基于Labview的自动扶梯机械振动数据采集系统的设计与实现

　　摘要: 以 Labview 为开发平台，运用加速度传感器、数据采集卡，该文设计了自动扶梯振动信号的数据采集系统，实现了多通道自动扶梯振动数据的采集、数据分析、存储与回放的功能; 并选取自动扶梯驱动主机、减速器、梯级等关键部位进行现场试验，实现了对自动扶梯关键部位振动数据的采集与加速度峰值、频谱特性、功率谱等振动特征量的分析。通过第三方机构的测试及现场试验结果表明，该系统工作性能稳定、测量结果准确、重复性良好。其具有人机交互界面简洁，操作便利、携带方便、可扩展性能良好的优点，既可在线监测，也可做离线分析，为下一步的自动扶梯的故障诊断及智能识别提供了研究基础。

　　本文源自梁敏健; 彭晓军， 工业仪表与自动化装置 发表时间：2021-04-15《工业仪表与自动化装置》杂志，于1971年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:61-1121/TH，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：经验交流、新产品介绍、信息与动态等。

　　关键词: 自动扶梯监测; 振动测试; 数据采集; Labview

　　近年来，自动扶梯在我国呈逐年递增的趋势，老旧扶梯的安全形势也不容乐观，常规的定期检测、监督抽查检验往往不易发现扶梯内部存在的潜在风险和故障，如梯级滚轮磨损、曳引链磨损、减速箱齿轮齿面磨损、齿根弯曲疲劳折断、驱动链条过松、减速箱油量不足等问题。这些故障影响着乘客舒适性，缩短着自动扶梯的使用寿命，威胁乘客的人身安全。上述故障通常要借助维护保养人员拆开自动扶梯内部查看，目的性差，检测效率低，成本高，现场很少借助自动化程度高的技术来监测扶梯内部的安全状况。

　　旋转机电类设备中存在大量振动信号，当其内部异常时，常常伴有振动幅值升高和工作性能异常现象的出现。大多数机械设备出现故障时都会通过振动的形式表现出来。所谓振动状态监测技术( Vibration Condition Monitoring Technology) 就是综合现代科学技术研究的一种强力手段来监测机械设备的振动状态，综合机器的历史故障和现况，分析采集到的机械设备的运行数据，以找出故障原因，为生产和维修提供决策依据。当前工程应用最多、最有效的方法就是振动状态监测法，其特点是设备装置简单、测量方便，能同时检测出设备的多种故障[1 - 3]。

　　1 振动监测原理

　　根据机械振动学原理，将自动扶梯简化为振动微分方程: mx ·· + kx + 2ξ 槡mkx · = F( t) ( 1) 式中: m 为系统等效质量; k 为系统等效刚度; ξ 为系统等效阻尼系数; x，x ·，x ··为系统输出的位移、速度和加速度; F( t) 为激励源[4]。

　　从式中可以看出，加速度既与内部激励源有关，也和等效刚度和等效阻尼系数有关。因此，利用加速度振动曲线及其特征量可以表征自动扶梯的运行状态。

　　此外，振动频率也是衡量扶梯振动的一个重要的指标，通常将加速度数据经过 FFT 变换得到频谱图。FFT 是离散傅里叶变换的快速算法。

　　对 N 点序列 x ( n) ，其离散傅里叶变换( DFT) 变换对为: X( k) = ∑ N-1 n =0 x( n) Wnk N ，k = 0，1，…N - 1; WN = e -j 2π N x( n) = 1 N ∑ N-1 k =0 X( K) W-nk { N ，n = 0，1…N - 1 ( 2)

　　如果 N 比较大时，计算量是巨大的。Cooley 和 Tukey 提出的 FFT 算法大幅降低了计算次数[5 - 7]。

　　自动扶梯的主要振动来源是驱动装置，其包括主机和减速箱等。电机本身的振动和噪声、减速箱齿轮的制造精度、轴承和联轴节的型式及装配质量、链条传动不可避免的速度波动而产生的惯性力以及梯级在轨道上循环往复运动等，都使得扶梯产生振动和噪声。

　　机械振动信号常常借助加速度传感器和 Labview 构成的测量系统，上述系统具有结构简单，精确度高等优点，在国内外振动研究领域取得了良好的应用效果 [8 - 10]，该文拟搭建自动扶梯振动数据采集系统，在自动扶梯驱动主机、减速箱、梯级等关键部位安装振动加速度传感器，运用所设计系统采集上述关键部位的振动数据，并由此求出振动信号的最大值、幅值谱、功率谱、倒频谱等时频域特征量，为下一步自动扶梯机械故障诊断及智能识别打下基础。

　　2 设计方案

　　如图 1 为该自动扶梯振动采集系统的总体设计方案，该系统包括三轴加速度传感器、信号调理模块、数据采集设备和上位机等硬件，软件包括系统设置、数据采集、数据分析、数据存储、波形显示等模块。

　　2. 1 硬件设计

　　2. 1. 1 三轴压电加速度传感器

　　该次选择 PCB 公司的三轴加速度传感器，其型号为 356B18，具体主要技术参数如表 1 所示。该型号的传感器集成了压电加速度传感器和电荷放大器，可以实现对测试系统的简化。该传感器具有体积小，精度高，稳定性好，抗干扰性强等特点。可以广泛用于振动数据采集的各种场合。

　　2. 1. 2 信号调理和数据采集模块

　　该文选取美国国家仪器公司 CompactDAQ 便携式数据记录仪作为该文的信号调理和数据采集模块。该模块包括 NI9234 数据采集卡[11]和 cDAQ -9174 机箱，NI - 9234 是一个四通道动态信号采集模块，提供四路同步采样模拟输入通道的连接，实现 IEPE 接口加速度传感器的高精度数据采集。其主要参数如表 2 所示。

　　cDAQ9174 是一款为小型传感器测量系统而设计的总线供电 CompactDAQ 4 槽盒 USB 机箱。借助 USB 数据线可以实现连接传感器和电气测量的目的。用该机箱从 C 系列模拟输入模块中采样时有不同速率可供选择。体积小，方便携带，性价比高，可适应恶劣环境，适宜于工业现场测试。

　　2. 2 软件设计

　　2. 2. 1 系统软件结构

　　自动扶梯振动采集系统的软件采用的是 Labview 图形化语言，开发周期短、可靠性高，被广泛地应用于工业界、学术界和研究实验室[12 - 15]。设计的软件具有系统设置、数据采集、数据分析、数据存储、波形显示等功能。其具体框架和软件频谱分析分别如图 2 和图 3 所示。

　　2. 2. 2 数据采集流程

　　数据采集流程和具体框图如图 4 和 5 所示。

　　3 现场试验及分析

　　3. 1 第三方机构测试

　　该文开发的自动扶梯机械振动数据采集系统，经过第三方机构计量测试，如图 6 所示。

　　在第三方计量测试过程中，将 PCB 公司的中频标准振动系统和动态信号分析仪的加速度数据、频谱数据与所设计系统的测量数据示值进行对比，加速度和频率的测试对比结果如表 3 和表 4 所示。

　　第三方机构的计量测试数据表明，所设计的自动扶梯机械振动数据采集系统测得的加速度和频率的精确度均比较高，可以准确测量扶梯现场的振动情况。

　　3. 2 现场试验

　　最后以某自动扶梯为实验对象，应用该文设计的自动扶梯机械振动数据采集系统对其进行监测，该扶梯参数如下: 提升高度: 5. 4 m、运行速度: 0. 5 m/s、倾斜角度 35°，驱动电机额定转速为 960 r/min。该系统的传感器频率分析范围最低可达 0. 5 Hz，满足扶梯关键部位常见频率的测量范围。一般的，扶梯典型的故障包括: 梯级故障如梯级滚轮磨损、曳引链故障如曳引链磨损、驱动装置故障如减速箱齿轮齿面磨损、齿根弯曲疲劳折断、驱动链条过松、减速箱油量不足等等。上述故障主要集中在驱动主机、减速器、梯级、出入口等关键部位，因此将加速度传感器分别置于驱动主机、减速器、梯级等部位，由此获得该台自动扶梯关键部位的振动曲线，接着将加速度曲线通过傅里叶变换得到其频域内的频谱图，以此观测上述关键部位的振动频率、幅值图、功率谱等振动特征，为接下来进行故障诊断智能分析提供良好的数据基础。

　　在驱动主机部位安装振动传感器( 如图 7( a) 所示) ，监测电机的振动特征量。在减速器部位安装振动传感器( 如图 7( b) 所示) ，监测减速器的振动特征量。在扶梯梯级链链轮处安装振动传感器( 如图 7( c) 所示) ，监测旋转链轮部位振动特征量。在梯级中部安装振动传感器( 如图 7( d) 所示) ，监测梯级部位的振动特征量。

　　3. 3 试验结果及分析

　　以驱动主机处的数据为例，其时域和频域内的信号分析如图 8 所示。

　　由上述时域和频谱图可知，主机振动频率为 16 Hz，与驱动主机的转速 960 r/min 计算所得频率完全吻合。

　　4 结语

　　该文以 Labview 为开发平台，运用加速度传感器和数据采集卡设计的自动扶梯振动信号的数据采集系统，较好地实现了多通道自动扶梯振动数据的采集、数据分析处理、存储与回放的功能。实验数据表明，系统测量精度高，重复性良好，为后续的自动扶梯的故障诊断及智能识别提供了研究基础。