引言：旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最關(guān)鍵的零件就是軸承，數(shù)據(jù)采集卡的聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)對滾動(dòng)軸承故障的預(yù)測性維護(hù)和診斷具有很重要的作用，所以預(yù)測性維護(hù)，需要從數(shù)據(jù)采集開始。
卓越制造，就是以極具競爭力的價(jià)格生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿足市場的需要。現(xiàn)代制造企業(yè)是在準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的環(huán)境的下運(yùn)營，無疑肩負(fù)巨大的壓力，而始終保證設(shè)備的最優(yōu)表現(xiàn)是重要的支撐，因?yàn)橐坏┰O(shè)備出現(xiàn)故障，危害將會(huì)在方方面面。
作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵零件，軸承是狀態(tài)監(jiān)測中的重要監(jiān)測對象，始終保障其穩(wěn)定可靠運(yùn)行是預(yù)測性維護(hù)工作的重要內(nèi)容。就目前而言，軸承故障的主要形式是由于接觸疲勞造成的滾道或滾動(dòng)體表面材料破裂，形成表面缺陷。在軸承疲勞損傷發(fā)展的早期階段，即在材料疲勞剝落形成凹坑之前，軸承的振動(dòng)信號非常微弱，與來自機(jī)械設(shè)備其它部件的振動(dòng)信號混在一起，加之噪聲的干擾，往往不易清晰地判別出故障。而利用聲發(fā)射技術(shù)將有可能檢測到疲勞損傷造成的裂紋擴(kuò)展，從而對滾動(dòng)軸承故障的早期預(yù)報(bào)和診斷具有很大的優(yōu)勢。
但是超聲導(dǎo)波相對于體波更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)為兩方面：一方面為導(dǎo)波的多模態(tài)特性，即同一頻率下同時(shí)存在有多種導(dǎo)波模態(tài);另一方面為頻散特性，即同一模態(tài)導(dǎo)波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導(dǎo)波的復(fù)雜性對檢測平臺和檢測方法提出了更高的要求。
全波形采集聲發(fā)射信號
聲發(fā)射是對材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測的重要方法。聲發(fā)射逐漸從早期的參數(shù)采集發(fā)展到目前的全波形采集，聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。由于聲發(fā)射信號的頻譜較寬，從數(shù)千Hz到數(shù)兆Hz，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還要進(jìn)行濾波、參數(shù)特征提取等處理，因此對數(shù)據(jù)采集設(shè)備有較高的要求。
目前，具有全波形采集功能的專用聲發(fā)射儀價(jià)格高昂，不利于聲發(fā)射研究中起步階段工作的開展。而以凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀的高速、高精度采樣能力為硬件基礎(chǔ)，使用LabVIEW開發(fā)的聲發(fā)射測試系統(tǒng)，同樣可實(shí)時(shí)完成聲發(fā)射信號采集、存儲、振鈴特征參數(shù)提取等功能，為實(shí)驗(yàn)室中開展聲發(fā)射研究提供了一種切實(shí)可行的解決方法。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是聲發(fā)射測試硬件的核心。由于聲發(fā)射信號的頻率能夠達(dá)到數(shù)兆Hz，為了對聲發(fā)射的波形進(jìn)行準(zhǔn)確的采集，往往要求采集器的采樣率能夠達(dá)到20MS/s甚至更高。同時(shí)，由于聲發(fā)射信號較為微弱，原始的聲發(fā)射信號一般處于μV范圍，即使經(jīng)過前置放大后也只有若干mV，并且信號波形幅度變化范圍較大，因此對采集設(shè)備的采樣精度和動(dòng)態(tài)范圍也有較高的要求。
使用凌華科技的高速數(shù)字化儀PCI-9846來進(jìn)行聲發(fā)射信號的采集，其主要參數(shù)與目前使用較為廣泛的美國物理聲學(xué)公司(PAC)的PCI-2采集卡的主要性能對比見表1，除部分專有功能缺乏外，完全能夠達(dá)到聲發(fā)射全波形采集的要求。
聲發(fā)射信號采集的實(shí)現(xiàn)
凌華科技為 PCI-9846提供了LabVIEW驅(qū)動(dòng)。安裝DAQPilot驅(qū)動(dòng)程序后，在LabVIEW的函數(shù)庫中可以找到DAQPilot工具包，其中提供了數(shù)據(jù)采集的控制函數(shù)，其功能與調(diào)用方法與NI的DAQmax對應(yīng)，使用非常方便。例如，由下圖中的四個(gè)函數(shù)：PLT Create Virtual Channel、PLT Timing、PLT Read以及PLT Clear Task就構(gòu)成了完整的連續(xù)數(shù)據(jù)采集功能。另外，DAQPilot中還提供了模擬和數(shù)字信號的輸入、輸出等各種功能的LabVIEW范例程序，方便開發(fā)者快速上手。
本文開發(fā)的聲發(fā)射測試系統(tǒng)中信號采集模塊基于圖1中的采集程序。用戶設(shè)置輸入通道、前置放大器增益、濾波等參數(shù)后，啟動(dòng)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。原始信號經(jīng)過放大倍數(shù)還原后，再進(jìn)行數(shù)字濾波處理，以去除噪聲及不需要的頻帶，濾波后的連續(xù)信號可以二進(jìn)制或文本形式存盤。圖2是在運(yùn)行中的軸承上采集到的聲發(fā)射信號，采樣參數(shù)為2MS/s，濾波器為四階Butterworth低通濾波，截止頻率50KHz。
