（航空宇航推进理论与工程专业论文）航空发动机转子实验台振动测试分析及软件实现.pdf

中田民用航空学院硕十学位论文 摘要 现在，靛空发动梳稳定期维修方式无论蹩旗经济上还是献箱时上来讲，郝己越聚越 显示出弊端。视情维修越来越成为发展趋势。因此，采用在线振动测试分析，并据此判 断故障爱褥卡分重要。本院靛空发魂橇转子实验室豹建立，委是羲应了这一懋鼯。它瓣 以后在现役航空发动机机体上做振动试验有狠大的借鉴作用。随着计算机和软件技术的 发震，采臻应掇 义器实凌振动溺试与分褥已经裁为摄动测试粒发震趋势。 为此，本课题针对转子实验台，研究开发了以p c 为硬件平台，以美国国家仪器( n i ) 公司胃：发麴l 幽￥ 窭髯软搏为开发工其，配合必要魏传感器、偿号调理器和数摄采集卡组 成的多通道振湖测试分析系统虚拟仪器。该系统通过计算机控制数掘采集，进行信号处 理分撬并显示结果，越满足实际扳动测试分攒豹需要。 沦文首先对虚拟仪器系统以及l a b v i e w 软件作了简要介绍，接着分析了振动测试分 析系统的组成和振动信号分析的理论基础。然后，阐述了开发本系统的总体设想及实现 过程，并利用转子实验台模拟转子刁i 对中故障对该软件进行测试。该系统既可满足现场 各类搬动信号的采集、显示及分析，又可对信号进行存储和回放。它具有的处理功能包 括：数字滤波、时域棚窗、寄相关与互相关处理、在茯速傅立时交换( ( f f t ) 鏊磴上计算 自功率谱、互功率谱、倒频谱分析以及轴心轨迹等。 关键字：虚拟仪器、振动测试、航空发动机、转子实验台 中国民掰航宅学院颈l6 学位论文 a b s t l a c l n o w a d a y s ，t h eo l dm a i l l t e n a n c em o d ew h i c hm a i n t a i n sa e r o - e n g i n e sa c c o r d i n gt ot h e h a t i m ei s m i n gt o 也ee n d 南rl t se x t r f 击撒皤l o s sb o t h 强e c o 砖鞋ya n d i 糯e ， m e a n w h i l e ，an e w i yd e v e l o p e dm a i n t e n a n c em o d eh a sb e e ni m p l e m e n t 。do na e r o - e n g i n e s ， w h i c hb f ；n g 稻f w a r d st 殛t 礅ea e f o e n 番珏e ss h o 珏l db em a 主n t 8 l 矬e da c c o 磁法g 协主t s 豫a l c i r c u m s t a n c e s oi ti si m p o r t a n tt ot a k et 1 1 em e a s u r eo fr e a l - t i m ev i b r a t i o nf o ra n a l y z i n ga n d d i a g 摊o s i n gt k 强u l t s 西a e f 。一e 矬g n e t h es 雒i n g 一颦o f 谯e 撼奄电挂g i n e 溆重e s t 南e do f o 醢f i n s t i t u t ei st or e s p o n dt h i st h i n k i n g w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fc o n l p u t e ra n ds o n w a r e 靶e h n i q u e v 南精t i o nm a s u r i n ga 狂da 凇l y z i n gf a u l t sw i 搬v i 豫豫li n s l r u m e 娥h a sb e c o m et d e v e l o p m e n tt r e n do fv i h r a t i o nt e s tf i e l d 弱t h e 也e s i sd e v e l o p 、i n u a li n s 拄u m e n t so fm u l t i c h 勰n e lv 逊a i o nm e a s u r e r n e n ta n d a n a i y s i ss y s t e mb a s e d o np ca sh a r d w a r ew o r k b e n c h ， l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t w o r k b e l k h ( l a b v i e w )d e v e l o p e db y a m e r i c an a t i o n a li n s t n 埘e n t sc o 王p o r a t i o na s d e v e i o p m e n ts o f t w a r e ，e s s e n t i a ls e n s o r s i g n a 】c o n d i t i o n e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d t 瓢e s y s t e mc a l lc o n t r o id a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dd i s p l a ymc o m p u t e kt om e e t 毫h ed e m a n d o fv 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 s f i r s t s i m p l ei n t r o d u c t i o no nv i r t u a li n s t r u m e n t si sm a d ei nm yt h e s 矗s e c o n d ，t h e c o m p o s i t i o no fv i b r a l i o nm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dt h et h e o r yo fv i b r a t i o r ls i g n a la n a l y s i sa f o a n a l y z e d f i n a l l y ie x p l a i nt h eg e n e r a lp r o g r a mo fd e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o nt h i ss y s t e m ，a n d u t m z er o t o rl a b o r a t o “t e s t b e dt os i m u l a t em e c h a n i c a lt u b l e 协 e s t 岱i ss o 佼、张r e + n o to n l y c a nt h es y s t e md a t aa c q u i s i t i o nd i s p i a ya n da n a l y s i st ot h ev a r i o u sk i n d so fs i g n a l s ，b u ti t c a ns a v ea 醚瓣艇t h ed a t 鑫w h i e 圭鞭v e db e f o r o 秘佗s o 佼w 雒es y s e 糙s 魏o u l di n e l 疆d e 毛量l e s e f h n c t i o n ：d i g i t a l 矗l t e r w i n d o w i n 岛a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o na n dc r o s s c o r r e l a t i o n 胁c t i o n ， 辅t o p o 敝fs p e c 镌m ，e 糟s s p o w 。r 警e e t 纯m ，e 印s 鼬建黻鑫l y s i sb a s 舞。鞋 珂( f 鑫鲢f o 溅材 1 y a n s f e n k e yw o r d s ：v i r t u a ii n s f r u m e n t s ；v i b r a t i o nt e s t ；a e r o e n g i n e ；r o t o rt e s t - b e d 中蔺蠢埔航窄学院颟卜学位论文 中国民用航空学院学位论文独创性声嗣 本人卢明所璺交的学位论文越我个人谯导师指导r 进行的研究一作及取得的研究成 泶。尽我所 知，除r 文中特翻加以标注和致辩鹇建方外，论文中蒂包禽其饨天已经发表或撰写过静研究戒菜， 也4 ：包禽为获得p 国氏川航空学院缄其它教育机构的学位或证书而使朋过的材料。与我一同工作的 同忠对奉研究所傲的任f n j 员献均已铀：论文中作了明确的说明搿表示了谢意。 研究生虢麴煎垦瓤遁：川 中国民用航空掌院学位论文使用授枚声哦 中国比刖航空学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档可鹾采用影印、缩印或冀他复蒂q 手段保存论文。本入电子文档的肉密和纸震论文 的内容指一致。除在保密划内的镙密论文外，允许论文被套羽取l 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文 的全部或部分内窬。论文盼公布( 包括刊髓) 授权中国民用航空学院研究生部办理。 讲究生签夥：基啦导师整名：缸 日期：沙歹一f ， 中国民用航空学院硕l ：学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 现代生活离不开现代化的交通工具，飞机作为现代化交通工具的代表，其安全性一 直受到高度重视。作为飞机的唯一动力来源发动机正朝着高效、低噪、寿命可靠等方向 发展。它是否能可靠的运行关系到机上数百名旅客的生命安全。如果我们能够对发动机 的运转进行实时振动监控，对其信号进行分析，及时有效的发现异常振动信号，并找到 故障原因，就能够避免发生重大事故造成巨大经济损失。据国内外报道，用振动的方法 可以发现使用中的航空发动机故障的3 4 ，可节约维修费用7 0 。 航空发动机结构极为复杂，背景噪声较强，有用信号要么极其微弱，要么在传播过 程中，衰减淹没在背景信号中。因此，我们难于准确地捕捉到各种故障信号，而且当一 种以上的故障同时发生时，就更难于识别故障类型。由于也不允许我们对现役真实发动 机作故障实验，所以我们对某些机械故障振动信号的特征也不够清楚。 由于我教研室航空发动机机械故障演示实验室的建立，使这一工作成为了可能。该 实验室中转子实验台的设训可以与真实发动机相比拟。该模型可以演示各种机械故障。 我们可以通过对其进行振动测试分析而逐步清楚其故障模型。其结果对我国现役航空发 动机的机械故障分析有很大的借鉴作用。 有了转子实验台，还应丌发相应的软件，用于对振动信号进行采集和分析。传统测 试仪器基本上没有摆脱独立使用、手动操作的模式。在工业自动化和测试及测量领域， 传统的方法有许多重复建设，使用起来很不方便，其局限性非常明显，显然己经不能适 应时代发展的需要了。而且传统台式仪器是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构， 它有固定的输入输出接口和仪器操作面板。每种仪器只能实现一类特定的测量功能， 并以确定的方式提供给用户。我们现在需要利用虚拟仪器技术，开发出一套虚拟仪器，使 其既具有传统仪器的一般功能，又可以由用户自行开发，将一些先进的数字信号处理算 法应用于虚拟仪器，提供传统台式仪器所不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实 现多功能集成的仪器。因此，目前开发出一套易于维护和升级的虚拟仪器软件迫在眉睫。 1 2 虚拟仪器的产生和国内外发展现状 1 2 1 虚拟仪器的产生 现在越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成 本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。虽然传统仪器己经得到迅猛的发展，仪器精 度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器开发费用高，技术更新慢( 一 般周期为5 至1 0 年【l j ) ，而且价格昂贵。因此，现代测试平台需要从模拟技术向数字技 术过渡、从单台仪器向多种功能仪器组合过渡、从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结 合方向过渡、从简单的功能组合向以个人计算机为核心的通用虚拟测试平台过渡、从硬 件模块向软件包形式过渡。 孛鼙晁髑靛守举隧硕士学位论文 于是，i 9 8 6 年美酱国家仪器公司 a t i o n a li n s t r u m e n t sc 。r p + 以后简称n i 公司) 提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念。n i 公司同时也提出了“软件 即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能出厂家意义，用户无法改变的局面，从两弓i 起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能 化和廉拟化殴经成为各级实验室以及研究结构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪 器的功能，又有剐予蒸袍传统仪器。它能够充分利用和发挥糯有计算梳的先进技术，使 仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。 1 2 2 虚按栽术国内癸发展蠛状 虚拟仪器技术实现了计算机技术和仪器的完美结合，j 1 ：辟了现代仪器技术的新天 遗。它是痉熬技术豹薰要缀残部分。它豹诞生虽然只有卡咒年豹历史，毽已釉计算撬逸 讯、网络并称为2 l 世纪科学技术的三大核心技术。许多发达国家也将其作为重点研究 匏对象。其中，k i 公司，惠罄公司( h e w l e t tp a e k 8 r d ，麓稼h 固，t e k t r 。i x 帮r a e a l 等公司的虚拟仪器比较有影响，他们在近十多年时间里，就占有了越界仪器仪表市场的 1 0 甏友右数份颧，充分显示了疲援仪器豹强大生会力。其中，以x l 公司戆强形纯编援遥 言l a b v i e w ，和惠普公司的v e e 最具有代表性。 爨翦在荚凿，谗多大学都育鸯己的袁瓤仪器实验室，不但进行纛拟仪器麴鹾究与开 发，而且还将虚拟仪器作为一门课稷向学生传授，为学生提供实验条件，让学生亲霸动 手，学习建立自己的赡拟仪器系统。n j 公司每年在美国各高校的大学生中举办虚拟仪器 设计大赛，鼓励和推广虚拟仪器的使厢。据美国权威杂志统计+ k i 公司的l a b v i e w 己占 有测试系绩软件市场份额的3 9 ，两惠普( h p ) 公司的v e e ( 与a b v i e w 相似的一种图形化 编程语言) 也占有市场的1 1 。 熙裁，虚拟仪器技术己逐步应用于航空航天领域。美国最大的飞机制造商波音公司 在其罐新型的波音7 7 7 飞机的研制和生产测试过程中就广泛碰角了艘叛仪器技术。成损 仪器技术以其技术先进、准确度高、信息量大、实时性好、性能可纛、成本投入小( 相 对于侵用多套综台测试系统磷投入的入力、羹季力) 氨风险低的特点。已在民糟航空器酶 设计、生产及全尺寸、全性能实验中得到广泛的应用。 我簪传绞仪器技术还范较落后，与国外稽眈，澜量精寝移哥靠往均较低，显鸯动位 程度较低。当前，各种测试软件、专用集成电路、固化软件的广泛陂用，系统技术和模 块式仪器懿逐速发震，都绘蕊苏仪器抟磅究_ 零羹痊霜磷造了良好象传，也为我稻提供了 个缩小与国际先进水平差距的机会。 妇予虚稼饺器具骞巨大鹣饶越浚，国内羚已经蠢诲多厂豢在楚嗣虚攒仪瓣进行测试 方面作了一系列有螽工作，已开发了一些艘拟测试仪器。挪威c a r d i a c 公司的熬于 l 曲v l 箨平台戆溺试j e 海涵溅石涵、大气、承滚弱醵p 戳系统等，清毕大学应建虚数鼓拳 构建的用于梭测汽车发动机性能的出厂检测系统，哈尔滨工业大学也推出自已的“仪器 王”纛拟搜爨系统，另外上海仪器仪表掰、濒江大学、成都电子科技大学、上海同漭大 学、上海交通大学等单位也正在不断进行虚拟仪器的研究和成用p j ； 孛霉琵j ；l l 靛空学端旗| 学位论文 l 。3 本瀑题磷究蠹容及意义 航空发动机是民航e 机的核心，航空公司在发动机监测和维护上的花费占公司运营 成本懿稷太一帮分。戮在霆莛空发动援熬维护越来越 | 耍囱子视馕缍咎，妇莱可以铰速蒎确 低成本地对发动机振动信号：i 放行检测分析，由此判断故障，那么，就可以使航空公司大 辐削减维护戏本，提燕安全稔覆。本貔照空发动瓿转子实验整豹建立，正是鹃应了遮 思路。 浚实验室璜嚣包括： 1 、转子动力学实验室和航空发动机机械故障演示实验嚣的设计和安装。 2 、剥用纛季盥技术玎发一套适用于该实验台的信号采集分辑系统。 本篇论文主要是进行第二项工作，利用虚拟技术开发一套适用于浚实验台的信苟采 集和分析系统。n i 公司丌发的可视化虚拟仪器开发平台l a b v i e w 难适合于本项嗣。 i a ) v i e w 是n i 公司的创薪软件产品，也是醪丽应用最广泛、发展最茯、功能缀强的圈形 化软件玎发环境。它具有玎技周期短、运行速度快、可重用性、使用方便灵活等优点。 因此，用l a b v i e w 玎发浚系统是最臻愆的方法。一 l 。4 本课题的主要工作 本篇论文是在前期转予试验台安装好的熬础之上进行的，主要是丌发一套适用于该 转子实验台救缀动信号采集分撬软 譬。本程序具备f ；勺主要功娩包括：数据采集、信号分 析和处理、数据文件存储、文件读取等。该缮统信号分析和处理功能包括：数字滤波、 时域加密、跫楣关与互楣关处理、显示轴心轨迹、在快速傅立哦变换( ( f f t ) 基础上讨算 自功率谱、互功率谱、倒频谱分析等。论文的主要工作包括： 1 利用l a b v i e w 软件平台，在先明确该软件应具备的功能后，根据所需的不同功 能分别设计不同功能的模块。根据总体的设计思想和人性他前面板设计，对备功髓模块 进行集成和调试。 2 利用转子实骏台模叛不对中敌障和嚣示轴心鞔迹等试验对软件系统送行实际功 能的测试。 孛盈捌靛空学辘碳。i 学位论文 第二耄虚拟仪器系统 2 1 康拟仪器 2 1 1 虚攒仪器概念 所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的精简平台上，由用户设计定义、具有 虚拟磷板、测试功能e l j l 测试软件实蕊的稀计箨税仪器系统1 3 l 。虚季鼗仪器酶襁念，是n 公司于1 9 8 6 年首次撼出来的。虚拟仪器的出现，使测量仪器与个人计算机的界限模糊 了。纛核仪器的发震梅恚着磊动瓣试与电子淄塞仪器领域技术发震的个襄赣方自。 虞拟仪器是利用p c 计算机显示器( c r t ) 的显示功能模拟传统仪器的前控制面板， 疆多萃孛形式表达赣毒稔濒结暴，稠焉既毒晁强大豹较传功糍实至燕售号数豢静运簿、分耩、 处理，由i ( ) 接 设备完成信号的采集、测量与调理。从而完成各种测试功能的一种计 葬概仪器系统。“虚拟”二字烹要包台溪方覆瓣含义： 第，虚拟仪器的的面板是虚拟的。 蕊叛仪器嚣援上豹各秘“控搏”与黉统仪器嚣援上秘各季中“器件”所完戏戆功能是 相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”“断”；被测信号“输入 通道”、“教大蠖数”等参数设援：测塞结果的“数值擞示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都足“实物”，而髓是由“手动”、“触摸”来进行操作的， 两虚拟仪器巅扳控 牛爨羚形与实物楣像的“阁标”，“邋”、“版”、“放大”等，对应着相 应的软件程序。这些魑已设计好的软件，用户只需选用代表浚葶中软件程序的图形“控件” 即可，幽鼠标对其进行操作。因此，设计痘拟西板的过程就是在“前鳓板”设计窗口中， 从控制模板选取、摆旅所需的图形“控件”。 麓二，虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 在以p c 计算机为核心缀成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实瑶仪器静溅 试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组台来实现多种测试功能，因此有在 硬释平台确定后“软佟就是彼器”韵说法。宅体瑗了溯试技术与计算穰深屡次的结合翻。 2 1 2 虚拟仪器的硬件系统 霞丰羹饺嚣的硬 睾系统一般幽诗算税硬终詈台移i 0 接曰设备缀或。其中诗算丰趸醺俘 平台可以是各种类型的计算机，计算机管理蔚虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬 孛基礁。诗舞祝技术在显示、存锫麓力、楚理洼簸、阏终、慧线标准等方瑟翁逐速发瀑， 导致了虚拟仪器系统的快速发展。 羧照测接功蠢硬 串豹不嗣，虚援仪器可分为g p l 8 ，v x i ，p x i 衣0 勰图秘嫁雄髂系 结构，用来进行信号采集、传输、控制。 l 、g p l 8 蕊e n e r a lp u r p o s ei n e r f a e e8 u s ) 通瘸接口总线，是诗算规翻搜器阉媳 标准通讯协议。g p i b 的硬件规格和软件协议先后纳入两个国际工业标准：a n s i i e 雎 4 8 8 。l 秘a 弧 i e4 8 8 。2 。它是最早的仪器憨线，爨兹多数仪器都配：藿! 了遵德i e e e4 8 8 中墨是薨l 靛空学靛嫉i 学垃论文 的g p l 8 接! 。典型灼g p i b 测试系绫出计算枫、g p l 8 接口卡和若干台( 最多1 4 台) g p i b 仪器通过标准g p i b 暾缆连接衙成。每台g p i b 仪器商单独的镳址，由计算机控制操作， 系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动，这种概念 己被成用于仪器的内部设计。在价格上，g p i b 仪器覆稔了从魄较便宜铡异常昂贵的仪器。 但是g p i b 的数掘传输速度一般低于j o o k b s ，不适合予对系统速度要求较高的应用。( 标 准按豳总线在2 0 m 距离内，若每2 m 等效的标准负载翻当于镶用4 8 f i l a 的集电极开路式发 送器，则最高工作速率是2 5 0k b s ，若采用三态门发送器，一般速率为5 0 0 k b s ，最高 可这l o k b s ) 2 、v x i ( v m e b u se x t e n si o nf o ri n sc r u m e n t a t i o n ) 是v m e 总线在仪器领域的扩展， 是l 7 年在v m 总线、e u r o c a r d 标准( 穰掇结橡标瀵) 帮i 疆4 8 8 等静基礁t ，自主要 仪器制造商共同制定的丌放性仪器总线标准。v x i 系统最多可包含2 5 6 个装臀，主要由 主瓿键、”0 攒”整篱l 器、其有多移功能懿攘块仪器裁驱动软 牛、系绞应臻软 ? = 等缀戏。 系统中各功能模块可随意更换，即捅即用( p n p ) 组成新系统。目前，国际上有两个v x i 总线缝织： ( 1 ) ，v x 联盟。该联盟负责制定v x i 的硬件( 仪器级) 标准规范，包括机箱背板总线、 电源分匆、冷裘| 系统、零螬模块、仪器模块疑电气特性、机械特性、电磁蓑窖性以及系 统资源管理和通讯规程等内容： ( 2 ) ，v x l 总线，朗插即翔( v x ip l u 薛p l a y ，简称v p p ) 系统联盟。该联蛾的宗黩是 通过制定一系列v x i 的软件( 系统级) 标准来提供一个开放性的系统锸构，真难实现v x i 总线产品的“即插即罔”。这两个联擞制定的标准组成了v x ! 标准体系，实现了v x i 的 模块化、系列化、通稍化以及v x i 仪器的互换侄和互操作性。v x i 的价格相对过高，适 合于尖端的测试领域。 3 、p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 建p e i 在仪器镁域的扩震，是n i 公司谯1 9 9 7 年发布的一种新的开放饿、模块化仪器总线规范。其核心是c o m p a c t p c i 结 构和m i c r o s o f tw i n d 洲s 软件。p x i 蹩在p c i 内核技术上增粕了成熬的技术筑范帮瑟求 形成的。p x i 增加了用于多扳同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的魁形触发总 线、以及瘸予籀邻禳块闯高瀵透信的溻部总线等，来满足试验和测爨糟户静簧求。这棒 可保证多厂齑产品的互操作性和系统的易集成性。 、孚鞠( a t 8a e 奄h i s i t i o n ) 数撵采集，缮翡是藜子诗舅税标准憨线( 热l s a ，p 0 l 、 p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的 灵活瞧帮奏l 袋性。到爝d 鞠，哥方便抉速缝缀建痘掇仪器，实现“一筏多型”蠢“投 多用”。 在经笈土，蘧羞a 转转换投零、仪器放大接术、抗涅叠滤波技术与售号调理技零瓣 迅速发展，d a q 的采样速率最高已达到l g b s ，精度更高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并 嶷任懑结合数字 内、模毅 o 、诗数器定时器等遴道。 仪器厂家生产了大量的d a q 功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行 孛鬻琵耀舷空学陵鹾七学位论文 数摄分援仪、动念信号分辑仪、任意波形芨，圭器等。在p e 计算机上接接若干d a q 功能 模块，配合褶应的软件，就可以构成台具有若于功能的虚拟仪器l 。 不周的测试任务对测试系统有不问的要求，一釉虚拟仪器测试系统不可熊涵盖熬个 社会对测量的簧求，对虚拟仪器测试系统的选择，尤其是对采用何种总线应浚有一个客 观的认识。基于计算机标准总线的d a 。数据采集卡组成的虚拟仪器测试系统，通常适用 于一般的教学实验、实验室鬻蕊测试鞠低频低速的过程测撞系统。鏊予p x i 慧线酶虞羧 仪器测试系统由于电磁兼容性能及冷却性能的改善和它的模块式结构，使它葡丁用在般 要求的自动测试系统场合和系统总价嵇有蕊陵翻懿蠡动溺试系统中。褥基于￥x i 总线懿 虚拟仪器测试系统具有良好的性能，可用于自动测试系统，但由于价格昂贵，主要应用 予尖端测试领域，特剐适合予藏速丈数据量鑫臻 l l | | 试系统，宽频繁鑫动测试系绫帮攀羯 自动化测量。 2 1 3 霞羧纹嚣豹软l 拳系统 虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分：v i s a 库、仪器驱动程序、应用软件。 l 、￥i s a 建 v i s a 库实质就是标准的i 0 函数库及其相关规范的总称，一般称这个i 0 函数瘁为 ￥ s a 黪。它骏塑予计簿钒系统之中，执行仪器总线的特豫功筑，是计算枫与仪器之蚓的 软件屡连接，用来实现对仪器的控制。对于仪器驱动程序开发者来说，v r s a 摩是一个可 调鼹黝操作函数痒或集合。 2 、仪器驱动程序 仪器驱动程序是完成对巢一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应用程序实 现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商将其隧源代粥的 形式提供给用户，用户在应用程序中调用仪器驱动程序。 3 、应用软件 燕用软 牛建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、友好的操 作赛瑟、丰富的数据分析与鲶瑾功能，来完成自动测试任务。应用软俘还惫捂遂臻数字 处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功 率谱估计、f 盯、f h 、遂f 疆、遂f h 彳和缅纯分韦厅等；时域分析静稳关分蕊、卷积运箕、 反卷积运算、均方根估计、麓分积分运算和排序等；滤波集中的数字滤波等。这些功能 函数为用户逡一步扩溪虚蛰仪器夔功麓提供了基磕”l 。 2 1 4 虚拟仪器的特点 袭撅搜器之掰以能取弋传统仪嚣模拟仪器帮馨缝纹器) ，是囊其突出熬特点捩定 的。 l 、疆搏功爱软传佬。瘦熬饺器篌搜爨懿部分硬l 孛凌能软件纯，并封装形成模块， 实现软件功能的即插即用( p l u 醵p l a y ) ，以供调用。 2 、硬终蔟藏纯。系统毖嚣弱基本硬 譬，螺数摄袋集电路等被裹发集成，割或硬 孛 插卡，实现磷件模块的即插即用：用户可以根据需要选择硬软件功能模块，设置仪器面 s 中霉爵稿靛枣学虢颂士学往论文 叛，铁孬实现仪器豹羽户自爱义。 3 、硬件平台通用化。虚拟仪器利用软件，选配一个或几个带共性的基本仪器硬件 来组成一个通用硬 牛平台，通过调用不同豹软 孛来扩展或组成各种功能的仪器或系统。 打破了传统仪器小而全现状，将信号的分析、显示存储、打印和其它管理集中起来由计 算枧宪成，利于升级和维护，同时节约了费用。 4 、参数熬定与修改实时亿。可编程器件等插件以及应用程序的控制，使得虚拟仪 器的参数甚至结构不必在设计时就确定，而怒可以在仪器使用的现场实时置入和动态修 改，矮有穰大的灵活性，也绦证了康季! ；l 仪器赞源的可荐用往。 5 、利于测试系统自动化、网络化。虚拟仪器集成了计算机技术、网络技术与仪器 技术簿先迸羧零，螽装了萁俊蠲范围，往之觳逶遘黉竣弼或 n t e r n e t 实褒远程涮羧懿 功能，构成远程虚拟仪器。远程虚拟仪器可以使信息采集、传输和处理一体化，使许多 磊奏瓣溺试设备褥| 噩共享。远程虚掇仪器技术还可| 三乏应矮予设善於远程诊强鞠维护戮爱 企业信息化管理中。 慧之，纛毅仪器镬褥矮户琴吸莛毫嚣硬软 譬凌爱模块，竣嚣f 义器瑟嫒，壤大蠲户鑫崮 度。同时，模块化设计方法利于仪器的设计、维护和升级，同时增大了系统的可靠艘， 延长了乎均数跨润蕊黠闻，掇裹了系绫熬性熊( 灵涯镶、可重耀性、可扩充撵) ，簿羝了 系统的费用( 购买、升级和维护) 【4 j 。 2 。2h b ￥i 黼箍奔 l a b v 工e w ( l a b o r a t o r yo fv i r t u a li n s t r u m e n c s n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是n 工公 司撬密的3 2 位、为v x i 郎播帮蠲联麓( v x lp l u g p l a ys y s t e m sa l l i a n c e ) 认可懿编 写g w i n 和w i n 框架的驱动程序的标凇虚拟仪器开发平台。 l 曲￥i e 髯建一个萋于图彩讫编疆沿言g 静虚羧彼嚣开发环境，它罐供了一释垒麟粒 编程方法，即被称之为“虚拟仪器”的软件对象进行图形化的操作组合。利用l a b v i e w 。 可良遴_ l 童交纛式豹图澎纯羲鬟叛寒控镄系统。铡麴：霹鞋黠死予穆矮传设冬( g p l 8 ，￥x l ， p x i ，r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5 ，p l c ，插入式数据采集卡等) 进行数据采集；可以通过网络、交 互应搏遽添裁缝麴纯蓬谗语言( s 瑶l ) 等方式与其毽数爨溪摆联；可以铡罔箕功戆强大鹣 数据分析程序对原始数据进行分析，得到有意义的结栗并加以显示输出；可以创建执行 速瘦竣抉夔3 2 霞编嚣程净( l 曲v i 疆楚一个囊差兹3 2 短编译器) ，厨寒实瑰数摆采集等 测试任务。l a b v i e w 带有大爨数据采榘、分析、显示、存储的函数库以及众多的程序开 发工凝，还避过动态镪接瘴d n 、共事瘴函数、a e t i v e x 等提供了太= 黢的静郝代玛接翻。 在调试方面，其有设臀断点、单步运行等有力的功能1 5 】。 零软件约开发环境为n i 公司1 9 9 9 年雄出的l a b v l e w 5 1 。 l a b v i e w 程序开发环境包括三个部分：前砸板，樵图程序和图标接口。前面板主要 用予输入量的设置和输出量的观察，它模拟了真实仪表的面板。用户可以使用许多巍系 统提供的控件圈标，如旋钮、开关、按钮等，使前丽板清晰巅观，嚣于操作，前面授就 中嚣彝 靛窀学瓣磺圭学谴论文 象是廉拟仪器的用户接口，狁如实琢仪器的嬲板。翦灏板基本上是控制和显示对象的集 合。框图程序用图形编程语爵编写，可以把它理解成传统程序的源代码；通过连线将输 出、接收数掇的对象连接起来创建流程图，就能实现特定的功能，控制执行的流程。图 标接口部件可以让鞠户把v i 程序变成一个对象( v l 子程序) ，然后夜其毪程痔中把它作 为予程序来调用，以创建更复杂的程序。l a b v i e w 这种创建和调用予程序的方法，使创 建的程序结梅模块化，易予调试，理解帮维护。 l a b v i e w 具有三种用来创建和运行程序的图形化可移动模扳：工具( t o o l s ) 模扳，控 翻( c o n t r o l s ) 模板和功韪( f u n e t i o n s ) 模板。工箕穰板包摇了翟_ | 亨豹翻建，修改嗣溺试 时使用的工具。控制模板主熨用于前两板中输入和输出指示器的添加。而功能模板则用 于摄甏程乎载刳建。下嚣羲麓单援瑟fl 曲￥l l 并懿程序设诗翡一般过程。 个v i 程序的设计主要包括前两板的设计，框图程序的设计以及程序的调试。 ( 1 ) 蓦先翻建裁露援 因为用户使用时所观察列的就是前面板，而且在前面板中执行对仪器的操作所以 应辗攮实嚣中的 文嚣蠢扳以及该纹器颇要实现豹功熊采设诗藩嚣扳。藏瑟扳中主要啦输 入控制器和输出指示器组成。利用工具模板_ 爿乏添加输入控制器和输出指示器( 添卸聪会 在挺溷程序中出现对应的控制器或攒示器框图) 。控制器使用户可以输入数据到程序， 而指示器则用来显示程序产生的数德。控制器和显示器部件有很多种类，可以从控制模 扳豹各个予模扳中选敬。 ( 2 ) 框图程序的设计 框图程序相当于源代码，只有在创建了梃图程序以后该程序才能真正运行。所以在 设计好前面板以后，就要根据各个稻闰之间的关系以及对数据的处瑷方法等设计框图程 序。对框图楗序的设计主要魁对节点、数据端口和逢线的设计。节点是v i 程序运行的 要素，可以把它理解为程序的语句、黼数或予程序，它包括瓣种类登；函数、v i 子糕滓、 结构湘代码接口。 ( 3 ) 程序瀚调试 当前面柱乏和程序框图设计好以后，程序执行过稷中可能会遇到很多方面的错误，因 此要对程序送行调试。蕾宠凌找错误，翔采令v l 程序不麓撬行，运行按锤会高璞 个折断的箭头。点击断箭的避行按钮则会列出错误清单，双击列表中的错误，则目错的 对象残臻日簸会高蹇遂示驿l 。 中藩最掰靛空学院醺圭学镣论文 第三章振动测试与分析系绫 3 1 数字式测试系统 测试系统根据所处理信号类型的不同可分为模拟式和数字式两种。模拟式测试系统 是臻传感嚣的辕出信号直接避行加工、变换秘处理，然后再以模拟信号豹形式进行传簸、 显示、记录和输出。其系统图如图3 ，l 所示。 被测参数 困3 1 模拟测试系统 数字式测试系统是利用计算机进行数据处理，而计算机只能处理数字信号，所以， 在数字式测试系统中，觚传感器输蠢的模掇信号一般簧焉数搽采集管( 或采焦板将模 拟信号转换为数字信号，再输入计算机进行处理。在a d 变换的过程中，应注意采样频 率要满足采样定理要求，繇采样频率耍太予深信号中静最毫颓率成分翁频率。为魏，鼹 输入信号要先进行抗混叠滤波。其简单系统豳如图3 2 所示j 。 被 测 参 数 输 睁鬻理r l 嚣 计 出 i i 入 算 接 接 机 强 口 商鬻理卜 o斗 翅3 2 数孚式粼试系统 数字式测试系统中传输的信号为数字信号，具有抗干扰能力强、测量速度侠、精度 高、实现功熊多等特点。本麓论文中，所用的测试系统就为数字式测试系统。 3 2 传感器 德惑器蹙麓够感受辏体运动著将物抟豹运动转换成摸撅遣售号数一零孛灵敏约羧能 元件。传感器的种类很多，鼠有不同的分类方法，按参考坐标的不同可分为绝对式垮相 对式传感嚣：按王售方式懿不嗣可分为接皴式帮饕接簸式传感器；按工臻原理豹不弱 可分为惯性式和参数式传感器。按测量参数的不同又可分为位移、瀵度和加速度传感器 等。 3 2 1 加速度传感器 魉速度传感器主要翅予测量振动钵静振动老珏速发。枧槭振动测爨中最常用的是压电 式加速度传感器。压电式加速度传感器由予其体积小，重鬣轻( 2 5 0 9 ) ，灵敏度高和频 9 中闻民用航空学院顺= l 学位论文 率范围宽( o 0 0 0 2 1 0 k h z ) 等优点，适合于高速旋转机械的轴承座及壳体的振动加速度 测量，在实际测量中应用最为普遍【8 l 。 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础， 在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。所谓压电效应就是 某些电介质物质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时 在其表面产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。具有压电效应的物质很 多，如天然形成的石英晶体，人工制造的压电陶瓷等。 在压电式传感器中，压电片通常是两片( 或两片以上) 粘结在一起，由于压电片上的 电荷是有极性的，因此有串联和并联两种接法一般常用并联法。并联接法输出电容是 单片电容的两倍，但输出电压等于单片电压，极板上的电荷量为单片电荷量的两倍【9 j 。 压电式加速度是一种绝对式测量的惯性式振动传感器，其力学模型及工作原理图如 图3 3 所示。设惯性质量为m ，弹性元件的刚度为k ，运动时的阻尼系数为c ，如不计弹 性元件和阻尼元件的质量，可以简化为一个单自由度二阶弹簧一质量一阻尼系统。 图3 3 压电加速度传感器的力学模型 压电加速度传感器惯性质量块的运动规律可用下式表示： ，”( z + y ) + c 工+ j = o( 3 1 ) 式中 m 一惯性质量； c 一阻尼系数： k 一弹性系数： x 一惯性质量块相对于传感器壳体的位移； 三一惯性质量块相对于传感器壳体的速度； y 一传感器壳体的位移； y 一振动加速度，亦即传感器基座的加速度。 x r 卜r f 中丽融糟航空学硫硕：l ：学垃论文 竣缝怼毽移y = y 毋i n 国t 时，其中球为羚辘信号源爨频率，剐式( ( 3 + 1 ) 哥泼写荛 加工+ c z + 救= 啦蜘掰2s i n f ( 3 2 ) 设f = c ( 2 瓜) ，= k m ，其中孝是无函次阻尼比，峨是传感器的无隰尼谐振频 率，掰是兹髂豹振动翳频率。压电式鞠速度馁感器戆阻尼魄f 缀，l 、，一般不大予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，在峨。时， 有 并：一二( 3 3 ) 螺 这裁表弱，在掰鞍小时，矮量的糖对位移x 与物终振动加速凄y 戏也铡。 压电转换元件在惯性质撼块m 的惯性力作用下，产生的电荷量为： q ：d 。袱：一掣 ( 3 4 ) 。 蟒 对于每袋施速度传感器而言，d ，、m 、q ，均为常数。式( ( 3 4 ) 说明压电加速度佟感 器输掰豹电稳藿q 与物体叛动加速凄y 成晓钢震适当豹测试系统捡i 羹窭电薅羹建，藏实 现了对振动加速度的测量【i ”j 。 压电式鞠速度黉藤器输蠢静是毫稽信号，雨且比较镦弱，不轻纛接被数据采集卡采 集，所以需要用信号放大器来把较弱的电荷傣号转化成较强的能被数据采集卡采集的电 压信警。根撬掰焉的压遣式鸯蟊速疫传感器压l 彀糖糕逮接方法熊不淘，与之配套豹蘸鬟放 大器可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，其电路褥点是敖大器瓣爨电压只与转感器产垒三瓣电萄输入量及羧大爨爱续电容有 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 传稔线路兹分壤电容不敏感，铸辕蹶裹霹达数吾米，邈姥受到普遍搜髑。对浆援串联蓬 电材料的压电传感器，则需爱使用电压放大器，当改变连接传感器与电压放大器的电缆 长度时，由予分匆电容发生变化会弓| 越测量谟差，嚣通过重毅校聂放大器灵敏发热以消 除，给测试带来不便。 3 。2 2 位移赞感器 ， 电涡流位移传感器是一种将机械能位移或振幅转换成电讯号输出的非电量电测装 置。它是由探头( 传感器) 、延 孛电缆和变换器组成，具有频响宽、线性测爨范掘宽、 体积小、抗干扰能力强、安装使用方便、能妖期连续稳定工作等优点“。涡流式位移传 感器的最大特点是采用菲接触测量，它与被测点没有直接接触，适台于测量转子相对于 轴承的相对位移，包括轴的平均位置及振动位移。幽于高速旋转机械的转予轴表面爨有 中强晁粥舷室学陵顿l 二学位论文 很高的切线速度，所以用接触式传感器很难以实现振动的接收。涡流式位移传感器是利 用转辅表面与传感器搽头端部闯的阀隙变化来接收振动静，觚丽遥尧了与转辘表面豹直 接接触。 涡流式位移传感器鼢另一个特点建具有零频率响应，且畜频率藏豳宽( 陡，1 0 k l z ) 、 线性度好以及在线性范围内灵敏度不随初始间隙的大小改变等优点，不仅可以用来测出 转车鸯幸蠢心的援动位移，嚣虽还哥溺枣转轴辘心豹静态位置匏镐离，这在粪辑运转过程中 轴心是否处于正常的离心位鼢是很有用处的。目前涡流式位移传感器广泛应用于各类转 子鹩拨动登溅。 圈3 4 是涡流式位移传感器的原理图。在传感器的端部商一线圈，线圈中有频率较 裹( 1 2 骣k z ) 熬交变电压通过。当线嗣乎嚣纛送某一母体嚣时，出予线援磁邋链穿遵导 体，使导体的表面层感应出一涡流，而t ，所形成的磁通链帆又穿过原线圈。这样，原 线圈与涡流“线聱”形成了育一定藕合的互感。藕合系数豹大小与二者之闯筑距离及导 体的材料有关。其等效线路网鲫蚓3 5 a 所示，其中r 嗣l 为原线圈的电阻与自感；月。和 l ，为相当的涡流的电阻与自感；m 为互感系数。 玎打 瑙3 4 涡流式经移媾瘩器瓣鳆理强 a ) 阁3 5 涡流式位移传感器的等效线路圈 b l 中蓠融糟兢窄掌院颟l 学位论文 胃酸涎疆，当豹壤率z ，缀薅露，鸯2 万z ，墨，在圈3 弱中 震1 ：发+ 喜露2 发( 3 5 ) t 。 = 互( 1 一是2 )( 3 。8 ) 式中 七：鉴为藕合系数。 _ l l ： 舞子互感系数麓与线圈帮导幸搴表蠢的闻豫d 有关，蠢此k 也淹蠢变纯。若荠酸上 一电襻c ( 图3 5 b ) ，即构成r 、l 、c 振荡回路，其谐振频率为 舻司蒜 ” 溶此可见，在传憋器的线圈结构与被损繁体材料确定之后，赌传感器静等效阻抗以 及谐振频率都与耦合系数k 有关，也就是与问隙d 的大小有关，此即非接触式涡流传感 器涮爨振动位移的依键。 为将位移的变化转换成相应的电压信号以便进行测量，又在谐振回路之前日进一分 压电黼r 。( 觅闰3 6 ) ，且是阁，这样输融电压的嚆值近似为o 。= ( z r 。) i 。 投 u ” 二商；足叮j 图3 6 分压线路图 u