（水声工程专业论文）基于labview的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计.pdf

基于i _ a b v i e w 的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计 v i r t u a li n s t r u m e n t a lm e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g no fs h i pd e c ks t r u c t u r e v i b r a t i o nb a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t i nt h em o d e m s h i pb u i l d i n gi n d u s t r y , s h i pv i b r a t i o nm e a s u r i n ga n dr e l a t e ds i g n a lp r o c e s s i n g i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts e c t i o n si nt h eo p e r a t i o no fs h i p sv o y a g e w i t ht h ed e v d o p m e n t o fm i c r o - c o m p u t e ra n ds o f t w a r et e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u eh a sb e e na d e v d o p m e n td i r e c t i o ni nm e a s u r e m e n tf i e l d b yc o m p a r a t i o no ft h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t ，i ti ss h o w nt h a tv i r t u a li n s t m m e n th a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha st h ec y c l eo f m e a s u r e m e n t s y s t e md e v e l o p i n gi ss h o r t e r ，t h ef u n c t i o no f m e a s u r e m e n t i sm o r ep o w e r f u l ，t h e d e v i c e s c a r r i a g ea n di n s t a l l a t i o na r em o r ec o n v e n i e n t ，t h ec o s to fd e v i c e si sm u c hl o w e ra n d e t c i tw i l lb eat r e n dt ou s ev i r t u a li n s t m m e n ti nt h ef i e l do fv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tf i e l d b a s e do nt h i si d e aa n dt h r o u g ht h et h e o r ya n a l y s i so fs h i pd e c ks t r u c t u r a lv i b r a t i o n , t h i sp a p e r m a i n l yi n t r o d u c e sas o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f v i r t u a li n s t r u m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m ， w h i c hi s d e v e l o p e db yn a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y sp r o d u c t i o nl a b v i e w w i t ht h e s e n s o r s s i g n a lc o n d i t i o n e r sa n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d sc o m b i n a t i o na n dc o l l o c a t i o n , 也e h a r d w a r ei sc o m p o s i t e d c o n s i d e r i n gt h es h i pd e c ks t r u c t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e f e r r i n gt h es h i pv i b r a t i o nr e l a t e di s of i l e s ，s u c ha si s o6 9 5 4 ( 2 0 0 0 ) ，t h i ss y s t e mi sd e s i g n e d b yd a t aa c q u i s i t i o nt h r o u g ha dc a r d ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n da n a l y s i so ns o f t w a r em o d u l e s ， r e s u l t sd i s p l a y i n go np c ，al o to ff u n c t i o n so fv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n th a sb e e n r e a l i z e d t h r o u g ht h ed e c kv i b r a t i o nt e s to n - b o a r d ，t h er e s u l t sa r ec o n t r a s t e da n da n a l y z e db e t w e e nt h i s s y s t e ma n dt r a d i t i o n a lc o m m o nv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i si n s t r u m e n tv a 一1o 1 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mi sa v a i l a b l ea n dh a sah i g he n o u g hp r e c i s i o n b a s e do nt h i s s y s t e m ，s h i ps t r u c t u r a lo p e r a t i o nm o d a la n a l y s i sm o d u l ec a l lb ea l s od e v e l o p e d k e yw o r d s ：s t r u c t u r a lv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；v i b r a t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 2 0 0 8 1 1 3 0 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：二三毕 导师签名： 年上月手日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1绪论 本章主要讨论了论文选题的背景依据和工程意义，概述了国内外关于基于虚拟仪器 技术的测试系统的历史与现状，并简要介绍了论文的主要工作。 1 1 立题意义和选题背景 近年来，国内外相当多的厂商相继开发了性能各异的振动测试分析仪器或系统，总 体归纳起来，不妨分为以下几种类别。一种是把机械设备振动信号的采集功能集成到采 集板卡上，把采集板卡插入像工控机等微机设备中，并在微机中编写驱动程序和分析软 件。这种测试分析系统的优点是能实现大批量数据的采集并能快速的进行数据分析，而 不足之处是这种振动测试分析系统结构复杂、体积大、分量重、携带不方便。另一种是 以单片机为核心技术的振动测试分析仪，这种分析仪虽然小巧、携带方便，但是它的分 析功能十分有限，不能有效地进行复杂的信号处理任务，往往难以满足振动测试分析和 诊断要求。在上世纪七八十年代，国内引进了大量的日本的、美国以及欧洲一些国家的 各种数字式f f t 分析仪，虽然它们有分析精度高、功能多等优点，但是这些测试分析仪 的价格极其昂贵，操作也很不方便，它们的功能主要是以f f t 为基础的数据处理和频谱 分析，并且它们的界面大都是英文的，从而大大地限制了其在国内市场上的推广应用【1 1 。 随着计算机硬件和软件技术的发展，仪器系统设计思想在九十年代发生了重大改 变，其代表是美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司、惠普公司的虚拟仪器系统 v i ( v i a u a li n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器系统以通用计算机为核心，通过加在通用计算机上的一 组硬件和软件而构成，使用者操作这台计算机，就像是操作一台他自己设计的传统的电 子仪器。正是由于微电子技术的迅猛发展、微型计算机的广泛应用以及虚拟仪器技术的 推广，以采集、分析和存储功能为一体的数据采集分析仪的出现已成为可能。数据采集 分析仪是一种袖珍仪器，体积小，重量轻，可方便地用于工业现场中各种振动信号的采 集和分析，并能对所采集的数据进行存储，当需要时可将所存储的数据传送给计算机进 行更详细的处理与分析。数据采集器和分析仪的出现，极大地推动了设备故障诊断技术 的发展与应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。袖珍式振动数据采集分析仪的应 用已经成为当今最常用的工业设备状态监测与故障诊断方式。 将虚拟仪器引入船舶舱室甲板振动检测与诊断评估是本文的一个特点。船舶是一个 在水中运动的弹性体，当船舶航行时，在主机、螺旋桨以及波浪等各种激励的作用下， 必然会产生响应，即存在着不同程度的振动，轻微的振动是允许的，也是不可避免的， 但如果激励频率与船舶总体或某个局部结构系统固有频率相等或接近，或因激励幅值过 基于i _ a b v i e w 的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计 大，就会引起共振或剧烈的强迫振动，甚至影响到船舶的正常营运，这种振动称为有害 振动。在大多数情况下，振动和噪声是密切相关的。如当物体在冲击或交变荷载作用下 发生振动时，会诱发表面的空气振动而形成向四周辐射的噪声。噪声主要通过人的听觉 对人的生理和心理产生重大的影响。工人们长期暴露在强振动噪声的工作环境下会对身 体和身心产生极其恶劣的危害；乘客们长时间乘坐在有较强振动和噪声的交通工具中旅 行身体也难免受到损害。所以对船舶的振动检测诊断以及适居性评估成为了当今船舶正 常运行检测的一个重要环节。振动除了对人体本身造成一定的危害，还主要对于机器和 各种结构产生危害。剧烈的振动将导致构件裂纹的萌生与扩展，最后使构件疲劳破坏； 振动还将导致轴承等的摩擦磨损、机构传动失灵等等。振动及其伴随的噪声同时也会恶 化环境【2 1 。 伴随着生产技术的发展，船舶有向大型化、高速化和复杂化发展的趋势，由此产生 的振动与噪声问题将更为突出。目前振动与噪声测试领域很多仪器均为通用型测试仪 器，例如b & k 、r i o n 、n i 、h p 等公司开发的通用振动与噪声测量分析仪器，然而针 对于船用振动噪声的专用仪器很少。由于船体振动的振源主要来自螺旋桨和主机，船舶 和设备振动工程上所关心的振动频率范围一般集中在1 一1 0 0 h z ，所以开发一套专门针 对船舶舱室甲板振动测试的专用仪器在日益发展壮大的船舶行业是具有现实意义的。 为了降低船体本身振动与噪声所带来的危害，保证船上工作人员以及乘客正常的工 作和旅行，本课题设计的船舶舱室甲板振动测试和分析评估系统的任务就是在船舶舱室 甲板这个环境中，为降低或隔离振动与噪声带来的危害提供可靠的依据。为了评价船体 的振动程度，除了进行船体振动响应计算外，还必需进行实船振动响应测量，并将其结 果与一个客观的评价标准相比较。利用仪器仪表技术以及信号测试与分析理论，依靠相 关i s o 国际标准和g b 国家标准作为指导规范，科学合理地开发搭建一套船舶舱室甲板 专用振动测量分析及评估系统是具有市场价值和应用价值的。 1 2 振动测试仪器的研究概况及发展趋势 传统的振动与噪声测量分析仪器主要有声级计、频谱分析仪等，这些仪器对硬件的 依赖性比较高，仪器的设计者需要花费大量的时间进行硬件的设计、安装和调试。由于 受到硬件系统的限制，可选用的系统和软件工具比较少，而且程序大都是固化在仪器中 1 3 1 。因此在应用程序开发和维护修改上都比较困难。这样设计的仪器功能比较单一，适 应性较差，而且开发成本较高、周期较长。 随着电子工业技术和计算机技术的发展，于2 0 世纪6 0 年代产生了微机化测试分析 仪。微机化测试分析仪由通用微机加插卡式硬件和采集分析软件组成。在微机扩展槽中 大连理工大学硕士研究生学位论文 插入a d 卡，或用集成有a d 接口的单片机，调用采集、分析处理软件即可进行测试 分析。通常称这种测试方式为计算机辅助测试( c a t ) 。随后，一些高性能的a d 、d a 设备、专用预处理模块和专用分析软件的出现，产生了以个人计算机为主的各种数据采 集仪和分析仪。8 0 年代后期，随着计算机性能的极大提高和测试分析软件的成功应用， 所谓的虚拟仪器又应运而生，与传统的模拟测试仪器或数字式测试仪器相比，计算机辅 助测试系统具备的优点有很多，例如：性能可靠、稳定、维修方便；能对信号进行复杂 的分析处理，如时域分析、基于f f t 的频域分析和振动模态分析等；能以多种形式输出 信息。可用各类图形及图表形式直观显示分析结果，可借助磁盘存储建立文档，可调用 分析结果对测试对象进行计算机辅助设计或仿真等；功能多，由于系统的分析功能由软 件而非硬件实现，所以使用者可以扩充分析功能。基于以上原因，在振动与噪声测试分 析领域内，计算机辅助测试系统已占有绝对地位【4 1 。 根据仪器设计时上下位机侧重点的不同，形成了两种既有区别又有联系的仪器设计 思想：一是信号采集及分析功能都由下位机来完成，根据测试的需要，采用一个或多个 微处理器来完成仪器的测量控制、数据采集、数据处理及数据显示等功能：二是以通用 微型计算机技术为基础，下位机对振动信号进行采集和预处理，通过下位机与上位机的 外设接口把采集到的数据传给上位机，并在上位机实现对数据进行图形显示、数据处理、 数据分析及打印等功能。其中，第一种设计思想被智能化仪器所采用，即振动测试分析 仪器的智能化设计发展方向；第二种设计思想是近年来的最新发展，即仪器的虚拟化发 展方向【5 1 。 ( 1 ) 仪器的智能化发展 随着计算机技术和微电子器件的快速发展，特别是各种高性能的单片机、d s p 数字 信号处理器) 、基于r i s c ( 精简指令集) 处理器如a r m 等微处理器的迅速发展，智能 仪器无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自动化程度及运用功能方面或在解决测 量技术问题的深度和广度方面都有了巨大的发展。它以微处理器作为系统的核心，根据 系统的实际应用情况设计出相应的信号输入、数据传送、数据输出和数据存储等模块。 信号输入模块也即信号预处理，主要包括隔离、信号放大、滤波、多路选择开关、采样 保持器、a d 转换器等部分( 有些徼处理器内部集成多路选择开关、采样保持器、a d 转换器) 。数据传送模块通过各种串、并等总线进行数据的传送。在仪器的输出模块中， 模拟输出可以通过d a 转换器、滤波器来实现；仪器的数字输出可以通过显示器或者打 印机、磁盘等来实现。对于数据的存储，可通过r a m ，d r a m ，f l a s hr o m 等存储 器件来实现。人们已经不难发现，测量仪器的智能化已经是现代仪器仪表发展的主要方 向之一【6 1 。 基于i _ a b v i e w 的船舶舱室甲板虚拟振动测i 景系统设计 ( 2 ) 仪器的虚拟化方向发展 仪器的虚拟化也是现代仪器仪表发展的一个重要方向。仪器技术与计算机技术深层 次的结合便创造了虚拟仪器的概念，虚拟仪器使计算机资源，仪器硬件与用于数据分析、 过程通讯及图形用户界面的应用软件有机结合起来。用户通过友好的图形界面( 虚拟面 板) 操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台传统仪器一样。虚拟化的仪器 以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d ，d a ， 数字f o 、定时器、信号调理等) 的测量功能、控制能力结合在一起，并通过软件实现 数据的分析处理、图形化用户接口等功能。简两言之，虚拟仪器系统是由计算机、应用 软件和仪器硬件组成的，用户可以通过友好的图形界面操作计算机，如同操作功能相同 的单台传统仪器一样。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入和输出，而软件才是整个仪器 的关键。它由用户自己设计和定义，可满足用户的特殊要求。由于软件是关键，可以很 方便地改变软件来适应不同的要求，进而改变、增强仪器系统的功能和规模，使得功能 更加灵活、强大，且易于与网络、外设及其它应用连接，还可以很快地跟上计算机的发 展，升级、重建自己的仪器，进而节省研发费用。 1 2 1 虚拟仪器的产生 随着科学技术快速的发展，新技术、新产品不断涌现，人们对仪器的功能、灵活性 的要求越来越高。在对大规模、自动化、智能化电子测控系统的需求愈发迫切的形势下， 计算机技术、仪器技术和通信技术的结合开创了仪器仪表新的里程碑虚拟仪器技 术。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作和使用 计算机的同时就像在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计 算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。 虚拟仪器是在通用计算机的基础上配以专门设计的硬件( 如数据采集卡、v x i 机箱 等) 和软件，既有类似于传统仪器的操作面板，也有传统仪器所没有的特殊功能。与传 统的仪器相比，虚拟仪器具有以下几个特点： ( 1 ) 虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提 高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购 买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展。 ( 2 ) 可由用户定义仪器功能。由于仪器的功能可在用户级上产生，故它不在完全由 仪器生产厂家来确定，用户可以根据自己的需要，通过增加或修改软件，为虚拟仪器加 入新的测量功能。 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 测量输入信号特性( 如电压、频率、上升时间等) ，只需要一个量化的数据模 块，要测量的信号特性能被数据处理器计算出来，这种将多种测试集于一体的方法缩短 了测试的时间，从而提高了测试速度。 ( 4 ) 嵌入式数据处理器的出现允许建立一些功能的数学模型( 如快速傅立叶变换和 数字滤波器等) ，使仪器的性能不会随时间发生变化，因此可保证测量精度和重复性， 不需要定期进行校准。由于虚拟仪器测量值不会受电缆长度、阻抗和修正因子差异等因 素的影响，从而进一步提高了测量精度和可重复性。随着软件在仪器系统中的权重越来 越大，虚拟仪器的概念也将进一步得到扩充。 1 2 2 虚拟仪器的分类 随着微机的发展和采用总线方式的不同，虚拟仪器可以分为以下六种类型【7 】： ( 1 ) 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如l a b v i e w 相结合，通 过各种控件或采用各种编程语言自己组建各种仪器，构成测试系统。它充分利用计算机 的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受p c 机机箱和总线限制，且有电源功率不足， 机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。 同时，受p c 机的限制，其存在移动不方便，适应现场能力差等缺点。多用于实验室研 究，测试等方面。 ( 2 ) 并行口式虚拟仪器 并行口式虚拟仪器是将仪器硬件集成在一个采集盒内，连接到计算机并行口的测试 装置。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字 存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率 计、数据记录仪及数据采集器等。如美国l i n k 公司的d s o 2 x x x 系列虚拟仪器，其 最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c 机相连，实现台 式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种 教学实验室应用。 ( 3 ) 串行口式虚拟仪器 串口式虚拟仪器也是将仪器硬件集成在一个采集盒内，并连接到计算机串行接口的 测试装置，不过此类虚拟仪器受串口的连接速率限制，只应用于特定场合。近几年来， 随着u s b 接口技术的提高和应用，采用u s b 接口的虚拟仪器已成为此类仪器的发展方 向。另外，u s b 通用串行总线的优异性能不会局限于数据传输率高，u s b 接口还支持 基于l a b v i e w 的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计 同时挂接1 2 7 个独立的u s b 设备。因此，可实现多个u s b 接口的采样系统同时挂接在 一个p c 机上，组成一个采样系统网，完成多处的连续不问断的模拟量的采集。 ( 4 ) g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术可以说是虚拟仪器技术发展的第一阶段。g p i b ( 通用接口总线) 犹如一 座桥梁，把可编程仪器和计算机紧密地联系起来，从此电子测量由独立手工操作的单台 仪器向组成大规模测试系统方向迈进。 一个典型的g p i b 测试系统由一台计算机、一块g p i b 接口板和若干g p i b 仪器通 过标准g p i b 电缆连接而成。g p i b 自动测试系统的规模可以迸一步扩展。 利用g p i b 技术，可以通过计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作 方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统，从而提高了系统测量的 可靠性和效率。 ( 5 ) v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线( e 总线) 在v i 领域的扩展。由于它有标准开 放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时和同步精确及模块可重复利用等众多仪器厂 商支持等优点，因此很快得到了广泛的应用。随着v x i 总线规范的不断完善和发展， v x i 即插即用系统联盟的不懈努力，v x i 系统的组建和使用越来越方便，其应用面也越 来越广，尤其是在组建大、中规模自动测量测试系统以及对速度、精度要求高的场合有 着其他仪器系统无法比拟的优势。 ( 6 ) p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。它增加了 多板同步触发总线的技术规范和要求。同时增加了多板总线，以使用于相邻模块的高速 通讯的局部总线。p x i 的高度具有可扩展性。p x i 具有8 个扩展槽，而台式p c i 系统只 有3 到4 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽。台式p c 的性 能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的高性能虚拟仪器 平台。 1 2 3 虚拟仪器的发展 虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的 过程中，与测试技术、仪器技术密切结合共同孕育出的一项美妙的新成果。自2 0 世纪 8 0 年代以来，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特别是它推出的 l a b v i e w 图形编程环境和l a b w i n d o w s c v i 编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器 开发系统的世界生产大户。继n i 公司之后，著名的美国惠普公司紧紧跟上，推出了h p 大连理工大学硕士研究生学位论文 v e e 编程系统，可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用户可用它组建或挑 选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公 司等也相继推出了总线系统，多达数百个品种的虚拟仪器。作为仪器领域中新兴的技术， 虚拟仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从2 0 世纪9 0 年代中期以来，国内的 许多知名大学和高科技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消 化n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一系列有益的工作，取得了一批瞩目的成果【8 】。 v i 技术经过2 0 余年的发展，正沿着总线与驱动程序的标准化、硬软件的模块化、 编程平台的图形化以及硬件模块即插即用化等方向发展。目前技术已发展成具有 g p i b ，p c d a q ，v x i 和p x i 四种标准体系的结构开放的技术。基于v x i 技术开发应 用完全独立于硬件，提高了程序代码的复用性，大大降低了应用系统的维护费用，必将 成为测控技术的主要基础技术之一。随着测量控制过程的网络化，一个真正的虚拟化测 试和控制仪器的时代即将到来。 1 3 本文的主要工作 鉴于振动与噪声测试和分析系统组建的重要性与必要性，本课题以船舶舱室甲板作 为测试对象，开发一套适用于工程振动的测试和分析系统，并选取适当的测试对象，进 行合理的实验，形成系统与实际应用的有机结合。通过实际测试来验证系统的适用性、 便捷性与可靠性，进而为工程设计和研究提供一定的科学依据。本课题的特点在于根据 行业专门的规范文件，如i s 0 6 9 5 4 ：2 0 0 0 9 1 ，i s o2 6 3 1 2 ：2 0 0 3 1 0 1 ，g b t7 4 5 2 1 1 9 9 6 1 1 1 ， g b t7 4 5 2 2 1 9 9 6 1 2 】等标准文件作为系统测试与评估参数选择依据，设计一套专门针对 于船舶舱室甲板振动测试分析与评估系统。本系统与一般通用振动测试系统相比的优点 在于系统的专用性，便捷性，功能多样性，某种程度上解决了在船舶这个环境下通用仪 器测试带来的不便性。 本系统在实现过程中的主要工作可分为以下几点： ( 1 ) 对振动测试系统的基本原理与组成作了较细致研究。 本课题所要设计的对象是集振动测试和分析功能为一体的系统，所以首先应该对振 动测试系统的基本原理和组成要有比较全面的把握。在这部分内容中，文章主要对振动 传感器、信号调理器、数据采集卡以及上位机软件设计几个方面来进行深入的阐述。 ( 2 ) 对振动测试信号处理及船舶舱室甲板振动理论进行深入分析。 这部分工作是整个课题的理论核心，也是后续系统开发的理论基础。论文在这部分 主要介绍了与系统功能模块联系紧密的各种信号处理和分析方法。着重介绍了数据预处 理、振动信号测试原理，特别给出了离散傅立叶变换( d f t ) ，快速傅立叶变换( f f t ) ，相 基于l a b v i e w 的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计 关函数分析，功率谱分析、频响函数分析以及相干函数的推导公式和计算方法。在此之 后，对船舶振动相关原理进行了简述，并给出了船舶振动及适居性的评价基准。 ( 3 ) 对本测量评估系统的设计及测试做了详细的介绍。 本课题系统软件编程和开发的主要工作集中在此部分。开发过程中，采用模块化设 计，实现的主要功能包括： 数据采集：实现了w i n d o w s 操作系统平台上基于y e 6 2 3 1 数据采集系统的数据 采集。 文件管理：包括振动信号及其参数的存储和读取。 时域分析：包括产生多种类型的信号发生器，并能对振动信号进行自相关分析 和互相关分析。 频域分析：包括对信号进行f f t 频谱分析、功率谱密度分析等，即可以实现确 定信号的各阶频率成分，又可以为进一步频响函数分析处理以及模态参数识别提供前期 的准备。 舱室甲板振动评价子模块的设计：包括标准文件的引入，加权平均算法的设计 以及评估子模块的设计。 测试数据对比分析：通过对本系统f 兀频谱分析子模块和商业测试分析仪器 v a 1 0 实测的数据进行对比分析，可以较清楚的发现本仪器的一些不足及优势，为本仪 器系统向实际工程测试领域打下实践基础。 此外本文给出了部分运行模态分析的相关m a t l a b 程序，经过后续的设计可以进一 步开发出相应的子v i 。运行模态分析功能的引入将更加完善本系统，使其成为船舶航 行振动评价以及有害振动诊断的有力工具。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 振动测量与分析系统的基本原理与组成 一般来说，振动测试与分析系统由两大部分组成。一部分为传感器测量系统，它包 括各种振动、温度、压力传感器及其有关测量部分，其作用是获取表征被测对象状态的 各种信号或参数，并使之变成标准的电压或电流信号。另一部分为测量数据采集、处理、 分析及显示系统，这部分的实现可以采用多种形式，例如可以采用便携式或非便携式的 传统分析仪，当然也可以采用基于p c 机的虚拟仪器，其作用是将获得的信号并进行处 理、分析以及运算，最后将需要的结果显示出来，整个测试过程可由图2 1 简单表示。 需要说明的是，无论是何种振动测试分析系统，模拟式的传感器、信号调理器甚至 激振系统，仍然是必不可少的，在测试系统中，它们构成了测试前端【1 3 1 。 i d 变换 振 模拟信号d 臣圈 图2 1 振动测试系统的构成 f i g 2 1c o m p o s i t i o no fv i b r a t i o nt e s ts y s t e m 构成虚拟仪器的振动测试系统所需的基本硬件设备包括：振动测量传感器或力传感 器、电荷放大器、信号调理器、数据采集卡以及计算机等。 2 1振动测量传感器 传感器是能够感受物体物理变化并将其转换成电信号的一种灵敏的换能元件。传感 器的种类很多，拥有多种分类方法。按参考坐标的不同可分为绝对式与相对式传感器； 蠹 基丁l a b v i e w 的船舶舱生甲板虚拟振动测苗系统醴汁 按l 作方式的不刚可分为接触式和非接触式传感器；按工作原理的不同u r 分为惯性式和 参数式传感器；按测最参数不同又可分为位移式、速度式和加速度式传感器等。 这里我们仅简要讨论机械振动测量中常用的压电式加速度传感器。加速度传感器主 要用于删量振动体的振动加速度。压电j 加速度传感器，南于其体积小，重量轻，灵敏 度高和频率范围宽等优点，在实际测量中应用晟为普遍。 压电式加速度传感器是一种惯性式振动传感器，它是以某些材料受力后在其表面产 生电荷的压电效应为转换原理的传感器，其力学模型及工作原理图如图22 所不。设惯 性质量为m ，弹性元件的刚度为t ，运动时的阻尼系数为c ，如不训弹性元什和阻尼元 件的质量，可以简化为一个中臼由度一阶弹簧一质量一阻尼系统。 寓| 副 基座 图2 2 压电加速座传感器力学模型 f i g2 2 t h e m e c h a n i c m o d e lo fp i e z o e l e c t r i ca c c e l e r a t i o ns e n s o r 压电加速度传感器惯性质量块的运动舰律a j 用r 式表不： 研幢+ 讲+ c i + o r = 0 式中： 研惯性质量 c 一阻尼系数 t 一弹性系数 z 一惯性质量块相对于传感器壳体的位移 j惯性质量块相对于传感器壳体的速度 y传感器壳体的位移 j 一振动加速度，即传感器基座的加速度 设绝对位移y = y 0s i n u 时，其中u 为外施信号源的角频率 树+ c i + h = m y o ；d 2s i n w t ( 2 1 ) 则式( 21 ) 可改写为 f 22 1 _三r，hr 大连理工大学硕士研究生学位论文 设= j 争，2 = 三，其中是无因次阻尼比，是传感器的无阻尼谐振频率， 是物体的振动圆频率。压电式加速度传感器的阻尼比很小，一般不大于o 0 4 ，可以 忽略不计。设计加速度传感器时，尽量提高它的无阻尼谐振频率，在u 。w 时，有 一一毒 ， 这就表明，在u 较小时，质量的相对位移x 与物体振动加速度成比例。压电转换元 件在惯性质量块肌的惯性力作用下，产生的电荷量为： dm i ； 9 = d 。 z x = 一导 ( 2 4 )一 、。， u h 。 对于每只加速度传感器而言，d ，研，w n 均为常数。 ( 2 4 ) 式说明压电加速度传感器 输出的电荷量q 与物体振动加速度夕成比例。用适当的测试系统检测出电荷量q ，就实 现了对振动加速度的测量r 1 4 1 。 压电式传感器的主要优点是：使用频率范围宽( 从0 1 2 0 k h z ) ；动态范围大( 可 从1 0 1 0 4 9 ) ；附加质量小。因此，压电加速度传感器是目前振动测量中使用最为广 泛的传感器。 2 2 信号调理器 ( 1 ) 前置放大器：压电加速度传感器相当于具有内电容的电荷源，其输出阻抗很高， 要求特殊二次仪表与之匹配。目前，前置放大器主要采用电荷放大器。电压放大器由于 本身的一些缺陷，现已很少采用。 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器，它的核心是一个具有电 容负反馈且输入阻抗极高的高增益运算放大器。此外，一些电荷放大器上还具有低通滤 波器和能按传感器灵敏度调节放大倍数的功能。由于压电式加速度传感器输出的是电荷 信号，而且比较微弱，不能直接被数据采集卡采集，所以需要用信号放大器来把较弱的 电荷信号转化成能被数据采集卡采集的电压信号。 根据所用的压电式加速度传感器压电材料连接方法的不同，与之配套的前置放大器 分为电压放大器或电荷放大器。并联压电材料的压电传感器适于选用电荷放大器，其电 路特点是放大器输出电压只与传感器产生的电荷输入量及放大器反馈电容有关，而与构 成电路的电缆所形成的分布电容和信号频率无关，这一特性使电荷放大器对传输线路的 分布电容不敏感，传输距离可达数百米，因此在传输距离要求比较远的情况下受到普遍 基于l a b v i e w 的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计 使用。对采用串联压电材料的压电传感器，则需要使用电压放大器，当改变连接传感器 与电压放大器的电缆长度时，由于分布电容发生变化会引起测量误差，需通过重新校正 放大器灵敏度加以消除，给测试带来不便。 ( 2 ) 积分运算：振动的3 个重要特征参数加速度、速度和位移可以通过积分和微分 互相转换。积分网络的功能就是为了完成3 个参数之间的相互转换，考虑到传感器的频 响和线性，在一般情况下，仪器按下述方式转换： 图2 3 加速度、速度和位移的转换 f i g 2 3 t h et r a n s f o r m a t i o no fa c c e l e r a t i o n ，v e l o c i t ya n dd i s p l a c e m e n t 按这种转换方式测试有较高的准确度。有些仪表具有微分运算的功能，但因受传感 器和仪器本身的限制，提供的有用信息较少，一般不宜使用。因加速度、速度和位移的 量纲不同，在机械振动测试仪表中，积分器要附加很大的增益才能达到转换成合适量纲 的目的，因此，积分电路对噪声比较敏感。 ( 3 ) 滤波功能：滤波器的功能是指在您所测量的信号中滤除不需要的信号。振动测 试信号采集过程中常常需要一种抗混频的低通滤波器。抗混频滤波器一般需要有非常陡 的截止速率，从而可以滤除信号中所有高于设备输入波段的频率。如果这些频率没有被 滤除，它们将会作为信号错误地出现在设备输入带宽中。在信号进入采集卡之前一般要 进行抗混叠滤波，若不滤除高频的噪声信号就会对后续的信号采样造成混叠【1 5 】。 2 3 数据采集卡 数据采集就是将被测对象( 外部世界或现场) 的各种参量( 可以是物理量，也可以 是化学量，生物量) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编 码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理和存储记录的过程。而数据采集卡是实 现这一环节的重要部分。 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m d a s ) 。数据采 集系统一般包括传感器、放大器、滤波器、采样保持器和a d 转换器等元件，多路数据 采集系统硬件基本组成示意图如图2 4 所示。 在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，这可以通过多路模拟开关来实 现。多路模拟开关采用分时技术选通来自多个输入通道的某一路信号，因此，在多路模 大连理工大学硕士研究生学位论文 拟开关后的单元电路，如a d 及处理器电路等，只需一套即可，这样能节省数据采集系 统的成本和体积。模数转换器a d 是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度 不同，系统对分辨率、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以要根据不同的需要选 用不同的芯片。现在普遍采用单片集成电路，有的单片a d 转换器内部还包含有采样 保持电路( s h ) ，基准电源和接口电路，大大方便了系统设计。a d 转换的结果要送 给计算机，有并行输出和串行输出两种方式。输出数据一般通过标准接口由计算机获得 【1 6 1 。 l 传感器卜也山i 多 计 路 算 ； ii 选 js h 日 机 择 叫 a d i 传感器卜_尉l 开 接 口 关 信号调理数据采集 图2 4 多路数据采集系统基本组成 f i g 2 4 t h es y s t e mc o m p o s i t i o no fm u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n 田 2 4 上位机软件构成的简要说明 所谓上位机即是数据采集完毕后提交上来进行运算、控制以及显示输出设备，现代 p c 机具有的强大功能使其成为测试系统上位机的首选。由于p c 机支持丰富的软件以及 开发工具，运行于p c 机上的专用软件和以及支持p c 机标准接口的数据采集硬件形成 了一个完整的数据采集、分析和显示系统。没有软件，数据采集硬件是毫无用处的，或 者使用比较差的软件，数据采集硬件也几乎无法工作。大部分数据采集应用实例都使用 了驱动软件。软件层中的驱动软件可以直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采 集硬件的操作并把它和处理器中断、d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 访问以及存储器访问这 样的计算机资源结合在一起【l 。7 1 。驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供 容易理解的接口。 随着数据采集硬件、计算机和软件复杂程度的增加，好的驱动软件就显得尤为重要。 合适的驱动软件可以最佳地结合灵活性和高性能，同时还能极大地降低开发数据采集程 序所需的时间。为了开发出用于测量和控制的高质量数据采集系统，开发人员必须了解 基于l a b v i e w 的船舶舱室甲板虚拟振动测量系统设计 组成系统的各个部分。在所有数据采集系统的组成部分中，软件是最重要的。这是由于 插入式数据采集设备没有显示功能，软件是人和系统的唯一接口。软件提供了系统的所 有信息，操作人员也需要通过它来控制系统。软件把传感器、信号调理、数据采集硬件 和分析硬件集成为一个完整的多功能数据采集系统。因此，在开发数据采集系统时，要 对软件进行充分评估。通过明确系统的要求来选择硬件并确保硬件规范满足系统和测试 对象的要求。同时，仔细地选择合适的软件，无论是驱动软件或是应用软件均可以节省 大量的开发时间和金钱，这也是本文将软件开发作为重点的原因。 为了让用户能开发出完整的采集和控制程序，n l ( n a f i o n a li n s t r u m e n t ) 提供了具有图 形化编程方法的应用软件l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) ，以及传统c 编程人员使用的应用软件l a b w i n d o w s c v i 。这些产品都有带 有专用功能的附加工具包。l a b v i e w 是一种功能齐全的图形化编程语言，拥有所有通 用编程环境的标准功能，如数据结构、循环结构和事件处理。l a b v i e w 还有一个内置 编译器，可在编辑时间编译所有代码【l 引。与其他通用编程语言不同的是，l a b v i e w 专 为工程师和科学家设计，其内置工具可满足他们的需要，是测试与控制系统开发的强大 工具。 大连理工大学硕士研究生学位论文 3 振动测试信号处理及船舶舱室甲板振动理论简述 本章是虚拟仪器测试实验系统相关功能设计的理论基础，整个系统的功能开发都是 围绕着这些理论而展开的。舱室甲板是本测试系统的测试对象，了解其振动原理是至关 重要的，此外根据相关标准规范对测试结果进行评价也是实际工程的需要。信号分析处 理是对舱室甲板振动测试和评价实现的方法，通过各种信号处理方法可以获得对测试对 象了解、评价以及修改的依据。 本章的主要分为两大部分，第一部分较详细介绍振动信号及数据的处理方法，包括 数据预处理、振动信号测试原理、离散傅里叶变换与快速傅里叶变换以及振动信号分析 原理；第二部分较简要的介绍船舶舱室