第一章 绪论
1.1 引言
随着科技的日益发展，生产水平的大幅提升，大型机械设备的自动化程度和实时性要求也不断提升。设备运行过程中，由于各种因素的影响发生突发或渐变性故障，导致转轴断裂等恶性事故的发生，或者某台关键设备因故障不能继续运行，往往对整个系统造成灾难性的破环，产生巨大的经济损失；如果某些关键部位出现故障而未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。如 2014年马航波音 777 客机失事事件和 2009 年波音 737 及空客 330 先后失事等，事故发生的原因很大部分都是机械设备零部件的疲劳损伤、振动加剧或人员操作失误等。为保证设备稳定、高效运行，采取必要的在线监测手段和故障诊断技术，对机械设备的各种异常状态做出评判，进而对设备的安全运行给予必要的指导显得尤为重要[1]。 在线监测与故障诊断技术是综合性很强的技术，它涉及计算机软硬件、传感器与检测技术、信号分析与数据处理、预测预报、自动控制、系统辨识、人工智能、力学、数学及振动工程和机械工程等领域[2]。由于各个领域对故障诊断的敏感程度和需求迫切性并不相同，目前采用的监测诊断技术可以概括为三类：以检测仪表为主体的监视装置、检测仪表配备软硬件分析装置、计算机辅助监测与诊断系统。其中计算机辅助监测与诊断系统主要有传感器、接口装置及计算机等组成。传感器有用于测温度的、压力的等，但大多数是用于测量振动的。 振动测试的理论和技术在近几十年内发展迅速，并广泛运用于航天、航空、航海等领域，随着微电子技术和计算机技术的蓬勃发展，振动测试系统也有了飞跃性的发展，振动测试系统由当初的简单的机械设备到如今的超级计算机电子设备，传统的测试分析仪器逐步由现代虚拟仪器所取代[3]。虚拟仪器以通用的计算机硬件及操作系统为依托，按照需求进行信号采集和分析处理，进而实现各种功能。目前使用较为广泛的计算机语言是美国 NI 公司的 Lab VIEW。其图形化编程语言大大节约了开发者的研发周期。
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1.2 课题研究背景及意义
该课题来源于南方宇航高精传动有限公司与河南工业大学联合完成的某试车台控制与测试系统研制(H2012jd69)项目，本人参与了该项目中振动测试系统研发子课题的研究。该项目中试车台主要用于某（被试件）出厂前的磨合运转、出厂交付试验、性能和持久试验等。图 1 为试验台的三维模型图。从左到右依次为现场实时监测控制台、试车台架主体和被试件、液压油泵、控制变电柜。 本振动测试系统以某试验台项目为平台，以已经投入使用的、我们科研组共同开发的专用测振系统为基础，进行更进一步的后续开发。我们现有的基于 Lab VIEW 的振动测试系统 V1.0 已经基本满足客户的使用要求，但是在现场试车调试的过程中，出现了一些问题，需要进行进一步的优化研究。利用振动测试手段对被试件进行试验，得到系统动态响应的特性，作为改进设计的基础和修改数学模型的依据，从而进行结构改进。振动测试也是产品质量评价和质量控制的手段，产品投入运行后，利用振动信号测试系统进行故障诊断，可有效避免事故的发生，为此设计和制造高可靠性的振动监控系统便成为振动测试技术的重要内容。 工程中除了对各种机械设备提出了低振动和低噪声的要求外，还应随时对生产过程或设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制，这些都离不开振动测量[4]。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计，找出其薄弱环节，改善其抗振性能。另外，对于许多承受复杂载荷或本身性质复杂的机械结构的动力学模型及其动力学参数，如阻尼系数、固有频率和边界条件等，振动试验和测量是一种很有效的求解方法，因此，振动测试在工程技术中起着十分重要的作用。针对试车时出现的问题，我们提出了用多重重叠技术分析信号的方法。多重重叠算法可以减少杂散事件的损失，减少频谱泄露，提高频谱分辨率，对早期故障诊断具有重大意义。
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第二章 基础理论研究
2.1 振动测试系统研究
振动是指物体经过平衡位置而往复运动的过程。振动情况可以用位移、速度、加速度三个参量来表征。每个振动参量都具备三个基本要素，即振幅 X、频率 f 和相位φ。 振动测试系统由测振传感器、信号调理器和信号记录与处理设备组成（图 2）。其中，测振传感器的作用是将机械振动量转变为适于电测的电参量，俗称拾振器；信号记录仪的功能是存储所测振动信号；信号分析与处理设备则负责分析处理各种所记录的信号；而信号调理器起协调作用，使传感器和记录仪能配合起来协同工作，起主要功能包括信号放大、阻抗变换等。 测振传感器是用来测量振动参量的传感器，根据所测振动参量和频响范围不同，习惯上可分为振动速度传感器、振动位移传感器和振动加速度传感器三大类。在实际测试工作中，可用和优化是选用振动传感器应遵循的基本原则。可用就是说要使所选的传感器满足最基本的测试要求；优化即为在满足基本测试要求的前提下，尽量降低传感器的费用，取得最佳的性能价格比。具体来说，就是要考虑线性范围、频响范围、灵敏度、稳定性、精确度、测量方式与使用场合等因素。 用于记录振动信号的仪器有很多，如光线示波器、电子示波器、笔式记录仪、磁带机及数据采集器等。目前在机械故障诊断领域获得广泛应用的主要是数据采集器。数据采集包括信号预处理和信号采集两个过程。信号预处理是将模拟信号中有用的、能反应设备信息的症状信号留下，滤掉非所需信号。信号采集是将于处理后的模拟信号转变为数字信号，并存入指定位置。信号采集包括采样、量化与编码三个过程，采样过程是将模拟信号分为一系列间隔为 Δt 的时间离散信号，并加以采集；量化过程是将这些离散信号的幅值修为某些规定的量级；编码过程是将这些时间和幅值均不连续的离散信号编成一定长度的二进制数字。
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2.2 多重重叠技术研究
在振动测试中，使用普通频谱分析方法对含有边缘性宽频脉冲信号进行分析时，由于加窗操作，会导致宽频脉冲信号受到抑制造成其频谱成分损失，这些宽频脉冲信号往往表明机械运转过程中的突发状况或潜在隐患。 振动现象在工业生产环境中非常常见，实时检测并有效的分析这些振动信号可以让工作人员更好的了解机械的运转状况，同时利用振动信号的频谱分析结果来判断设备的老化或故障情况进而对设备故障进行提前预测可避免产生更大的损失[62]。使用传统频谱分析方法对振动信号进行分析前往往需要对信号进行加窗处理[63,64]，而加窗这一过程往往会造成这些边缘性宽频脉冲信号的频谱信息丢失，多重重叠技术即是为了解决这一问题而被提出来的方法，文献[65]中提到了一种自动搜峰瞬时频率估计的方法可以检测出宽频脉冲但在实时性要求较高的场合对设备要求较高，同时如果只提取峰值附近的信号进行频谱分析的话又会对其他信号的频谱分析结果造成抑制。
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第三章 基于相对取较大值的多重重叠技术研究 ........ 19
3.1 基于相对取较大值的多重重叠技术 ....... 19
3.2 多重重叠技术软件实现 ........... 20
3.3 多重重叠技术模拟效果比对分析 ........... 25
3.4 多重重叠技术实际效果比对分析 ........... 28
第四章 实时高频率分辨率频谱设计 .... 33
4.1 实时高频率分辨率频谱原理 .... 33
4.2 实时高频率分辨率频谱实现 ........... 33
4.3 实时高频率分辨率频谱的实际效果 ....... 35
第五章 基于 Lab VIEW 的频域积分研究 ..... 37
5.1 基于 Lab VIEW 的频域积分原理 .... 37
5.2 基于 Lab VIEW 的频域积分软件实现 ..... 37
5.3 基于 Lab VIEW 的频域积分效果 ..... 39
第五章 基于 Lab VIEW 的频域积分研究
本课题针对工程测试中利用振动加速度信号进行时域积分出速度信号和位移信号时，高频部分出现严重误差的问题，从理论的角度分析了基于 Lab VIEW 的振动测试系统 V1.0 目前使用的的积分算法及其计算流程，发现其在积分趋势项误差控制和加速度有效信息保留上存在不足。因而提出利用振动加速度信号在 Lab VIEW 中进行频域积分并进行参数修正的方法来解决高频部分积分不准确的问题。
5.1 基于 Lab VIEW 的频域积分原理
时域分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频域分析是把动态信号变为以频率轴为坐标表示出来。频域和时域表明了动态信号的两个观察而，即这两种观察信号方法以不同的角度揭示了信号的物理特征，而傅里叶变换建立起它们之间的联系。 基于Lab VIEW的频域积分方法，包括时频域积分替换。信号进入积分环节后，通过条件结构选择对信号进行时域积分或者频域积分。进入积分环节的信号为进行傅里叶变换之后的加速度信号。其程序代码如图31所示。经过一次积分得到速度信号，两次积分得到位移信号。这些程序均在一个大的while循环中，除此之外还有几个其他while循环，比如存储循环，事件结构循环和报警列表循环。循环之间的数据传递采用队列进行传递，部分变量也采用局部变量或属性节点的方法传递。
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结论
本文以河南工业大学与南方宇航高精传动公司联合开发的某试验台项目的子项目 某试车台控制与测试系统研究为基础，对基于多重重叠功率谱进行理论和实验研究，并进一步优化程序频率分辨率和加速度积分准确性，取得了很好的实际应用效果，但也存在一些不足之处。 本文的主要研究内容和结论如下：
(1) 提出了一种基于相对取较大的多重重叠新算法，从理论和试验角度验证了该算法的先进性，并将该算法结合到振动测试系统中，大幅度提高了宽频信号的捕捉能力。
(2) 从理论上分析了频率分辨率的原理，并与虚拟仪器软件相结合，用比较简单的方法，即利用 Lab VIEW 波形图表的历史缓冲区功能减少了频谱上的栅栏效应，取得良好的频谱实时观测效果。
(3) 从理论上比较时域积分和频域积分的优劣，在实际应用中，由于航空试验台感兴趣的高频部分积分效果不很理想，出现较大偏差，故而改用频域积分。高频部分感兴趣的频率成分能很好地通过频域积分得到其准确的结果。
(4) 设计了基于相对取较大的多重重叠功率谱振动测试系统，利用 Lab VIEW 和Matlab 混合编程的方法，进一步优化基于 Lab VIEW 的振动测试系统 V1.0，将系统升级为基于相对取较大的多重重叠功率谱振动测试系统 V1.0。
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参考文献(略)