2. 设备数据采集方案设计

任务定义

针对旋转机械（如电机、风机）与液压系统两类典型设备，设计一套可落地的多传感器数据采集方案。方案需明确传感器选型、安装位置、采样频率设定依据，并给出可执行的配置代码与验证方法。本案例聚焦于采集层设计，不涉及后续信号处理与故障诊断算法。

1. 传感器选型与安装位置

旋转机械主要监测振动与转速，液压系统主要监测压力、流量与油液温度。选型原则：振动传感器选用IEPE型加速度计（量程±50g，灵敏度100mV/g），转速采用磁电式接近开关，压力选用扩散硅压力变送器（4-20mA输出），流量选用涡轮流量计，温度选用PT100铂电阻。安装位置需遵循以下规则：

振动传感器：安装于轴承座垂直与水平方向（测点1、2），以及设备基座（测点3），使用磁座或螺纹安装，确保接触面平整；
转速传感器：安装于转轴附近，间隙1-2mm，对准键相标记；
压力传感器：安装于液压泵出口主管路（测点P1）与执行器入口（测点P2），使用三通接头接入；
流量传感器：串联于回油管路（测点F1）；
温度传感器：插入液压油箱内部（测点T1），浸没深度≥100mm。

2. 采样频率设定

采样频率依据被测信号最高频率分量确定。旋转机械振动信号关注至10倍转频（假设最高转速3000rpm即50Hz），则最高分析频率500Hz，按抗混叠要求采样率≥2.56×500=1280Hz，取整为2048Hz。液压系统压力脉动主要能量集中在100Hz以内，采样率设为512Hz；流量与温度为缓变信号，采样率设为10Hz。所有通道同步采集，避免相位偏差。

3. 数据采集配置实现

以下代码基于Python与NI-DAQmx驱动，实现多通道同步采集配置。硬件假设为NI USB-6343（32路AI，16位，2MS/s），通过接线盒连接上述传感器。

import nidaqmx
from nidaqmx.constants import (
    TerminalConfiguration, Edge, AcquisitionType, VoltageUnits, CurrentUnits
)
import numpy as np
import time

# 通道配置参数
VIB_SENSITIVITY = 0.1  # 100mV/g → 0.1 V/g
VIB_SAMPLE_RATE = 2048.0
VIB_SAMPLES = 2048 * 2  # 采集2秒

PRESS_SAMPLE_RATE = 512.0
PRESS_SAMPLES = 512 * 2

SLOW_SAMPLE_RATE = 10.0
SLOW_SAMPLES = 10 * 2

def configure_task():
    """创建并配置多通道采集任务"""
    task = nidaqmx.Task()
    
    # 振动通道（3路，IEPE需启用激励电流）
    for i, ch in enumerate(["Dev1/ai0", "Dev1/ai1", "Dev1/ai2"]):
        task.ai_channels.add_ai_accel_chan(
            ch, name_to_assign_to_channel=f"vib_{i+1}",
            terminal_config=TerminalConfiguration.DIFFERENTIAL,
            sensitivity=VIB_SENSITIVITY, sensitivity_units=VoltageUnits.VOLTS_PER_G,
            current_excit_source=nidaqmx.constants.ExcitationSource.INTERNAL,
            current_excit_val=0.004  # 4mA IEPE激励
        )
    
    # 压力通道（2路，4-20mA需外接250Ω电阻转为1-5V）
    for i, ch in enumerate(["Dev1/ai3", "Dev1/ai4"]):
        task.ai_channels.add_ai_voltage_chan(
            ch, name_to_assign_to_channel=f"press_{i+1}",
            terminal_config=TerminalConfiguration.DIFFERENTIAL,
            min_val=0.0, max_val=5.0, units=VoltageUnits.VOLTS
        )
    
    # 流量通道（1路，4-20mA经250Ω电阻）
    task.ai_channels.add_ai_voltage_chan(
        "Dev1/ai5", name_to_assign_to_channel="flow",
        terminal_config=TerminalConfiguration.DIFFERENTIAL,
        min_val=0.0, max_val=5.0, units=VoltageUnits.VOLTS
    )
    
    # 温度通道（1路，PT100经变送器输出4-20mA）
    task.ai_channels.add_ai_voltage_chan(
        "Dev1/ai6", name_to_assign_to_channel="temp",
        terminal_config=TerminalConfiguration.DIFFERENTIAL,
        min_val=0.0, max_val=5.0, units=VoltageUnits.VOLTS
    )
    
    # 转速通道（1路，数字输入）
    task.di_channels.add_di_chan("Dev1/port0/line0", name_to_assign_to_channel="tacho")
    
    # 设置采样时钟（所有AI通道统一采样率，此处以振动采样率为基准）
    task.timing.cfg_samp_clk_timing(
        rate=VIB_SAMPLE_RATE,
        sample_mode=AcquisitionType.FINITE,
        samps_per_chan=VIB_SAMPLES
    )
    return task

def read_data(task):
    """读取一次采集数据，返回字典"""
    data = task.read(number_of_samples_per_channel=VIB_SAMPLES)
    # data为二维列表：行=通道，列=采样点
    result = {
        "vib_1": np.array(data[0]) / 0.1,  # 转换为g
        "vib_2": np.array(data[1]) / 0.1,
        "vib_3": np.array(data[2]) / 0.1,
        "press_1": (np.array(data[3]) / 5.0) * 20.0,  # 0-5V → 0-20MPa
        "press_2": (np.array(data[4]) / 5.0) * 20.0,
        "flow": (np.array(data[5]) / 5.0) * 100.0,    # 0-5V → 0-100L/min
        "temp": (np.array(data[6]) / 5.0) * 150.0     # 0-5V → 0-150℃
    }
    return result

if __name__ == "__main__":
    task = configure_task()
    try:
        task.start()
        # 等待转速信号触发（简单轮询，实际可用硬件触发）
        time.sleep(0.5)
        data = read_data(task)
        task.stop()
        # 输出关键统计值（仅作示例，非实测结果）
        print(f"振动1 RMS: {np.sqrt(np.mean(data['vib_1']**2)):.3f} g")
        print(f"压力1 均值: {np.mean(data['press_1']):.2f} MPa")
        print(f"温度: {np.mean(data['temp']):.1f} ℃")
    finally:
        task.close()

4. 通道标定与量程映射

代码中已包含传感器灵敏度与量程换算：振动通道通过DAQmx加速度计通道直接设置灵敏度，返回值为g；压力、流量、温度通道通过电压-物理量线性映射（0-5V对应0-20MPa、0-100L/min、0-150℃）。实际使用时需根据传感器具体量程修改映射系数。

5. 验证方法与判定标准

硬件连接验证：启动设备后，在NI MAX中检查所有通道是否识别，手动施加已知激励（如敲击振动传感器），观察对应通道波形是否变化。

采样率验证：运行上述代码，采集已知频率信号（如使用信号发生器输入50Hz正弦波至振动通道），对采集数据做FFT，频谱峰值应出现在50Hz±1Hz处，且无混叠分量。

同步性验证：同时给两个压力通道施加同一阶跃压力，比较两通道数据上升沿时间差，应小于1个采样周期（1/512s≈2ms）。

判定标准：以上三项验证全部通过，且代码能连续稳定运行30分钟无报错，即判定采集方案合格。

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