基于虛擬儀器的艦船動(dòng)力裝置振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

，， ，

(1.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064；2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；3.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

艦船作為一個(gè)漂浮在海上的全自由強(qiáng)性體，在航行或作戰(zhàn)時(shí)會(huì)受到主機(jī)、螺旋槳、海浪、觸礁、炸彈或魚(yú)雷爆炸等多種周期或非周期性的干擾激勵(lì)，引起船體的振動(dòng)。在艦船航行中，一方面在某一激振頻率作用下有可能產(chǎn)生的共振超過(guò)極限而損壞艦船動(dòng)力裝置的情況；另一方面盡管振動(dòng)引起的機(jī)械應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料在靜載荷下的強(qiáng)度，長(zhǎng)期振動(dòng)仍會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞艦船動(dòng)力裝置。此外，艦船動(dòng)力裝置及其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)與噪聲，不但影響艦員的生活工作環(huán)境，且輻射的水下噪聲將嚴(yán)重影響艦船的隱蔽性。針對(duì)艦船及其動(dòng)力裝置的振動(dòng)與噪聲高性能的技術(shù)要求，需要對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量分析與評(píng)價(jià)，以保證艦船動(dòng)力裝置的安全可靠運(yùn)行，因此開(kāi)發(fā)艦船動(dòng)力裝置振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)具有十分重要的軍事意義。

1 振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件選擇

本系統(tǒng)根據(jù)GJB 4058—2000《艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測(cè)量方法》的技術(shù)要求進(jìn)行研制，該測(cè)量系統(tǒng)的振動(dòng)加速度測(cè)量頻率范圍為10 Hz～8 kHz，選取的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與傳感器和采集卡相匹配，其硬件主要由振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。

1.1 傳感器選擇

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

1.2 數(shù)據(jù)采集硬件選擇

選用美國(guó)NI公司的可擴(kuò)展USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其最大可擴(kuò)展至8個(gè)C系采集模塊；選用NI 9233采集模塊同步采樣多功能數(shù)據(jù)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(dòng)態(tài)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(kuò)展USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)NI cDAQ-9172作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其內(nèi)有插槽可同時(shí)插入8塊C 系列采集卡；選用NI CompactDAQ機(jī)箱，其最多可和8塊C系列卡I/O模塊運(yùn)行，機(jī)箱中C系列I/O模塊具有自動(dòng)檢測(cè)和熱插拔功能，單個(gè)機(jī)箱模擬輸入速度可達(dá)3.2 Mb/s。

1.3 運(yùn)行環(huán)境

操作平臺(tái)應(yīng)具備以下要求：硬件CPU要求PII/賽揚(yáng)600 Hz以上CPU，內(nèi)存128 MB以上，至少100 MB以上硬盤(pán)空間；軟件安裝有Microsoft Windows 98/NT/2000/XP簡(jiǎn)體中文操作系統(tǒng)Microsoft Office 2000/2003。

2 測(cè)量分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

采用基于圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW作為振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)各種交互式的空間、對(duì)話框、菜單及函數(shù)模塊進(jìn)行編程。LabVIEW主要有如下特點(diǎn)：圖形化的儀器編程環(huán)境；靈活的程序調(diào)試手段，可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行；內(nèi)置的程序編譯器，使程序運(yùn)行速度加快；提供從底層VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集卡的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動(dòng)程序，從基本的功能函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)；支持多種系統(tǒng)平臺(tái)、平臺(tái)之間的程序可以直接進(jìn)行移植[1]。振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集程序模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是完成各個(gè)采集通道的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置，對(duì)模擬通道的信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析以完成原始信號(hào)好壞的判斷。采樣驅(qū)動(dòng)選取LabVIEW程序框圖函數(shù)選板的測(cè)量I/O庫(kù)函數(shù)中的NI-DAQmx，包含了DAQmx創(chuàng)建通道、DAQmx定時(shí)、DAQmx開(kāi)始任務(wù)、DAQmx讀取、DAQmx清除任務(wù)等驅(qū)動(dòng)。根據(jù)動(dòng)力裝置的振動(dòng)測(cè)量頻率范圍，采用了LabVIEW自帶的數(shù)值輸入控件控制采樣頻率和每通道的采樣點(diǎn)數(shù)。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(shè)為默認(rèn)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(hào)精度。采樣模式設(shè)計(jì)為連續(xù)采樣。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析處理程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析處理模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)采集模塊采集的振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析，頻域分析及時(shí)-頻分析，此程序設(shè)計(jì)分三個(gè)步驟完成。

1)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入。數(shù)據(jù)處理模塊需要調(diào)取數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號(hào)，設(shè)計(jì)程序過(guò)程中首先應(yīng)該設(shè)置“選擇采集的波形文件路徑”對(duì)話框,將采集的波形文件通過(guò)“波形讀取文件”VI導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析處理程序模塊，用波形顯示控件顯示采集數(shù)據(jù)的原始波形[2]。

2)信號(hào)的預(yù)處理。信號(hào)的預(yù)處理主要包括濾波與加窗處理。

數(shù)字濾波器。選用FIR數(shù)字濾波器，其中包括：lowpass、highpass、bandpass、bandstop等四種數(shù)字濾波器。對(duì)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(shè)計(jì)為濾波類型的默認(rèn)值，而其它三種濾波類型置于選項(xiàng)框中備選。

窗函數(shù)。由于信號(hào)為隨機(jī)樣本，通用由一個(gè)有限長(zhǎng)度的隨機(jī)樣本來(lái)代替無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)加窗，主要的窗函數(shù)包括：矩形窗、漢寧(Hanning)窗、海明(Hamming)和高斯窗等。窗函數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮被分析信號(hào)的性質(zhì)與處理要求，應(yīng)用LabVIEW強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)集合功能將所有窗函數(shù)集成為一個(gè)子VI函數(shù)庫(kù)，將此子庫(kù)置于程序前面板，以方便調(diào)用各種窗函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

2.3 信號(hào)處理與分析

主要對(duì)預(yù)處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及時(shí)-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(shí)-頻分析包含高階譜分析和小波分析[3]，其軟件的設(shè)計(jì)是通過(guò)調(diào)用LabVIEW函數(shù)庫(kù)中的振動(dòng)噪聲工具包中信號(hào)處理模塊, 通過(guò)LabVIEW中集成的選擇控件來(lái)選擇信號(hào)處理方式和參數(shù)設(shè)置，圖2為軟件整體設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件平臺(tái)提供了表、查詢、窗體、報(bào)表、頁(yè)、宏、模塊等7種對(duì)象和多種向?qū)А⑸善骱湍０澹豢蓪?shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、界面設(shè)計(jì)和報(bào)表生成等操作規(guī)范化振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)選用Access 2003數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，創(chuàng)建了以振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)通道配置的數(shù)據(jù)庫(kù)，在通道配置模塊通過(guò)索引傳感器序列號(hào)可調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的傳感器參數(shù)及通道配置[4]，建立的傳感參數(shù)及通道配置數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 傳感參數(shù)及通道配置數(shù)據(jù)

LabSQL與數(shù)據(jù)庫(kù)之間是通過(guò)ODBC連接，用戶需要在ODBC中指定數(shù)據(jù)源名稱和驅(qū)動(dòng)程序。在使用LabSQL之前，首先需要在Windows操作系統(tǒng)中的ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建一個(gè)DSN(數(shù)據(jù)源名)，其設(shè)置步驟如下。

1)在“控制面板”中點(diǎn)擊“管理工具”→“數(shù)據(jù)源(ODBC)”打開(kāi)數(shù)據(jù)源管理器界面。

2)在“系統(tǒng)DSN”中單擊添加，在彈出的“創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源”點(diǎn)擊“Driver do Microsoft Access (*.mdb)”,單擊完成。

3)在“ODBC Microsoft Access 安裝”窗口中，數(shù)據(jù)源名處填寫(xiě)“新”。單擊“數(shù)據(jù)庫(kù)”選項(xiàng)框中的“選擇(S)...”，在“選擇數(shù)據(jù)庫(kù)”菜單中選擇安裝路徑中的數(shù)據(jù)庫(kù).mdb文件，依次單擊確定，完成數(shù)據(jù)源的設(shè)置。

3 試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用LMS振動(dòng)噪聲測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的艦船動(dòng)力裝置振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)的功能、測(cè)量精度和穩(wěn)定性，其驗(yàn)證主要包括對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的驗(yàn)證和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架

1)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)驗(yàn)證選用Brüel & Kjaer的加速度計(jì)校準(zhǔn)器(4294)，可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦振動(dòng)信號(hào)，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Brüel & Kjaer的加速度計(jì)校準(zhǔn)器性能參數(shù)

2)臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)由WP10國(guó)Ⅲ型柴油機(jī)、傳動(dòng)軸、電機(jī)和控制臺(tái)四部分組成，見(jiàn)圖3。

其中電機(jī)在柴油機(jī)正常工作時(shí)作為發(fā)電機(jī)使用，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)改變負(fù)荷大小，同時(shí)也可作為電機(jī)倒拖柴油機(jī)，由控制臺(tái)調(diào)節(jié)柴油機(jī)的工況。WP10國(guó)Ⅲ型柴油機(jī)是四沖程、水冷、直列、增壓中冷柴油機(jī)，其基本參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)架示意

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值氣缸數(shù)/個(gè)6額定功率/kW175缸徑/mm126額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2 200行程/mm130最大轉(zhuǎn)矩/(N·m)1 000發(fā)火順序1—5—3—6—2—4壓縮比17∶1

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中分別采用LMS振動(dòng)噪聲測(cè)量系統(tǒng)和振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)加速度計(jì)校準(zhǔn)器和柴油機(jī)在同一工況條件下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集與分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)比兩種不同系統(tǒng)在同樣的工況條件下的分析結(jié)果，以驗(yàn)證艦船動(dòng)力裝置振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[5]。

3.3 測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析

圖4為L(zhǎng)abVIEW振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)采集的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)波形，圖5為兩測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)所測(cè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的自譜分析比較，圖6和圖7分別為兩測(cè)量分析系統(tǒng)在柴油機(jī)同工況同一測(cè)點(diǎn)的1/3 Octave倍頻程和自譜分析結(jié)果對(duì)比 。

圖4 LabVIEW系統(tǒng)采集的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)波形

圖5 兩種測(cè)量分析系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)自譜分析結(jié)果比較

在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)試驗(yàn)中，基于LabVIEW振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，最大幅值為1.414g，完全與加速度計(jì)校準(zhǔn)器發(fā)出信號(hào)完全一致,見(jiàn)圖4。圖5中自譜分析與LMS振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)相比都可以說(shuō)明能量集中在158.2 Hz左右，誤差不超過(guò)0.01%；在WP10國(guó)Ⅲ型柴油機(jī)臺(tái)架上的試驗(yàn)對(duì)比見(jiàn)圖6，1/3倍頻程與自譜分析結(jié)果的誤差不超過(guò)0.5%，從而驗(yàn)證了研制的艦船動(dòng)力裝置振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。

圖6 兩種測(cè)量分析系統(tǒng)1/3 Octave分析結(jié)果比較

圖7 兩種測(cè)量分析系統(tǒng)柴油機(jī)同工況信號(hào)自譜分析結(jié)果比較

4 結(jié)論

研制的艦船動(dòng)力裝置振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)分別在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)校準(zhǔn)器和動(dòng)力裝置上與LMS振動(dòng)噪聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以說(shuō)明，研制的振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)所選的硬件和開(kāi)發(fā)的軟件滿足艦船動(dòng)力裝置的振動(dòng)測(cè)試要求，符合艦船振動(dòng)測(cè)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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