基于声卡的振动信号分析监控系统

1. 引言

在工业生产中，需要对各种机械设备的振动进行监控，以确保设备的正常运行。目前企业主要应用的是传统的监测装置，这种装置价格高，缺少灵活性，另外利用计算机进行震动信号监测的系统则是利用昂贵的信号采集卡和分析软件，而这些相对一些资金薄弱而又需要对自己的设备进行振动监控的企业来说都有一定的难处。本文介绍了一种利用一般计算机的声卡作为信号采集卡和Matlab编程软件组成的振动信号分析系统，此系统利用一般的计算机和自编的分析软件，成本低而且功能灵活，并且可该根据实际情况进行修改和扩展。

2. 系统结构

2.1 系统结构综述

    利用计算机声卡的振动信号分析系统系统结构图如图1所示。振动信号采集的加速度传感器信号的经过信号放大装置以后，由计算机声卡的Line in口输入到计算进行信号的分析处理，然后将分析的结果显示到计算机屏幕上，实现对设备振动的实时监控。该系统可以同时监测振动的加速度、速度和位移，并且当这些指标超过规定时能够报警。

2.2 传感器

振动信号测量的传感器主要有加速度计和速度传感器，分别采集设备振动的加速度和速度信号，根据实际测量的设备振动情况选择合适的传感器。压电式速度传感器是一种安装方便、测量精确的测量振动速度的传感器，该种传感器一般采用二线制传输，工作时使用恒流源对其供电，一般工作电压18～24V，电流为2～6mA。传感器输出0～20mV。本系统采样压电式速度传感器产生振动速度信号，在处理软件中非别微分和积分得到加速度和位移信号，从而达到对设备振动进行实时监测的目的。

2.3 信号调理电路[4]

    由于传感器输出信号一般只有十几毫伏，在信号进入声卡之前我们必须对信号进行调理，包括信号的放大、隔离、滤波和线性化处理，使之能够被声卡正确的识别。

2.4 声卡

    声卡是一般计算机的标准配置，主要功能是完成多媒体声音的放音和录音。声卡的内部构造主要包括A/D、D/A转换模块，DSP模块，控制模块组成。主要的性能指标包括采样通道数、采样频率、采样位数等。本系统采用的声卡为：24bit/96kHz的AD转换及DA转换,全双工的录音和放音，可以采集20Hz～48kHz的输入交流信号，能够满足一般设备振动信号采集的要求。当需要更多的采样通道时，我们可以在计算机上安装多块声卡，对振动信号进行多路采集。声卡接口一般有Line in（线路输入）、Speaker（输出）、Mic（麦克风）等接口，其中Line in接口用来信号输入，实现对振动传感器的信号进行采集，此接口输入电压为-1～+1V。该振动信号分析监控系统利用压电式速度传感器提取振动信号，经过信号调理电路变成声卡能够识别的信号，通过声卡采集进入计算机进行信号分析、处理和显示。

3 信号分析

一般振动信号的频率范围再10～1000Hz，从传感器采集的信号经过信号调理以后，由计算机声卡以96KHz的采样率采集到计算机里，经过A/D转换成为离散数字信号。由于振动信号存在环境的多样性和随机性，对于信号的可靠分析需要综合多种信息处理方法，才能保证在线分析测试结果的有效性。

对于采集过来的振动信号，将其进行振动速度和位移的有效值分析，在软件中设置一个门限，当达到门限是系统报警并显示出来。有效值的算法公式为：

    （1）

对于周期性成分振动信号的能量分布和谱分布，采用了快速傅立叶变换（FFT）的方法。经过快速傅立叶变换，可以把杂乱无章的含有周期性成分的时域信号变换成可以方便在处理软件中显示出来的频域信号。当设备零件出现故障，它的周期性的振动信号频率发生变化，反映到频域内就是振动信号的值变化，可以根据经验设置一个频率门限，当达到门限时系统报警。离散傅立叶变换算法公式为：

           （2）

对于振动信号中随机性成分信号，它本身的傅立叶变换是不存在的，所以只能用它的各种统计平均量来表征它。其中自相关函数最能完整地表征它的特定统计平均量值。例如对于机床的颤振（自激振动）我们就要利用相关函数进行监测。采集振动部件上边的两个测试点，对它们的振动信号进行相关性分析处理，当相关系数接近1时，系统就发出报警信号，提醒工作人员机床的颤振情况。互相关函数算法为：

        （3）

    根据实际测量设备的振动，通过我们选取合适的信号处理方法对振动信号的处理，我们可以实时监控设备的振动情况，及时发现设备运行中出现的问题。通过不同的窗口进行显示，分析及故障报警。 

4 软件设计

采用的Matlab软件来对振动信号进行分析处理。主要包括信号的采集、分析和显示。

4.1 信号采集

Matlab软件中包含很多工具箱，经过信号调理模块的振动信号是利用Matlab数据采集工具箱Data Acquisition Toolbox进行采集的。具体方法是：首先为声卡建立一个设备对象，启动并触发声卡设备，然后利用声卡设备事件的调用函数，从Matlab data Engin中提取或查看数据，信号分析结束后停止并删除声卡设备，最后从Matlab Workspace中清除设备变量。

4.2 信号处理

振动信号的分析处理是通过Matlab里的信号处理工具箱Signal Processing Toolbox进行分析的。其中包括振动信号的加窗；快速傅立叶变换对信号进行变换；求振动信号的最大值和有效值并实时显示；利用自相关函数及功率谱对振动信号进行分析监测等。

 

4.3 图形显示

对于采集参数的设置和采集及分析结果的图形显示采用Matlab中的图形用户接口进行设计。在图形用户接口环境下，可以直接利用其图形控件构造其用户窗口界面。按照图形用户接口的规则，可以快速而简便地构造出基于声卡的虚拟动态分析仪窗口界面。界面如下图2所示。图中幅值显示的是输入的电压信号，可以根据具体的振动传感器变换成振动速度或加速度，经过积分后可以得到振动信号的位移。图中频率显示的是振动信号经过快速傅立叶变换后得到分贝值最大时对应的频率信号，可以通过该频率得知振动信号的周期性变化。

 

图2.振动信号分析系统界面

 

5 结束语

基于声卡的振动信号分析系统简单的利用计算机自有的声卡实现对振动信号的采集，成本低，而且利用信号分析软件对信号进行分析、处理、显示有其特有的灵活性。使其不仅可以完成对振动信号的采集分析，对于其它信号只要利用软件改动一下程序就可以其它信号的采集、分析和监控显示。