基于虛擬儀器的艦船動力裝置振動測量系統開發

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(1.船舶振動噪聲重點實驗室，武漢 430064；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；3.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

艦船作為一個漂浮在海上的全自由強性體，在航行或作戰時會受到主機、螺旋槳、海浪、觸礁、炸彈或魚雷爆炸等多種周期或非周期性的干擾激勵，引起船體的振動。在艦船航行中，一方面在某一激振頻率作用下有可能產生的共振超過極限而損壞艦船動力裝置的情況；另一方面盡管振動引起的機械應力遠低于材料在靜載荷下的強度，長期振動仍會產生疲勞損壞艦船動力裝置。此外，艦船動力裝置及其結構的振動還會產生強烈的振動與噪聲，不但影響艦員的生活工作環境，且輻射的水下噪聲將嚴重影響艦船的隱蔽性。針對艦船及其動力裝置的振動與噪聲高性能的技術要求，需要對其振動特性進行準確測量分析與評價，以保證艦船動力裝置的安全可靠運行，因此開發艦船動力裝置振動測量系統具有十分重要的軍事意義。

1 振動測量系統硬件選擇

本系統根據GJB 4058—2000《艦船設備噪聲、振動測量方法》的技術要求進行研制，該測量系統的振動加速度測量頻率范圍為10 Hz～8 kHz，選取的數據采集分析系統與傳感器和采集卡相匹配，其硬件主要由振動傳感器、數據采集卡、數據采集系統和計算機組成。

1.1 傳感器選擇

選用BW13100振動傳感器，其靈敏度為50 mV/g，測量頻率范圍0.5～10 000 Hz，工作溫度范圍-40～120 ℃。

1.2 數據采集硬件選擇

選用美國NI公司的可擴展USB 數據采集系統，其最大可擴展至8個C系采集模塊；選用NI 9233采集模塊同步采樣多功能數據采集模塊，其單通道最高采樣速率為50 kb/s，24位分辨率；102 dB動態范圍；防混疊濾波器，4路同步采樣模擬輸入，輸入范圍為±5 V。選用NI可擴展USB 數據采集系統NI cDAQ-9172作為數據采集系統，其內有插槽可同時插入8塊C 系列采集卡；選用NI CompactDAQ機箱，其最多可和8塊C系列卡I/O模塊運行，機箱中C系列I/O模塊具有自動檢測和熱插拔功能，單個機箱模擬輸入速度可達3.2 Mb/s。

1.3 運行環境

操作平臺應具備以下要求：硬件CPU要求PII/賽揚600 Hz以上CPU，內存128 MB以上，至少100 MB以上硬盤空間；軟件安裝有Microsoft Windows 98/NT/2000/XP簡體中文操作系統Microsoft Office 2000/2003。

2 測量分析系統的軟件設計

2.1 軟件開發平臺

采用基于圖形化編程語言LabVIEW作為振動測量分析系統的軟件開發環境，通過各種交互式的空間、對話框、菜單及函數模塊進行編程。LabVIEW主要有如下特點：圖形化的儀器編程環境；靈活的程序調試手段，可以在源代碼中設置斷點、單步運行；內置的程序編譯器，使程序運行速度加快；提供從底層VXI、GPIB、串口及數據采集卡的控制子程序到大量的儀器驅動程序，從基本的功能函數到高級分析庫；支持多種系統平臺、平臺之間的程序可以直接進行移植[1]。振動測量分析系統的軟件結構見圖1。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 數據采集程序模塊設計

數據采集模塊主要功能是完成各個采集通道的采樣頻率和采樣點數的設置，對模擬通道的信號進行采集，并對原始信號進行簡單分析以完成原始信號好壞的判斷。采樣驅動選取LabVIEW程序框圖函數選板的測量I/O庫函數中的NI-DAQmx，包含了DAQmx創建通道、DAQmx定時、DAQmx開始任務、DAQmx讀取、DAQmx清除任務等驅動。根據動力裝置的振動測量頻率范圍，采用了LabVIEW自帶的數值輸入控件控制采樣頻率和每通道的采樣點數。由于選取的NI-9233采樣電壓范圍為-5～-+5 V，其采樣電壓范圍設為默認值，即最小電壓-5 V,最大電壓+5 V，以免超出此范圍，影響采集信號精度。采樣模式設計為連續采樣。

2.2.2 數據分析處理程序設計

數據分析處理模塊主要功能是實現對采集模塊采集的振動信號的時域分析，頻域分析及時-頻分析，此程序設計分三個步驟完成。

1)原始數據導入。數據處理模塊需要調取數據采集模塊采集的信號，設計程序過程中首先應該設置“選擇采集的波形文件路徑”對話框,將采集的波形文件通過“波形讀取文件”VI導入數據分析處理程序模塊，用波形顯示控件顯示采集數據的原始波形[2]。

2)信號的預處理。信號的預處理主要包括濾波與加窗處理。

數字濾波器。選用FIR數字濾波器，其中包括：lowpass、highpass、bandpass、bandstop等四種數字濾波器。對于1/3倍頻程、自譜分析等頻譜分析主要選取帶通濾波(bandpass)，將帶通設計為濾波類型的默認值，而其它三種濾波類型置于選項框中備選。

窗函數。由于信號為隨機樣本，通用由一個有限長度的隨機樣本來代替無限長的信號，需要對信號加窗，主要的窗函數包括：矩形窗、漢寧(Hanning)窗、海明(Hamming)和高斯窗等。窗函數設計應考慮被分析信號的性質與處理要求，應用LabVIEW強大的函數庫集合功能將所有窗函數集成為一個子VI函數庫，將此子庫置于程序前面板，以方便調用各種窗函數對信號進行預處理。

2.3 信號處理與分析

主要對預處理后的振動信號進行時域分析、頻域分析及時-頻分析處理，其中頻域分析包括1/3倍頻程、自譜分析和互譜分析，時-頻分析包含高階譜分析和小波分析[3]，其軟件的設計是通過調用LabVIEW函數庫中的振動噪聲工具包中信號處理模塊, 通過LabVIEW中集成的選擇控件來選擇信號處理方式和參數設置，圖2為軟件整體設計流程圖。

圖2 軟件設計流程

2.4 數據庫的設計

Access數據庫軟件平臺提供了表、查詢、窗體、報表、頁、宏、模塊等7種對象和多種向導、生成器和模板；可將數據存儲、數據查詢、界面設計和報表生成等操作規范化振動測量分析系統選用Access 2003數據庫作為數據管理平臺，創建了以振動測量分析系統通道配置的數據庫，在通道配置模塊通過索引傳感器序列號可調用數據庫的傳感器參數及通道配置[4]，建立的傳感參數及通道配置數據見表1。

表1 傳感參數及通道配置數據

LabSQL與數據庫之間是通過ODBC連接，用戶需要在ODBC中指定數據源名稱和驅動程序。在使用LabSQL之前，首先需要在Windows操作系統中的ODBC數據源中創建一個DSN(數據源名)，其設置步驟如下。

1)在“控制面板”中點擊“管理工具”→“數據源(ODBC)”打開數據源管理器界面。

2)在“系統DSN”中單擊添加，在彈出的“創建新數據源”點擊“Driver do Microsoft Access (*.mdb)”,單擊完成。

3)在“ODBC Microsoft Access 安裝”窗口中，數據源名處填寫“新”。單擊“數據庫”選項框中的“選擇(S)...”，在“選擇數據庫”菜單中選擇安裝路徑中的數據庫.mdb文件，依次單擊確定，完成數據源的設置。

3 試驗及試驗數據處理

利用LMS振動噪聲測量系統試驗驗證開發的艦船動力裝置振動測量分析系統的功能、測量精度和穩定性，其驗證主要包括對標準信號的驗證和臺架試驗驗證。

3.1 試驗臺架

1)標準信號驗證選用Brüel & Kjaer的加速度計校準器(4294)，可產生標準正弦振動信號，其主要性能參數見表2。

表2 Brüel & Kjaer的加速度計校準器性能參數

2)臺架試驗的試驗臺由WP10國Ⅲ型柴油機、傳動軸、電機和控制臺四部分組成，見圖3。

其中電機在柴油機正常工作時作為發電機使用，通過調節勵磁電流來改變負荷大小，同時也可作為電機倒拖柴油機，由控制臺調節柴油機的工況。WP10國Ⅲ型柴油機是四沖程、水冷、直列、增壓中冷柴油機，其基本參數見表3。

圖3 試驗臺架示意

參數數值參數數值氣缸數/個6額定功率/kW175缸徑/mm126額定轉速/(r·min-1)2 200行程/mm130最大轉矩/(N·m)1 000發火順序1—5—3—6—2—4壓縮比17∶1

3.2 試驗方案

試驗中分別采用LMS振動噪聲測量系統和振動測量分析系統對加速度計校準器和柴油機在同一工況條件下的振動信號進行采集與分析，通過實驗分析結果對比兩種不同系統在同樣的工況條件下的分析結果，以驗證艦船動力裝置振動測量分析系統的準確性[5]。

3.3 測量結果的對比分析

圖4為LabVIEW振動測量分析系統采集的標準振動信號波形，圖5為兩測量分析系統對所測標準信號的自譜分析比較，圖6和圖7分別為兩測量分析系統在柴油機同工況同一測點的1/3 Octave倍頻程和自譜分析結果對比 。

圖4 LabVIEW系統采集的標準振動信號波形

圖5 兩種測量分析系統標準振動信號自譜分析結果比較

在標準信號試驗中，基于LabVIEW振動測量系統采集波形為標準正弦波形，最大幅值為1.414g，完全與加速度計校準器發出信號完全一致,見圖4。圖5中自譜分析與LMS振動測量分析系統相比都可以說明能量集中在158.2 Hz左右，誤差不超過0.01%；在WP10國Ⅲ型柴油機臺架上的試驗對比見圖6，1/3倍頻程與自譜分析結果的誤差不超過0.5%，從而驗證了研制的艦船動力裝置振動測試分析系統的穩定性及準確性。

圖6 兩種測量分析系統1/3 Octave分析結果比較

圖7 兩種測量分析系統柴油機同工況信號自譜分析結果比較

4 結論

研制的艦船動力裝置振動測量分析系統分別在標準振動校準器和動力裝置上與LMS振動噪聲測量系統進行了試驗驗證對比，通過試驗數據對比可以說明，研制的振動測試分析系統所選的硬件和開發的軟件滿足艦船動力裝置的振動測試要求，符合艦船振動測量的技術標準。

[1] 劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社,2003.

[2] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.2程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3] DOMMERMUTH D G,YUE D K P.A high-order spectral method for the study of nonlinear gravity waves[J].Journal of Fluid Mechanics,1987(184):267-288.

[4] 尹仁平.LabVIEW中的數據庫訪問[J].電子測量技術，2006(6)：51-52.

[5] 余永華,朱繼軍,楊建國.船舶軸系軸功率測試儀的研制[J].中國修船,2006,19(6):8-10.