李晓政
（沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）
【摘要】发动机的振动信号是发动机故障征兆的信息载体，能够表征发动机的技术状况，因此对发动机的振动信号进行状态监测，来发现发动机的故障是一种有效的方法。随着虚拟仪器技术在自动检测、信号采集、仪器控制和测量方面的快速发展，克服了传统仪器中功能固定、单一、携带不便的缺点，因此本文充分利用虚拟仪器的特点开发了发动机的振动信号采集系统，实现了发动机振动信号的采集与分析。
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关键词 振动信号；LabVIEW；信号采集与分析
作者简介：李晓政（1990—），男，山东烟台人，车辆工程专业，研究方向为车辆系统动力学与控制。
0引言
由于发动机技术的不断更新和发展，传统的诊断仪器所具有的功能单一、携带不便、价格昂贵的特点，已经不能满足人们诊断的需要。此时虚拟仪器技术便产生了，它和PC 机来构成了数据采集系统和诊断系统。其中数据采集电路用来完成信号的获取与控制，PC机来完成信号的处理存储和显示功能。由数据采集卡、PC 机和测试系统软件即可构成一台虚拟的仪器（Virtual Instrument，简称 VI）, 在实现传统仪器功能的基础上可以通过改进代码来增加诊断功能[1]。
1发动机振动信号采集系统研究
1.1信号采集系统软件介绍
发动机振动信号的采集系统软件由主控程序的数据采集和数据读取两部分组成，数据处理部分的功能有信号分析处理、参数计算显示和特性曲线的绘制[2]。
本系统设计用的开发环境是LabVIEW8.0，我们可以通过软件编程来实现所需要的功能。
1.2程序的前面板设计
前面板是发动机振动信号采集系统的虚拟仪器前面板，有对试验过程中的各种数据进行实时显示的模块。发动机振动信号的采集系统程序界面应该有如下功能：
（1）测试系统开始后，在前面板1输入采集数和模拟参数，然后点击初始化按钮，数据采集卡完成初始化并新建采集任务，而后点击界面上的开始按钮，正常工作指示灯变绿，表示工作正常，对信号调理电路输出的模拟量按既定的采样频率采集，程序将采集到的数据显示成波形图和图表，点击保存按钮，保存采集的数据，点击停止按钮后，程序完成剩下的一系列动作。
（2）采集完成后，将前面板窗口切换到前面板2进行信号的读取分析。当测试系统运行后，设置时间延迟参数，而后点击读取信号按钮，正常工作指示灯变绿，表示工作正常，窗口中显示保存的信号和信号的实时幅度谱分析图像。点击停止按钮后，系统停止运行。
1.3数据的获取程序功能分析
发动机振动信号数据采集系统的数据处理和界面显示软件可以分为数据采集卡初始化与创建新的采集任务，以及程序编写（G语言）。其中开始、停止、保存测量结果等多个控件，每个控件里面又含有某一或某些特定的功能，共同实现数据采集、分析处理及显示。根据在测试过程中特定的功能，编写相应的程序。
数据采集任务开始前，先进行数据采集卡的初始化，以便创建新的数据采集任务。创建新的采集任务的目的是实现本次数据采集。由于条件有限，采集得到的数据是通过查阅一些文献资料随机产生的。尽管是随机的数据，但这些数据是可以通过数据采集卡获得的。
我们也可以通过Labview能够读取的文件类型来采集数据，将数据编写为软件能够读取的文件的程序框图，通过仿真任意信号函数节点来输入数据，并且通过波形来显示出来。这些数据理论上说是从数据采集卡获得的，从数据采集卡获得的数据与数据采集卡的采样频率有关，该发动机振动信号采集系统中采用的采样频率为40 KHz，通过仿真任意信号函数节点输出的波形是整体波形。在仿真任意信号中通过自定义信号数据，输入查阅得到的数据，通过该节点将数据保存在文件中，进而再通过读取测量文件函数节点将文件中的数据读取出来并以动态的图形来显示。
1.4读取数据文件程序功能分析
通过以上的程序编写可以获得想要的数据文件，通过随机产生的振动信号便可生成波形图。产生信号的过程类似于实时监测系统，期间可以对振动信号进行保存。数据读取模块可以实现获取动态波形、保存获得的数据等这样的功能。
1.5主程序框图分析及编写
该试验系统中使用了两种图形显示控件，波形图表和XY图。二者的特点不同，需要用不同的方法来进行初始化操作。
波形图表是显示一条或多条曲线的特殊的数值显示控件，通常用于显示以恒定的速率采集到的数据，且其一般一次接收一个点的数据。波形图表使用于实时测量中的参数监控[3]。
XY图是通用的笛卡尔绘图对象，用于绘制多值函数，可用于显示任何均匀采样或非均匀采样的点的集合。与波形图表不同的是，XY图能够一次性完成波形显示刷新。XY图输入的数据类型是由两组数组构成的簇，簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X、Y坐标[4]。
该系统可以实现发动机振动信号的采集、分析、保存和读取工作。其程序框图如下图1所示：
2发动机振动信号采集系统调试
2.1模拟测试
以上海生产的6135-13型柴油机为例，利用开发的振动信号采集系统进行发动机振动信号采集试验研究。测试时，将标定好的3个传感器分别放置在缸盖中间和缸盖两边，发动机工作正常情况下，在发动机3 种不同转速下模拟发动机振动信号数据，其模拟曲线如图2所示：
当测得的振动信号电压幅值在0v-2v时，由图可看出绿色指示灯亮，表示发动机振动正常。
当测得的振动信号电压幅值在2v-4v时，由图可看出黄色指示灯亮，表示发动机振动稍大。
当测得的振动信号电压幅值在4v-6v时，由图可看出红色指示灯亮，表示发动机振动过大。
最后导出图像，得到不同振动情况下的振动信号波形图，如图3所示：
此时的波形图像中信号电压幅值均在0v-2v，属于发动机正常振动范围。
此时的波形图像中信号幅值出现2v-4v的电压值，属于发动机振动稍大的范围。
此时的波形图像中信号幅值出现4v-6v的电压值，属于发动机振动过大的范围。
2.2数据读取分析
实时信号采集完成后可通过读取保存的振动信号来进一步分析振动情况，可实现振动信号再现，方便作进一步的探讨，图4是对上述振动信号的读取分析。
当系统运行时，设置好时间延迟参数，点击读取信号按钮，工作正常指示灯亮起，变成绿色的，然后图表中变出现了所读取的信号波形及波形的实时幅度谱，可以进行后续分析，点击停止按钮，系统立即停止读取信号，方便对采集的信号进行分析。
3小结
本文利用虚拟仪器软件LabVIEW，编写了程序框图，用来实现系统所需功能，对发动机振动信号的采集、保存与读取。在编制程序时，充分利用了LabVIEW层次化、模块化的特点，将系统功能划分为数据采集、数据分析处理、数据保存以及数据读取等，首先对各模块分别编程与调试，然后将各个功能模块的程序联系与组合起来，并在前面板添加与整理相关的控件，完成了系统的软件设计，并完成了软件的调试，能够实现发动机振动信号采集与分析的功能。
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参考文献
［１］廖开俊,刘志飞.虚拟仪器技术综述[J].国外电子测量技术,2006,2.
［２］明平顺,杨万福.现代汽车检测技术[M].北京:人民交通出版社,2002.
［３］郭月强.振动信号的测试与分析及其软件系统的开发[D].北京:北京工业大学,2002.
［４］刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京:电子工业出版社,2003:8-10.
［责任编辑：杨玉洁］