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1、2009年12月 物 探 装 备第19卷 增刊交流与探讨 基于LabVIEW编程环境的振动信号数据采集分析系统张宏乐31 傅德莲1 刘 昊1 季 颖1 吴 伟1 高 华2(东方地球物理公司,河北涿州072750:1.装备制造事业部装备研究中心;2.装备制造事业部)摘 要张宏乐,傅德莲,刘昊,季颖,吴伟,高华.基于LabVIEW编程环境的振动信号数据采集分析系统.物探装备,2009,19(增刊):2531,37 基于LabVIEW编程环境的振动信号采集分析系统是一输入为16信道、8路LVDT输入通道、可生成多种类型信号的采集分析系统。它可用于振动信号和振动结构的详细分析和研究。该系统在美国NI公
2、司LabVIEW虚拟仪器开发平台上研制和开发,利用LabVIEW可视化技术,创建、开发多种不同功能的仪器组合,人机界面友好,实现了对多通道振动信号数据进行采集和分析的技术设想。关键词 LabVIEW 虚拟仪器 可控震源 信号采集与分析ABSTRACTZhang Hongle,Fu Delian,Liu H ao,Ji Ying,Wu Wei and G ao Hua.The vibrating signal andanalysis system based onprogrammed language LabVIEW.EGP,2009,19(Supplement):2531,37Based on
3、 programmed language LabVIEW,the vibrating signal and analysis system has 16 signal channels,8LVDT input channels and can generate different type vibrating signals by itself.This system can be used for the de2tailed analysis and study of vibrating signal and structure.The system was developed on the
4、 LabVIEW virtual in2strument platform of the USA NI company and adopted LabVIEW visual technology.Setting up different functionapparatuses and good interface of this system realizes multi2channel vibration signal data acquisition and analysis.Key wordsLabVIEW,virtual instrumen,vibroseis,signalacquis
5、ition and analysis0 引言目前,在国内、外地震勘探行业中,对可控震源振动信号的检测多采用美国PEL TON公司生产的VCA和由英国Verif公司生产的Sandwich Box震源检测系统。这类检测仪器在工业应用中可以对可控震源信号进行常规检测,但用于实验室条件下对震源性能研究和振动器结构/系统性能分析时,则功能明显不足,受到诸多限制。若要对可控震源振动特性进行全面系统分析,需要开发出:多信道信号采集单元;可配接多种不同类型传感器;可以对信号进行较精确分析的高速率采样;可以本机生成各种激励信号的振动信号数据采集系统。为了对用于地震勘探的振动系统进行信号检测、结构及性能分析和研究
6、,我们提出了利用LabVIEW可视化技术,创建、开发多种不同功能的仪器组合、人机界面友好、多通道振动信号数据采集分析系统的技术设想、实现思路和系统框架结构。1LabVIEW简介LabVIEW是美国国家仪器公司(National In2strument,简称NI公司)推出的图形化编程语言。它是一种虚拟仪器开发平台,可以实现虚拟仪器集成环境,广泛应用于工业控制、检测等各个领域。在虚拟仪器系统中,运用计算机强大灵活的软件功能代替某些传统的部件,用软件资源代替许多硬件资3 张宏乐,男,1957年出生,工程师。1982年毕业于河北电大,现主要从事物探装备的研发工作。26物 探 装 备2009年源,利用P
7、C机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能,建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板,完成对仪器的控制、数据分析与显示。实际上,虚拟仪器技术是一个集成的软、硬件概念,虚拟仪器利用计算机软件开发的通用仪器平台,调用不同的测试软件构成不同功能的仪器,用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件,最后构造出数字存储万用表、信号发生器、示波器、动态信号分析仪等各种测量和控制仪器。正是由于LabVIEW具有可以将不同类型及用途的虚拟仪器集成起来的优点,采用LabVIEW虚似仪器可以方便地集成出上面提到的具有多种检测、分析和控制功能的振动信号数据采集分析系统,以便对振动信号进行详尽地系统分析。该系统经过半年多的
8、研发,已在2009年9月完成,经初步测试和试用,该系统主要技术指标和功能符合设计要求。系统外形如图1所示。图1 振动信号数据采集分析系统主机外观2 振动信号数据采集分析系统结构从功能上区分,传统仪器仪表一般由三个功能模块组成:被测信号的输入、采集和控制模块;被测信号的分析、处理模块;被测信号及分析结果显示、存储或输出模块。但传统仪器完成上述功能时,都是以硬件形式完成的。与之不同的是,LabVIEW借助一些必要的信号数据采集卡、调理卡将这些功能移植到计算机上完成,利用软件进行信号的采集、分析、处理和显示。这样做的好处是能充分利用计算机资源,最大程度地降低硬件的资金投入,可以灵活配置仪器系统组成和
9、功能分配,具有很强的扩展性,此外采用一些标准输入/输出接口(如RS-232,VXI接口总线,GPIB等)还可实现资源的开放与共享。注:GPIB是一种通用功能并行接口总线,由HP公司在上世纪60年代开发。它可以方便地用于多台仪器和计算机之间的通信和数据传输,它通常以ASCII编码字符串传输数据。在计算机技术已融入我们生活各个方面的今天,利用LabVIEW开发的虚拟仪器使人们实现了“软件即仪器”的梦想。从这个意义讲,LabVIEW虚拟仪器性能的完善和提高,主要取决于计算机性能的提高。因此,在开发振动信号数据采集分析系统之初,我们重点考虑了计算机的CPU速度、存储器容量和图形处理器速度等指标,选用目
10、前技术较为先进的计算机系统。基于LabVIEW编程环境的振动信号采集系统主要由扫频信号发生模块、信号输入模块及数据分析处理模块等部分构成。信号流程如图2所示:系统将由信号发生模块(信号源)产生的多种形式的扫频信号送到激励单元,进行信号放大或电压/电流变换,然后再将经过变换的激励信号送给振动器执行机构,以产生强度足够大的振动,再用传感器将振动信号拾取出来并送到信号采集单元,然后对采集到的信号进行分析与处理,得出测量、分析结果,最终根据用户的选择可进行或完成报表生成及数据存储等操作。图2 振动信号采集分析系统结构框图2.1 系统总体架构振动信号数据采集分析系统的核心是基于PXI(PCI eXten
11、sion Instrumentation)总线的虚拟仪器技术,其软件系统包括操作系统Windows XP、软件开发平台LabVIEW 8.5、模块驱动程序以及应用软件等。PXI系统将CompactPCI集成式触发功能与 第19卷 增刊张宏乐 等:基于LabVIEW编程环境的振动信号数据采集分析系统27Windows操作系统结合在一起,比普通台式PC机具有更高的可靠性和性能,也更适用于工业系统。通过采用定时、触发设备及最佳的LabVIEW软件开发平台,将振动信号数据采集分析系统各个功能模块集成起来。振动信号数据采集分析系统运行在PXI总线的嵌入式控制器中,系统硬件主要由以下几部分组成:LVDT传
12、感器信号调理(LVDT励磁调制/解调)部分、信号采集单元、传感器电源、扫频信号发生器、嵌入式控制器、PXI机箱、SCXI机箱、显示器等。开发的软件运行于Windows操作系统,用于完成数据采集、数据分析、数据显示、数据管理、数据存储等功能。注:PXI是PCI(Peripheral Component Inter2connect,外设部件互联)总线在仪器领域的扩展。PCI为标准总线,为大多数计算机上专用的插卡设备。PXI遵循开放的硬件体系结构,用于集成高性能模块化组件,以实现对数据采集、仪器控制和图像的处理。2.2 系统的信号输入(采集)/输出(分析)在信号采集分析方面,我们首先面对的是时域模拟
13、信号。同普通仪器类似,基于LabVIEWR的虚拟仪器也必须包含DAQ(信号采集单元)。该系统的DAQ单元满足下列指标:(1)宽带 以高速率采样,可以检测到的最大信号频率必须小于奈奎斯特(Nyquist)频率;(2)精确的采样时钟 在精确时间间隔内进行采样;(3)触发 在精确的时刻启动测量;(4)分析功能 将时域信息转换为频域信息:任何信号都可以进行频域分析,这些研究领域可以是声学、振动、地球物理等系统。3 信号采集DAQ部分3.1 输入信号采集振动信号数据采集分析系统使用NI PXI-4498进行多路输入信号采集,NI PXI-4498是一款专为多通道数据的声音和振动应用而设计的高精度数据采集
14、模块。PXI-4498具有24位分辨率,同步采样模拟输入通道可达16路,其A/D响应动态范围为113dB。此外,PXI-4498模块每个信号输入通道的最高采样率达204.8kS/s。NI PXI-4498具有2个4X InfiniBand连接器,每个连接器携带8条输入通道共16个信号通道(AI0-7及AI8-15)。4X InfiniBand广泛应用于性能优越的计算机中,对于输入信号线对之间干扰具有很好的屏蔽作用,PXI-4498的主要特性有:最高采样率达204.8kS/s的16路同步采样模拟输入;24位分辨率ADC具有113dB动态范围;高达+30dB的4种增益设置,可以保证输入信号范围从
15、31.6mV 10V;可变抗混叠滤波器。3.2 传感器在对信号进行测量前,为了使信号能够被DAQ设备直接检测到,首先需将信号转换为电信号,如电压或电流信号。使用传感器可以将温度、压力、声音、光、湿度等物理现象转换为可以测量的电信号,以便DAQ设备的读取。不同于工业应用,在实验室对一个系统进行检测、分析和研究的过程中,我们需要详细分析系统的种种特性和结构特点,所以仅有少量信道和数据明显是不够的。为了对可控震源系统特性有全面、系统地了解和分析,需要实现多点检测、多数据采集分析系统,这也是我们开发研制多通道振动信号采集分析系统的初衷。一个传感器只能测量空间中一点的物理量。如果使用大量的传感器用于检测
16、不同的和多个位置点的物理量,就可以将现实发生的事件描述得更为清晰和细致。为了满足精确检测和深入分析被测系统特性的需求,该系统配置了16路检测信号输入通道、8路LVDT(线性可变差分变压器2位移传感器)信号输入信道和1路信号输出通道。振动信号数据采集分析系统常态使用两种传感器:加速度传感器和位移传感器。在实际应用中,该系统可接入流量、压力等,可将任意物理量转换为电量的传感器输出信号。3.2.1 加速度传感器及其它类型传感器在可控震源信号质量控制系统中,检测所使用的加速度传感器为以下两类。(1)电荷型压电式加速度传感器这类传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。特别
17、是在高温环境下测量时,使用电荷输出型加速度传感器比电28物 探 装 备2009年压输出型加速度传感器更有优势。该传感器经内部敏感芯片输出一个与加速度成正比的电荷信号,这类传感器需经电荷放大器或电压放大和变换阻抗后才能将信号输入到采集系统中。在该采集系统中,若采用电荷加速度传感器时,则还需配置与电荷传感器相匹配的二次转换电路或仪表。(2)电压型加速度传感器这类传感器可采用美国ION公司生产的M5I加速度传感器。M5I加速度传感器由于配有内置转换电路,因此,其优点在于无需经过阻抗/电荷变换就可将信号直接接入到采集系统中,这样加速度信号几乎不受配接电缆长度的影响。该系统还为这类有源加速度传感器配置了
18、输出为30V的直流电源。原则上,该系统可以接入可将物理量转换为电量的任何类型的传感器信号。针对液压振动试验台,可以接入检测液压系统流量、压力和温度变化及其它物理量的传感器信号。3.2.2 线性可变差动变压位移传感器(LVDT)该系统可接入LVDT位移传感器的输出信号。本系统配置的是一个8通道的位移传感器调理模块,其型号为SCXI-1540。它可为LVDT传感器提供2.5kHz、3.3kHz、5kHz和10kHz四个不同档位的频率激励,激励电压的有效值有1V或者3V可供选项的原边励磁电压。SCXI-1540的每个信号输入通道可编程输入均方根电压范围为0.056V,并且支持多通道同步采集,最高采样
19、率达333kS/s(250Hz输出带宽)。此外,SCXI-1540还可实现对LVDT传感器副边输出信号的滤波调理(解调)。位移传感器输出信号经SCXI-1540调理模块解调后送至PXI-6143。PXI-6143是一款高性能同步数据采集模块。该模块结合PXI平台,可为多通道数据采集及控制系统提供同步时钟。每个信道专用的模数转换器(ADC)位数为16位,采样率为250kS/s。SCXI-1540与PXI-6143的连接采用并行工作方式,即SCXI-1540的通道0对应PXI-6143的通道0,SCXI-1540的通道1对应PXI-6143的通道1等,每个通道独立对应。这种并行工作方式的优点在于最
20、大限度地保证较高的信道采样率。3.3 嵌入式控制器系统所采用的嵌入式控制器为PXI-8108,它可实现噪声及振动信号的增益调节、共振频率搜索。PXI-8108的主要特性是:2.53GHz Intel Core 2 Duo T9400双核处理器;标 准 配 置 为1GB(11GB DIMM),800MHz DDR2的RAM;ExpressCard/34插槽,4个高速USB端口;集成的硬盘,GPIB,串口及其他外围I/O。3.4PXI机箱及其它套件PXI机箱采用PXI-1042Q,它是带通用电源的8槽3U PXI机箱。PXI-1042Q具有最新PXI规范的所有特性,包括内置10MHz参考时钟、PX
21、I触发总线、星型触发和局部总线。NI PMA-1115是集成了LCD显示器、键盘和触控板附件的便携套件,适用于NI 8槽机箱PXI-10421Q。它具有可调整倾斜度的15英寸LCD显示器,并提供一款轻便的手柄,方便携带。4LabVIEW系统软件平台采用LabVIEW技术的虚拟仪器设计振动信号数据采集分析系统时,一项重要的工作就是通过LabVIEW编写若干个子VI(虚拟仪器),以适用于某些特定条件下的信号检测及控制的应用程序。对于LabVIEW系统而言,使用一个DAQ设备,可以创建所需的任意多个仪器,以实现对信号的生成、控制、采集、处理和分析。在利用LabVIEW创建连续振动信号数据采集分析系统
22、时,LabVIEW将数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中,可以在一个特定平台上无缝地集成一套完整的应用方案。LabVIEW开发套件为简体中文版本。可在英文系统中正常使用。图3为LabVIEW开发软件主菜单界面。以软件功能划分,创建的振动信号数据采集主要分析系统软件可分为:子功能类别软件和数据记录、处理、分析与存储两大部分。4.1 子功能类别软件各功能模块及板卡系统配置如下:16通道输入信号采集通道配置;8通道位移信号采集通道配置:采样率设置(S/s):16k、8k、4k、2k、1k、500;采集时间(记录长度)设置:165s;扫频信号类型设置:线性、dB/Hz、dB/OCT、第19卷
23、增刊张宏乐 等:基于LabVIEW编程环境的振动信号数据采集分析系统29图3LabVIEW开发软件主菜单界面T2POWER、伪随机编码信号、脉冲、自定义(文件接口)等。4.2 数据记录、处理、分析与存储各功能模块及板卡系统配置如下:数据采集、记录、存储及管理;多路信号叠加、加权和运算及分析;信号频谱分析:幅值2频率谱,相位2频率谱,功率2频率谱;信号联合时频分析:时间2频率2幅值强度图;各信道信号谐波畸变失真分析;任意信道的信号自相关或互相关分析;任意两信道间信号的相位差与时间轨迹图形;信号均方根、绝对值的时间图形表示和分析;采集信号偏移量去除:以按钮形式提供手动去除;采集信号圆滑:三点平均滤
24、波;数据显示、瞬时数据显示:测量通道数据图形显示;分析及运算结果显示:图形及数值控件形式显示;二进制原始信号数据管理与存储;原始数据转化:二进制转为txt;分析后标准数据报表:自动生成pdf格式报表;人机交互界面参数显示:显示系统参数;系统功能选择:选择要运行的功能;运行、采集、分析、生成报表等按钮。4.3LabVIEW的子VI模块例证4.3.12D快速傅立叶变换分析图4和图5分别为2D快速傅立叶变换前面板和快速傅立叶变换VI程序框图。图42D快速傅立叶变换前面板视图图52D快速傅立叶变换VI程序框图4.3.2 信号幅值谱分析图6和图7分别为信号幅值谱分析前面板和信号幅值谱子VI程序框图。30
25、物 探 装 备2009年图6 信号幅值谱分析前面板视图图7 信号幅值谱子VI程序框图4.4 容错性/可靠性设计系统容错性设计主要包括操作界面的容错性设计、硬件控制的容错性设计和上层应用软件的容错性设计。一个系统必须具备良好的容错性,避免系统出现不可恢复的错误,造成数据采集的错误,以致整个测试结果出现错误。当系统出现故障时,应按照相应的故障处理原则进行处理,给出故障报告、提示用户解决,并尝试隔离此故障,避免整个测试系统的崩溃。若系统出现故障,该系统可以:(1)当软件出现故障时提示相应的故障原因;(2)当软件出错后能够再启动;(3)软件具有备份数据的能力,当软件不能运行而必须重新安装时,不丢失以前
26、的数据。5 系统信号采集、分析实例5.1 伪随机编码信号自相关分析采用基于LabVEIW的数据采集分析系统对一个880Hz、10s的伪随机编码信号采集后,再进行自相关分析,如图8所示。将其分析结果与采用PEL TON公司的VCA系统的分析结果进行比较,可以观察到由于基于LabVEIW的数据采集分析系统可以以很高的样点数进行采样,因此局部细节较图8 伪随机编码信号自相关分析图VCA系统更为精细。5.2 信号的叠加处理信号叠加处理运算是对两路输入信号进行点对点的信号数值相加,图9所示是两路原始信号叠加处理结果,其中,上、中两图为两个不同信道的原始信号,而下图则为前面两个信道信号经叠加处理后的信号。
27、5.3 两路信号间相位差分析对信号进行相位分析是振动信号采集分析系统的一项重要功能,对可控震源信号特性进行分析时,几乎毫无例外都要用到此项功能。图10是对任意两路信号进行相位差分析显示结果。5.4 信号谐波畸变分析对信号进行谐波分析时,该系统可以对需分析 第19卷 增刊张宏乐 等:基于LabVIEW编程环境的振动信号数据采集分析系统31图9 信号的叠加处理结果图10 两路信号的相位差分析(上图灰色为某一信道信号,白色为另一信道信号,下图为上述两路信号相差值曲线)图11 扫描信号谐波畸变分析(上图为被测信号波形,下图为谐波畸变分析)结果的谐波阶数进行设定,如图11、12所示。在实际检测中,使用振
28、动信号采集分析系统对一个畸变很低的标准信号进行谐波分析所得出的结果(图12)与我们采用日本ShibaSoku公司生产的AM51C频谱分析仪实测结果基本吻合。5.5 本机信号源失真度分析对系统本机产生的线性扫描信号进行检测,其失真度约为0.02%0.03%,见图13所示。这与采用AM51C频谱分析仪的检测结果基本一致。图12 信号多阶谐波分析图(图中的曲线表示不同阶次谐波大小分布)图13 本机扫描信号的失真分析(上图为本机产生的一扫描信号,下图为对该信号进行的失真分析)6 结束语基于LabVIEW编程环境的振动信号采集分析系统是一个开发式系统,且具有很强的扩展性,其分析结果可以方便地进行交流与共
29、享,节约检测和控制系统开发周期和成本。利用LabVIEW开发、创建的振动信号采集分析系统为多种类型的信号和振动器结构提供了一个系统分析、控制工具,其重要指标满足设计要求。与VCA和SANDWICH BOX系统相比较,振动信号采集分析系统具有以下特点:1)支持多信道输入;2)可采用高速率采样;3)可以灵活配置信道并接入各类、多通道传感(下转第37页)第19卷 增刊靳春光:数字三分量检波器在油藏精细勘探中的应用37(3)基于双反演结果的流体因子数据和已知井的数据检验对比,气层特征清晰,位置准确,准确率较高;(4)数字三分量检波器具有:宽频带、向量保真,在0800Hz的范围内无相位和振幅畸变,它良好
30、的幅频特性,对于高频弱反射信号有很好的保护作用;(5)通过C1线证明数字三分量检波器能够满足多波勘探的需要。3 结论和认识通过以上对数字三分量检波器和常规模拟检波器在性能、优点以及应用效果的对比分析,得出如下认识:(1)在相同的野外施工时,使用数字三分量检波器不仅能获得优于常规模拟检波器的P波数据,同时还能获得良好的X、Y转换波数据,仅野外一次的工作量就可获得三倍于常规模拟检波器的原始数据信息,可见数据的性价比高;(2)通过数字三分量检波器获得X、Y、Z三分量数据,经后续处理解释,可充分利用纵横波联合勘探优势,对许多特殊复杂油气藏具有常规勘探不可比拟的优越性;(3)以数字三分量检波器为推动力的
31、高密度多波勘探技术发展越来越快,高密度多波多分量技术被称为地震勘探的第四次革命。是解决各油田复杂特殊的地震地质条件及岩性、裂缝、缝洞等复杂隐蔽油气藏的最有利和首选的勘探方法,必将在未来油气田的精细勘探方面起到主导作用。参考文献1 郭建,马国庆,宗遐龄 等.基于微机电采统的数字检被及其应用.石油物探,2005,15(4):348351.2 康家光,钱光萍,杨继友.四川新场三分量地震勘探试验研究J 石油物探.2005,15(4):399403.3 姚姚.多波地震勘探的发展历程和趋势展望(l)勘探地球物理进展,2005.15(3):273142008年美国ION地球物理集团公司宣传介绍资料52008
32、年法国Sercel公司宣传介绍资料收稿日期:2009208203(上接第31页)器信号输入;4)可以产生本机扫描信号;5)可对信号进行多种分析的功能。该系统功能远比诸如VCA震源检测系统强大,可对可控震源或其它振动系统的性能进行更深入地研究和分析。该系统的成功开发为我们研发其它检测和控制系统提供了经验,也使我们认识到LabVIEW开发系统所蕴藏的巨大潜力。我们的目标不仅仅是利用LabVIEW开发振动信号采集分析系统,还在于在开发该系统的过程中,了解掌握LabVIEW系统的开发环境,逐步熟练地应用Lab2VIEW创建专用于地震勘探领域内的诸如信号、结构分析、过程控制的系统开发。使LabVIEW这一图形编程语言更多更好地应用于地震勘探装备设计和制造行业。参考文献1Jeffrey Travis Jim Kring著.LabVIEW大学实用教程(第三版).电子工业出版社.20082 美国PEL TON公司.Vibpro manual.20063 美国NI公司.LabVIEW 8.5版 开发手册.2009收稿日期:2009210226