尹常艷
摘要 船舶運行時產(chǎn)生的振動和噪聲對設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)有重要影響,同時一定程度上損害了船員的健康和生態(tài)環(huán)境,因此應(yīng)對船舶的振動和噪聲進行控制,以保證其性能的穩(wěn)定。本文針對船舶內(nèi)部的有限測試條件,對船舶的振動、噪聲測試技術(shù)進行研究,測試系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù),以及TDMS文件格式,實現(xiàn)在對船舶振動、噪聲長時間測試,存儲、在線實時顯示分析、離線分析測試數(shù)據(jù)等功能。通過對船舶振動和噪聲信號的測量分析,建立相應(yīng)的相關(guān)特征信息數(shù)據(jù)集,為航行和維修保障提供技術(shù)手段。
[關(guān)鍵詞]LabVIEW 船舶 振動 噪聲 測試系統(tǒng) TDMS
船舶的機械系統(tǒng)在運行時產(chǎn)生的振動和噪聲關(guān)系到行船的安全,嚴重時會對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾。因此,對船舶振動、噪聲進行控制是極為重要的。本文對船舶的振動和噪聲測試技術(shù)進行研究,設(shè)計具有實時采集分析、離線分析等功能的測試系統(tǒng),可用于同型號船舶振動、噪聲維修前后的質(zhì)量評估,以及同類型船舶橫向特征參數(shù)的對比。
1 虛擬儀器技術(shù)
虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。美國NI公司提出的圖形化編程軟件LabVIEW,既可方便的與各種軟硬件連接,也具有強大的數(shù)據(jù)處理能力,目前在測控領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計的測試系統(tǒng)采用NI數(shù)據(jù)采集板卡,利用LabVIEW實現(xiàn)對船舶振動、噪聲測試分析。
在對船舶進行振動或者噪聲測試時,采集的原始測量數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)量較大,并且為了保證同一船只測試數(shù)據(jù)的縱向可對比性以及同型號船只的橫向可參照性,將測試信息進行原始統(tǒng)一、規(guī)范的定義是必不可少的。同時特征信息盡可能完整的記錄,對于對比分析工作也十分重要。NI公司提出來TDMS文件格式是NI用在測試測量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式。TDMS是一種二進制記錄文件,二進制文件與一般文本式文件相比文件比較小,且文件讀寫通常比較快。TDMS邏輯結(jié)構(gòu)分為三層:文件、通道組和通道。每一層都可以根據(jù)用戶的需求寫入特定的屬性。另外當TDMS文件建立時,會自動生成兩個文件:*.tdms文件和*.tdmsindex文件。前者為數(shù)據(jù)文件,后者為索引文件。在檢索信息時,一方面可以根據(jù)文件名、通道組名、通道名或者某些屬性進行搜索;另一方面由于索引文件不含原始數(shù)據(jù)信息,只包含屬性等信息,并且支持隨機讀取文件數(shù)據(jù),所以TDMS文件檢索速度很快。通過從存儲和檢索兩方面來考慮,TDMS文件滿足大數(shù)據(jù)量,快速檢索的要求,選擇TDMS文件格式存儲船舶振動、噪聲測試采集到的數(shù)據(jù),完全滿足要求。
2 測試系統(tǒng)設(shè)計
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
考慮到船舶艙室空間狹小,內(nèi)部測試條件有限等因素,測試系統(tǒng)采用了小型化高性能嵌入式設(shè)計,內(nèi)部集成主控模塊、采集模塊、信調(diào)模塊、內(nèi)部電源等。測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
信調(diào)模塊對傳感器輸入的信號進行抗混疊濾波和放大;采集模塊進行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集;采集控制由主控模塊負責,同時主控模塊進行數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析;采集以及設(shè)備的相關(guān)信息受監(jiān)控模塊檢測;采集、分析等信息在輸入輸出設(shè)備上實時顯示。
傳感器是采集前端的重要組成部件。每一個傳感器電纜通過集散電纜連接至測試系統(tǒng)的采集器航插接口。集散電纜與采集器的模擬輸入通道是一一對應(yīng)的。例如在進行振動測試時,在一個測點上,可根據(jù)需要選擇三向加速度傳感器或者單向加速度傳感器。對于三向加速度傳感器,X、Y、Z軸三個方向分別對應(yīng)采集器的三個模擬通道。若不清楚測點的振動方向,可以選擇三向加速度傳感器。
監(jiān)控模塊可對采集器航插接口以及每一個模擬輸入通道的接口狀態(tài)進行監(jiān)控。航插通過一條數(shù)字線進行通斷的監(jiān)測,一旦航插接口未完好連接,在測試時系統(tǒng)會實時給出提示,并且停止測試。測試系統(tǒng)為每個模擬通道設(shè)置一個指示燈,當該通道連通時,對應(yīng)的指示燈點亮。另外,在監(jiān)控模塊中還對系統(tǒng)的硬盤容量以及電池容量進行定期監(jiān)控。通過這些措施保證測試過程以及測試系統(tǒng)的良好運行。
2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
為了保證在對同型號船只橫向或者縱向數(shù)據(jù)對比時,能提供有效的測試數(shù)據(jù),使得測試具有可對比性,要求每次測試應(yīng)嚴格遵守一樣的測試條件(環(huán)境條件、被測設(shè)備工況、測點布置)和測試分析方法。所以對測試對象、測試環(huán)境以及測試狀況進行記錄是必不可少的。
針對該問題測試系統(tǒng)設(shè)計測試配置模塊,該模塊引導(dǎo)用戶完成對測試對象、測試環(huán)境、采集情況的配置,形成測試配置文件,以保證后期的對比測試時,可完全參照本次測試的配置信息,使得測試數(shù)據(jù)具有可對比性。在對采集情況進行配置時,系統(tǒng)以船只為單位,指導(dǎo)用戶根據(jù)實際測試需要建立船只測試配置信息。文件以樹形結(jié)構(gòu)展示,根節(jié)點為船只,然后建立各個艙室,每個艙室下分別建立設(shè)備,針對設(shè)備不同部位建立測點,測點建立時根據(jù)需要分別建立三向振動測點、單向振動測點或者聲音測點。測試前,用戶選擇帶測試的船舶測試信息文件,選擇測試類型(振動或者噪聲),系統(tǒng)自動識別該文件中相應(yīng)類型的測點,勾選其中待測試測點,測試系統(tǒng)根據(jù)測試資源自動為每個測點分配所需要連接的模擬采集通道,用戶也可手動調(diào)整。當某一采集通道被選中進行測試,并且該通道物理己連通時,則在配置表中該通道會以綠色顯示,表示可以正常工作。
按照采集通道配置信息,連接傳感器之后,系統(tǒng)啟動測試。采集的原始數(shù)據(jù)放置在兩個隊列中,分別用于實時顯示分析和數(shù)據(jù)存儲。
數(shù)據(jù)存儲采用TDMS文件格式,TDMS文件的邏輯結(jié)構(gòu)分為三層,測試系統(tǒng)利用文件、通道組和通道這三層邏輯結(jié)構(gòu),在其屬性中對應(yīng)寫入測試環(huán)境、測點信息和采集通道的配置信息。例如工況、時間、測試信息等在文件層屬性中進行描述;不同設(shè)備的描述信息在相應(yīng)的通道組中描述;設(shè)備下的測點,以及測點對應(yīng)每個模擬采集通道等信息,在各通道組下的通道這一層描述。至此數(shù)據(jù)采集信息和測試信息被合理的保存到各層中。
在采集振動或者噪聲信號的同時,系統(tǒng)提供實時分析功能。測試系統(tǒng)針對振動信號,對每個測點提供時域和頻域分析。振動信號的時域分析主要是在帶寬內(nèi)分析振動信號的時域特征參數(shù),包括最大值、最小值等狀態(tài)參數(shù);振動信號的頻域分析,主要是對振動信號進行快速傅里葉變換,分析信號的頻譜參數(shù)等。對于噪聲信號,對每個測點提供1/3倍頻程譜分析和聲壓級分析。
測試系統(tǒng)提供離線數(shù)據(jù)分析功能,由于測試數(shù)據(jù)已經(jīng)保存為TDMS文件,用戶選擇測試文件后,測試信息以及每個層級的屬性信息都可以瀏覽。選擇需要的分析的測點后,系統(tǒng)提取該測點的數(shù)據(jù)信息并以波形展示,用戶根據(jù)需要選擇其中某一長度數(shù)據(jù),測試系統(tǒng)針對該段數(shù)據(jù)信息進行各種特征參數(shù)的分析。
3 結(jié)論
本文對設(shè)計的船用振動、噪聲測試系統(tǒng)技術(shù)進行研究,通過詳細的配置,以及各種監(jiān)控手段保證測試的有效性。測試數(shù)據(jù)的存儲采用TDMS文件格式,記錄的信息更為規(guī)范、統(tǒng)一、詳細,具有可參考性。在實際的測試中,該測試系統(tǒng)完全滿足船用振動、噪聲測試的需求,建立了相應(yīng)的相關(guān)特征信息數(shù)據(jù)集,為航行和維修保障提供技術(shù)手段。
參考文獻
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