Компьютерные технологии фирмы National Instruments для виброакустической диагностики механических систем

№ 5’2015
PDF версия
Исследования механизмов и машин виброакустическими методами широко используются при диагностике их состояния. На практике успешная реализация таких методов требует решения ряда вопросов, связанных с выбором аппаратно-программных средств. Математическая обработка сигналов позволяет реализовать высокую чувствительность выделения возмущающих воздействий дефектов в виброакустических сигналах. Для осуществления этих возможностей необходима коммуникация вибродатчиков с вычислительной системой. Успешное решение проблем регистрации и обработки виброакустических сигналов на базе компьютерных технологий способствует применению виброакустической диагностики и мониторинга технического состояния сложных технических систем в процессе эксплуатации.

Со временем в процессе работы технические системы изменяют свои параметры (в результате прогрева, смещений элементов, при изменении внешних воздействий), что усложняет их анализ [1]. Информация, полученная в течение ряда временных интервалов при изменениях параметров системы и внешних воздействий, может быть использована для выделения и идентификации дефектов механизмов. Изменение внешних параметров позволяет установить критические дефекты, выполнить многократный контроль при внешних воздействиях, отделить случайные факторы. При контроле сложных механических систем, имеющих собственные источники возмущения, всегда требуется априорное знание параметров контролируемой системы и параметров дефектов [2]. Задача значительно усложняется при наличии нескольких источников возмущений и ряда дефектов. В этих случаях для выявления дефектов следует проводить контроль одновременно несколькими измерительными схемами (например, регистрацию с различных участков конструкции) или использовать датчики различной физической природы [3].

В промышленности широко распространен виброакустический контроль оборудования [4] с помощью стационарных систем мониторинга или периодического контроля вибраций посредством переносных систем для вибродиагностики. На сегодня существует два основных типа приборов для измерения вибраций и вибродиагностики: простые приборы для измерения общего уровня вибрации и сложные измерительные анализирующие комплексы. Широкое применение методы вибродиагностики нашли в автомобильной отрасли [5]. Однако практически все существующие приборы вибродиагностики аппаратно детерминированы, в то время как при идентификации различных дефектов системы появляется необходимость использовать различные математические методы анализа сигналов или их фрагментов. А потому возникает потребность разделить системы регистрации и обработки сигналов. Причем регистрацию и обработку сигналов целесообразно реализовать на базе компьютерных технологий, позволяющих создать распределенную контрольно-измерительную систему [6]. Ряд существующих приборов вибродиагностики основан на отображении и визуальном анализе отклонения формы сигналов, при этом практически не используется комплекс современных математических методов анализа нестационарных сигналов [7, 8, 9, 10]. При диагностике сложных систем необходим как экспресс-анализ, так и сохранение полученных сигналов для последующего ретроспективного анализа [11].

Важной задачей вибродиагностики является автоматизация процесса контроля, с одной стороны, а с другой — получение стабильных результатов контроля. Решение указанной задачи обеспечивается выбором регистрирующего сенсора, конструкцией прибора и методикой проведения испытаний. Для исследований вибраций механизмов широко используется аппаратура на базе различных акустических датчиков [12], акселерометров, радиолокаторов [13], оптических и голографических датчиков [14]. Применение методов голографической и спекл-интерферометрии, обладающих высокой чувствительностью и локальностью, на практике затруднено. При определении параметров вибрации в частях контролируемого объекта появилась возможность использования оптических регистраторов сфокусированного изображения [9] и триангуляции световых меток [15]. Сегодня актуально построение распределенных контрольно-измерительных систем на базе сетевых и беспроводных технологий [6]. Таким образом, решение задачи создания многофункционального аппаратно-программного комплекса виброакустической диагностики позволит реализовать эффективный контроль дефектов и мониторинг технического состояния механизмов и машин, точно прогнозировать сроки их обслуживания. Оптимальное решение полного объема поставленной задачи может быть достигнуто на базе компьютерных технологий виртуальных приборов фирмы National Instruments (NI).

Среда разработки виртуальных приборов фирмы National Instruments [6] — модульная и иерархичная. Структура событий (Event Structure) позволяет реализовать алгоритм объектно-ориентированного программирования, что помогает осуществлять управление сложным многоканальным сбором данных, а также интеллектуальное управление обработкой данных в зависимости от полученных результатов [16, 17].

Для проведения исследований был спроектирован комплексный виртуальный прибор (ВП) акустического контроля, алгоритм работы которого представлен на рис. 1, а внешний вид лицевой панели (ЛП) — на рис. 2. Созданный ВП позволяет получать сигнал заданной длительностью с внешнего датчика 2 (рис. 1), подключенного к звуковой карте или устройству сбора данных, отображать его на графике ЛП (рис. 2). Кроме того, прибор может получить сигнал из ранее сохраненного сигнала (файла) 3. После получения сигнала его можно воспроизвести на акустической системе компьютера 4 и нормировать (цифровое усиление) 5. Далее в любой последовательности можно выполнять другие доступные действия по обработке и анализу сигнала (фрагмента сигнала), такие как фильтрация сигнала 6 и отображение спектра 7, выделению короткого фрагмента. Для фильтрации сигнала предлагается выбрать топологию фильтра (Butterworth, Chebyshev, Inverse Chebyshev, Elliptic, Bessel), его порядок (n), тип фильтра (Low pass, High pass, Band pass, Band stop, Smoothing), верхнюю и нижнюю границу частот (fL, fH). Согласно представленному алгоритму виртуальный прибор позволяет в интерактивном режиме проводить многократные доступные на каждом этапе действия получения и анализа, в том числе анализ всего сигнала или его фрагмента.

Алгоритм работы блок-диаграммы ВП акустического контроля

Рис. 1. Алгоритм работы блок-диаграммы ВП акустического контроля

Работа ВП задается интерактивной последовательностью действий пользователя, которые выполняются кнопками лицевой панели (рис. 2). Для этого в блок-диаграмме ВП использованы такие элементы программирования, как цикл по условию (While Loop) и структура событий (Event Structure).

Лицевая панель исследовательского ВП акустического контроля — отображение акустического сигнала ноты «соль» камертона

Рис. 2. Лицевая панель исследовательского ВП акустического контроля — отображение акустического сигнала ноты «соль» камертона

Для последующего анализа можно выделить из полученного сигнала более короткий фрагмент 8. Выбор начала и длины фрагмента задается непосредственным перемещением курсоров на графике сигнала. Движок «Шкала» позволяет одновременно увеличить масштаб отображаемого сигнала и его фрагмента. Полученный фрагмент отображается на третьем графике ЛП ВП. В представленном ВП реализованы также основные методы объединенного частотно-временного (JTFA) и вейвлет-анализа 9–12, результаты которых отображаются на индикаторах второй и третьей закладок ЛП ВП. На любой стадии после получения сигнала или его обработки можно сохранить результат полученного или обработанного сигнала на внешнем носителе 13. После выделений коротких фрагментов сигнала также предоставляется возможность его сохранения 14. Сохраненные сигналы или их фрагменты используются в данном или других виртуальных приборах для последующего анализа.

Для проведения акустических исследований механических узлов были разработаны две конструкции контактных беспроводных стетоскопов (рис. 3).

Конструкции беспроводных стетоскопов

Рис. 3. Конструкции беспроводных стетоскопов:
1 — пьезокерамический датчик;
2 — экранирующий корпус;
3 — прокладка;
4 — предусилитель;
5 — усилитель мощности;
6 — шасси;
7 — печатная плата модуля Bluetooth;
8 — антенна;
9 — элемент питания;
10 — разъем;
11 — кожух

В представленной конструкции стетоскопа (рис. 3), как и в известном электронном фонендоскопе ФСЭ‑1 М [12, 18], использован пьезокерамический датчик 1, который закрепляется в экранирующем корпусе 2. С обратной стороны корпуса устанавливается через диэлектрическую прокладку 3 печатная плата с предварительного усилителя 4, экранированная задней частью корпуса 2. Для работы радиоканала остальная задняя часть корпуса фонендоскопа выполнена из оргалита. На несущей конструкции 6 закрепляется печатная плата 7 с антенной 8, элементы питания 9, электрический разъем 10. Несущая конструкция закрывается кожухом 11. Сам кожух фиксируется на цилиндрической части рамки 6 две через тороидные резиновые прокладки, которые должны уменьшать воздействие шума на головку датчика. Такие же изолирующие прокладки, предназначенные для подавления шума, предусмотрены между экраном 2 и несущей конструкцией 5. Ввиду малых размеров представленная конструкция может закрепляться на элементах конструкции механизмов. Разъемная головка датчика с предусилителем дает возможность использовать данный прибор для диагностики малоразмерных элементов механизмов, например рычагов подвески автомобиля. Основные элементы электрической схемы беспроводного технического стетоскопа (рис. 3) представлены на рис. 4.

Электрические схемы беспроводного стетоскопа

Рис. 4. Электрические схемы беспроводного стетоскопа:
а) схема датчика с усилителем;
б) схема АЦП;
в) схема модуля Bluetooth

Аналоговый усилитель расположен вблизи пьезокерамического датчика и построен на базе операционного усилителя AD8605 (рис. 4а). Коэффициент усиления представленной схемы порядка 70. Для исключения интегрирования сигнала параллельно датчику подключена достаточно низкая (по сравнению с пьезоэлементом) нагрузка 8 М. Модуль АЦП (рис. 4б) оцифровывает аналоговый сигнал. Схема состоит из одной микросхемы ADS1100. Электрическая схема модуля Bluetooth содержит две микросхемы (рис. 4в), одна является программируемым модулем Bluetooth, вторая — микропроцессором. Выбранный модуль Bluetooth (класс 2) позволяет осуществлять связь с другими устройствами Bluetooth на расстоянии 10 м.

На рис. 3б представлен другой вариант конструкции ручного стетоскопа, способного регистрировать слабые сигналы. Основное отличие данного решения — в элементной базе. Для усиления слабых сигналов с пьезокерамического чувствительного элемента применена микросхема LMP7721MA с высоким входным сопротивлением и малым напряжением шума. Модуль BLE112 поддерживает новый стандарт Bluetooth Low Energy (Bluetooth 4.0), содержит программный стек Bluetooth 4.0 и ориентирован на применение в устройствах, требующих экстремально низкого энергопотребления и малых габаритов. Модуль BLE112 является самостоятельным устройством, не нуждающимся во внешнем контроллере, имеет гибкий аппаратный интерфейс для подключения внешних цифровых и аналоговых датчиков. Встроенное в модуль программное обеспечение позволяет выполнять разработку и отладку пользовательских приложений с помощью программного пакета BGProfile Toolkit, предлагающего специальную среду для быстрой разработки профилей Bluetooth. Пакет GScript от компании Bluegiga предоставляет пользователю возможность создавать программное обеспечение, встраиваемое непосредственно в модуль, что делает стек Bluetooth Low Energy универсальным, а применение модуля BLE112 предельно простым.

Исследование разработанных аппаратно-программных средств проводилось на автомобильных двигателях внутреннего сгорания: VTi120 (1,6 л, 120 л. с.), THP150 (1,6 л с турбонаддувом, 150 л. с.), TSi (1,4 л с турбонаддувом, 122 л. с.). Известным дефектом второго и особенно третьего двигателя является склонность к растяжению цепи, что вызывает уход фаз газораспределения и снижение мощности. В совокупности с гидронатяжителем цепи в начальный момент времени возникает провисание цепи. Дефект растяжения цепи вызван выработкой штампов звеньев цепи в процессе производства, приводящей к их истиранию и увеличению зазоров в звеньях. В процессе исследования работы двигателей использовался беспроводной стетоскоп, вибродатчик-прищепка, дополнительная оптическая регистрация изображения цифровой камерой, доплеровским локатором (13 мм). Полученные сигналы вводились в компьютер через коммутатор сигналов. В качестве оптического регистратора использовалась цифровая камера Canon EOS 6D с компьютерным управлением и отображением потокового видео через USB- или Wi-Fi-интерфейс. В оптической проектирующей системе цифровой камеры применялся макрообъектив, кольцевой экран, удлинительные кольца (KENKO). Регистрация вибросигналов с датчиков осуществлялась через звуковую карту компьютера при помощи ВП (рис. 2), частота оцифровки (Sample Rate) 22 050 Гц, разрядность оцифровки (Resolution) 16 бит.

Частотно-временной анализ сигналов показал (рис. 5), что для каждого двигателя имеются специфические особенности сигналов, связанные с работой клапанного механизма газораспределения. Наибольшей информативностью работы клапанного механизма обладает низкочастотная область спектрограммы, высокочастотная область спектрограммы отображает воздействие отдельных узлов механической части двигателя.

Cпектрограммы Габора 5 го порядка фрагмента вибросигналов с корпусов двигателей

Рис. 5. Cпектрограммы Габора 5 го порядка фрагмента вибросигналов с корпусов двигателей:
а) VW Golf (1.4 TSI);
б) Citroen C5 (THP);
в) Citroen C4 (VTi120)

Для визуализации и анализа более длительных сигналов предлагается формирование кадра изображения акустического или вибросигнала, который отображает стабильность и артефакты вибросигнала за длительный период времени (рис. 6). Для этого использовался ВП, который последовательно формировал из сигнала строки кадра изображения. Дополнительная синхронизация начала строк с основными периодами колебаний (при формировании строк изображения) позволяет наблюдать динамику сигнала. В интерактивном режиме ВП выполняет выделение и анализ как строк, так и столбцов изображения; в режиме синхронизации (целого числа основных периодов в строке) осуществляет формирование композитного (усредненного по времени) сигнала, что соответствует устранению факторов шума и более достоверному выделению доминантной информационной составляющей.

Из представленных графиков (рис. 6а, 6г) видно, что вибросигнал двигателя THP150 почти в два раза больше сигнала двигателя TSi 1.4. На коротких фрагментах вибросигнала можно заметить, что выбросы вибросигналов имеют перегибы формы сигнала, которые определяют особенности в работе клапанного механизма (удары) газораспределения.

Анализ вибросигнала двигателя

Рис. 6. Анализ вибросигнала двигателя:
а) сигнал двигателя (TSi 1.4);
б) кадр сигнала (TSi 1.4);
в) фрагмент сигнала TSi 1.4 (строка 100);
г) сигнал двигателя THP150;
д) кадр сигнала THP150;
е) фрагмент сигнала THP150 (строка 100)

Сфокусированная оптическая регистрация отдельных узлов двигателя цифровой камерой и анализ размытия границ изображения позволил более объективно оценить амплитуду вибрации на конкретных элементах двигателя [9]. На кривых размытия границ изображения элементов узлов также имелись перегибы, которые определялись отклонением вибрации от гармонических форм, вызванных ударным действием клапанного механизма.

Для промышленных машин и механизмов актуальным является контроль их технического состояния и мониторинг в процессе эксплуатации. Поэтому для диагностики сложных систем целесообразно прибегнуть к системе контроля, построенной на датчиках различной физической природы [3].

Использование компьютерных технологий фирмы National Instruments позволяет создавать многофункциональные приборы получения и анализа различных виброакустических сигналов, что значительно расширяет сферы применения и функциональные возможности самих методов виброакустики для диагностики технического состояния действующих механизмов и машин.

Разработанная структурная схема и интерфейс виртуального прибора реализует интерактивный режим пользователя в процессе получения и анализа сигналов с объекта контроля, обеспечивая потребности как экспресс-контроля, так и мониторинга, посредством архивирования данных и последующим ретроспективным анализом. Виртуальный прибор контроля может быть выполнен на различных компьютерных платформах с возможностями сетевых коммуникаций, поэтому в полной мере отвечает задачам диагностики узлов подвижных транспортных средств в реальном времени.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможности тонкой диагностики с применением современных математических методов частотно-временного и вейвлет-анализа сигналов, широко представленных в технологиях National Instruments, для выявления дефектов и индивидуальных особенностей их работы.

Литература
  1. Махов В. Е., Орлов Д. В., Потапов А. И. Исследование методов и алгоритмов компьютерных технологий фирмы National Instruments для виброакустической диагностики механических систем. Теоретические исследования / Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2015. № 3.
  2. Иванов Н. И., Никифоров А. С. Основы виброакустики. СПб.: Политехника, 2000.
  3. Махов В. Е., Борисов Е. Г., Махова В. А. Контроль струнных музыкальных инструментов с помощью датчиков различной физической природы // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: VII Международная научно-практическая конференция: Сборник трудов конференции. М.: РУДН, 2008.
  4. Павлов Б. В. Акустическая диагностика механизмов / Павлов Б. В. М.: Машиностроение, 1971.
  5. Тольский В. Е. Виброакустика автомобиля. М.: Машиностроение, 1988.
  6. Патракеев Н., Потапов А., Махов В. LabVIEW 8 — новые возможности автоматизации проектирования контрольно-измерительных систем // Компоненты и технологии. 2007. № 2.
  7. Махов В. Е., Потапов А. И. Использование алгоритмов вейвлет-анализа для построения оптических измерительных систем // Контроль. Диагностика. 2013. № 1.
  8. Лиференко В., Махов В. Применение алгоритмов непрерывного вейвлет-преобразования в измерительных задачах технического зрения // Компоненты и технологии. 2013. № 6.
  9. Махов В. Е., Потапов А. И. Исследование измерительной оптической системы в условиях механической нестабильности объекта контроля // Контроль. Диагностика. 2013. № 2.
  10. Махов В. Е., Потапов А. И. Использование алгоритма непрерывного вейвлет-преобразования в системах технического зрения // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 9.
  11. Махов В. Е., Потапов А. И., Кацан И. Ф. Подходы к созданию распределенных лабораторных практикумов // Новые технологии и формы обучения: Научно-методическое издание. Вып. 6. СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008.
  12. Потапов А., Махов В., Потапов И. Аппаратно-программные средства для телемедицины // Компоненты и технологии. 2007. № 1.
  13. Борисов Е. Г., Махов В. Е. Устройство для определения параметров вибрирующих объектов / Патент на полезную модель RUS 89697 03.08.2009.
  14. Вест Ч. Голографическая интерферометрия / Пер. с англ. М.: Мир, 1982.
  15. Махов В. Е. Исследование алгоритмов вейвлет-преобразования для определения координат световых меток // Вопросы радиоэлектроники. Серия «Техника телевидения», вып. 2. СПб.: ФГУП НИИТ, 2012.
  16. Махов В. Е. Контрольно-измерительная система для исследования процессов высокотемпературного формирования порошково‑обжиговых покрытий // Конструкции из композиционных материалов. 2009. № 2.
  17. Махов В. Е. Использование алгоритмов вейвлет-анализа в исследовании кинетики формирования порошково‑обжиговых покрытий // Конструкции из композиционных материалов. 2010. № 3.
  18. Борисов Е. Г., Махов В. Е., Семенов М. А. и др. Экспериментальные исследования процессов обработки сигналов электронного медицинского стетоскопа с пьезоэлектрическим датчиком // Вестник Ярославского государственного университета им. П. Г. Демидова. Серия «Естественные и технические науки». 2014. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *