作者：白仁明
（北京中科泛化測控技術有限公司 係統開發部，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zai保bao證zheng係xi統tong精jing確que性xing可ke靠kao性xing的de同tong時shi減jian輕qing了le整zheng個ge係xi統tong的de重zhong量liang
，上shang位wei機ji采cai用yong堅jian固gu耐nai用yong的de軍jun用yong筆bi記ji本ben電dian腦nao，能neng夠gou滿man足zu惡e劣lie環huan境jing下xia移yi動dong計ji算suan的de要yao求qiu，使shi得de整zheng個ge係xi統tong能neng夠gou適shi應ying旋xuan轉zhuan機ji械xie外wai場chang測ce試shi。同tong時shi係xi統tong基ji於yu柔rou性xing測ce試shi技ji術shu對dui測ce試shi係xi統tong的de追zhui求qiu
，具ju有you可ke靠kao性xing、精確性、擴展性、適應性和靈活性五大方麵特性，可用於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麵向現場的測試儀器。傳統的振動分析儀器具有結構複雜、體積大、分布廣、操作不方便、測試時間長
、費用高等特點；而(er)基(ji)於(yu)單(dan)片(pian)機(ji)的(de)振(zhen)動(dong)采(cai)集(ji)分(fen)析(xi)儀(yi)雖(sui)然(ran)體(ti)積(ji)較(jiao)小(xiao)
，但(dan)是(shi)分(fen)析(xi)能(neng)力(li)有(you)限(xian)
，不(bu)能(neng)進(jin)行(xing)複(fu)雜(za)信(xin)號(hao)的(de)處(chu)理(li)任(ren)務(wu)
，往(wang)往(wang)不(bu)能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)振(zhen)動(dong)分(fen)析(xi)與(yu)診(zhen)斷(duan)的(de)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)。
本文所設計的振動分析儀以CompactRIO為采集設備，以Labview為軟件開發平台
，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，並實現數據實時保存

，可在後期進行階次、軸心軌跡等專業分析。特別適合於測點分散
、而又不需要持續檢測的測試場合。

係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 係統結構簡圖

係統的功能描述如下所示：

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。

係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麵特性，並且具有專業的分析能力。現將係統特性與設計做一簡要介紹。
4．1 係統適應性
係統具有便攜、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：為了使整個係統攜帶方便，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。整個係統體積小，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(ling)外(wai)，筆(bi)記(ji)本(ben)拖(tuo)架(jia)進(jin)行(xing)了(le)防(fang)雨(yu)淋(lin)的(de)設(she)計(ji)，在(zai)其(qi)左(zuo)測(ce)開(kai)有(you)凹(ao)槽(cao)，接(jie)口(kou)以(yi)及(ji)風(feng)扇(shan)出(chu)風(feng)口(kou)全(quan)部(bu)安(an)裝(zhuang)在(zai)凹(ao)槽(cao)裏(li)
，能(neng)有(you)效(xiao)防(fang)止(zhi)雨(yu)淋(lin)
，適(shi)用(yong)於(yu)雨(yu)天(tian)作(zuo)業(ye)。如(ru)圖(tu)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 接口麵板說明

4．2 係統擴展性
係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，可以很方便的增加係統的功能。
shejishijianggongnengbijiaojizhong
，yingyongcishujiaoduodechengxushejichengmokuai，gemokuaizhijianouhexingxiao
，budanshidexitongyiyuweihu，nabufenchuwentijiujianzhatedingdemokuai，erqieshidexitongyiyukuozhan，keyizaixitongzhongzengjiaqitamokuaiyikuozhanxitongdegongneng。lingwai，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，然後根據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。
本係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
，係統配置模塊，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

4．3 係統可靠性
係統設計理論MTBF指標（平均無故障時間）大概3500小時
， MTTR指標（係統平均修複時間）小於等於30分鍾；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，然後通過理論計算確保整個係統的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分鍾以內。

4．4 係統靈活性
zailixianfenximokuai，weilezengjiaxitongdelinghuoxingyucaozuodefangbian，congshujuwenjianzhongxunsuzhaodaoyichangshujushishejizhezhongzhongzhizhong，benxitongshejilesanzhongfangfa，fenbieshiliulanshujuboxing，zhongfangzhendongshengyinyijitongguobaojingjilulaizhazhaoshuju。
瀏覽波形數據類似於Media Player中拖動遊標瀏覽影片，當用鼠標拖動如圖2-4所示的紅色遊標時係統會讀取相應時間段的波形顯示在波形圖中。

圖2-7 瀏覽數據波形界麵

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。
tongguobaojingjilu，jiushitiaoyongxitongjiluxialaidezhendongfashengyichangdeshijian，ranhoujianggaishijianjianruliulanboxingjiemianzhongdekaishishijianlaiduquchuxianyichangshikedeshujujinxingyouzhenduixingdefenxi。

4．5 專業的分析能力
該(gai)係(xi)統(tong)不(bu)但(dan)具(ju)有(you)體(ti)積(ji)小(xiao)，重(zhong)量(liang)輕(qing)的(de)特(te)點(dian)，而(er)且(qie)具(ju)有(you)專(zhuan)業(ye)的(de)分(fen)析(xi)能(neng)力(li)。設(she)計(ji)的(de)在(zai)線(xian)分(fen)析(xi)算(suan)法(fa)有(you)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)與(yu)轉(zhuan)速(su)信(xin)號(hao)時(shi)域(yu)波(bo)形(xing)的(de)顯(xian)示(shi)，振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)的(de)最(zui)大(da)值(zhi)計(ji)算(suan)，振(zhen)動(dong)值(zhi)是(shi)否(fou)超(chao)標(biao)的(de)實(shi)時(shi)報(bao)警(jing)與(yu)記(ji)錄(lu)，振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)以(yi)及(ji)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)類(lei)型(xing)加(jia)速(su)度(du)-速度-位(wei)移(yi)的(de)轉(zhuan)化(hua)。在(zai)線(xian)分(fen)析(xi)實(shi)現(xian)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)是(shi)運(yun)算(suan)速(su)度(du)快(kuai)，速(su)度(du)要(yao)快(kuai)於(yu)采(cai)集(ji)速(su)度(du)，所(suo)以(yi)減(jian)少(shao)屬(shu)性(xing)節(jie)點(dian)使(shi)用(yong)以(yi)及(ji)減(jian)少(shao)寄(ji)存(cun)器(qi)的(de)使(shi)用(yong)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)條(tiao)件(jian)。
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jie次ci是shi描miao述shu旋xuan轉zhuan機ji械xie中zhong某mou信xin號hao及ji其qi諧xie波bo的de對dui應ying關guan係xi，該gai係xi統tong能neng夠gou根gen據ju采cai集ji到dao的de轉zhuan速su信xin號hao與yu振zhen動dong信xin號hao進jin行xing階jie次ci分fen析xi計ji算suan，找zhao到dao振zhen動dong信xin號hao與yu轉zhuan速su信xin號hao之zhi間jian的de對dui應ying關guan係xi
，從cong而er能neng夠gou比bi較jiao準zhun確que的de找zhao到dao故gu障zhang的de原yuan因yin與yu位wei置zhi。分fen析xi界jie麵mian如ru圖tu2-5所示。

圖2-5 階次分析界麵
軸心軌跡分析：軸(zhou)心(xin)軌(gui)跡(ji)是(shi)旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)械(xie)的(de)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)狀(zhuang)態(tai)特(te)征(zheng)參(can)量(liang)
，形(xing)象(xiang)直(zhi)觀(guan)地(di)反(fan)應(ying)了(le)轉(zhuan)子(zi)的(de)實(shi)際(ji)運(yun)動(dong)狀(zhuang)況(kuang)，包(bao)含(han)了(le)豐(feng)富(fu)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)械(xie)故(gu)障(zhang)信(xin)息(xi)。本(ben)係(xi)統(tong)通(tong)過(guo)采(cai)集(ji)的(de)兩(liang)路(lu)垂(chui)直(zhi)於(yu)軸(zhou)心(xin)的(de)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)以(yi)及(ji)轉(zhuan)子(zi)的(de)方(fang)向(xiang)計(ji)算(suan)軸(zhou)心(xin)軌(gui)跡(ji)，軸(zhou)心(xin)軌(gui)跡(ji)界(jie)麵(mian)如(ru)圖(tu)2-6所示。

圖2-6 軸心軌跡分析界麵

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係統可靠性、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，並能夠幫助操作者判斷異常的原因。