基于虚拟仪器的舰船动力装置振动测量系统开发

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(1.船舶振动噪声重点实验室，武汉 430064；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063；3.船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

舰船作为一个漂浮在海上的全自由强性体，在航行或作战时会受到主机、螺旋桨、海浪、触礁、炸弹或鱼雷爆炸等多种周期或非周期性的干扰激励，引起船体的振动。在舰船航行中，一方面在某一激振频率作用下有可能产生的共振超过极限而损坏舰船动力装置的情况；另一方面尽管振动引起的机械应力远低于材料在静载荷下的强度，长期振动仍会产生疲劳损坏舰船动力装置。此外，舰船动力装置及其结构的振动还会产生强烈的振动与噪声，不但影响舰员的生活工作环境，且辐射的水下噪声将严重影响舰船的隐蔽性。针对舰船及其动力装置的振动与噪声高性能的技术要求，需要对其振动特性进行准确测量分析与评价，以保证舰船动力装置的安全可靠运行，因此开发舰船动力装置振动测量系统具有十分重要的军事意义。

1 振动测量系统硬件选择

本系统根据GJB 4058—2000《舰船设备噪声、振动测量方法》的技术要求进行研制，该测量系统的振动加速度测量频率范围为10 Hz～8 kHz，选取的数据采集分析系统与传感器和采集卡相匹配，其硬件主要由振动传感器、数据采集卡、数据采集系统和计算机组成。

1.1 传感器选择

选用BW13100振动传感器，其灵敏度为50 mV/g，测量频率范围0.5～10 000 Hz，工作温度范围-40～120 ℃。

1.2 数据采集硬件选择

选用美国NI公司的可扩展USB 数据采集系统，其最大可扩展至8个C系采集模块；选用NI 9233采集模块同步采样多功能数据采集模块，其单通道最高采样速率为50 kb/s，24位分辨率；102 dB动态范围；防混叠滤波器，4路同步采样模拟输入，输入范围为±5 V。选用NI可扩展USB 数据采集系统NI cDAQ-9172作为数据采集系统，其内有插槽可同时插入8块C 系列采集卡；选用NI CompactDAQ机箱，其最多可和8块C系列卡I/O模块运行，机箱中C系列I/O模块具有自动检测和热插拔功能，单个机箱模拟输入速度可达3.2 Mb/s。

1.3 运行环境

操作平台应具备以下要求：硬件CPU要求PII/赛扬600 Hz以上CPU，内存128 MB以上，至少100 MB以上硬盘空间；软件安装有Microsoft Windows 98/NT/2000/XP简体中文操作系统Microsoft Office 2000/2003。

2 测量分析系统的软件设计

2.1 软件开发平台

采用基于图形化编程语言LabVIEW作为振动测量分析系统的软件开发环境，通过各种交互式的空间、对话框、菜单及函数模块进行编程。LabVIEW主要有如下特点：图形化的仪器编程环境；灵活的程序调试手段，可以在源代码中设置断点、单步运行；内置的程序编译器，使程序运行速度加快；提供从底层VXI、GPIB、串口及数据采集卡的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库；支持多种系统平台、平台之间的程序可以直接进行移植[1]。振动测量分析系统的软件结构见图1。

2.2 系统软件设计

2.2.1 数据采集程序模块设计

数据采集模块主要功能是完成各个采集通道的采样频率和采样点数的设置，对模拟通道的信号进行采集，并对原始信号进行简单分析以完成原始信号好坏的判断。采样驱动选取LabVIEW程序框图函数选板的测量I/O库函数中的NI-DAQmx，包含了DAQmx创建通道、DAQmx定时、DAQmx开始任务、DAQmx读取、DAQmx清除任务等驱动。根据动力装置的振动测量频率范围，采用了LabVIEW自带的数值输入控件控制采样频率和每通道的采样点数。由于选取的NI-9233采样电压范围为-5～-+5 V，其采样电压范围设为默认值，即最小电压-5 V,最大电压+5 V，以免超出此范围，影响采集信号精度。采样模式设计为连续采样。

2.2.2 数据分析处理程序设计

数据分析处理模块主要功能是实现对采集模块采集的振动信号的时域分析，频域分析及时-频分析，此程序设计分三个步骤完成。

1)原始数据导入。数据处理模块需要调取数据采集模块采集的信号，设计程序过程中首先应该设置“选择采集的波形文件路径”对话框,将采集的波形文件通过“波形读取文件”VI导入数据分析处理程序模块，用波形显示控件显示采集数据的原始波形[2]。

2)信号的预处理。信号的预处理主要包括滤波与加窗处理。

数字滤波器。选用FIR数字滤波器，其中包括：lowpass、highpass、bandpass、bandstop等四种数字滤波器。对于1/3倍频程、自谱分析等频谱分析主要选取带通滤波(bandpass)，将带通设计为滤波类型的默认值，而其它三种滤波类型置于选项框中备选。

窗函数。由于信号为随机样本，通用由一个有限长度的随机样本来代替无限长的信号，需要对信号加窗，主要的窗函数包括：矩形窗、汉宁(Hanning)窗、海明(Hamming)和高斯窗等。窗函数设计应考虑被分析信号的性质与处理要求，应用LabVIEW强大的函数库集合功能将所有窗函数集成为一个子VI函数库，将此子库置于程序前面板，以方便调用各种窗函数对信号进行预处理。

2.3 信号处理与分析

主要对预处理后的振动信号进行时域分析、频域分析及时-频分析处理，其中频域分析包括1/3倍频程、自谱分析和互谱分析，时-频分析包含高阶谱分析和小波分析[3]，其软件的设计是通过调用LabVIEW函数库中的振动噪声工具包中信号处理模块, 通过LabVIEW中集成的选择控件来选择信号处理方式和参数设置，图2为软件整体设计流程图。

图2 软件设计流程

2.4 数据库的设计

Access数据库软件平台提供了表、查询、窗体、报表、页、宏、模块等7种对象和多种向导、生成器和模板；可将数据存储、数据查询、界面设计和报表生成等操作规范化振动测量分析系统选用Access 2003数据库作为数据管理平台，创建了以振动测量分析系统通道配置的数据库，在通道配置模块通过索引传感器序列号可调用数据库的传感器参数及通道配置[4]，建立的传感参数及通道配置数据见表1。

表1 传感参数及通道配置数据

LabSQL与数据库之间是通过ODBC连接，用户需要在ODBC中指定数据源名称和驱动程序。在使用LabSQL之前，首先需要在Windows操作系统中的ODBC数据源中创建一个DSN(数据源名)，其设置步骤如下。

1)在“控制面板”中点击“管理工具”→“数据源(ODBC)”打开数据源管理器界面。

2)在“系统DSN”中单击添加，在弹出的“创建新数据源”点击“Driver do Microsoft Access (*.mdb)”,单击完成。

3)在“ODBC Microsoft Access 安装”窗口中，数据源名处填写“新”。单击“数据库”选项框中的“选择(S)...”，在“选择数据库”菜单中选择安装路径中的数据库.mdb文件，依次单击确定，完成数据源的设置。

3 试验及试验数据处理

利用LMS振动噪声测量系统试验验证开发的舰船动力装置振动测量分析系统的功能、测量精度和稳定性，其验证主要包括对标准信号的验证和台架试验验证。

3.1 试验台架

1)标准信号验证选用Brüel & Kjaer的加速度计校准器(4294)，可产生标准正弦振动信号，其主要性能参数见表2。

表2 Brüel & Kjaer的加速度计校准器性能参数

2)台架试验的试验台由WP10国Ⅲ型柴油机、传动轴、电机和控制台四部分组成，见图3。

其中电机在柴油机正常工作时作为发电机使用，通过调节励磁电流来改变负荷大小，同时也可作为电机倒拖柴油机，由控制台调节柴油机的工况。WP10国Ⅲ型柴油机是四冲程、水冷、直列、增压中冷柴油机，其基本参数见表3。

图3 试验台架示意

参数数值参数数值气缸数/个6额定功率/kW175缸径/mm126额定转速/(r·min-1)2 200行程/mm130最大转矩/(N·m)1 000发火顺序1—5—3—6—2—4压缩比17∶1

3.2 试验方案

试验中分别采用LMS振动噪声测量系统和振动测量分析系统对加速度计校准器和柴油机在同一工况条件下的振动信号进行采集与分析，通过实验分析结果对比两种不同系统在同样的工况条件下的分析结果，以验证舰船动力装置振动测量分析系统的准确性[5]。

3.3 测量结果的对比分析

图4为LabVIEW振动测量分析系统采集的标准振动信号波形，图5为两测量分析系统对所测标准信号的自谱分析比较，图6和图7分别为两测量分析系统在柴油机同工况同一测点的1/3 Octave倍频程和自谱分析结果对比 。

图4 LabVIEW系统采集的标准振动信号波形

图5 两种测量分析系统标准振动信号自谱分析结果比较

在标准信号试验中，基于LabVIEW振动测量系统采集波形为标准正弦波形，最大幅值为1.414g，完全与加速度计校准器发出信号完全一致,见图4。图5中自谱分析与LMS振动测量分析系统相比都可以说明能量集中在158.2 Hz左右，误差不超过0.01%；在WP10国Ⅲ型柴油机台架上的试验对比见图6，1/3倍频程与自谱分析结果的误差不超过0.5%，从而验证了研制的舰船动力装置振动测试分析系统的稳定性及准确性。

图6 两种测量分析系统1/3 Octave分析结果比较

图7 两种测量分析系统柴油机同工况信号自谱分析结果比较

4 结论

研制的舰船动力装置振动测量分析系统分别在标准振动校准器和动力装置上与LMS振动噪声测量系统进行了试验验证对比，通过试验数据对比可以说明，研制的振动测试分析系统所选的硬件和开发的软件满足舰船动力装置的振动测试要求，符合舰船振动测量的技术标准。

[1] 刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社,2003.

[2] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.2程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，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中的数据库访问[J].电子测量技术，2006(6)：51-52.

[5] 余永华,朱继军,杨建国.船舶轴系轴功率测试仪的研制[J].中国修船,2006,19(6):8-10.