基于虚拟仪器技术的多传感器噪声和振动测量分析仪 【技术领域】
本发明涉及一种测量分析仪，特别是可用于对复杂机械系统的噪声和振动进行测量、分析和评价的一种基于虚拟仪器技术的多传感器噪声和振动测量分析仪。背景技术
机械部件在运动过程中会产生噪声和振动，两者密不可分，都体现为机械波。
在机电行业中，为了改进产品质量、查找系统故障或对产品的整体性能进行综合评价等等，都需要测量机械系统或零部件的噪声和振动。噪声和振动测量仪的结构和工作原理基本相同，是由传感器、信号调理电路、A/D转换器、频谱分析软件和显示器几部分组成。
目前国内的噪声和振动测量仪器存在如下几个问题：
1.噪声测量和振动测量分离 一台仪器不能同时测量噪声和振动两种信号，在一个机械系统中，噪声和振动往往是同时存在的，虽然两者之间具有一定的关系，但仅通过测量振动信号间接获得的噪声信号是不准确也不详细的，会影响对系统分析的可靠性。
2.测量仪器的结构为传统形式 仪器由电路板、机箱和操作面板组成，由于硬件和软件资源有限且硬件制作成本高，导致仪器的性能和功能受到很大限制，举个例子，为了提高噪声频谱的分辨率，采用分段滤波的方法，滤波器带宽取1/3倍频，如果采用硬件滤波器，受硬件体积和成本的影响，滤波器的个数是有限地，如果采用软件滤波器，也同样受到硬件和软件资源的限制，所以，传统仪器的测量精度和分辨率难以提高。
3.测量仪采用单传感器 较复杂的机械系统，各机械部件连接在一起，运动的部件有多个，它们所产生的噪声和振动信息相互叠加或混叠在一起，采用单传感器测量仪无法准确识别和区分噪声及振动信号的具体特征，从而难以对系统和机械零部件进行准确的分析和评价。
虚拟仪器是继数字化仪器和智能仪器之后的新一代仪器，它以计算机作为仪器的软硬件平台，传感器与计算机之间通过接口卡进行联接。其最大特点是充分利用计算机资源，突破传统仪器的概念，省去了仪器的面板、机箱和大量的硬件，利用软件在计算机屏幕上构造软操作面板，并替代硬件进行数据处理、分析和诊断，它的计算功能和数据处理功能是传统仪器无法比拟的。
国家科技部在《2003年度科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南》中已明确表示重点资助这类测量仪器的研制和产业化(参阅项目指南：四、光机电一体化(二)高性能、智能化仪器仪表5.虚拟仪器和通用测试平台(1)声、振分析虚拟仪器)。
多传感器信息融合是一门新兴学科，许多国家(包括中国在内)都把它列为下一阶段重点发展的关键技术。多传感器信息融合实际上是利用计算机技术模拟人脑综合处理复杂问题的能力。在多传感器系统中，将多个传感器安装在被测系统的不同部位，各传感器获得的信息具有不同的特征，这些信息可能是相互支持或互补的，也可能是相互矛盾或冲突的，通过多传感器信息融合技术对各传感器获得的信息进行优化组合从而获得真实有效和可靠的信息。
从专利数据库中查到如下专利：《电机振动噪声检测仪》(00216296.2)和《数字式振动噪声检测仪》(01238477.1)，是用加速度振动传感器测量振动信号的加速度，经过一次积分得到速度信号，经过二次积分得到位置信号，位置信号经过A计权器得到振动信号的等效值，因为振动信号与噪声信号之间有一定的关系，所以用这种方法可以间接得到噪声信号的大小，该法称为噪声的振动测量法，它不可能获得详细和准确的噪声信息。这两项专利实质上是振动测量仪。《台架用振动噪声测试装置》(01205906.4)主要是一个发动机性能的测试装置，它是将一台独立的声级计的输出信号(是一个直流电平，它的大小反映了噪声的大小)和加速度传感器的输出信号同时送到滤波器，滤波器的输出信号经A/D转换器送到计算机进行记录。这项专利实质上是将声级计和加速度测量系统两套独立的装置同时应用在发动机性能测试台上，而且从专利说明书和附图中没有体现出该测量装置能同时测量记录噪声和振动，因此，这项专利并不是具有能同时测量噪声和振动的独立测量仪器，而且声级计的输出是声压级，它是噪声的所有频率成分的综合反映，不能用来分析声压和频率之间的关系。
要从根本上解决噪声和振动测量仪器存在的问题，必须从仪器的结构设计上着手，虚拟仪器技术和多传感器信息融合技术为解决上述问题提供了依据。采用虚拟仪器技术和多传感器信息融合技术的噪声和振动测量分析仪，国内未见相同报道。发明内容
为了克服目前国内的噪声和振动测量仪器存在的问题，本发明的目的在于提供一种能同时测量噪声和振动两种信号、测量精度和分辨率高、能对系统和机械零部件进行准确的分析和评价的基于虚拟仪器技术的多传感器噪声和振动测量分析仪。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：基于虚拟仪器技术的多传感器噪声和振动测量分析仪，主要由传感器、模拟输入前端处理器、PC机组成，其特征是传感器的输出端与模拟输入前端处理器的输入端相连接，模拟输入前端处理器的串行I/O口与PC机串行口相连接，传感器将测量的非电量信号转变为电信号送入模拟输入前端处理器，模拟输入前端处理器将信号处理后转变为数字信号通过串行口输入PC机，模拟输入前端处理器的工作状态受PC机控制，PC机通过测量软件模块对数字信号进行分析处理；所述的传感器包括噪声传感器、振动传感器和转速传感器，噪声传感器、振动传感器分别至少1个，模拟输入前端处理器的个数根据传感器的个数确定。其中噪声传感器和振动传感器可由用户根据需要选择若干个，转速传感器用于配合旋转工件在不同转速条件下的噪声和振动测量。
所述的模拟输入前端处理器为美国AD公司的AD73360芯片，该芯片有6个16位A/D转换器通道(6个通道可以同时采样)，每个通道由信号调理器、可编程增益放大器、模拟∑-Δ调制器、抽样器及串行I/O口等几部分组成，也可采用其它型号的模拟输入前端处理器或采用分离的芯片组成模拟输入前端处理器。
所述的PC机装有测量软件模块，采用美国NI公司的产品LabVIEW虚拟仪器软件构造虚拟仪器软件平台，测量软件模块包括软件操作界面、测量控制软件模块、多传感器信息融合软件模块和频谱分析软件模块四部分，用户通过软件操作界面选择噪声传感器和振动传感器的个数，并确定是否启用转速测量，然后启动测量控制软件模块；测量控制软件以巡回检测方式控制AD73360采集各传感器的信号，并将信号存入内部数据库中；多传感器信息融合软件模块将各传感器的信号进行融合，并将融合后的信号也存入内部数据库中；频谱分析软件模块将融合前后的噪声和振动信号都进行频谱分析，并将频谱图显示在计算机的屏幕上。
多传感器信息融合是对噪声传感器和振动传感器的信息进行加权处理的过程，设X1(ω)、X2(ω)、…、Xn(ω)分别表示n个传感器所测量信号的频谱表达式，则n个信号的合成表达式为：X(ω)=Σi=1mAliXl(ω)+Σi=1mA2iX2(ω)+···+Σi=1mAniXn(ω)]]>式中A1i、A2i、…、Ani分别表示X1(ω)、X2(ω)、…、Xn(ω)不同频率分量的加权系数，其取值范围为[0，1]，加权系数的计算可采用算术加权、统计加权或其它加权算法，如模糊算法或神经网络算法。
本发明由于采用了多个传感器(噪声传感器、振动传感器、转速传感器，其中噪声传感器、振动传感器分别至少1个)，并且由模拟输入前端处理器与PC机相连，实现了同时测量噪声和振动两种信号、测量精度和分辨率高、能对系统和机械零部件进行准确的分析和评价的目的。有益效果是：1.由于计算机的软硬件资源非常强大，所以在频谱分析软件模块中，滤波器的频带可以做得非常窄，大大提高了测量的分辨率和准确性；2.不仅可以对确定性的噪声和振动信号进行各种频谱分析，而且可以对随机的噪声和振动信号进行各种统计分析和相关分析；3.由于采用了多传感器信息融合技术，使得对复杂机械系统的质量分析、故障诊断和性能评价更加准确和可靠。附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是本发明软件实施方案图
图3是本发明具体实施方案图具体实施方式
硬件实施方案参照图1进行说明：噪声传感器和振动传感器1-1、1-2、…、1-n及转速传感器2接模拟输入前端处理器3，模拟输入前端处理器3接计算机4。软件实施方案参照图2进行说明：用户通过软件操作界面选择噪声传感器和振动传感器的个数，并确定是否启用转速测量，然后启动测量控制软件模块；测量控制软件以巡回检测方式控制模拟输入前端处理器AD73360采集各传感器的信号，并将信号存入内部数据库中；多传感器信息融合软件模块将各传感器的信号进行融合，并将融合后的信号也存入内部数据库中；频谱分析软件模块将融合前后的噪声和振动信号都进行频谱分析，并将频谱图显示在计算机的屏幕上。
图3是对大型电机的转轴进行测量分析的应用实例，目的是分析电机转轴是否存在因力不平衡或力偶不平衡或其它原因而产生的摇摆振动、弯曲振动、径向振动和轴向振动，同时还分析在不同转速下轴承的噪声和振动之间的关系以及电机的转速与整体噪声之间的关系。图中振动传感器1-1、1-2、1-3和1-4通过电机转轴5的轴承座6-1和6-2测量电机转轴5的径向和轴向振动，噪声传感器1-5和1-6测量轴承的噪声，噪声传感器1-7测量电机外壳7辐射的噪声，转速传感器2测量电机转轴5的转速。传感器1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7和2接模拟输入前端处理器3，模拟输入前端处理器3接计算机4。在本例的实施方式中，振动传感器1-1、1-2、1-3和1-4的相位关系对分析轴的振动模态非常重要，如果采用单传感器测量仪是无法实现这一功能的，既使采用多台振动测量仪，也无法测量4个振动传感器之间的相位关系。本发明可同时给出单个噪声传感器和振动传感器测量信号的频谱图、融合后的噪声信号频谱图和振动信号频谱图以及融合后的噪声和振动信号频谱图，据此可对电机转轴的噪声和振动进行分析和综合评价。本发明的实施方案无论在分辨率、精确度、可靠性和详细性方面都是传统测量仪器及其测量方案无法比拟的。