基于實時高頻率分辨率的附件機匣振動測試系統(tǒng)*

劉自然，朱亞娜，顏丙生，王律強，熊 偉
（河南工業(yè)大學機電工程學院，鄭州 450007）

針對航空發(fā)動機振動數據高速實時監(jiān)測頻譜要求較高的問題，通過提高頻譜線數進而提高頻譜分辮率開發(fā)了一套12通道的具備信號采集、信號監(jiān)測、頻譜分析、數據存儲、數據查詢和生成報表等功能的航空附件傳動機匣振動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)即能進行實時高速頻譜分析，又能實時查詢振動烈度趨勢。保證顯示器頻譜刷新速度的基礎上系統(tǒng)軟件的實時頻譜分析的線數至少為6400線。對提高故障診斷的實時性與精確性具有重要意義。

高頻率分辮率；附件機匣；振動測試

0 引言

航空發(fā)動機附件傳動機匣屬于高速旋轉機械，一般可達到50000～70000r/min。在裝機前，必須經過一定時間的試驗檢驗，合格后才能投入使用。用于其故障監(jiān)測和診斷的信息有很多，比如壓力、溫度、振動、噪聲等。其中振動信號能夠迅速直接的反映出發(fā)動機的運行狀態(tài)而被廣泛采用［1］。

附件機匣檢驗時，試車振動信號非常復雜，為了確定信號中所含頻率的精確值及其幅值，對頻率分辨率做了明確要求，即在采樣頻率40kHz以下可調時，實時FFT頻譜線數至少達到6400。常用的振動測試軟件在監(jiān)控界面往往只對很短時間長度的數據進行處理，這樣頻譜的實時性很好，但很容易出現柵欄效應。對航空試驗來說出現任何一個疏漏都能造成不可挽回的巨大損失。

頻率分辨率是指所用的算法能將信號中兩個靠得很近的譜峰保持分開的能力［2］。實際上頻率分辨率是作FFT時譜圖中的兩條相鄰譜線之間的頻率間隔，也稱作步長。由奈奎斯特采樣定理可知，不產生頻率混迭的最低采樣頻率Fs為最大分析頻率Fm的2倍。為了避免信號混淆，保證高頻信號不被歪曲成低頻信號，并考慮到計算機的表示方式為二進制，所以采用：

頻率分辨率Δf有如下關系：

其中N為采樣點數，M為頻譜線數，T為分析的時域信號長度。由公式可知，采樣點數與為頻譜線數有如下關系：

要減少柵欄效應，就要提高頻率分辨率Δf，Δf越小頻率分辨率越高［3］。由公式可知，提高頻率分辨率，就要增加分析的時域信號長度T，即在采樣頻率不變時，增加采樣點數。但采樣點數較多時，計算量勢必顯著增加，從而無法滿足時頻譜的實時性，甚至出現斷點的情況。

針對這一問題本系統(tǒng)以LabVIEW虛擬儀器軟件為開發(fā)平臺，設計了一套高實時頻譜分辨率的航空飛機附件傳動機匣振動測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件

振動測試分析系統(tǒng)硬件主要有：工控機、NI-9234采集卡、NI-9174數據采集卡插槽、美國PCB振動加速度傳感器等。硬件結構圖見圖1。

圖1 振動測試系統(tǒng)硬件結構

美國PCB公司ICP型傳感器，其內集成有電荷放大器，只需配備恒流源便可獲取信號。但NI-9234數據采集卡內部提供2mA的IEPE激勵電流，可與ICP型傳感器直接相連進行數據采集，這使測振系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)簡化，進而測試精度得以提高。NI-9234有四個BNC頭，分別連接四路有過壓保護功能的同步采樣模擬輸入通道。每個通道的輸入信號經緩沖、調理后，由24位Delta-Sigma模數轉換器對其采樣。其采樣率可由LabVIEW軟件進行控制。由于控制室與試車車間分離，信號電纜長達15m，為了避免因環(huán)境引起的共模干擾，選擇差分測試。

根據試車臺需要，選用三塊NI-9234采集卡配以NI cDAQ-9174型插槽（4槽）完成數據采集卡的配置選定振動測試系統(tǒng)的傳感器和數據采集卡之后，配以工控機、電纜、顯示器等零、附件設備。經過現場布局組裝，便搭建完成一個完整的振動測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)［4］。

2 系統(tǒng)軟件

由于附件機匣試驗時，一般速度達到50000r/m，一旦出現報警，需要立刻緊急停車。故而對信號的實時性分析要求比較高。圖2為航空附件機匣試車臺振動測試系統(tǒng)程序模塊化分解圖，軟件基本功能需包括，數據采集、實時時頻域分析、趨勢圖查詢、數據存儲、數據查詢和生成報表等。

根據所要完成的功能，振動測試系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖2 程序模塊化分解

圖3 振動測試系統(tǒng)軟件流程

2.1 軟件人機交互界面

根據客戶要求設計靈活友好的人機交互界面是本系統(tǒng)在被試件和試車臺上選取12個測點進行振動測試。

圖4為振動信號監(jiān)測主界面，主要包括：12個通道的信號實時時域波形、頻譜分析和趨勢波形觀測區(qū)，信號實時幅值和烈度觀測區(qū)，報警信息顯示區(qū)，具有手動存儲、報警設置、數據查詢、采樣率和傳感器靈敏度配置等參數設置功能的功能區(qū)。另外，留有時間觀測區(qū)，實驗說明配置區(qū)等。

圖4 振動信號監(jiān)測主界面

界面整體采用淡藍綠色，感覺淡雅溫馨，長時間觀測不易眼疲勞。主要按鈕均采用圖表形式，既生動又方便記憶。

軟件采用LabVIEW狀態(tài)機設計模型并與生產者/消費者設計模式等相結合，實現了12個通道頻域和時域數據的實時采集、存儲與分析。

2.2 軟件主要功能

（1）12個通道的當前振動烈度和趨勢監(jiān)測及其報警；

12個通道的振動信號雙重超限報警；圖5所示為12個通道報警顯示，可以實時按時加速度峰值、速度峰值和烈度，當速度峰值超過限值，普報報警燈橙色閃亮；烈度超過限值，高報報警燈紅色閃亮。12個通道報警信息可以實時顯示，分別顯示高報和普報的報警次數、報警時間、報警通道和報警值?？梢詫敶卧囼灥膱缶畔⑸晌恢每梢宰杂蛇x擇、并采用Word或Excel格式打開和打印的報表。

圖5 12通道振動烈度和報警前面板

圖6為第7通道的振動烈度及包進后臺程序。所謂振動烈度是指回轉體旋轉過程中產生的寬頻（10～1000Hz）振動速度信號的均方根值，在程序中用幅值和電平測量模塊即可得出振動烈度。

圖6 振動烈度和報警后臺程序

（2）十二個通道振動信號的實時監(jiān)測如圖7所示。

圖7是單通道振動信號監(jiān)測界面，分別顯示各自通道的振動信息，包括振動加速度和速度時域信號、幅值譜和振動烈度趨勢。此外，對振動信號進行分析時，增加了圖形工具選板、游標、游標微調和頻譜峰值搜索功能。通過拖曳紅色游標可以讀取振動信號時域和頻譜幅值，頻譜的實時分辨率非常高，這大大方便了頻譜實時分析。通過設置單峰或多峰、門限值和頻率范圍來獲取目標頻譜峰值；可以顯示峰值數目和峰值橫縱坐標。此外還可以將對通道的注釋寫入此文本框，并保存和查詢。

圖7 單通道振動信號監(jiān)測

（3）十二個通道振動信號的自動和手動存儲［4］；

（4）振動信號和報警信息的查詢、回放、導出和打印。

2.3 實時高頻率分辨率頻譜設計

要使實時頻率分析的線數M≥6400線，則由公式3可知，采樣點數

開始數據采集后，采集卡不斷地采集數據，然后LabVIEW將數據送入計算機進行處理。若連續(xù)采樣點數直接設為16K，則系統(tǒng)會因為計算量過大而不能實時準確有效的顯示出時域波形譜和頻譜，甚至譜圖中出現明顯斷點。為了保證時頻域譜圖的刷新速度，多次調試選擇4K采樣點數時，時頻域譜圖比較接近實時的顯示速度，且可以輕松觀察到清晰的波形。

當采樣點數為4K時，為了使實時頻譜圖達到6400的頻譜線數，利用LabVIEW波形圖表緩存歷史數據功能。波形圖表默認緩沖區(qū)是1024點，修改緩沖區(qū)數據使緩存數據為16K。每次采集4K數據堆棧入波形圖表保存，采集四次后送入波形圖表屬性節(jié)點“歷史數據”，并將該數據作為FFT的輸入。這時送入圖表歷史緩沖區(qū)的數據點數量為16K。在沒有修改緩沖區(qū)的情況下，波形圖表能夠保存歷史數據，每次傳遞給它一個新數據，它就把新數據追加在原有的數據上，這樣的話，便能夠有效的得出高分辨率頻譜。其程序代碼如圖8。

圖9為每次采集4K數據直接進行FFT的頻譜圖，圖10為16K波形圖表歷史數據做FFT的頻譜圖。對比可知圖10的頻率分辨率明顯高于圖9。

圖9 采集4K數據直接進行FFT的頻譜圖

圖10 波形圖表緩存16K歷史數據做FFT的頻譜圖

2.4 12個通道當前振動趨勢圖監(jiān)測

點擊"趨勢圖"選項卡，進入12個通道振動烈度趨勢對比監(jiān)測界面如圖11所示，本界面顯示了當前整個試驗過程中12個通道的振動烈度趨勢。信號整體趨勢圖的顯示與存儲，可以很好的觀察在整車運行過程中的振動趨勢，方便現場監(jiān)測與后期的檢查。該功能是本軟件特有的功能之一，見圖12。

圖11 振動烈度趨勢對比監(jiān)測

圖12 振動烈度趨勢后臺程序

振動烈度趨勢通過波形圖表顯示出來，其縱坐標顯示的是數據讀入的當前時間。其時間和數值信息均存入TDMS文件。

3 在實際試車臺中的應用

本振動測試系統(tǒng)已經在某型飛機附件機匣試車臺上進行了應用，滿足了航空振動測試系統(tǒng)的要求，并與多部國內外振動測試系統(tǒng)進行了聯機比對。

在試驗現場，根據預設的聯調測試方案，與丹麥B&K、奧地利DEWE-TRON等國外知名振動測試系統(tǒng)和重慶大學SP-DSA 3.0的振動測試系統(tǒng)進行比對發(fā)現，在不同的試驗科目下，幾套系統(tǒng)的振動數據（如表1所示）采集、分析處理結果都基本一致。由此驗證了系統(tǒng)的正確性與工程實用性。面對復雜的測試環(huán)境，本系統(tǒng)在多通道數據的采集與處理、實時時域/頻域監(jiān)測和報警顯示、以及數據的查詢回放等多方面的性能都達到了目標要求。同時，其人性化的操控界面也得到了較好的用戶體驗效果。

表1 試驗數據

續(xù)表

本系統(tǒng)已經過黑龍江省計量檢定測試院鑒定。鑒定證書編號為：015846-AD-0。

4 結束語

采用LabVIEW圖形編程軟件開發(fā)虛擬振動測試系統(tǒng)，實現了振動信號的實時采集、分析與處理，同時減少了測試中的硬件設備，降低測試成本。實際應用表明，本測試系統(tǒng)不僅界面美觀、測試準確；還在頻率分辨率上有著明顯的優(yōu)勢，即利用波形圖表歷史緩沖區(qū)功能，一定程度上解決了頻率分辨率與頻譜刷新速度的矛盾；并實現了各通道振動烈度趨勢監(jiān)測與存儲。

［1］劉宏，雷勇，閆飛.航空發(fā)動機振動分析系統(tǒng)的開發(fā)及應用［J］.噪聲與振動控制，2009（1）：110-113.

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［5］盧曉紅，賈振元，呂元哲，等.基于LabVIEW的動力刀架綜合性能測試系統(tǒng)的研發(fā)［J］.組合機床與自動化加工技術，2010（9）：39-43，47.

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［9］曹玲芝.現代測試技術及虛擬儀器［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

（編輯 趙蓉）

The Accessory Gearbox Vibration M easurement System Based on the Real-time High-frequency Resolutions

LIU Zi-ran，ZHU Ya-na，YAN Bing-sheng，WANG Lv-qiang，XIONGWei
（SchoolofMechanicaland Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

A set of twelve channels vibration measurement system of accessory gearbox for aero-engine is developed to solve the problem of high-speed real-time monitoring spectrum of aero-engine vibration data，which has signal acquisition，signalmonitoring，spectrum analysis，data storage，data query and reporting capabilities.The system can perform high-speed real-time frequency analysis and real-time query vibration severity trend whose number of lines in real-time frequency analysis at least reach to 6400，which greatly improve the real-time performance and accuracy of fault diagnosis.

high-frequency resolution；accessory gearbox；vibration test

TH164；TG506

A

1001-2265（2015）08-0086-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.022

2015-03-10；

2015-04-25

航空發(fā)動機傳動試車臺控制與測試系統(tǒng)研制（H2012 jd69）

劉自然（1962-），男，河南新縣人，河南工業(yè)大學教授，碩士生導師，主要研究方向為動態(tài)測試技術、機電傳動與控制技術，（E-mail）liuziran@haut.edu.cn；通訊作者：朱亞娜（1992-），女，河南西華人，河南工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為動態(tài)測試技術，（E-mail）zynbbc@163.com。