)以及vi logger資料記錄軟體。通過這些工具並結合labview可以節省大量的系統配置、開發和資料記錄時間。
3 系統軟體平台設計
3．1 ni-daqmx api函式
ni-daqmx驅動提供了綜合性的api，包括基本和高階的函式，可以用來控制諸如定時、同步、資料處理和執行控制等的引數。ni-daqmx api函式引入了多型機制，乙個多型vi可以接收或輸出多種資料型別，可以實現模擬輸入／輸出、數字i／o和計數器等多種功能，因此乙個多功能daq裝置的所有功能可由相同函式集程式設計得到。ni-daqmx api函式的這種多型vi機制大大減少了vi數量。
這樣就使程式設計變得簡單靈活、通用性強。使用ni-daqmx api函式可以進行模擬輸入／輸出、數字i／o及計數器的程式設計，這裡主要介紹與模擬輸入有關的vi。
(1)建立虛擬通道vi daqmx create virtual channel．vi。該vi用於為任務建立虛擬通道，設定i／o通道型別，採集訊號電壓範圍。
(2)定時vi daqmx timing．vi。該vi用於指定資料採集卡的取樣模式，採集樣本數，取樣率。
(3)讀取vi daqmx read．vi。該vi用於設定讀取資料樣本數，超時時間。
(4)啟動任務vi daqmx start task．vi。該vi用於啟動任務，開始資料採集。
(5)清除任務vi daqmx clear task．vi。該vi用於清除任務，釋放任務占有的所有資源。
3．2 資料採集流程
資料採集系統設計主要包括程式的初始化，資料採集並記錄顯示，資料儲存。資料採集程式執行之後，首先是daq板卡的初始化，即設定輸入範圍、接線端配置、取樣模式、採集樣本數和取樣率等引數，然後採用迴圈順序執行結構，系統進入資料採集階段，進行資料採集和有用資料的儲存，就是將資料先放入採集卡的板載快取中，再呼叫daqmx read函式採集至記憶體，並用波形圖顯示出來，然後根據需要將有用資料從記憶體中存入計算機硬碟，取樣結束時，點選停止按鈕，停止取樣。並呼叫daqmx clear task 子vi清除任務，程式結束。
程式如圖2所示。
3．3 實測資料
利用資料採集卡採集的吉利3缸發動機的振動和雜訊訊號如圖3和圖4所示。通過測試結果表明，該系統實用可靠，能夠實時、快速、高精度的實現資料採集。
4 結語
本文介紹的發動機訊號採集系統包括振動和雜訊訊號的採集，詳細介紹了各個部分的構成及其原理。它應用感測器、資料採集、labvi ew圖形化程式設計軟體開發等多種技術，在windows環境下進行資料採集與儲存、實時顯示波形。該系統具有功能擴充套件性強、開發周期短、測試效能穩定等優點，可實現大批量、無限時的實時資料採集。
將其應用於發動機等動力機械裝置的振動測試與故障分析，必將是一種有著廣闊應用前景的發動機檢測系統，必將產生可觀的經濟效益和社會效益。
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