基于LabVIEW的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计

李 彤 洪 明 周 力

大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024

基于LabVIEW的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计

李 彤 洪 明 周 力

大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024

针对船舶舱室甲板的结构振动特点，结合有关船舶舱室的甲板结构振动标准文件，运用于虚拟仪器环境软件LabVIEW系统，开发针对船舶舱室的甲板结构振动虚拟测量分析及评价系统。通过对实船舱室甲板的振动测试，对比分析该系统结果与传统模拟振动测试分析仪VA－10的测试结果，认为该虚拟测试系统具有较好的可靠性和较高的精度，能较好满足工程测试的需要。在此系统基础上可以扩展进行船舶结构的运行模态分析功能的搭建，成为航行振动评价及有害振动诊断的工具。

结构振动测试；虚拟仪器；LabVIEW；振动信号分析处理

1 引言

随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展，以及这些技术在测量领域的应用，测量仪器依次出现了数字化仪器、智能化仪器和虚拟仪器。虚拟仪器是计算机技术和测控技术相结合的产物，它一般由信号调制设备、数据采集设备以及基于PC机的虚拟仪器软件构成。虚拟仪器可由用户按自己的实际要求自行定义和设计，而且可以根据实际需要添加、修改各项功能，使用起来非常灵活。虚拟仪器的功能主要由软件实现，不仅能执行传统仪器的功能，还能执行传统仪器无法实现的许多功能。此外，虚拟仪器与传统仪器相比，避免了传统仪器将测试功能固化在硬件中无法修改的弊病，从而使其通用性、可修改性和可移植性有了很大改善，同时在成本上比传统仪器降低了许多。目前在这一领域内，LabVIEW是使用较为广泛的计算机开发工具。

本文首先介绍虚拟仪器及其系统的构成、软件开发平台以及虚拟仪器的应用，然后介绍系统的整体设计和实现。系统开发过程中，结合船舶在海上正常航行时舱室甲板振动的特殊环境，有针对性地开发了船舶舱室甲板结构振动的虚拟振动试验系统。在相关模块开发过程中，参考了船体振动测量的标准文件ISO 6954（2000）等国际标准文件对振动测量的要求，使模块开发更加专业化和标准化。最后通过对实船舱室甲板的振动测量，对比分析了该系统结果与传统模拟振动测试分析仪VA－10的实船测试结果。通过比较认为该虚拟测量系统具有较好的可靠性和较高的精度，能较好满足工程测试的需要。

2 基于LabVIEW的虚拟仪器系统构成

基于LabVIEW的虚拟仪器系统由被测对象、传感器、信号调理器、数据采集卡以及装有虚拟仪器软件的计算机构成。安置在被测对象上的传感器将被测对象的物理信号转换为电信号，经过信号调理器的滤波和放大后将信号传递给数据采集卡，数据采集卡经过采样、滤波和A／D转换后将模拟信号转换为数字信号并传递给计算机，计算机操作系统通过驱动程序获取数据，并交给调用的LabVIEW虚拟仪器软件进行相应处理。本文工作就是针对船舶结构振动及相应的ISO标准，设计编制基于LabVIEW虚拟仪器软件平台的船舶航行结构振动测量系统。

3 基于LabVIEW的船舶舱室甲板虚拟振动实验系统设计

目前，虚拟测试分析仪主要是基于数据采集卡的PC－DAQ系统，其构成如图1所示，主要由硬件设备和应用软件两大部分构成，硬件设备核心是PC机以及I／O接口设备。接口设备一般为基于PC机标准的ISA采集卡、PCI采集卡以及目前应用越来越广泛的USB数据采集卡。数据采集卡一般是高性能、高集成度及多通道集成电路板卡设备，一般由逻辑控制器、存储器、采样保持器、A／D转换器、放大器、滤波器以及多路选择开关等构成的单片机系统或是嵌入式系统。当前随着USB接口使用的日益广泛，基于USB接口的数据采集卡成为数据采集设备的主流。USB采集卡除了具有高速、方便和灵活的特点外，还具有独立供电、抗电磁干扰强及支持多媒体等以往接口所没有的优点，很好地解决了其他一些总线接口在安装、速度以及接口数量限制等方面存在的问题。

本文主要针对基于LabVIEW下船舶舱室甲板振动响应信号的一些重要参数指标的软件获得及评价进行程序设计。该系统的软件结构可分为主模块、信号采集模块以及信号分析处理模块，此外根据实际需要可以添加相应的功能模块。

图1 基于采集卡的虚拟仪器系统构成

3.1 信号分析处理功能模块流程的设计

信号分析处理功能模块是虚拟测试分析仪的核心模块，通过该模块的分析处理可以得到测试者所要的结果。该模块包含各种时域分析和频域分析功能。由于信号分析处理主要在时域、频域或时频域内进行，所以系统在程序编制时采用模块化方式，将各个功能模块分别编制成为独立的子VI（虚拟仪器），通过系统主面板分别调用，独立运行。在LabVIEW程序设计中，一个VI由前面板和程序流程图两部分组成，所以VI的设计也要从前面板设计和程序流程图设计两方面进行。其中前面板等效于传统测试仪器的控制面板，程序流程图等效于传统测试仪器内部硬件电路［1］。

本系统时域分析模块流程的外层是一个While结构，类似C语言中Do－While选择分支结构，使用While结构时，会在前面板创建Stop布尔控件，使用该控件可以实现循环的运行启动或停止。由于各种分析功能对应于不同的处理算法，所以在While循环内部使用了Case结构，使每种分析功能对应Case的一个分支。LabVIEW的Case结构类似于C语言中的Switch－Case结构，根据Switch值来决定程序进入不同分支流程。Case结构的各个分支为各种时域分析功能的具体算法，一般把算法功能封装成独立的VI，然后添加到Case分支中去，这样可以方便其他模块调用该算法。例如在本系统中将相关分析封装成独立子VI，通过时域分析的菜单可以方便调用，如图2所示。

在本系统中，主要通过LabVIEW中的Signal Processing功能子VI设计了包括相关分析、FFT频谱分析等时域和频域的分析功能模块。

3.2 经典的FFT谱估计法

在船舶正常航行的条件下，输出振动信号的自功率谱反应了其结构的振动特性，在固有频率或激励频率处有相对明显的响应峰值。分析船舶甲板振动响应的自功率谱时，一般利用FFT快速傅里叶变换算法实现［2］。计算机要使用傅里叶变换，首先要将傅里叶变换离散化。使用A／D转换器的模数转换功能，将连续的模拟信号x（t）进行离散化，得到以Dt为间隔的量化序列值，再将得到的离散化的序列值进行FFT变换。下面给出理论推导过程。

图2 相关分析子模块前面板示意图

傅里叶变换级数表达式：

傅里叶逆变换级数表达式：

其离散表达式为：

式中，T为采样周期；N为采样量；Dt为采样间隔；fs为采样频率；Df为频率分辨率。

T为分析信号采样的时间长度，可以看出，在采样频率fs确定的情况下，信号变换长度越大或者采样点数越多，频率分辨率Df越小，分辨能力就越好。但是采样频率增高和采样点数的增多会使测试的数据量增加，运算增大，从而降低测试的效率，所以在这些参数的设置上应根据实际给予权衡。

由式（3）可知，N个频域数据离散傅里叶算法（DFT）所需乘法运算是N2次，而计算机做乘法运算比做加法运算慢得多，若采样数据很多，势必会造成离散傅里叶算法的速度大大降低。FFT算法是离散傅里叶变换的一种快速算法，现在发展了多种形式，目前应用最广泛的是基－2算法。基－2算法要求采样数据为2的整数次幂，即要求N= 2L及为L正整数。这种算法是利用离散傅里叶变换的周期性和对称性，减少乘法和加法的运算次数以达到快速运算的目的［3］。由于加法的运算时间比乘法的运算时间短得多，仅以乘法来比较两种算法的时间：

若N=1 024=210，可得2N／（log2N）=2×1 024／10≈200。可见，在N=1 024时，FFT所用时间仅为DFT所用时间的1／200。由于FFT算法只是对DFT算法的优化，其数学过程不再赘述。

3.3 基于FFT的频谱分析仪的系统设计

由于船舶正常航行时，舱室甲板的振动激励主要来自于螺旋桨的叶频、倍叶频以及主机的各个谐次，所以其振动的频率范围属于低频［4］。在系统设计过程中，根据ISO相关标准的要求，主要考虑1～100 Hz频率范围的振动，实际设计的频谱范围应该高于100 Hz，本系统取到200 Hz左右。为了防止信号的混跌，除了采用必要的前置滤波器之外，采样频率的设置也很重要。在满足采样定理的要求下，一般设置为信号最高频率的3～6倍，实验中本系统采用500 Hz的采样频率。读取信号后，振动时域信号显示在示波器中，如图3所示。去除噪声部分较大的无用信号，截取后信号加窗、滤波，利用FFT的频谱分析模块可以得到信号的频谱图，如图4所示。

图3 FFT频谱分析子模块时域波形图

图4 FFT频谱分析子模块频域波形

实测中，采样信号只是所测连续信号的截断，这将不可避免地引起谱泄漏，克服谱泄漏的一种方法是无限延长采样周期，这样FFT就能算出正确的频谱，但这样在实际中无法做到［5］。另一种方法是加窗，将采样信号与窗函数相乘，窗函数的幅度变化很平滑，并且在边缘处逐渐趋近于0，信号的不连续性将大大减小，从而降低了谱泄漏。LabVIEW 8.2中的窗函数调用途径位于Functions＞Signal Processing＞Filters模板。

3.4 基于ISO 6954（2000）的船舶适居性评价子模块实现

根据ISO 6954（2000）标准文件所述，使用该标准对船舶不同区域进行分级时，应优先考虑取得利益双方（如船厂和船东）的认同，再进行船舶适居性评价。表1给出了客舱、船员居住区和工作区3个不同区域严重振动的下限值和轻微振动的上限值，这些限值以1～80 Hz全频率计权加速度（mm／s2）均方根值和全频率计权速度（mm／s）均方根值的形式给出，本模块以该数据作为评价基准进行开发。

表1 不同评价区域1～80 Hz加权有效值评价标准［6］

根据ISO 2631中提供的权值表［7］，对FFT测得数据进行1～80 Hz全频率计权均方根值的计算。下面是本文给出船舶甲板某一测点在某一方向上的全频率计权均方根值的算法：

式中，fw为测点全频率计权均方根值；N表示该测点测得N个频率；Wa为第a个频率对应的权值；fd（a）为FFT测得的第a个频率对应值。对于加速度或速度作为输入值，式（5）均可适用。

通过式（5）计算之后的全频率计权均方根值与表1进行比较，在不同的区域只要判断该测点全频率计权均方根值是否满足在该区域轻微振动的上限值之下或者轻微振动的上限值与严重振动的下限值之间便可以判断该点是否满足适居性的要求，从而对该区域是否满足船舶适居性的要求做出评估。船舶适居性评价子模块程序流程如图5所示。

4 实船振动测试数据对比分析

根据前文阐述的基本理论和实验方法，并参照有关标准规范，对“胜海10”油田多用途船航行振动进行测量。数据采集过程中同时使用VA－10型号模拟振动分析仪和本系统对相同测点进行测试，并对测量后的结果进行对比分析。进行舱室振动测量时，根据标准要求，海况应在3级或3级以下，水深应该不小于吃水的5倍深度，螺旋桨应全部浸没水中，主机输出功率应保持恒定，船舶应保持自由直线航行。根据船东和船厂的要求对船舶尾部结构、甲板结构及舱室的相应测点进行了振动测量。

由于测点比较多，本文选取主甲板右舷垂向振动频谱、主甲板左舷垂向振动频谱、轮机长室垂向振动频谱和船长室垂向振动频谱［8］对VA－10振动分析仪和本系统测得结果进行对比分析，结果如图6～图13所示。

由于本试验所用的VA－10振动分析仪经过中国计量研究院标定，并获得检测通过，现以VA－10振动分析仪测得数据作为基准，对比分析本系统中舱室与甲板振动频谱分析子模块得到数据与VA－10测得数据之间的误差如表2、表3。

表2 主甲板左、右舷垂向振动速度共振峰值（mm／s）

表3 轮机长室和船长室垂向振动速度共振峰值（mm／s）

通过数据可以发现，当速度幅值比较高时，本系统数据与VA－10测得数据的误差较小，具有较高精度。当测得速度幅值较小时，本系统数据与VA－10测得数据的误差较大，但是误差均在3%以下，测得结果仍可接受。

5 结论

基于LabVIEW的船舶舱室及甲板虚拟振动测量系统的建立，使用于船舶振动测量的仪器不仅仅是功能单一的专用仪器，而是由基本数据采集硬件和软件有效结合的完整测量系统，其特点包括：

1）系统针对船舶舱室甲板这一特殊环境，以ISO 6954等国际标准文件作为参考进行开发设计，专业特点比较突出。此外，其结构具有良好的开放性、可扩充性，用户可根据测试的需要，自行扩充数据采集通道，自行定义或修改数据处理的功能模块。

2）功能较强大，开发成本较低。对于传统的振动测试仪器，例如丹麦B＆K公司，日本RION公司等生产的通用振动测试仪器，价格从几万元到几十万甚至上百万人民币不等，而且软件一般固化在系统硬件中，专业性不强，用户不能自行修改以达到专门针对某一领域测试的要求。本系统除了针对舱室甲板振动的频谱分析模块之外还提供了相关分析及数字滤波功能，如果需要还可以提供模态分析等更加复杂的功能模块。系统功能可以根据需要进行添加和修改，方便快捷，但成本却很低，这是传统仪器所不能达到的。

3）较好地缩短了开发周期。由于LabVIEW提供丰富的硬件设备驱动程序，而且具有DAQ库和高级信号分析库等函数库，同时还提供了与C语言、MATLAB等软件相应的接口，使得设计者对系统开发的重点放在所要实现的功能算法上，而不是从硬件到软件进行一系列周密而复杂的系统设计。开发者一般确定了算法就能较快设计出相应的功能模块，并能方便地进行调试，验证算法可行性，同时可以及时发现问题和改进算法，最终得到满足要求的功能模块。

4）通过实船测试可以发现，系统虚拟振动分析仪模块的精度可以满足工程要求，此外根据工程需要，可以设计达到更高的精度。另外，在此系统基础上可以扩展进行船舶结构的运行模态分析功能的搭建，使其成为船舶航行振动评价及有害振动诊断的完整系统。

［1］赵峰，熊茂华.基于虚拟仪器的频谱分析仪设计［J］.国外电子测量技术，2004，23（3）：5－7.

［2］易良榘.简易振动诊断现场实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［3］李德葆.实验模态分析及其应用［M］.北京：科学出版社，2001.

［4］姚熊亮.船体振动［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

［5］张令弥.振动测试与动态分析［M］.北京：航空工业出版社，1992.

［6］ISO 6954：2000（E）.Mechanical vibration— Guidelines for the measurement，reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships［S］.ISO，2000.

［7］ISO 2631－2：2003（E）.Evaluation of human exposure to whole－body Vibration— Part 2：Vibration in buildings（1Hz to 80Hz）［S］.ISO，2003.

［8］洪明，姜大正，李彤.胜海10航行船体结构振动测量报告［R］.大连：大连理工大学，2007.

Design of Virtual Instrumental System to the Measure Vibration of Ship Deck Structures by LabVIEW

Li Tong Hong Ming Zhou Li
School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

This paper develops a virtual analysis and evaluation system for the vibration of ship deck structures by using the virtual instrumental software of LabVIEW，considering the vibration characteristics of such structures and implementing the related ISO standards and codes.Through the deck vibration test onboard，the results are compared to those obtained from conventional vibration measurement instrument VA－10.The comparisons show that developed system is reliable and higher in accuracy，and can be used for engineering measurement.This system may be expanded to a module for mode analysis of ship structures and becomes a tool to evaluate and diagnosis the vibration during navigation.

structural vibration measurement；virtual instrument；LabVIEW；vibration signal processing

U663.6

A

1673－3185（2009）02－42－06

2008－09－26

李 彤（1983－），男，硕士研究生。研究方向：振动噪声测量分析及应用。E-mail：littlitong@163.com

洪 明（1959－），男，副教授，硕士生导师。研究方向：船舶结构振动与声辐射