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，軸承的振動信號非常微弱，與來自機(jī)械設(shè)備其它部件的振動信號混在一起，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，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，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。安裝DAQPilot驅(qū)動程序后，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。
