（动力机械及工程专业论文）虚拟仪器在发动机振动测试及分析中的运用研究.pdf

中文摘要发动机振动信号是发动机技术状况和故障征兆的信息载体，利用振动信号作为主要测试分析手段的应用更是在二十年前就开始了，且已经完成了一系列重要的基于振动信号的内燃机测试研究。本文首先介绍了虚拟仪器的概念、l a b v i e w 软件开发平台的组成及其在国内外汽车和发动机行业中的运用情况，就内燃机振动的测试及振动信号分析技术做了较为深入的研究。重点将工程振动信号中非平稳信号的若干处理方法如短时傅里叶变换、魏格纳一威尔分布等时频分析方法运用到内燃机振动信号的分析当中。结合虚拟仪器概念和信号处理的方法，利用l a b v i e w 在w i n d o w s 下构建了一套基于虚拟仪器的发动机振动测试和分析系统。本系统可以完成发动机振动信号的实时数据采集、发动机整机振动烈度的计算和评级；振动信号的时域分析、频域分析和时频联合分析，开发了用于发动机爆震特征提取的二进离散小波模块。对本系统的各个测试及分析功能，都进行了多次的试验验证。本文给出了发动机振动的测试和分析实例，得到了部分试验分析结果，初步揭示了发动机振动信号特征，为发动机振源识别和故障诊断提出了依据。对采集到的发动机压力信号进行了小波分解，从分解结果方便地提取到了爆震信号，并与传统的滤波爆震特征提取方法的结果进行了对比。表明把虚拟技术运用到发动机的振动测试及信号分析当中是切实可行的，是非常方便的，对现代发动机测试技术及信号分析处理技术的发展起着极其重要的作用。本系统可广泛应用于实验室、生产现场和教学中做振动信号的测试和分析，在一定程度上可以代替专用信号处理仪的功能。关键词：虚拟仪器l a b v i e w 内燃机振动测试时频联合分析小波分析a b s t r a c te n g i n ev i b r a t i o ns i g n a li st h ei n f o r m a t i o nc a r r i e ro fe n g i n ew o r k i n gc o n d i t i o na n df a u l ts y m p t o m f u r t h e rm o r e ，a sm a i na n a l y z i n ga n dt e s t i n gm e a s u r e m e n t ，v i b r a t i o ns i g n a l sw e r eu t i l i z e d2 0y e a r sa g o ，a n ds e r i e so fi m p o r t a n te n g i n et e s t i n gr e s e a r c hw o r k sw e r ec o m p l e t e db a s e do nv i b r a t i o ns i g n a l s i nt h i st h e s i s ，t h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt h ec o m p o s i t i o no fl a b v i e ws o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw e r ei n t r o d u c e d t h e n ，t h ea p p l i c a t i o ni nc a r sa n de n g i n e si nc h i n aa n di nf o r e i g nc o u n t r i e sw e r es u m m a r i z e d t h ee n g i n ev i b r a t i o nm e a s u r i n ga n ds i g n a la n a l y z i n gt e c h n o l o g yw e r ed e e p l ys t u d i e d s o m en o n s t a t i o n a r ys i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gm e t h o d s ，w h i c hw e r eu t i l i z e di nt h ee n g i n ev i b r a t i o ns i g n a l sa n a l y z i n g ，s u c ha ss h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m w i g n e r - v i l l ed i s t r i b u t i o na n dw a v e l e ta n a l y s i sw e r er e v i e w e d w i t hv i r t u a li n s t r u m e n t sc o n c e p ta n ds i g n a lp r o c e s sm e t h o d s ，t h ee n g i n ev i b r a t i o nt e s t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mw a sf o u n d e du s i n gl a b v i e ws o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m u s i n gt h i ss y s t e ms o m em e a s u r i n ga n da n a l y z i n gw o r k sw e r ec o m p l e t e ds u c ha st h er e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o no fe n g i n ev i b r a t i o ns i g n a l s ，t h ec a l c u l a t i o na n dt h ee v a l u a t i o no fe n g i n ev i b r a t i o ns e v e r i t y , t h et i m ed o m a i na n a l y s i s ，f r e q u e n c yd o m a i na n dj o i n tt i m e 一矗e q u e n c ya n a l y s i s ，t h es o f t w a r em o d u l et oe x t r a c te n g i n ek n o c kf e a t u r ew a sd e v e l o p e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd y a d i cd i s c r e t ew a v e f u r mt r a n s f o r m m a n ye x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e df u rv e r i f y i n gt h em a i nf u n c t i o n so ft h es y s t e m i nt h i st h e s i st h ee x a m p l e so fe n g i n ev i b r a t i o nt e s t i n ga n da n a l y z i n gw o r k sw e r ep r e s e n t e d s o m et e s t i n ga n da n a l y z i n gr e s u l t sw e r ea c q u i r e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe n g i n ev i b r a t i o ns i g n a l s ，w h i c hg a v ea s s i s t a n c ef o rv i b r a t i o ns o u r c e sr e c o g n i t i o na n dd e f a u l td i a g n o s i so fe n g i n e s ，w e r eb a s i c a l l yd i s c o v e r e d t h ep r e s s u r es i g n a l so fe n g i n ew e r ed e c o m p o s e db yw a v e f o r mt r a n s f o r ma n dt h ee n g i n ek n o c kf e a t u r ew e r ee x t r a c t e df r o mt h ed e c o m p o s i t i o nr e s u l t s ，w h i c hw e r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h et r a d i t i o n a lf i l t e rm e t h o d t h e s ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a ti ti sf e a s i b l ea n dc o n v e n i e n tt ou t i l i z ev i r t u a lt e c h n o l o g yi ne n g i n ev i b r a t i o nt e s t i n ga n ds i g n a la n a l y z i n g ，w h i c hp l a y st h ei m p o r t a n tr o l ef u rd e v e l o p i n gt h em o d e me n g i n et e s t i n gt e c h n o l o g ya n dt h es i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g y i n s t e a do fs p e c i a ls i g n a lp r o c e s s i n gi n s t r u m e n t s ，t h i ss y s t e mc a nb eu s e di nl a b o r a t o r i e s ，p r o d u c t i o nf i e l da n dt e a c h i n gf o rt e s t i n gm a da n a l y z i n go ft h ev i b r a t i o ns i g n a l s k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ，l a b v i e w ，i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，v i b r a t i o nt e s t i n g ，j o i n tt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证书两使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：毛予杰耳签字日期：训哆年f 月弓日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盘壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫连盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：_ 昴袁耳签字日期：町年f 月弓日导师虢犯磐阪签字日期：乃形年f 月；日第一章虚拟仪器技术介绍第一章虚拟仪器技术介绍虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要自叮组成部分，它们被称为是2 l 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若骛，在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代，而把工业时代远远地抛在后面12 0 世纪8 0 年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，因此它已成为发达国家研究开发的热点技术之一。1 1 虚拟仪器1 1 1 虚拟仪器技术的发展历程虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 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。2 0 世纪8 0 年代美国的一家不算太大的仪器公司国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t a t i o n 简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念。这一概念的核心是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成的，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。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式仪器，特别是它推出的l a b v i e w 图形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。在n i 公司之后，著名的美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上。该公司推出h p 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多种总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。作为虚拟领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究和开发在国内已经完成了起步阶段。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、天津大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科第一章虚拟仪器技术介绍第一章虚拟仪器技术介绍虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要姥日成部分，它们被称为足2 1 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若骛，在这领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代，而把工业时代远远地抛在后面12 0 世纪8 0 年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，因此它已成为发达国家研究开发的热点技术之一。1 1 虚拟仪器1 1 1 虚拟仪器技术的发展历程虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是日益发展的计算机硬件、软什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。2 0 世纪8 0 年代美国的一家4 i 算太大的仪器公司国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r t t r n e n t sc o r p o r a t a t i o n 简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念。这一概念的核心是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算存储、回放、调用、显示班及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和而板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。| = = | 于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成的，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。自2 ( ) 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式仪器，特别是它推出的l a b v i e w 图形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。在n i 公司之后，著名的美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上。该公司推出h p 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多种总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。作为虚拟领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究和丌发在国内已经完成了起步阶段。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、天津大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科交通大学、天津大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科第一章虚拟仪器技术介绍技公司等院校和高科技公司，在研究、开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们的仪器观。据“世界仪表与自动化”杂志报导，2 1 世纪初叶，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将占到电测仪器的5 0 ! 这一预测对整个仪器仪表领域，不啻是一次强烈的震撼! 使从事电测仪器科学技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟式仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在2 1 世纪虚拟式仪器不仅将成为电测仪器的发展方向，而且必将逐一取代实验室中的传统硬件化仪器，使成千上万种传统的硬件化仪器都演变成计算机软件，成为一系列有序的文件融入计算机中? 那时有许多种类的仪器在广义上己不完全属于仪器领域的某些分支，而可以将它们看成是信息技术的本体! l lj1 1 2 虚拟仪器系统的组成虚拟仪器系统的构成主要分为：数据采集系统、通用接口总线( g e n e r a lp u r p o s em s t r u m e mb u s ，简称g p i b ) 仪器控制系统、基于计算机总线在虚拟仪器中扩展( v m ee x t e n s i o nf o ri n s m m a e n t a t i o n ，简称v x i ) 的仪器系统以及它们之间的任意组合。数据采集系统的基本构成如图1 1 所示：1 功能软件：各种功能软件都是具有测试分析功能的软件，典型的如美国国家仪器公司( 简称n i ) 的l a b v i e w 和美国h p 公司的h p v e e 和中国c o i n v的d a s p 。这些软件都像人的大脑一样在整个系统中处于主宰地位。2 计算机及附件：共包括各种高性能的计算机，高分辨率的显示器和外挂内置光盘硬盘驱动器。它们是v i 系统的心脏和动力。3 a d 采集卡和d a 卡：它们是高性能模数转换器和数模转换器，是v i的左右手。它们必须有高级的定时功能，a d 精度能达到1 2 位、1 6 位、1 8位甚至2 4 位的水平。采样频率能达到o 10 0 k h z 、2 0 0 k h z 、3 3 0 k h z 、1 0 0 0 k h z 、2 0 0 0 0 k h z ( 2 0 m h z ) 甚至更高。多路采集时必须能同步进行，实现无时差、无相移。测试通道最少可为达2 路、4 路、1 6 路、3 2 路，最多可达1 0 2 4 路。4 传感器和一些信号调理模块：图1 - 1 采集系统的基本构成第一章虚拟仪器技术介绍它们是v i 系统的左右腿，是测试系统的基础。没有高质量的传感器和各种高质量的调理模块，测试系统就没有了基础。5 接口和总线方式：虚拟仪器有多种接口和总线方式，比如p c 总线方式、u s b 总线方式、并行总线方式、g p i b 总线方式、v x i 总线方式和p x i 总线方式等。用户可以根据自己的实际情况进行选择。1 1 3 虚拟仪器在发动机及汽车行业中的应用在国外，虚拟技术已经广泛运用于各个行业，当然在汽车和发动机行业，也得到了蓬勃发展。国外的很多大学特别是一些企业已经开发出了很多相关产品，如s a nd i e g os t a t eu n i v e r s i t y ( 美国圣地亚哥大学) 口】开发出了用于混合动力汽车燃油消耗和排放的模拟和优化系统。虚拟技术主要应用在汽车及内燃机行业的以下几个方面：1 发动机运行参数的检测和对测功机的控制。如a d v a n c e de n g i n et e c h n o l o g i e s 公司的内燃机运行状况连续监测系统1 4 1 ，v ie n g i n e e r i n gi n c 的测功机控制系统p i 。2 发动机缸压和振动的测量。如c r e a t i v et e c h n i c a ls o l u t i o n si n c 的缸压采集系统f 6 】，r a e b u r nt e c h n o l o g yi n c 的发动机敲缸现象检测和分析系统1 7 j 。3 喷油系统的检测。如a e a s l 1 公司的采集和描述燃油喷射图像系统【8 】。4 e c u 的检测和模拟。如a l f a u t o m a z i o n ei n c 的e c u 的模拟和检测系统【9 】，m o t o r o l a 汽车电子的e c u 也是用n i 的相关产品进行编程检测的。5 道路模拟器。如h o n d a 公司就研制出了一套完整的道路模拟器，用于摩托车运行状况的检测。此外，它还在其他的发动机试验研究方面获得应用，比如发动机排气检测系统“1 ，增压器稳定指标和振动的检测系统1 2 1 等等诸多方面。在国内，和其他一些软件相比，虚拟技术对很多人来说还比较陌生，还没有得到大面积的普及，但现在逐渐有很多公司和高校开始把虚拟技术运用到生产和科研中，比如北京中科泛华公司、国防科技大学、上海交通大学、重庆大学，还有一些军工企业等。在汽车和内燃机行业中，虚拟技术也逐步地被大家所运用，如天津大学、清华大学、上海7 1 1 研究所【”】、上海交通大学等等都已经把虚拟技术，特别是l a b v i e w 和科研试验结合起来，在发动机试验监控、汽油发动机综合测试等方面取得了一定的成果。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检测，主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。以前采用d o s 下的c 语言开发程序，经过很多年的工作，开发出来的检测系统的功能、操作界第一章虚拟仪器技术介绍面、使用的方便程度都不尽如人意。采用了虚拟仪器技术，利用虚拟仪器开发平台l a b v i e w 以后，把整个系统移植到l a b v l e w 下，并大大增强了仪器功能、控制和扩展性能，操作界面也更美观，整个系统移植花了不到半年的时间，移植后的系统检测时间大大减少，检测和控制操作也方便多了。1 2l a b v i e w 简介1 2 1l a b v l e w 与虚拟仪器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。现今正在实现从模拟技术向数字技术的过渡，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。所有这些都代表了今后电子测试仪器的发展方向。目前，一组以先进的计算机总线技术和虚拟仪器编程技术为核心的新技术，正在广泛应用于测试与仪器技术领域，它包括高速总线技术v x i( v m e b u se x t e n s i o n sf o rl n s t n m a e n t a t i o n s ) 、p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n s ) 、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 、i e e e1 3 9 4 ( f i r e w i r e ) 、基于网络的远程测量技术、智能虚拟仪器驱动技术i v i ( i n t e r c h a n g a b l ev i a u a li n s t r u m e n t s ) 等。采用这些新技术的测试仪器，预计其技术性能可比传统独立台式仪器提高1 0 倍以上，而且系统互换性和互操作性显著提高。未来的电子测试仪器除了拥有更强大和更完善的功能之外，还将变得更小，甚至可以移植到被测试的设备或电路中去，并且具有自我诊断、自我校准和自我感知的能力。届时，人们仅仅需要向仪器发布一个测试指令，就可以获得最终的测试结果和信息。0 4 综上所述，标准化总线和网络化、软件化的仪器是未来测试与仪器技术发展的主要标志，这一切都离不开先进的测试与仪器软件开发平台，而图形化虚拟仪器集成开发环境l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h )为此提供了最佳的平台。l a b v i e w 支持上述v x i p x i 九j s b 】e e e1 3 9 4 等各种先进测试总线，支持v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 、s c p i( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m i n gi n s t r u m e n t s ) 、i v i 、d a t a s o c k e t 等各种虚拟仪器软件标准，而且l a b v i e w 本身事实上也已经成为图形化编程语言的工业标准。虽然l a b v i e w 本身是一个功能完整的软件开发环境，但它同时也是一种功能强大的编程语言。由于l a b v i e w 采用基于流程图的图形化编程方式，因此也第一章虚拟仪器技术介绍被称为g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 。与其他编程语言相同，g 语言既定义了数据类型、结构类型、语法规则等编程语言基本要素，也提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在内的程序调试工具，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言。对测试工程师而言，l a b v l e w 最大的优势表现在两方面：一方面是编程简单，易于理解，尤其是对熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手快，效率高；另一方面l a b v i e w 针对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，就可以免去自己编写程序的烦琐，而且l a b v l e w 作为开放的工业标准，提供了各种接口总线和常用仪器的驱动程序，是一个通用的软件开发平台。虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是l a b v i e w 首先提出的创新概念，事实上l a b v l e w 编写的程序都冠以v i 后缀，就表示虚拟仪器的含义。最初l a b v i e w提出的虚拟仪器概念实际上是一种程序设计思想，这种思想可以简单表述为：一个v i 可以由前面板、数据流框图和图标连接端口组成，前面板相当于真实物理仪器的操作面板，而数据流框图就相当于仪器的电路结构，前面板和数据流框图有各自的设计窗口，而图标连接端口则负责前面板窗口和框图窗口之间的数据传输和交换。随着现代测试与仪器技术的发展，目前虚拟仪器概念已经发展成为一种创新的仪器设计思想，成为设计测试系统和测试仪器的主要方法和手段。虚拟仪器概念是l a b v i e w 的精髓，也是g 语言区别于其他高级语言最显著的特征。可以说，正是由于l a b v i e w 的成功，才使得虚拟仪器的概念得以为学术界和工程界广泛接受；反过来也正是因为虚拟仪器概念的延伸与扩展，使得l a b v i e w 的应用更加广泛。1 2 2l a b v i e w 软件组成以l a b v i e w 为开发平台研制的用户程序被称为虚拟仪器程序，简称v i ，它是l a b v i e w 的基本程序单位。对于简单的测试任务，可以由一个独立的v i 完成，而复杂的测试任务则是通过v i 之问的层次调用组合完成的，高层功能的v i调用一个或多个底层特殊功能的v i ，如图1 - 2 所示。一个基本的v i 由三部分组成：前面板( p a n e l ) ，框图程序( d i a g r a mp r o g r a m m e ) 和图标连接端口( i c o n t e r m i n a l ) 。1 前面板：前面板就是图形化用户界面，通过c o n t r o l s 菜单用于设置输入数值和观察输出量。在前面板中，用户可以使用各种图标，如旋钮、按钮、开关、实时趋势图和事后记录图等，就像真实的仪器面板一样。同时，各个v i 的建立、存取、关闭等管理操作也均由面板上的命令菜单完成。第一章虚拟仪器技术介绍2 框图程序：每一个前面板都有一个框图程序与之对应。框图程序用图形化编程语言编写，可以把它理解为传统编程语言中的源代码，这正是l a b v i e w的最大特色。框图程序由节点( n o d e ) 和数据连线( w i r e ) 组成。节点是v i 程序中的执行元素，类似于文本编程语言中的语句、函数或者子程序。节点之间由数据连线按照一定的逻辑关系相互连接，可定义框图程序内的数据流动方向。节点之间、节点与前面板对象之间是通过数据端口和数据连线来传递数据的。数据流是l a b v i e w 的一个特有概念，也是一个重要的概念；在程序执行过程中，v i要遵循数据流模式。框图中的节点通过连线连接在一起，连线确定了数据在程序中的流动方向。当一个节点的所有输入参数齐备时，程序才会执行这个节点。当一个节点执行完毕后，这个节点将沿着数据流路径输出所有的输出数据。3 图标连接端口：图标连接端口把v i 变成一个v i 子程序( s u b v l ) ，然后可以像子程序一样在其他v i 中调用。图1 _ 2l a b v i l 附y i 结构l a b v i e w 编程环境有两种运行状态：编辑状态( e d i t ) 和执行状态( r u n ) 。在编辑状态下，编程人员建立自己的v l ，对前面板和框图程序进行编辑修改，使之满足工程的需要。在执行状态下，编程人员可以动态调试程序，观察数据流程，进行各种必要的调试。1 3 本课题的研究内容及其意义本文以虚拟仪器的概念为基础，结合内燃机振动的测试和分析技术，在l a b v i e w 图形编程环境下，进行了振动信号的采集、数据的处理和图形显示，包括时域分析、频域分析和时频联合分析，探讨了利用l a b v i e w 中强大的信号分析与处理技术解决内燃机工程中的某些技术问题。第一章虚拟仪器技术介绍天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室很早就从n i 公司引入了l a b v i e w及其相关的产品并将其运用到了科研试验开发当中。引入虚拟仪器有以下几个好处：1 硬件设备有所减少，集成度高。可以把很多不同的检测仪器都集中在计算机平台上，不仅管理方便，而且使用简单，能大大降低成本；2 可以在现有仪器上改造，充分利用有限的资源，根据实际需要来扩展和完善现有仪器的功能；3 易于维护。因为整个系统的关键是软件，所以操作时的注意事项比较少，因操作失误而引起的仪器损坏概率比较小；4 节省劳力，降低试验强度，提高试验的自动化程度。本文取得的主要成果，主要分为以下几个方面：1 介绍了虚拟仪器的概念及其实际应用价值；2 对内燃机振动的测试技术做了全面的介绍；3 对内燃机振动信号分析技术进行了深入的研究；4 使用l a b v i e w 虚拟仪器开发系统在w i n d o w s 下构建了一套发动机振动测试和分析系统，主要功能包括振动信号的实时数据采集、振动信号的时域分析、频谱分析、相关分析和时频联合分析，对于本系统的各个测试及分析功能，都进行了多次的试验验证，得到了部分试验分析结果；5 尝试用l a b v i e w 的小波分析包开发了用于发动机爆震特征提取的二进离散小波分析模块，并将分析结果与传统的滤波方法进行了对比。通过以上的工作，在内燃机振动测试和分析领域初步实现了虚拟仪器的概念，特别是在l a b v i e w 开发平台下实现了对振动信号的时频联合分析功能以及发动机爆震特征提取的小波分析功能，这是本文的创新点所在。1 4 本章小结本章首先提出了虚拟仪器的概念，并对虚拟仪器技术的发展历程进行了详细的介绍，概括了国内外虚拟仪器技术在汽车和发动机方面的运用情况。其次，对虚拟仪器系统开发平台l a b v i e w 的功能进行了阐述。最后，介绍了本课题的研究内容和意义。第二章内燃机的振动及其测试技术第二章内燃机的振动及其测试技术振动是工程中经常要处理的问题，任何机械、机构、零件及其组成部分，都会产生机械振动，在生产和科学实验中，机械振动是普遍存在的现象。振动测试与分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面。随着科学技术的日益发展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面的要求越来越高，因而发生振动的可能性不断增大。另一方面，人们对机器的工作精度和稳定性的要求也越来越高，对控制振动的要求越来越迫切。这些都对机械振动的研究和振动测试的研究提出了更高的要求。振动测试与分析技术的任务就在于帮助人们清楚地认识振动现象，从而能动地控制振动和利用振动。内燃机是一种用途广泛的热能动力机械，在船舶、汽车。拖拉机、工程机械和机车等领域中，用作主要原动力。随着内燃机朝高速、轻型、大功率方向发展，其振动噪声问题日趋严重：而人们对振动噪声控制的要求，却日益严格，促使人们对内燃机振动问题的研究给予了更多关注。自内燃机诞生以来，改善其动力学性能，降低其振动强度，一直是内燃机设计和研究人员努力的目标。但是，采用曲柄连杆机构的内燃机，由于结构复杂，气缸的作功过程不连续，其惯性力和气缸内的气体力都具有连续的冲击和宽频带激振作用：此外，内燃机还有各种系统和部件，它们都存在各式各样的作用力。由此产生的内燃机振动的特点是多振源、宽频带、形态复杂。“目前，基于振动和声音信号的内燃机状态检测与故障诊断技术已经发展起来。其中，利用振动信号作为主要测试分析手段的应用更是在二十年前就开始了，且已经完成了一系列重要的基于振动信号的内燃机测试研究。2 1 内燃机振动的基本概念内燃机在运转时，不可避免的要产生振动，这是因为燃烧室中的气体压力和曲柄连杆机构运动质量的惯性力都是与发动机转速有关的周期变化的力，因此由它们产生的使曲轴旋转的扭转力矩、发动机的颠覆力矩以及沿气缸中心线作用的惯性力( 曲柄连杆机构往复运动惯性力与惯性离心力的垂直分力) 也都是周期性变化的。曲轴在周期性变化的扭矩作用下，要产生扭转振动。而发动机在周期性第二章内燃机的振动及其测试技术变化的力矩和力的作用下，在垂直方向上和水平方向上都将产生振动。除此之外，气阀机构的阀与阀座的敲击，进、排气系统气流的脉动，也会使发动机产生振动。而在发动机与基础之间安装减震器的情况下，当发动机振动时，减震器便会发生强制变形，这就使得与发动机相连接的安装于基础上的管路系统如燃料管、冷却水管、润滑油管等发生强烈变形，这不单单会造成管路系统的振动，也会造成发动机的振动。总之，内燃机在运转时，其自身就是产生振动的振源。与普通机械相比，内燃机的振动要强烈的多。剧烈的振动会使发动机零部件的强度削弱、磨损增加、寿命降低。并能加速操纵人员的疲劳和妨碍周围仪器设备的正常工作。而曲轴扭转振动还会造成由它驱动的轴如凸轮轴、各种泵的传动轴等产生扭转振动。 j e l2 2 整机振动评估方法2 2 1 整机振动的量标我国现行的有关标准规定，内燃机振动的量标以振动烈度，即以振动速度的均方根值( 有效值) 表示：。丽( 删式中矿( f ) 为振动速度随时问变化的函数( m m s ) ；t 为振动周期。采用整机的当量振动烈度旷为评定量标：k =厣藤( 2 1 )( 2 2 )式中圪、k 、t 分别为x 、y 、：3 个方向上规定测点的振动速度均方根值，单位为m m sm 、n y 、m 分别为x 、y 、：3 个方向的测点个数。2 2 2 整机振动理论振级的计算m l内燃机理论振级的计算一般用简化法。设内燃机为均质矩形体，长、宽、高分别为上、b 、h ，质量为m ，内燃机重心、几何形心与坐标原点重合，如图2 1 所示，曲柄旋转角速度为，支承刚度为零。内燃机在空间有六个自由度，第二章内燃机的振动及其测试技术因而有三种直线振动和三种角振动形式。图2 1 内燃机简化振动模型根据内燃机平衡特性获得的各种激振力，可以求出它们的振动响应，即沿x 、y 、z 轴直线振动的合成位移振幅j 0 、e 、乙，以及绕、y 、z 轴角振动的合成角位移振幅以、仇、只：y 为激振力简谐级数，工程上一般仅考虑1级和2 级简谐激振力。振动评估点应位于合成位移最大值处，即矩形体的边界位置，因此，在x 、】，、z 轴方向最大振动速度的合成振幅为：k = 删胁：+ j l 妇+ 锄脚+ 鲁哆y哆= m 国+ z ：珊+ 考萌国+ 珊+ 罢国够，吃= 昙稿国+ h 破+ b p , o g + b 仍评估整机理论振级的当量振动烈度为：k = 历万丽c 毗，( 2 3 )第二章内燃机的振动及其测试技术2 2 3 整机振动的评级对于中小功率柴油机，我国已制定了实机测量当量振动烈度矿值的g b l 0 3 9 78 9 中小功率柴油机振动评级国家标准。如表2 1 和表2 2 所示：表2 一l 中小功率多缸柴油机振动品质分级评定表等级abcd刚性弹性剐性弹性刚性弹性刚性弹性k 值( m m 支承支承支承支承支承支承支承支承m 3 0 0 0 4 5 2 8 4 5 - - 3 0 0 0 7 1 4 5 7 1表2 - 2 中小功率单缸柴油机振动品质分级评定表( 几s 3 0 0 0 r m i n )等级abcd刚性弹性刚性弹性刚性弹性剐性弹性屹值( m m 支承支承支承支承支承支承支承支承水冷 7l 1 8 2 8风冷 1 1 2 2 8 4 5表中心一柴油机标定转速( 转分钟) ：刚性支承一柴油机直接安装在支承座上：弹性支承一柴油机通过与该机正常配套使用的弹性元件( 隔振器) 安装在支承座上：振动品质一a “优”、b “良”、c “容忍”、d “不允许”。2 3 内燃机振动测量2 3 1 内燃机振动分类内燃机振动的分类及各分类的起因和特征、影响和后果如表2 3 所示。表2 3 内燃机振动分类振动分类起因和特征影响和后果内燃机整体刚体振动这类振动取决于发动机直接影响配套的舒适性气缸数、曲轴结构和平衡情和机构的使用寿命，尤其应注况。可分为沿、j ，、z 方意绕y 轴的侧倾向振动及绕肖、y 、z 三轴第二章内燃机的振动及其测试技术的回转振动曲轴系扭振由于气缸内燃气压力和影响到曲轴及相应传动运动件不平衡惯性力及外加系的强度和噪声干扰力矩( 如电磁力矩、波动力矩等) 周期变化引起曲轴扭振，主要发生在多缸机中弯曲振动起因与上项类同，但分力致使曲轴弯曲疲劳破坏，方向不同主要发生在单缸机上。在多缸机中弯曲振动会引起机体、油底壳、齿轮室罩等振动，成为辐射噪声源其他振动( 配气系统、活塞和以配气凸轮为干扰源引引起配气系统传动链飞气缸套敲击等)起的配气系统振动；活塞在上脱、气门反跳，损坏配气机构下止点侧倾拍击引起的气缸和气门座+ 甚至气门落入气缸套振动击毁整个气缸；活塞的敲击引起气缸套磨损和气缸套冷却侧穴蚀2 3 2 内燃机整机振动测量2 1 】内燃机振动测量对不同类别的机型有相应不同的要求，以下以中小功率柴油机台架试验中的振动测量为例，加以说明。以柴油机为例，我国g b 7 1 8 4 1 9 8 7 标准及国际标准( i s o ) 都采用当量振动烈度作为评价柴油机整机振动烈度的参数。其定义为：在互相垂直的垂向x 、纵向y 和横向z3 个方向上，测量柴油机多个测点振动速度均方根值，3 个方向上平均振动速度均方根值的向量和，便是该柴油机的当量振动烈度k ，即式( 2 2 ) 。图2 2 内燃机振动测量仪器框图第二章内燃机的振动及其测试技术基本要求：( 1 ) 测量频率范围厂= 1 0 1 0 0 0 h z ，应包括发动机最低稳定转速至1 0 倍最高转速。( 2 ) 测量频率范围内的灵敏度应符合现行国家标准。( 3 ) 要测量的振动烈度最低指示值不应小于指示器满刻度值的3 0 。( 4 ) 测量误差最大值应小于指示值的1 0 。2 传感器和连接电缆：( 1 ) 传感器振动速度的最大线性响应值至少应为感受方向上相应测试档满刻度的3 倍。( 2 ) 传感器横向灵敏度尽可能小。( 3 ) 传感器可采用螺栓、胶粘、磁铁等固定在被测部位，传感器质量尽可能小，不影响振动质量。( 4 ) 传感器及电缆应适合于测振环境的温度、湿度、防腐、防爆和电磁场条件的要求。( 5 ) 使用与传感器、仪器相匹配的连接电缆。3 测点布置及测振方向：测点位置：测点应该选择在坚实的机体上，避免在罩壳、盖板、悬臂、薄壳结构等具有明显的局部振动处布置测点，宜取在柴油机机体前后端顶部和能量传递的前后端底部机脚部位。至少应该取5 个测点，上部两点接近机体中间( v 型发动机在夹角间) ，另外三点取在三个支承位置。具体测点位置如图2 3 所示。轴向尺寸较大的多缸机可在中间适当增加测点。图2 3 振动测点布置测量方向：在同一测点分别按互相垂直的三个方向进行振动测量。与柴油机安装平面垂直的方向称“垂向”，用x标记；曲轴轴向方向称为“纵向”，用y 标记；垂直于上述x y 平面称“横向”，用z 标记。4 测点标注：测点用阿拉伯数字加英文字母表示，如l x 、l y 、l z 表示在第一个测点x 、y 、z 方向上的测量值。5 测试工况及条件：第二章内燃机的振动及其测试技术测量工况：柴油机按铭牌上所标明的标定功率和标定转速下运行，待工况稳定后方可进行测量。必要时亦可在其他工况进行测量，台架试验应符合国家标准。测量条件：柴