基于发动机测试的便携式振动分析仪

便携式振动仪是随着设备故障诊断需求不断提高而发展起来的面向现场的测试仪器。传统的振动分析仪器具有结构复杂、体积大、分布广、操作不方便、测试时间长、费用高等特点；而基于单片机的振动采集分析仪虽然体积较小，但是分析能力有限，不能进行复杂信号的处理任务，往往不能够满足振动分析与诊断的特殊要求。
本文所设计的振动分析仪以CompactRIO为采集设备，以Labview为软件开发平台，不但具有体积小，重量轻的特点，而且具有强大、灵活的专业分析能力，能够实时检测信号的波形及频谱情况，并实现数据实时保存，可在后期进行阶次、轴心轨迹等专业分析。特别适合于测点分散、而又不需要持续检测的测试场合。

系统采用上下位机的结构，下位机将采集到的转速和振动信号，通过TCP/IP协议传送给上位机，上位机进行数据保存与分析。结构如图2-1所示。

 

图2-1 系统结构简图

系统的功能描述如下所示：

通过在线分析工具，操作者可以实时检测发动机振动是否超标，离线分析工具可以帮助操作者判断出现振动异常的原因。

系统在设计上追求柔性测试技术可靠性、精确性、扩展性、适应性和灵活性五大方面特性，并且具有专业的分析能力。现将系统特性与设计做一简要介绍。
4．1 系统适应性
系统具有便携、防雨淋、防摔防振动的性质，能够使振动仪能够适应外场测试。
便携性：为了使整个系统携带方便，在设计选型上选择性能能够满足测试要求质量又轻的硬件，比如采集设备选择质量与体积都比较小的CompactRIO。整个系统体积小，重量轻（大概11Kg），方便携带。
防雨淋：首先，上位机选用军用笔记本，本身具有防雨淋的功能；另外，笔记本拖架进行了防雨淋的设计，在其左测开有凹槽，接口以及风扇出风口全部安装在凹槽里，能有效防止雨淋，适用于雨天作业。如图2-2所示。
抗摔抗振动：装设备箱体选用军用箱体，坚固耐用，能够有效保护箱体内的设备不受损伤。

 

 ① 风扇出风口；② 1号振动接口；③2号振动接口；④3号振动接口；⑤4号振动接口；⑥转速信号；⑦电源接口；⑧电源指示灯；⑨音频接口；⑩USB接口
图2-2 接口面板说明

4．2 系统扩展性
系统能够直接通过插拔增加或者减少FPGA硬件，能够根据用户的要求增加离线分析算法，可以很方便的增加系统的功能。
设计时将功能比较集中，应用次数较多的程序设计成模块，各模块之间耦合性小，不但使得系统易于维护，哪部分出问题就检查特定的模块，而且使得系统易于扩展，可以在系统中增加其他模块以扩展系统的功能。另外，CompactRIO硬件分为Host与FPGA模块，为了实现FPGA设备的可扩展性，通过一次性将所有可能存在的板卡的端口读取都编写到程序中，然后根据host下获取的板卡信息读取相应板卡的数据，满足板卡增减的要求。
本系统分为上位机软件与下位机软件，上位机软件又分为TCP/IP模块，系统配置模块，数据处理模块以及存储模块；下位机软件分为TCP/IP模块，Order manage模块以及数据采集模块。软件结构图如图2-3所示。

图2-3 软件结构图

4．3 系统可靠性
系统设计理论MTBF指标（平均无故障时间）大概3500小时， MTTR指标（系统平均修复时间）小于等于30分钟；为实现这一指标，首先在硬件选择上注意每个硬件的MTBF指标，然后通过理论计算确保整个系统的MTBF指标能够满足设计要求，另外，在笔记本拖架上装有排风扇，设计有进风口与排风口，能够及时将CRIO与电源产生的热量排出，确保了仪器的正常使用；其次， 在振动仪的操作说明书中给出了笔记本不工作、信号波形不显示、信号波形显示为噪声以及软件故障诊断方法流程图，可以保证MTTR指标在30分钟以内。

4．4 系统灵活性
在离线分析模块，为了增加系统的灵活性与操作的方便，从数据文件中迅速找到异常数据是设计者重中之重，本系统设计了三种方法，分别是浏览数据波形，重放振动声音以及通过报警记录来查找数据。
浏览波形数据类似于Media Player中拖动游标浏览影片，当用鼠标拖动如图2-4所示的红色游标时系统会读取相应时间段的波形显示在波形图中。

图2-7 浏览数据波形界面

重放振动声音就是把每个通道特定时间段的振动数据通过声音进行播放，通过听觉判断该段数据是否存在异常。
通过报警记录，就是调用系统记录下来的振动发生异常的时间，然后将该时间键入浏览波形界面中的开始时间来读取出现异常时刻的数据进行有针对性的分析。

4．5 专业的分析能力
该系统不但具有体积小，重量轻的特点，而且具有专业的分析能力。设计的在线分析算法有振动信号与转速信号时域波形的显示，振动信号的最大值计算，振动值是否超标的实时报警与记录，振动信号的频谱分析以及振动信号类型加速度-速度-位移的转化。在线分析实现最主要的是运算速度快，速度要快于采集速度，所以减少属性节点使用以及减少寄存器的使用可以满足条件。
离线分析是将保存的数据调出进行更加详细专业的分析，设计算法有：时域波形最大值、有效值计算，时间-频率计算，时间-阶次计算，时间-转速计算，阶次-转速计算以及轴心轨迹分析等。离线算法运算速度要求不高，可以根据用户增加算法，现将阶次分析与轴心轨迹分析做一简要介绍。
阶次分析：阶次是描述旋转机械中某信号及其谐波的对应关系，该系统能够根据采集到的转速信号与振动信号进行阶次分析计算，找到振动信号与转速信号之间的对应关系，从而能够比较准确的找到故障的原因与位置。分析界面如图2-5所示。

图2-5 阶次分析界面
轴心轨迹分析：轴心轨迹是旋转机械的一个非常重要的状态特征参量，形象直观地反应了转子的实际运动状况，包含了丰富的旋转机械故障信息。本系统通过采集的两路垂直于轴心的振动信号以及转子的方向计算轴心轨迹，轴心轨迹界面如图2-6所示。

图2-6 轴心轨迹分析界面

本文中所设计的便携式振动仪，下位机采集模块采用体积与重量较小的CompactRIO，上位机采用坚固耐用的军用笔记本， 外壳采用军用箱体，防振防摔，对外接口部分也进行了防雨淋设计，使得该仪器能够适应户外以及条件恶劣环境下进行的测试；另外在软件的设计上，也充分考虑了用户对测试系统可靠性、精确性、扩展性、适应性和灵活性的需求，其提供的专业的分析能力能有效测试出发动机是否存在异常，并能够帮助操作者判断异常的原因。