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机电设备故障诊断系统数据采集与信号处理研究
摘要
数据采集和信号处理是机电设备状态监测和故障诊断系统的基础。论文分析了故障诊断系统中使用的数据采集和信号处理的一般技术，将电动机故障诊断的便携式设备设计为应用示例。已经证明，使用适当的数据采集和信号处理技术对于精确故障特征信号以及实现机电设备的功能是非常重要的。
关键词 - 机电设备 故障诊断 数据采集 信号处理
一、介绍
设备诊断技术应用设备状态信息的实时监测，分析和预测设备故障的可能性，以便在早期找到故障。 这样，用故障原因分析故障定位和趋势预测可以作出适当的决定。设备故障诊断系统包括数据采集，信号处理，特征参数的提取和输出，故障诊断和决策，并且可以将状态监测与机电设备的故障诊断结合在一起。诊断系统的结构如图1所示。
图1
从图中可以看出，数据采集是状态监测和故障诊断的基础。 正确可靠的数据采集技术是基于设备的检测和诊断。此外，较小设备故障或异常的特性信号通常在强干扰信号中调制。为了获得故障的特征信号，诊断系统需要基于干扰信号的特征应用相应的信号处理技术，以抑制干扰信号，并且有效地提取特征信号。
二、信号采集技术
数据采集技术是基于传感器，信号的测量和处理以及诸如微型计算机的其它高技术的集成技术。 在故障诊断中，“数据采集”是指将电流，电压，温度，压力，流量和位移等模拟量转换为数字量，以及通过计算机进行存储，处理或打印。 相应的系统称为数据采集系统。
数据采集系统的任务是收集来自传感器的模拟信号并将其转换成可由计算机读取的数字信号，然后将其发送到计算机。 根据不同的需要，计算机将对所需的数据进行计算和处理。 数据采集系统的效率取决于其精度和速度。 在保证精度的前提下，应大大提高采样速度，实现实时采集，实时处理和实时控制和决策。
- 典型数据采集技术
随着计算机和测控技术的发展，数据采集系统的结构也越来越多样化。 然而，从根本上说，在设备诊断系统中最广泛应用的结构包括微计算机数据采集系统和分布式数据采集[3]。
- 微机数据采集系统
典型的微型计算机数据采集系统包括传感器，模拟多路复用器，可编程放大器，采样器/保持器，A / D转换器，微处理器接口电路，计算机和外围设备以及应用软件。 在典型的微机数据采集系统的信号路径中，增加输入采样和保持放大器以实现输入信号的同时采样并构成伪同步多通道数据采集系统。 在每个信号路径中，A / D转换器被增加以实现输入信号的同时采样和同步对话。信号被单独存储以形成同步的多通道数据采集系统。 在微机数据采集系统中，计算机是整个系统的核心。 采样控制，信号处理，信号分析和计算由计算机执行。
根据采集系统的不同要求，选择不同的计算机，从微处理器，单片微计算机（SCM）到基于Intel的工业个人计算机（IPC）。
微机数据采集系统的结构简单，价格便宜。 IPC可以在恶劣的环境下工作。 此外，微型计算机的I / O模块和软件是完整的，易于形成系统。 由于方便的应用和维护，微机数据采集系统已广泛应用于中型和故障诊断系统。
- 分布式数据采集系统
分布式数据采集系统是计算机网络技术的产物。它由几个“数据采集站”和一个主站以及通信线路组成。数据采集站（也称为数据采集终端）位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理。此外，它可以以数字信号的形式将数据发送到主站。数据采集站一般由SCM数据采集设备组成。主站从屏幕上的每个数据采集站移位数据，在报告中打印数据，或以文档格式将数据存储在磁盘上。此外，还可以向各站发送系统的控制参数，以调整各站的工作状态。主站实际上是通用计算机（或IPC），还配备有打印机和绘图机。数据采集站和主站之间的数据传输通过异步串行实现。数据通信通常应用主从模式，主站决定站进行数据传输。
分布式数据采集系统采用以SCM为核心的多个数据采集站。 在系统中，站以“并行”方式工作。 因此，该系统提供高可靠性和有效的实时响应。 此外，该系统用数字信号传输取代模拟信号传输，可以有效消除差模和共模的干扰。 这特别适合具有强电磁干扰的工作环境。
B.模拟信号的数字处理
在状态监测和故障诊断中使用的物理量包括电量（电流，电压等）和非电量（振动，温度，压力，流量，噪声等）。电量通过各种发射器转换成适当大小的电信号。非电量需要用适当的换能器转换成电信号，以便于测量和处理。 信号实际上分为模拟信号和数字信号。
通常，从传感器获得的信号是模拟信号。 数字信号是设备故障诊断计算机化发展的重点。 在电气和机械装置的操作中使用的模拟信号需要被转换成数字信号并在计算机中传输。
- 信号预处理
在诊断系统中，可以通过传感器获得信号。 一些是有用的信号，其反映故障位置的症状。 在诊断中不需要一些。 因此，应该去除无用的信号，这也被称为信号预处理。
信号预处理指示在数字处理之前的信号的模拟处理。 信号预处理的目的是过滤干扰噪声信号并将信号转换成适于数字处理的形式，从而降低数字处理的难度。 信号预处理主要涉及解调器，放大器，滤波器，阻塞电路等。
- 抽样
采样是指根据采样脉冲p（t）的序列从连续时间信号x（t）中提取一系列离散采样值，然后转换为采样信号x（nt）（n = 0， 1，2，3 ...）。 t被称为采样间隔，fs = 1 / t是采样频率。 简单来说，采样是将连续时间信号转换成不连续时间数字信号。
该过程通过模拟开关实现。 模拟开关每隔一定的时间间隔打开和关闭。 连续信号通过该开关并形成一系列脉冲信号，称为采样信号。
通常，采样频率fs越高，采样点越密集，并且所获得的数字信号越接近原始信号。 同时，当样本长度T确定时，较高的fs越大，数据量N = T / t将越大，并且将需要更多的计算机的存储和计算负担。 相反，当采样频率降低到一定程度时，原始信号将丢失或失真。 香农采样定理表明，如果信号的频带受到限制，而采样频率至少是信号的最高频率的两倍，则原始信号可以根据离散样本值完全恢复。
在采样之后，尽管信号在时间上是不连续的，但振幅仍然是连续的。 在量化，编码和转换成数字信号之前，信号不能输入计算机。
- 频率别名和消除措施
根据采样定理，采样频率fs必须大于最高频率二信号次数（fsgt; 2fs）。 如果采样频率太低，信号x（t）的高频部分将被乘以低频部分。 这被称为频率混叠[3]。
在诊断系统中，由传感器获得的原始模拟信号通常不受带宽限制，并且信号包含高频部分。 为了有效地消除频率混叠，在实际的信号分析中，模拟信号x（t）用低通滤波处理。 对不需要的高频部分进行滤波，并且将采样频率增加到大于滤波器截止频率fc的3倍，以有效地消除混叠。 以这种方式，可以确保获得的数字信号反映原始连续信号x（t）的有用部分。
- 数据采集系统的结构控制
数据采集系统的采样包括随机和顺序工作模式。 模拟信号的输入和输出控制实际上应用了I / O专用寻址或存储器统一寻址。 对于任何寻址技术，模拟信号的输入和输出接口必须具有用于接口寻址的硬件地址解码器。
数据采集的控制装置包括硬件时序方法，无条件采样，程序控制通道I / O传输（PIO结构）和直接存储器访问（DMA）等。 在诊断系统中，经常应用I / O传输和DMA。 对于具有小数据量的故障诊断装置，程序控制通道I / O传输涉及较少的硬件和较少的生产费用。 编程简单。 对于具有大数据量的故障诊断装置，为了实现高速数据采集，通常通过直接存储器访问来实现对若干机械和电气装置的监视。
C.数据采集的抗干扰技术系统
在数据采集系统的工程实践中，情况类似系统的异常工作状态在现场工作中具有正确的硬件设计和成功的程序调试。 这可能归因于外部或内部组件之间的干扰。 常见的干扰形式包括静电干扰，磁场耦合干扰，电磁辐射干扰，电导路径耦合干扰和漏耦合干扰等[3]。
在诊断系统中，模拟信号的输入路径是数据采集卡和微机以及传感器之间的信息交换通道。 信息通道的干扰是由公共接地电极引起的。 另外，当传输线较长时，信息信道也可能受到静电和电磁噪声的影响。 输入路径的干扰极大地影响采样信号的精度和可靠性，应该消除或抑制。 模拟信号输入通道常用的抗干扰措施包括光电隔离，隔离放大器，滤波器，线路的浮动安装，屏蔽线和同轴电缆，以防止电磁干扰。
三、信号处理技术
在机电装置的故障诊断中，测试信号被用作时间的函数。 时域中的分析处理被称为时域分析。 诸如傅里叶变换的信号处理技术可以将检测到的信号作为频率的函数，并且频域中的分析处理被称为频域分析。 利用信号处理技术，可以抑制时域信号中的“噪声”，并且可以从频域中提取特定频率段中的故障特征信号。 在实际工程中，常用的信号处理技术包括傅里叶变换，STFT，精细频谱分析和小波变换等。
- 傅立叶变换和变焦光谱分析
函数f（t）是定义在（）完全可积分的函数，傅里叶变化被定义为：
傅里叶你变化被定义为：
频率精制技术是信号傅立叶分析的补充和改进，使得可选频带频率分析成为可能。 有许多细化方法来提高频率分辨率，主要包括ZOOM-FFT，相位补偿细化，Chirp-Z变换，最大熵谱分析和连续精细傅立叶变换。
在不增加采样长度的前提下，连续精细傅里叶变换应用连续傅立叶变换的频域曲线，以便在指定密度的指定区域中对傅立叶变换的频谱进行细化。 这大大增加了频谱的频率分辨率，这有利于机械和电气设备的故障特征的提取和分析。 因此，连续精细傅立叶变换在电气和机械装置的故障诊断领域具有重要的工程意义[4]。
B.短时傅立叶变换和小波分析
如果函数以及w（t）认为是窗函数，f（t）的STFT能
表达为
在实际应用中，窗函数的选择是短时傅里叶变换的核心问题。 在工程问题的分析中，经常使用高斯窗函数。高斯窗函数在时域和频域中呈现快速衰减，也具有局部优化的时间性能[5]。 高斯窗函数定义为：
|
ga(t ) |
1 |
e t 2 (4 a) , a 0 |
|||
|
2 |
a |
||||
假设函数 是一个平方积分函数满足以及它的傅立叶变换为 当满足小波容许性条件，任何函数的连续小波变换定义为：
任何函数f（t）的连续小波变换表示一维时间函数到二维时标相平面的投影，这有利于提取非平稳信号的实质特性。 小波变换的基函数（t）表示多样性。 小波变换的基函数的选择在小波分析和应用中是非常重要的。 在实际工程应用中，通常选择具有紧凑支持或近似紧凑支持以及规则性和衰减的实函数或复函数作为小波变换的基本函数。
四、案例研究——数据获取和信号便携式电机故障的处理系统诊断设备
便携式故障诊断装置可以在线检测电机的主要工作参数，并且可以将数据存储在具有大容量的存储器中。 维护和管理人员可以将存储器中存储的数据通过通信端口传输到主机以进行存储，显示和打印。 此外，根据信号处理的数据和波形，维护和管理人员可以检测和监测电机的常见故障[6]。
根据电机故障的信号特性，故障诊断设备从结构方面将整个系统划分为主机和下位机。 检测系统的硬件电路由各种传感器，信号调理和输入缓冲采样保持电路，数据采集和A / D转换器和RS232通信接口电路组成，如图2所示。
图2
根据整个系统的要求，微控制器需要完成两个任务：首先，用软件选择不同的数据采集通道; 其次，根据主机的要求，传输相应的数据。 由于系统的实时性，在硬件（传感器）已经确认与检测到的设备（电动机）连接的基础上，主计算机给出采集命令，下位计算机采集数据。 对于三个电压和三个电流的同步采集，程序将应用六个周期的数据收集。 由于使用采样保持器，可以确保三个电压和电流的数据采集的同步。 在每个集合中，将使用五组数据并存储在外部RAM中。 选择ATMEL公司的AT89C51 SCM，其程序存储空间为4KB，数据存储空间为128字节。
SCM使用RS232通信，一个SCM不会产生多机通信问题。 因此，使用10位异步传输，具体涉及8位数据位（LSB优先），停止位和9600bps的波特率。 主机应用查询以发送命令字，而下位机应用中断逼近并根据命令字启动相应的子例程处理。 由于程序对数据的正确性要求，在数据传输中，每个数据传输两次，以确保数据的正确性。 整个程序采用中断缓解和查询发送。
数据采集系统使用滤波器消除电磁噪声的干扰。 去耦电容器装在每个芯片中，其吸
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