發(fā)動機(jī)振動信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

李曉政

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

由于發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，傳統(tǒng)的診斷儀器所具有的功能單一、攜帶不便、價格昂貴的特點，已經(jīng)不能滿足人們診斷的需要。此時虛擬儀器技術(shù)便產(chǎn)生了，它和PC機(jī)來構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集電路用來完成信號的獲取與控制，PC機(jī)來完成信號的處理存儲和顯示功能。由數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)和測試系統(tǒng)軟件即可構(gòu)成一臺虛擬的儀器（Virtual Instrument，簡稱 VI）,在實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的基礎(chǔ)上可以通過改進(jìn)代碼來增加診斷功能[1]。

1 發(fā)動機(jī)振動信號采集系統(tǒng)研究

1.1 信號采集系統(tǒng)軟件介紹

發(fā)動機(jī)振動信號的采集系統(tǒng)軟件由主控程序的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)讀取兩部分組成，數(shù)據(jù)處理部分的功能有信號分析處理、參數(shù)計算顯示和特性曲線的繪制[2]。

本系統(tǒng)設(shè)計用的開發(fā)環(huán)境是LabVIEW8.0，我們可以通過軟件編程來實現(xiàn)所需要的功能。

1.2 程序的前面板設(shè)計

前面板是發(fā)動機(jī)振動信號采集系統(tǒng)的虛擬儀器前面板，有對試驗過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示的模塊。發(fā)動機(jī)振動信號的采集系統(tǒng)程序界面應(yīng)該有如下功能：

（1）測試系統(tǒng)開始后，在前面板1輸入采集數(shù)和模擬參數(shù)，然后點擊初始化按鈕，數(shù)據(jù)采集卡完成初始化并新建采集任務(wù)，而后點擊界面上的開始按鈕，正常工作指示燈變綠，表示工作正常，對信號調(diào)理電路輸出的模擬量按既定的采樣頻率采集，程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)顯示成波形圖和圖表，點擊保存按鈕，保存采集的數(shù)據(jù)，點擊停止按鈕后，程序完成剩下的一系列動作。

（2）采集完成后，將前面板窗口切換到前面板2進(jìn)行信號的讀取分析。當(dāng)測試系統(tǒng)運行后，設(shè)置時間延遲參數(shù)，而后點擊讀取信號按鈕，正常工作指示燈變綠，表示工作正常，窗口中顯示保存的信號和信號的實時幅度譜分析圖像。點擊停止按鈕后，系統(tǒng)停止運行。

1.3 數(shù)據(jù)的獲取程序功能分析

發(fā)動機(jī)振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和界面顯示軟件可以分為數(shù)據(jù)采集卡初始化與創(chuàng)建新的采集任務(wù)，以及程序編寫 （G語言）。其中開始、停止、保存測量結(jié)果等多個控件，每個控件里面又含有某一或某些特定的功能，共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理及顯示。根據(jù)在測試過程中特定的功能，編寫相應(yīng)的程序。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)開始前，先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡的初始化，以便創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。創(chuàng)建新的采集任務(wù)的目的是實現(xiàn)本次數(shù)據(jù)采集。由于條件有限，采集得到的數(shù)據(jù)是通過查閱一些文獻(xiàn)資料隨機(jī)產(chǎn)生的。盡管是隨機(jī)的數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)是可以通過數(shù)據(jù)采集卡獲得的。

我們也可以通過Labview能夠讀取的文件類型來采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)編寫為軟件能夠讀取的文件的程序框圖，通過仿真任意信號函數(shù)節(jié)點來輸入數(shù)據(jù)，并且通過波形來顯示出來。這些數(shù)據(jù)理論上說是從數(shù)據(jù)采集卡獲得的，從數(shù)據(jù)采集卡獲得的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率有關(guān)，該發(fā)動機(jī)振動信號采集系統(tǒng)中采用的采樣頻率為40 KHz，通過仿真任意信號函數(shù)節(jié)點輸出的波形是整體波形。在仿真任意信號中通過自定義信號數(shù)據(jù)，輸入查閱得到的數(shù)據(jù)，通過該節(jié)點將數(shù)據(jù)保存在文件中，進(jìn)而再通過讀取測量文件函數(shù)節(jié)點將文件中的數(shù)據(jù)讀取出來并以動態(tài)的圖形來顯示。

1.4 讀取數(shù)據(jù)文件程序功能分析

通過以上的程序編寫可以獲得想要的數(shù)據(jù)文件，通過隨機(jī)產(chǎn)生的振動信號便可生成波形圖。產(chǎn)生信號的過程類似于實時監(jiān)測系統(tǒng)，期間可以對振動信號進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)讀取模塊可以實現(xiàn)獲取動態(tài)波形、保存獲得的數(shù)據(jù)等這樣的功能。

1.5 主程序框圖分析及編寫

該試驗系統(tǒng)中使用了兩種圖形顯示控件，波形圖表和XY圖。二者的特點不同，需要用不同的方法來進(jìn)行初始化操作。

波形圖表是顯示一條或多條曲線的特殊的數(shù)值顯示控件，通常用于顯示以恒定的速率采集到的數(shù)據(jù)，且其一般一次接收一個點的數(shù)據(jù)。波形圖表使用于實時測量中的參數(shù)監(jiān)控[3]。

XY圖是通用的笛卡爾繪圖對象，用于繪制多值函數(shù)，可用于顯示任何均勻采樣或非均勻采樣的點的集合。與波形圖表不同的是，XY圖能夠一次性完成波形顯示刷新。XY圖輸入的數(shù)據(jù)類型是由兩組數(shù)組構(gòu)成的簇，簇的每一對數(shù)據(jù)都對應(yīng)一個顯示數(shù)據(jù)點的X、Y坐標(biāo)[4]。

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)振動信號的采集、分析、保存和讀取工作。其程序框圖如下圖1所示：

圖1 主程序框圖

2 發(fā)動機(jī)振動信號采集系統(tǒng)調(diào)試

2.1 模擬測試

以上海生產(chǎn)的6135-13型柴油機(jī)為例，利用開發(fā)的振動信號采集系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動機(jī)振動信號采集試驗研究。測試時，將標(biāo)定好的3個傳感器分別放置在缸蓋中間和缸蓋兩邊，發(fā)動機(jī)工作正常情況下，在發(fā)動機(jī)3種不同轉(zhuǎn)速下模擬發(fā)動機(jī)振動信號數(shù)據(jù)，其模擬曲線如圖2所示：

圖2 振動信號

當(dāng)測得的振動信號電壓幅值在0v-2v時，由圖可看出綠色指示燈亮，表示發(fā)動機(jī)振動正常。

當(dāng)測得的振動信號電壓幅值在2v-4v時，由圖可看出黃色指示燈亮，表示發(fā)動機(jī)振動稍大。

當(dāng)測得的振動信號電壓幅值在4v-6v時，由圖可看出紅色指示燈亮，表示發(fā)動機(jī)振動過大。

最后導(dǎo)出圖像，得到不同振動情況下的振動信號波形圖，如圖3所示：

圖3 導(dǎo)出的振動信號

圖4 讀取的振動信號

此時的波形圖像中信號電壓幅值均在0v-2v，屬于發(fā)動機(jī)正常振動范圍。

此時的波形圖像中信號幅值出現(xiàn)2v-4v的電壓值，屬于發(fā)動機(jī)振動稍大的范圍。

此時的波形圖像中信號幅值出現(xiàn)4v-6v的電壓值，屬于發(fā)動機(jī)振動過大的范圍。

2.2 數(shù)據(jù)讀取分析

實時信號采集完成后可通過讀取保存的振動信號來進(jìn)一步分析振動情況，可實現(xiàn)振動信號再現(xiàn)，方便作進(jìn)一步的探討，圖4是對上述振動信號的讀取分析。

當(dāng)系統(tǒng)運行時，設(shè)置好時間延遲參數(shù)，點擊讀取信號按鈕，工作正常指示燈亮起，變成綠色的，然后圖表中變出現(xiàn)了所讀取的信號波形及波形的實時幅度譜，可以進(jìn)行后續(xù)分析，點擊停止按鈕，系統(tǒng)立即停止讀取信號，方便對采集的信號進(jìn)行分析。

3 小結(jié)

本文利用虛擬儀器軟件LabVIEW，編寫了程序框圖，用來實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能，對發(fā)動機(jī)振動信號的采集、保存與讀取。在編制程序時，充分利用了LabVIEW層次化、模塊化的特點，將系統(tǒng)功能劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)讀取等，首先對各模塊分別編程與調(diào)試，然后將各個功能模塊的程序聯(lián)系與組合起來，并在前面板添加與整理相關(guān)的控件，完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，并完成了軟件的調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)振動信號采集與分析的功能。

［1］廖開俊,劉志飛.虛擬儀器技術(shù)綜述[J].國外電子測量技術(shù),2006,2.

［2］明平順,楊萬福.現(xiàn)代汽車檢測技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2002.

［3］郭月強.振動信號的測試與分析及其軟件系統(tǒng)的開發(fā)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2002.

［4］劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003：8-10.