便攜式振動儀是隨著設備故障診斷需求不斷提高而發(fā)展起來的面向現(xiàn)場的測試儀器。傳統(tǒng)的振動分析儀器具有結(jié)構復雜、體積大、分布廣、操作不方便、測試時間長、費用高等特點；而基于單片機的振動采集分析儀雖然體積較小，但是分析能力有限，不能進行復雜信號的處理任務，往往不能夠滿足振動分析與診斷的特殊要求。 

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(fā)平臺，不但具有體積小，重量輕的特點，而且具有強大、靈活的專業(yè)分析能力，能夠?qū)崟r檢測信號的波形及頻譜情況，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時保存，可在后期進行階次、軸心軌跡等專業(yè)分析。特別適合于測點分散、而又不需要持續(xù)檢測的測試場合。 

系統(tǒng)結(jié)構

系統(tǒng)采用上下位機的結(jié)構，下位機將采集到的轉(zhuǎn)速和振動信號，通過TCP/IP協(xié)議傳送給上位機，上位機進行數(shù)據(jù)保存與分析。結(jié)構如圖1所示。

系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的功能描述如下所示：

轉(zhuǎn)速信號采集：±10V，支持正弦波、方波信號類型；

振動信號采集：支持振動數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化，如加速度-速度-位移的轉(zhuǎn)化；

在線分析：最大振幅計算與報警、功率譜分析；

數(shù)據(jù)保存與管理；可以通過報警時刻，瀏覽數(shù)據(jù)，振動聲音回放等方式迅速找到異常數(shù)據(jù)進行針對性分析；

離線分析：時域分析，頻率-時間、階次-時間、頻率-轉(zhuǎn)速、階次-轉(zhuǎn)速等三維譜分析，軸心軌跡分析；通過這些分析工具，可以幫助操作者判斷振動異常的原因，如轉(zhuǎn)子不對中、質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)軸裂紋等；

打印報表：可以將離線分析結(jié)果通過Excel表格輸出。

通過在線分析工具，操作者可以實時檢測發(fā)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(xiàn)振動異常的原因。

系統(tǒng)設計與特性

系統(tǒng)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面特性，并且具有專業(yè)的分析能力?，F(xiàn)將系統(tǒng)特性與設計做一簡要介紹。 

1、 系統(tǒng)適應性 

系統(tǒng)具有便攜、防雨淋、防摔防振動的性質(zhì)，能夠使振動儀能夠適應外場測試。 

便攜性：為了使整個系統(tǒng)攜帶方便，在設計選型上選擇性能能夠滿足測試要求質(zhì)量又輕的硬件，比如采集設備選擇質(zhì)量與體積都比較小的CompactRIO。整個系統(tǒng)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；另外，筆記本拖架進行了防雨淋的設計，在其左測開有凹槽，接口以及風扇出風口全部安裝在凹槽里，能有效防止雨淋，適用于雨天作業(yè)。如圖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(nèi)的設備不受損傷。

圖2 接口面板說明

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(zhuǎn)速信號；⑦電源接口；⑧電源指示燈；⑨音頻接口；⑩USB接口 

2、系統(tǒng)擴展性 

系統(tǒng)能夠直接通過插拔增加或者減少FPGA硬件，能夠根據(jù)用戶的要求增加離線分析算法，可以很方便的增加系統(tǒng)的功能。 

設計時將功能比較集中，應用次數(shù)較多的程序設計成模塊，各模塊之間耦合性小，不但使得系統(tǒng)易于維護，哪部分出問題就檢查特定的模塊，而且使得系統(tǒng)易于擴展，可以在系統(tǒng)中增加其他模塊以擴展系統(tǒng)的功能。另外，CompactRIO硬件分為Host與FPGA模塊，為了實現(xiàn)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，然后根據(jù)host下獲取的板卡信息讀取相應板卡的數(shù)據(jù)，滿足板卡增減的要求。 

本系統(tǒng)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，系統(tǒng)配置模塊，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊。軟件結(jié)構圖如圖2-3所示。

下位機軟件：能夠進行2路轉(zhuǎn)速信號以及4路振動信號的測試，三個模塊功能如下。

TCP\IP模塊：負責與上位機通訊，接收并處理上位機的命令、將運行狀態(tài)或采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

Order manage模塊：負責接收TCP\IP線程接收的命令，向TCP線程返回狀態(tài)信息，并驅(qū)動采集模塊采集數(shù)據(jù)。

采集模塊：配置采集參數(shù)，采集數(shù)據(jù)并向order manage模塊返回采集數(shù)據(jù)。

上位機軟件

TCP/IP模塊：負責與下位機進行通信，向下位機發(fā)送命令并接受下位機返回來的狀態(tài)以及采集數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)配置模塊：負責采集通道選擇，通道邏輯名稱的命名，波形顏色的設置，標定系數(shù)以及通道閾值的設定。

數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊是整個軟件的核心部分，將采集到的數(shù)據(jù)進行實時在線分析以及離線分析。

存儲模塊：負責對離線分析數(shù)據(jù)進行存儲。操作者根據(jù)波形的情況進行有選擇的存儲，只有當存儲按鈕被按下時才開始保存數(shù)據(jù)，當按鈕恢復時系統(tǒng)不存儲。

3、系統(tǒng)可靠性 

系統(tǒng)設計理論MTBF指標（平均無故障時間）大概3500小時， MTTR指標（系統(tǒng)平均修復時間）小于等于30分鐘；為實現(xiàn)這一指標，首先在硬件選擇上注意每個硬件的MTBF指標，然后通過理論計算確保整個系統(tǒng)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(chǎn)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分鐘以內(nèi)。

4、系統(tǒng)靈活性 

在離線分析模塊，為了增加系統(tǒng)的靈活性與操作的方便，從數(shù)據(jù)文件中迅速找到異常數(shù)據(jù)是設計者重中之重，本系統(tǒng)設計了三種方法，分別是瀏覽數(shù)據(jù)波形，重放振動聲音以及通過報警記錄來查找數(shù)據(jù)。 

瀏覽波形數(shù)據(jù)類似于Media Player中拖動游標瀏覽影片，當用鼠標拖動如圖4所示的紅色游標時系統(tǒng)會讀取相應時間段的波形顯示在波形圖中。

圖4 瀏覽數(shù)據(jù)波形界面

重放振動聲音就是把每個通道特定時間段的振動數(shù)據(jù)通過聲音進行播放，通過聽覺判斷該段數(shù)據(jù)是否存在異常。 

通過報警記錄，就是調(diào)用系統(tǒng)記錄下來的振動發(fā)生異常的時間，然后將該時間鍵入瀏覽波形界面中的開始時間來讀取出現(xiàn)異常時刻的數(shù)據(jù)進行有針對性的分析。

5、專業(yè)的分析能力 

該系統(tǒng)不但具有體積小，重量輕的特點，而且具有專業(yè)的分析能力。設計的在線分析算法有振動信號與轉(zhuǎn)速信號時域波形的顯示，振動信號的最大值計算，振動值是否超標的實時報警與記錄，振動信號的頻譜分析以及振動信號類型加速度-速度-位移的轉(zhuǎn)化。在線分析實現(xiàn)最主要的是運算速度快，速度要快于采集速度，所以減少屬性節(jié)點使用以及減少寄存器的使用可以滿足條件。 

離線分析是將保存的數(shù)據(jù)調(diào)出進行更加詳細專業(yè)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(zhuǎn)速計算，階次-轉(zhuǎn)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(jù)用戶增加算法，現(xiàn)將階次分析與軸心軌跡分析做一簡要介紹。 

階次分析：階次是描述旋轉(zhuǎn)機械中某信號及其諧波的對應關系，該系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)速信號與振動信號進行階次分析計算，找到振動信號與轉(zhuǎn)速信號之間的對應關系，從而能夠比較準確的找到故障的原因與位置。分析界面如圖5所示。

軸心軌跡分析：軸心軌跡是旋轉(zhuǎn)機械的一個非常重要的狀態(tài)特征參量，形象直觀地反應了轉(zhuǎn)子的實際運動狀況，包含了豐富的旋轉(zhuǎn)機械故障信息。本系統(tǒng)通過采集的兩路垂直于軸心的振動信號以及轉(zhuǎn)子的方向計算軸心軌跡，軸心軌跡界面如圖6所示。

系統(tǒng)指標

結(jié)論

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(huán)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系統(tǒng)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(yè)的分析能力能有效測試出發(fā)動機是否存在異常，并能夠幫助操作者判斷異常的原因。