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作者：白仁明
（北京中科泛化測控技術有限公司 系統開發部，北京 100083）
摘要： 本文中的便攜式振動儀采用上下位機結構，下位機采用CompactRIO，在保證系統精確性可靠性的同時減輕了整個系統的重量，上位機采用堅固耐用的軍用筆記本電腦，能夠滿足惡劣環境下移動計算的要求，使得整個系統能夠適應旋轉機械外場測試。同時系統基于柔性測試技術對測試系統的追求，具有可靠性、精確性、擴展性、適應性和靈活性五大方面特性，可用于飛機裝機的各型發動機靜態、動態振動參數的測試與分析。
關鍵字： 便攜式、柔性測試技術
便攜式振動儀是隨著設備故障診斷需求不斷提高而發展起來的面向現場的測試儀器。傳統的振動分析儀器具有結構復雜、體積大、分布廣、操作不方便、測試時間長、費用高等特點；而基于單片機的振動采集分析儀雖然體積較小，但是分析能力有限，不能進行復雜信號的處理任務，往往不能夠滿足振動分析與診斷的特殊要求。
本文所設計的振動分析儀以CompactRIO為采集設備，以Labview為軟件開發平臺，不但具有體積小，重量輕的特點，而且具有強大、靈活的專業分析能力，能夠實時檢測信號的波形及頻譜情況，并實現數據實時保存，可在后期進行階次、軸心軌跡等專業分析。特別適合于測點分散、而又不需要持續檢測的測試場合。
系統采用上下位機的結構，下位機將采集到的轉速和振動信號，通過TCP/IP協議傳送給上位機，上位機進行數據保存與分析。結構如圖2-1所示。
圖2-1 系統結構簡圖
系統的功能描述如下所示：
- 轉速信號采集：±10V，支持正弦波、方波信號類型；
- 振動信號采集：支持振動數據類型的轉化，如加速度-速度-位移的轉化；
- 在線分析：最大振幅計算與報警、功率譜分析；
- 數據保存與管理；可以通過報警時刻，瀏覽數據，振動聲音回放等方式迅速找到異常數據進行針對性分析；
- 離線分析：時域分析，頻率-時間、階次-時間、頻率-轉速、階次-轉速等三維譜分析，軸心軌跡分析；通過這些分析工具，可以幫助操作者判斷振動異常的原因，如轉子不對中、質量不平衡、轉軸裂紋等；
- 打印報表：可以將離線分析結果通過Excel表格輸出。
通過在線分析工具，操作者可以實時檢測發動機振動是否超標，離線分析工具可以幫助操作者判斷出現振動異常的原因。
系統在設計上追求柔性測試技術可靠性、精確性、擴展性、適應性和靈活性五大方面特性，并且具有專業的分析能力。現將系統特性與設計做一簡要介紹。
4．1 系統適應性
系統具有便攜、防雨淋、防摔防振動的性質，能夠使振動儀能夠適應外場測試。
便攜性：為了使整個系統攜帶方便，在設計選型上選擇性能能夠滿足測試要求質量又輕的硬件，比如采集設備選擇質量與體積都比較小的CompactRIO。整個系統體積小，重量輕（大概11Kg），方便攜帶。
防雨淋：首先，上位機選用軍用筆記本，本身具有防雨淋的功能；另外，筆記本拖架進行了防雨淋的設計，在其左測開有凹槽，接口以及風扇出風口全部安裝在凹槽里，能有效防止雨淋，適用于雨天作業。如圖2-2所示。
抗摔抗振動：裝設備箱體選用軍用箱體，堅固耐用，能夠有效保護箱體內的設備不受損傷。
① 風扇出風口；② 1號振動接口；③2號振動接口；④3號振動接口；⑤4號振動接口；⑥轉速信號；⑦電源接口；⑧電源指示燈；⑨音頻接口；⑩USB接口
圖2-2 接口面板說明
4．2 系統擴展性
系統能夠直接通過插拔增加或者減少FPGA硬件，能夠根據用戶的要求增加離線分析算法，可以很方便的增加系統的功能。
設計時將功能比較集中，應用次數較多的程序設計成模塊，各模塊之間耦合性小，不但使得系統易于維護，哪部分出問題就檢查特定的模塊，而且使得系統易于擴展，可以在系統中增加其他模塊以擴展系統的功能。另外，CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊，為了實現FPGA設備的可擴展性，通過一次性將所有可能存在的板卡的端口讀取都編寫到程序中，然后根據host下獲取的板卡信息讀取相應板卡的數據，滿足板卡增減的要求。
本系統分為上位機軟件與下位機軟件，上位機軟件又分為TCP/IP模塊，系統配置模塊，數據處理模塊以及存儲模塊；下位機軟件分為TCP/IP模塊，Order manage模塊以及數據采集模塊。軟件結構圖如圖2-3所示。
圖2-3 軟件結構圖
- 下位機軟件：能夠進行2路轉速信號以及4路振動信號的測試，三個模塊功能如下。
- TCP\IP模塊：負責與上位機通訊，接收并處理上位機的命令、將運行狀態或采集來的數據發送給上位機。
- Order manage模塊：負責接收TCP\IP線程接收的命令，向TCP線程返回狀態信息，并驅動采集模塊采集數據。
- 采集模塊：配置采集參數，采集數據并向order manage模塊返回采集數據。
- 上位機軟件
- TCP/IP模塊：負責與下位機進行通信，向下位機發送命令并接受下位機返回來的狀態以及采集數據。
- 系統配置模塊：負責采集通道選擇，通道邏輯名稱的命名，波形顏色的設置，標定系數以及通道閾值的設定。
- 數據處理模塊：該模塊是整個軟件的核心部分，將采集到的數據進行實時在線分析以及離線分析。
- 存儲模塊：負責對離線分析數據進行存儲。操作者根據波形的情況進行有選擇的存儲，只有當存儲按鈕被按下時才開始保存數據，當按鈕恢復時系統不存儲。
4．3 系統可靠性
系統設計理論MTBF指標（平均無故障時間）大概3500小時， MTTR指標（系統平均修復時間）小于等于30分鐘；為實現這一指標，首先在硬件選擇上注意每個硬件的MTBF指標，然后通過理論計算確保整個系統的MTBF指標能夠滿足設計要求，另外，在筆記本拖架上裝有排風扇，設計有進風口與排風口，能夠及時將CRIO與電源產生的熱量排出，確保了儀器的正常使用；其次， 在振動儀的操作說明書中給出了筆記本不工作、信號波形不顯示、信號波形顯示為噪聲以及軟件故障診斷方法流程圖，可以保證MTTR指標在30分鐘以內。
4．4 系統靈活性
在離線分析模塊，為了增加系統的靈活性與操作的方便，從數據文件中迅速找到異常數據是設計者重中之重，本系統設計了三種方法，分別是瀏覽數據波形，重放振動聲音以及通過報警記錄來查找數據。
瀏覽波形數據類似于Media Player中拖動游標瀏覽影片，當用鼠標拖動如圖2-4所示的紅色游標時系統會讀取相應時間段的波形顯示在波形圖中。
圖2-7 瀏覽數據波形界面
重放振動聲音就是把每個通道特定時間段的振動數據通過聲音進行播放，通過聽覺判斷該段數據是否存在異常。
通過報警記錄，就是調用系統記錄下來的振動發生異常的時間，然后將該時間鍵入瀏覽波形界面中的開始時間來讀取出現異常時刻的數據進行有針對性的分析。
4．5 專業的分析能力
該系統不但具有體積小，重量輕的特點，而且具有專業的分析能力。設計的在線分析算法有振動信號與轉速信號時域波形的顯示，振動信號的最大值計算，振動值是否超標的實時報警與記錄，振動信號的頻譜分析以及振動信號類型加速度-速度-位移的轉化。在線分析實現最主要的是運算速度快，速度要快于采集速度，所以減少屬性節點使用以及減少寄存器的使用可以滿足條件。
離線分析是將保存的數據調出進行更加詳細專業的分析，設計算法有：時域波形最大值、有效值計算，時間-頻率計算，時間-階次計算，時間-轉速計算，階次-轉速計算以及軸心軌跡分析等。離線算法運算速度要求不高，可以根據用戶增加算法，現將階次分析與軸心軌跡分析做一簡要介紹。
階次分析：階次是描述旋轉機械中某信號及其諧波的對應關系，該系統能夠根據采集到的轉速信號與振動信號進行階次分析計算，找到振動信號與轉速信號之間的對應關系，從而能夠比較準確的找到故障的原因與位置。分析界面如圖2-5所示。
圖2-5 階次分析界面
軸心軌跡分析：軸心軌跡是旋轉機械的一個非常重要的狀態特征參量，形象直觀地反應了轉子的實際運動狀況，包含了豐富的旋轉機械故障信息。本系統通過采集的兩路垂直于軸心的振動信號以及轉子的方向計算軸心軌跡，軸心軌跡界面如圖2-6所示。
圖2-6 軸心軌跡分析界面
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轉速通道 |
支持4通道轉速信號，±10V，信號類型可以為正弦波、方波等； |
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振動通道 |
支持4通道振動信號，最大可擴展至12通道，自適應抗混疊濾波，±5V幅值范圍，24位分辨率，10~10KHz頻率范圍； |
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工作溫度 |
-20~50度 |
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存儲溫度 |
-40度~65度 |
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相對濕度 |
10%~95% |
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平均無故障時間 |
約3500小時（計算值） |
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平均修復時間 |
小于等于30分鐘 |
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校驗周期 |
一年 |
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系統輸入功率 |
~150w |
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供電電源 |
28V DC或220V AC（需交流供電配件） |
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儀器質量 |
~11kg |
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物理尺寸 |
474mm*415mm*214mm |
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操作人員要求 |
適合具有高中或高中以上文化水平、經過培訓的技術人員使用 |
本文中所設計的便攜式振動儀，下位機采集模塊采用體積與重量較小的CompactRIO，上位機采用堅固耐用的軍用筆記本， 外殼采用軍用箱體，防振防摔，對外接口部分也進行了防雨淋設計，使得該儀器能夠適應戶外以及條件惡劣環境下進行的測試；另外在軟件的設計上，也充分考慮了用戶對測試系統可靠性、精確性、擴展性、適應性和靈活性的需求，其提供的專業的分析能力能有效測試出發動機是否存在異常，并能夠幫助操作者判斷異常的原因。
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