飞机发动机振动传感器标定装置的设计

第一章绪论1.1课题的研究背景和研究对象标定仪器具有两重含义：使用标准的计量仪器来对所使用的仪器的精度来进行检测是否符合标准；对仪器进行校准。仪器设备出厂前进行标定为了保证设备测量数据可靠，定期检查标定仪器实在仪器长期使用后，为了使仪器能够保持良好的测量状态。振动是工程应用中常见的研究问题，60%以上都是采用振动检测来进行设备的状态检测和故障诊断[1][2]，振动传感器的精度需要通过标定设备来保证，所以振动传感器的标定装置的研究格外重要。飞机发动机作为飞机的“心脏”，是飞行所需动力的产生部件，也是执行战斗任务的核心支撑部件，发动机的性能，直接影响着飞机的状态。有关资料显示：80%的发动机的故障由振动引起，所以发动机都配有振动传感器设备，而保证这些发动机传感器的精度对飞机的安全工作起到至关重要的作用。本文中针对飞机发动机振动传感器研制了一种基于LabVIEW的振动检测设备的标定装置。1.2课题研究的目的及意义振动传感器在制造、装配完毕之后必须对其指标进行一系列实验，已确定传感器的实际使用性能：在经过一段时间的使用或者检修之后，也必须定期对传感器的主要技术指标重新进行校准验证，从而确保传感器能够长时间达到使用指标[3]。飞机发动机是一种复杂的高速旋转的机械结构，工作转速往往高于临街速度，转子的不平衡以及气流不稳定等容易导致发动机的全方位周期振动和复杂的随机振动。因此，保证飞机飞行的安全，实时监测飞机发动机的振动状态显得非常重要[4]。飞机发动机的振动是靠振动加速度检测系统来实现振动信号的检测和记录的，每套系统由振动速度传感器、振动加速度放大器、振动加速度指示器及照明控制电路组成，每套系统独立检测一台发动机的振动状态。飞机发动机振动检测设备担负着监控`发动机振动状态的任务，性能好坏直接关乎飞行安全，因此对这些发动机振动检测设备的工作状态进行检查及标定是必不可少的工作。本文中，任务是设计飞机发动机振动传感器的标定装置，它可以对飞机发动机振动传感器的性能参数和技术指标进行标定，该设备在内外场均可使用，是检测和维修振动传感器的必备设备。1.3论文主要内容的国内外研究现状1.3.1振动传感器标定装置的国内外研究现状在航空发动机的使用过程中，工作者已经意识到要将发动机的性能指标和故障率联系在一起，然而，只有在飞机发动机进入工作状态后，才能对其性能进行监控和标定。最早的振动系统标定装置是传统机械式的频响标定系统，其系统示意图如图1-1所示，其中信号发生器产生振动信号，功率放大器来驱动振动台振动，而被测传感器以及标准传感器的输出信号则由信号电路来采集。因为该系统采用机械式结构，所以存在许多缺点。近年来国内外正在发展许多振动传感器数字化标定的方法，如武汉科技大学研发了船舶柴油机振动检测和故障诊断的柴油机微机诊断系统的标定装置，对于数字化标定方法主要是理论研究。1.3.2振动检测的国内外研究现状我国出现发动机检测技术是在六十年代初期；在七十年代，汽车性能综合监测台、发动机综合检测仪等设备开始出现，但是数量有限，性能不完善。到了八十年代，汽车工业的发展带动了发动机检测诊断技术的发展。2000年以后，我国开始加大对航空发动机的研究，在这十多年的不断研究中，振动测试技术已经取得巨大进步。20世纪50年代以前[5]，分析振动信号的技术主要使用模拟分析方法；50年代后，大型数字计算机开始应用于振动信号的分析；60年代后[6],随着人类探索领域的加深,航天、航海、海下探测、军事等各个领域都提出对信号分析速度计分辨率能力更高的要求，美国的J.W.Cooley和J.Q.Tukey在1965年提出了FFT计算方法，大大节省了计算量，随着数字信号处理技术的发展，获得了非常广泛的应用。1.4论文的主要工作(1)分析振动检测设备的工作原理；(2)归纳振动检测设备传感器的标定的方式；(3)设计传感器标定设备；(4)检测标定设备功能；(5)搭建了基于LabVIEW的振动标定装置;第二章飞机发动机振动检测方法与设备的标定振动是机械设备运行过程中不可避免的现象，它影响仪器或传感器的寿命、精度和可靠性。机械、零件、机构等组成部分都会产生振动，因此测量和分析振动对于机械动力学的工程应用有着非常重要的意义。发动机作为飞机重要的部件，由于发动机结构中存在各种部件及系统，会产生各种作用力。因此发动机的振动主要有着形态复杂、宽频带、多振源特点。目前国内外的计量部门对振动传感器的标定主要采用手工操作仪器与计算机数据处理相结合的方法。2.1飞机发动机振动测量原理随机振动是非确定性振动，可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。平稳随机振动又包括着各态历经的平稳随机振动和非各态历经的平稳随机振动。图2-1所示时间历程的振动信号。由于振动的复杂性和测量现场复杂，在用电测法进行振动测量时，测量系统是多种多样的。一般的振动测量系统通常由激振、拾振、中间变换电路、振动分析仪器及显示记录装置多构成。如图2-2。（1）测振传感器测振部分是振动测量仪器的最基本的部分，其性能往往决定整个仪器或系统的性能。由线性系统的叠加原理得，振动的响应是振动系统测振部分对各个谐振动的叠加。例如惯性式测振传感器，振动系统的振动是由载体的运动所引起的，如图2-3所示，设载体的绝对位移为z1，质量块妈的绝对位移位为z0,则质量块的运动方程为[7-10]:质量块m相对于载体的相对位移为：z01=z0-z1（2-2）则上式可改写为：设载体为简谐振动，即z1(t)=z1msinwt，则式（2-3）可写成：考虑以下几种情形下的响应特性：EQ\o\ac(○,1)z01相对于载体振动位移z1，此时相当于测振仪处于位移工作状态下，此时幅频特性和相频特性分别为：其幅频特性曲线如图2-4所示。EQ\o\ac(○,2)z01相对于载体振动速度，此时相当于测振仪处于速度计的工作状态下，此时幅频特性和相频特性分别为：其幅频特性曲线如图2-5所示。EQ\o\ac(○,3)z01相对于载体振动速度，此时相当于测振仪处于速度计的工作状态下，此时幅频特性和相频特性分别为：其幅频特性曲线如图2-6所示。I.测振仪在不同的工作状态下，有效的工作区域是不相同的；II.阻尼比的取值对测振仪幅频特性和相频特性有比较大的影响。激振器激振器是对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受可控的、按预定要求振动的装置。为减少激振器质量对被测系统的影响，应尽量使激振器体积小、重量轻。振动分析仪器常见的振动分析仪器有测振仪、频率分析仪、FFT分析仪和虚拟频谱分析仪。2.2飞机发动机振动传感器的标定传感器或仪器在制造、装配完毕之后必须要对其设计的指标进行一系列的全面检测，来确定传感器或仪器实际使用性能的优劣，整个过程便是标定的过程。仪器设备或传感器经过一段时间的使用或检修之后，还必须对传感器或仪器设备的主要的技术指标重新再进行校准实验，从而确保仪器设备或传感器能够长时间达到使用指标。2.2.1标定的内容现在振动测量系统的标定主要分为两方面：传感器的标定——将振动的机械量（表振动的机械量有位移、速度和加速度）转换为电信号（电压、电流或电荷量），这样来确定传感器的灵敏度，以及传感器一些动态响应参数；各种电子器件的标定——将传感器输出的电量经过放大、滤波、读数、分析、记录等信号调理电路，让整个测量系统的测量输出结果更直观的表现，对于电子器件的性能标定，一般采用标准信号源和高精度的电压表来标定。2.2.2标定的方法标定的方法：将已知的被测量（即标准量）输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量，对得到的传感器的输入量—输出量进行处理以及比较分析，从而可以得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而便可得到传感器的性能指标的实测结果。目前标定传感器主要是绝对法和相对法：比较标定法比较标定法是目前常用的实现标定的方法：将传感器与标准传感器放于同样的激励环境下，通过它们输出差别来评价被测传感器的响应特性。该方法适用于常规生产中或者工程应用中，其精度可达到2%左右。在对传感器进行比较标定过程中，标准传感器与被测传感器是刚性连接或者背靠背地安装在振动台上，这样，标准传感器与被测传感器就会受到相同的振动激励。绝对标定法绝对标定法是以标准质量参照物在激励环境下为目标，该目标一般是用于高精度传感器或标准传感器的标定。一般情况下，绝对标定法比比较标定法的实施更加复杂而且成本也更高，但其标定精度很高，一般都小于0.5%，所以有些测试结果只能采用绝对标定法才能得到。2.2.3标定的作用对传感器进行标定的主要作用有以下四点:(1)确定测量系统的输入一输出关系，赋予测量系统分度值;(2)确定测量系统的静态特性指标;(3)消除系统误差，改善系统的正确度;(4)在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。2.2.4标定的步骤传感器的标定由静态标定和动态标定构成，静态标定的一般步骤为:(1)将传感器的全量程分成若干等间距点;(2)根据传感器量程分点情况，从小到大、逐点递增输入标准量值，记录下与各点输入值相对应的输出值;(3)将输入量的值从大到小逐点递减，并记录下与各点输入值相对应的输出值;(4)按上述步骤(2),(3)所述的过程，对传感器进行正反行程往复循环多次(一般为3-10次)测试，将得到的输出一输入测试数据用表格列出或画成曲线;(5)对测试数据进行数据处理，输入己知的标准量测出传感器输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，并计算传感器的灵敏度、线性度、滞后和重复性等静态特性指标。传感器的动态标定：通过实验来得到传感器的动态性能指标，其确定方法往往因传感器的类型不同而不一样，原理上一般可以分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响应法等。2.3本章小结本章主要介绍了飞机发动机振动测量的原理及测量系统的组成结构、振动测量的常用方法、和设备标定的内容与步骤，为后续的实验系统的搭建、测量实验的实现以及实验数据的处理与分析提供了理论依据。第三章飞机发动机振动传感器标定装置的功能设计和测试方法3.1飞机发动机振动传感器标定装置的功能设计飞机发动机振动传感器标定装置综合采用微电子技术、传感器技术、计算机总线技术研制，具备重量轻、体积小、性能可靠和使用便捷特点，并且在内、外场均可使用。它具有振动仪试验器和振动速度检测系统综合检查仪的功能，能产生测试振动传感器所需的模拟信号，能够完成技术规范和工艺卡规定的性能参数测量。该设备是完成通机300小时、900小时、1800小时的定检工作，以及发动机振动检测系统使用、维护工作中必不可少的测试工具。3.1.1功能模块设计振动信号发生系统、振动信号采集处理系统和专用适配接口组成飞机发动机振动传感器标定装置。如图3-1所示。振动信号发生系统包括标准振动台、功率放大器和振动信号发生器。振动信号采集系统包括标准振动加速度计，振动信号采集卡和专用夹具。专用接口适配器包括各种电缆接口、航空插头及附件。笔记本处理器是控制程序的安装和运行载体，同时也是显示测试结果和调试、记录、储存测试结果的面板；主机由机箱、电源、测试接口和主控电路板组成。机箱用于安装测试接口、电源和电路板，采用三防结构，方便使用，、运输和储存;控制面板是安装测试电子组合、振动加速度放大器、振动传感器、振动速度传感器和指示器等部件连接的接口和通讯接口;电源提供仪器或被测部件工作所要求的各种电压、电流(恒压源、恒流源);主控电路板是整个仪器的核心，它由cDAQ-9172、函数发生器9265、信号采集器9215、9234和精密电阻、信号调理电路等构成，来产生、测试各部件的信号，并进行处理并输出;电缆来连接仪器和各部件。电动振动台可提供频率、幅度和加速度可控的模拟振动，进行振动传感器的离位测试。飞机发动机振动检测设备标定装置能够完成通机机载振动检测系统33个UUT的测试诊断与故障隔离。具体的功能如下:（1)检查飞机发动机振动检测系统振动传感器原位阻值性能;（2）检查指示器振动指示值的正确性及调节;（3)调节电子组合的放大系数;（4)检查振动传感器的灵敏度系数;（5)检查指通机机载振动速度传感器、振动加速度放大器、振动加速度指示器所需的全部信号。3.1.2飞机发动机振动传感器标定装置的性能指标为了保证仪器测量数据的可靠性，仪器出厂前都需要进行出厂标定，使得传感器有一个合适的量级输出读数;在传感器长期使用时，性能指标也会因为长期工作环境影响而发生改变，因此对于长期使用的传感器需要对其进行定期的检验，来保证仪器能够长期处于良好的工作状态。飞机发动机振动传感器标定装置的性能指标包括灵敏度、频率、相位特性等。(1)灵敏度的标定灵敏度S：指输出电量与输入振动物理量之比。表征振动的物理量有位移、速度和加速度这三个参量，根据表征的物理量可以分别计算出灵敏度。(2)频率响应频率响应可以用专门的频率分析仪来进行测量。如丹麦公司生产的B&K测振仪，由一系列的仪器配套组成频率响应测量装置。(3)相频特性相频特性：指测振传感器在不同的频率下其输入振动量与输出电量之间的相位差。相频特性用电子示波器来确定，也可用相位计直接测量。(4)动态范围动态范围：传感器的灵敏度呈线性输出的范围，其测量的上限一般是由传感器的结构特性决定的。3.2飞机发动机振动传感器标定装置的方案设计3.2.1飞机发动机振动传感器标定装置的系统方案据调研所掌握的资料，并且认真总结各方面意见的基础上，对发动机振动传感器工作过程进行了详细的分析、比较、验证，确定了飞机发动机振动传感器标定装置的总体研制方案。主要是研制振动速度传感器、振动加速度放大器、振动加速度指示器及照明控制电路的测试设备。振动信号的离位检测包括振动信号发生系统，振动信号采集和处理系统、振动信号检测和显示系统。据系统方案和具体的机型型号进行具体的设计，主要包括以下部分:(1)振动信号发生系统进行离位检测时，需要提供标准振动源，该振动源能够代表和模拟发动机的真实的振动情况，并且能够智能控制，本项目采用电动振动台和配套的功率放大器组合系统来模拟飞机发动机的振动源;同时制作了专用夹具将振动传感器与振动台刚性连接，构成了一套完整的离位振动测试系统。该方案的关键点在于振动台的准确控制与连续控制，该项目采用了目标振级逐次逼近控制法，按照无限微小步进来实现振动系统的连续控制。(2)振动信号采集系统不论是原位还是离位检测，都需要振动信号采集系统。原位检测时，直接采集机载电子组合输出的电信号；离位检测时，振动采集系统需要承担振动源信号的实时检测和差分稳频功能，即同时采集振动标准传感器及被测振动传感器的输出信号，一方面校准和修正振动标准信号，另一方面还需要检测被测传感器的灵敏度系数指标。（3)振动信号处理和显示系统振动信号处理和显示系统主要是指用户交互窗口，不同机型的表现方式不同，包括相对振动百分比和振动加速度a值。3.2.2标定系统系统的标定是保证测量仪器正常工作必不可少的重要环节，它是一个标准量衡量自身并进行调整的过程，该课题研制的标定系统是对信号频率敏感的系统，其主要体现在:（a)振动传感器对于不同频率振动信号的灵敏度可能存在着微小差异;（b)隔直电路对不同频率信号的不同影响。该标定装置的工作频率范围在O-SOOHz之间，对每一个点进行标定是不切实际的，所以在软件标定中使用了分段折线拟合的方法。系统每隔50Hz设置一个标定点，即0HZ,50HZ、...、450Hz,500Hz,共10个标定数据区间，若被测频率介于两个频率之间，可用直线拟合的方法来求解出标定系统。系统的标定模型如图3-2所示：标定过程中，将振动测量仪的传感器B与标准振动传感器A叠在一起并固定在激振台上，激振台产生指定频率的振动信号。振动传感器A接到电压测定仪，振动传感器B连接到测量仪器，测量仪切换至标定界面。然后调整标定系统，使振动测量仪的输出与标准振动传感器的测定值相接近。将激振台的频率调整为指定的频率，依次按照上述过程标定求解出每一个频率点的标定系数。最后选择任意的频率点，对使用拟合标定系数的振动量进行确认。实践证明，这种方法实现的标定，操作简单且标定精度满足用户的要求。3.3飞机发动机振动传感器标定装置的测试方法3.3.1离位振动检查仪测试方法一离位检测工作原理：离位检测：在维修、更换机载振动检测系统，在内场将检测系统的部件进行检测，以确保组成系统的各个部分性能完好和指标的准确。离线检测包括两部分。一是检测振动传感器的性能，主要是测试传感器的灵敏度系数和零点漂移;测试原理是控制标准振动台，使其按照设定频率和幅度输出振动信号，并将被测传感器与标准传感器“背靠背”刚性连接，然后通过标准传感器和被测传感器的输出信号，计算出被测传感器的灵敏度系数，即线性度。标准传感器的加装不仅是为了保证振动台输出标准振动信号，同时也可以做为被测传感器的测量标准并对其进行修正。整理计算结果，可以进行修正振动传感器的零点漂移和线性度。测量原理示意图如图3-3所示：二是系统测试：从振动台开始的系统测试，它产生标准激振信号，然后读取振动指示器的振动量。测量整个系统是否匹配良好，是否满足使用要求的精度和时机。示意如图3-4。飞机发动机振动传感器标定装置可在内、外场条件下使用。在功能上可提供附件的原位和离位两种检测方式。此外，为了完成对振动传感器的测试，还配备一个可控机械振动频率、幅度和加速度的电动振动台。测试完成以后，所测的数据自动存储，并形成测试报告，且测试报告能清晰呈现当次测试数据是否合格。不仅降低了对专业人员水平要求，另外，数据存储功能也便于进行长期跟踪、比较、分析机载设备数据指标。二.离位振动检查仪测试方法离位测量方法如图3-5所示。振动台是统一的振源系统，它为测量系统和被测系统提供同一振动信号，标准振动传感器与机载振动传感器“背靠背”刚性连接在一起，采集的信号分别输入配套的处理与显示系统中，最后对比二者的差值，来确定被测系统的技术性能和指标范围。图3-5离位测量方法连接图3.4小结本章提出采用较高稳定性的电流源作为信号的发生源。针对使用特点，设计思路充分运用了虚拟仪器技术，采用软面板控制及数据读取科技，实时进行结果判读，并且降低了使用人员专业水平要求，创新地使用了测试报告形成及存储功能，极大地方便了分析、比较历史数据。设备的模块化设计是方案的最大优势：电源、控制系统、测试系统、显示系统均为独立单元。并且实现各功能所采用的硬件也是独立模块，这种设计能迅速发现故障原因，并且能快速更换故障模块，极大地方便了设备维护。它采用先进的闭环控制算法，不仅保证了频偏的自动调整和稳定输出，也为高精度的检测系统提供了比较良好的软环境。第四章飞机发动机振动传感器标定装置的设计4.1飞机发动机振动传感器标定装置的硬件设计硬件系统的设计是研究标定设备的关键，飞机发动机振动会导致不同的干扰信号，所以硬件电路系统的设计尽量避免系统误差和选择抗干扰能力强的电路。本文中设计的核心模块选用NI公司生产的板卡，不仅缩短了系统开发周期，还提高了系统的稳定性。如图4-1所示，为振动检测装置的硬件连接结构框图。离位测量电路由计算机、机箱、两块NI9472板卡、两块八通道继电器板、NI9215板卡、电子组合电路及指示器组成。NI9472为8通道数字信号输出模块，控制继电器板的开闭，通过继电器的开闭来选择电子组合中的不同电路，从而实现对不同类型飞机的振动信号检测。NI9215板卡为4路16位同步采样模拟输入，采集飞机发动机振动的模拟信号。模拟信号通过电子组合，最终显示在指示器上，指示器为振动信号显示仪表。研究制作了220V,50Hz和115V,400Hz两种可切换内置电源，为了达到内、外场均可使用的要求。内场使用实验室市电，外场使用机上电源。工作用电为28V,12V和5V三种电源，分别共给C-DAQ9172,NI9265及继电器板等工作模块的工作电压。模块对电源稳定度有较高的要求，且外场工作时飞机附近有多个工作的逆变电源车，其电磁干扰特别大。因此，对于各种电源信号，都采用专用的电源滤波设计。飞机发动机振动检测标定仪器的实物连接如图4-2所示。4.1.2振动标定装置传感器的简介振动速度传感器：测量振动的速度的传感器，能够感受垂直方向上的直线振动速度，将其转化为电压信号，以便测量和记录振动参数。该传感器由振子组合件、线圈、弹簧、星星架组合件、端架组合件、壳体以及电缆盒插头等组成。振动加速度放大器：具有高输入阻抗和信号变换的选频交流放大器。它与振动速度传感器、振动加速度指示器一起构成振动加速度检测系统。适用于某型飞机发动机垂直加速度的检测和监视，并适时显示发动机的振动加速度值，当发动机的振动加速度超越预设的告警值时，变接通机上的告警系统。该放大区在检测系统中的功能是对传感器输出的电压信号进行滤波、放大、检波等处理，然后同时输出两路信号:一路为记录输出电压，另一路为指示电流。振动加速度指示器：振动加速度检测系统中的一个部件。它与振动速度传感器、振动速度放大器相互交联，一起完成对发动机振动加速度进行测量和监视任务。指示器显示经传感器感受、放大器处理的瞬时振动加速度值。4.2飞机发动机振动传感器标定装置的软件设计4.2.1LabVIEW简介上位机监控系统软件采用LabVIEW，LabVIEW:一种用图表代替文本行创建应用程序的图像化编程语言。相对于传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序来决定程序的直行顺序,而LabVIEW采用数据流编程方式。程序的执行顺序由程序框图中节点之间的数据流决定。图表表示函数，连线表示数据流方向[11][12][13]。测试、测量、和自动化等领域广泛应用LabVIEW。LabVIEW提供了大量的工具与函数来用于数据采集、分析、显示和存储，它还提供了大量常用于自动化测试测量领域的图形控件。这使得用户可以在数分钟内，完成一套从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的完整的自动化测试测量系统组装。因此它被广泛的应用于通信、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域，并且涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段。其开发速度是选择LabVIEW开发测试和测量应用程序的一大决定性因素。LabVIEW开发应用系统的速度要比其他编程语言快4-10倍。LabVIEW主要体现的具体优势是以下几个方面.(1)拥有丰富的图形控件，采用图形化的编程方法，彻底把工程师从复杂的文本编程工作中解放出来。(2)采用数据流模型来实现自动的多线程。从而充分利用处理器，尤其是多处理器的处理能力。(3)大量的驱动和专用工具，与任何接口的硬件轻松连接。(4)内建了600多个分析函数，方便数据分析与信号处理。(5)NI提供了丰富的附加模块，扩展LabVIEW在不同领域中的应用。例如PDA模块、实时模块、FPGA模块、数据模块、数据记录与监控(DSC)模块、机器视觉模块与触摸屏模块等。选择LabVIEW开发测试和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度。通常，实用LabVIEW开发应用系统的速度比实用其他编程语言快4-10倍。LabVIEW的具体优势主要体现在一下几个方面:(1)提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师从复杂的文本编程工作中解放出来。(2)由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其是多处理器的处理能力。(3)提供了大量的驱动和专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。(4)内建了600多个分析函数，用于数据分析与信号处理。(5)NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用，例如实时模块，PDA模块、FPGA模块、数据模块、数据记录与监控(DSC)模块、机器视觉模块与触摸屏模块等。虚拟仪器(VI)是LabVIEW开发平台开发的应用程序，VI是LabVIEW程序中的一个基本单位。对于简单的任务，一个VI就能够完成任务。较为复杂的测试，就要建立不同的子VI，调用不同的VI的完成任务，高层次VI调用一个或多个底层特殊功能的VI，如图4-3所示。LabVIEW虚拟仪器程序通常由框图程序、前面板和图标连接端口三部分组成。前面板是图形化人机交互界面，通过控制菜单来设置数值和观察输出。用户可以在人机交互界面中使用各种图标及自定义图表，如按钮、开关、旋钮、波形显和表格数据显示等。前面板窗口的示意图如图4-4所示。每个虚拟仪器前面板都存在一个框图程序。用图形化语言编写框图程序，不同与传统编程语言中的代码，编写简单，但是编程的核心思想相同。节点和数据流连接线组成框图程序，数据流是LabVIEW程序中的一个特有传送方向的概念，框图程序窗口如图4-5所示。框图中的节点按照数据流向的关系连接，连线决定了数据的流动方向。4.2.2系统功能模块的划分LabVIEW的飞机发动机振动信息采集系统要求能够实时检测并存储采集振动的原始信号。所以在采集过程中，传感器采集到的数据要经过系统清零，滤波，标定等处理，以减少误差对数据的影响。该系统的主要功能：通过数据采集模块对传感器输出的模拟信号进行A/D转换，并进行信息预处理。软件的设计采用模块式结构，由振动传感器、电子组合、指示器、故障判断、参数分析、自检和计量等模块组成，主控程序的控制各模块来完成仪器的各种功能，功能模块如图4-6所示[13][14]。(1)信息初始化模块实验开始前，初始化实验飞机类型，测试编号，测试参数及相关通信的参数。（2)控制模块通过LabVIEW的虚拟面板来控制系统采集信号的开始与停止，和对实验的变量进行调节，如电子组合的类型，传感器线圈阻值等。(3)数据采集模块数据采集模块包括A/D转换、整流、数字滤波、信号放大等功能，保证信号不受外界干扰，来降低系统误差。(4)电子组合模块处理不同传感器与测试的处理电路，将不同的传感器输入信号在内部电路处理，最后输出到不同的设备上进行显示。(5)频谱分析模块采集到振动传感器的信号为时域信号，它体现出信号随时间变化的特性，需要在振动信号的测量的同时对其进行频域的分析。因此采用傅里叶变换的方法将时域信号转换成频域信号，并在频域内的分析处理。(6)自检与标定模块系统有很多的硬件模块，通过自检程序来实现各个硬件模块功能的检测—测试硬件是否正常。在使用之前系统要进行自我标定，并确定各个频段内的信号拟合参数。(7)数据存储模块传感采集的数据信号经过一定的处理，按照特定的格式存在于计算机中，方便后续的分析与历史查看。试验数据的存储有两种方式:1、将采集到的数据实时存入建立的数据库，这样数据库对数据的管理和操作更加的灵活和方便;2、数据以ASCII码的格式存储，方便用户进行查看或被其他系统调用。(8)显示模块用于查看采集的数据，包括频率曲线、时域曲线、历史数据。根据测试信号的需求，选择相应的显示方式，将数据通过各种虚拟仪表实时动态反馈给试验人员，使试验人员方便监控试验进程。4.2.3传感器数据采集与处理流程设计传感器数据的采集与处理的流程如图4-7所示：开启系统后，首先选择需要测试的飞机类型，不同的飞机对应着不同的测试、信号处理、电子组合的方法；然后初始化实验的各项参数，它包括传感器的数量、采集通道等；完成各项工作准备后，计算传感器各个频段的拟合参数，即传感器标定。标定完成后，进行实验，传感器的信号经过采集卡后，经过A/D转换、滤波后进入到计算机，计算机对传感器信号进行二次滤波，最后在虚拟仪器的面板上显示，之后进行波形信号的时域与频域分析。[15]4.2.4传感器模块程序设计1.传感器标定模块标定振动传感器是必不可少的重要环节，由于该标定装置的工作频率范围在O—50KHz之间，所以对每一个点进行标定时不切实际的。我们在软件标定中采用了分段折线拟合的方法。系统每隔5OOHz设置一个标定点，即OHz,500Hz...4500Hz,5OO0Hz，总共10个标定数据区间，若被测频率介于两个频率之间时，采用直线拟合的方法来求解标定系数。系统的标定流程如图4-8所示:标定时，在不同的频率波段内分别测量几组数据，然后直线拟合每组数据并计算出其斜率和截距，最后数据存数到本地数据库中，当实际测量时，程序会根据测量信号的振动频率来选择相应的拟合参数。曲线拟合是从多组的实验数据中求得Y与变量X的一个近似函数：f(x)=F(x,a0,a1，..，an)的过程，其中a0,al,...，an是曲线拟合的参数。本文选择最小二乘法原理的曲线拟合方法，它自动对实验数据进行曲线拟合，从而得到达到精度要求的拟合方程和拟合参数，它的误差平方和为最小。标定程序的前面板和程序框图如图4-9所示:4.3小结本章介绍了飞机发动机振动传感器标定仪器的硬件电路，包括离位检测电路，对电路的组成模块进行简单的介绍。同时介绍了该系统的软件设计，虚拟仪器的设计是该系统的核心部分，并详细介绍了该系统软件组成模块和数据采集系统，同时介绍了重要组成模块的软件设计的思路，重点介绍了传感器自标定模块。第五章总结5.1总结本文设计了一种飞机发动机振动传感器检测装置，并通过实验验证了方法的可行性。本文所需做的主要工作如下:(1)介绍了振动测量原理以及设备标定原理，对飞机发动机振动标定装置的各项需求与指标进行了分析，重点研究了离位振动传感器测试方法，发现了研制过程中可能出现的干扰因素与采用了预防措施。(2)对飞机发动机振动传感器标定装置的各项需求与指标进行了分析，并提出了本文的研究方案。(3)本文搭建了基于LabVIEW的振动标定装置，重点研究了传感器标定模块。最后进行样机性能测试，包括传感器标定、离位振动传感器测试。设备的模块化设计是本课题最大的优势，测试系统、电源、控制系统、显示系统均为独立单元，且实现各功能采用的硬件也是独立模块，这种设计能保证能迅速发现设备故障原因，并能快速更换故障模块，方便了设备维护。5.2技术成熟程度及推广应用前景飞机发动机振动传感器标定装置采用的引进设备均为专业产品公司系列化的、成熟的、高品质货架产品。飞机发动机振动传感器标定装置采用的国内设备、原材料和元器件均采用专业军工厂所或专业公司的高品质军工产品或货架产品。飞机发动机振动传感器标定装置采用的国外设备、原材料和元器件均选用通用、高品质的并有多种替代型号，并有良好服务保障的产品，如NI(美国国际仪器公司)的产品。设备、元器件和原材料均有质量保证和可靠的供货来源，可以满足批量生产的需要。1)飞机发动机振动传感器标定装置采用相对独立封装和模块化设计，结构上保证了便于携带和运输，同时保证了能迅速发现和排除故障，提高了设备的自我保障能力，满足了推广应用的基本要求。2)研制的装置具有容易操作、人机界面友好、数据显示直观和判据标志明显等优点，大大降低计量人员的技术要求，方便部队的使用的培训，实现了推广应用的条件。3)设备采用的都是标准的批量货架的产品，其价格低廉，性能可靠，提供了为推广应用优越的成本基础。5.3存在的问题及展望在方案设计阶段，选择了一种成本较低、分立元件较多的设计方案。试验表明，能够达到预定的信号发生功能，但是由于较多的分立元件，就会出现维护、保障困难，可靠性相对较差的问题。目前采用了较多的进口标准设备，在满足技术标准的前提下，拟逐步用国产设备，以进一步降低成本，并提高自主保障能力。致谢毕业论文的设计工作是我在导师—王克平的悉心关怀和精心指导下完成的，在我的毕业论文的工作中，导师灌注了辛勤的汗水和心血。我从导师身上看到了的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神