艦載裝備便攜式高精度振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(1.海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001； 2.海軍91115部隊(duì)，浙江 定海 316000)

0 引言

隨著亞丁灣護(hù)航、環(huán)球出訪、聯(lián)合演習(xí)等任務(wù)的不斷增多，我海軍艦艇出海時(shí)間越來越長，艦艇及艦載武器裝備經(jīng)受了全年全球各種海況下的考驗(yàn)，但也為艦載裝備的保障提出了新的難題。其中，對艦載裝備實(shí)施全時(shí)域、全海域環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理進(jìn)而提高保障效率、增強(qiáng)可靠性、發(fā)揮武器效能是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。針對艦載武器振動(dòng)環(huán)境測量儀器缺乏的困境，本文采用高精度振動(dòng)測量傳感器設(shè)計(jì)了一款便攜式艦載武器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，能有效滿足各種安裝、貯存位置下艦載裝備的振動(dòng)測量。

1 總體設(shè)計(jì)

考慮到振動(dòng)測量的便捷性與時(shí)效性，艦載裝備的振動(dòng)測量與數(shù)據(jù)分析分別由三軸傳感器、高精度振動(dòng)監(jiān)測儀和安裝數(shù)據(jù)分析處理軟件的下位機(jī)組成[1-3]，如圖1所示。其中，4個(gè)三軸傳感器用來采集/監(jiān)測艦船裝備的振動(dòng)沖擊信號；高精度振動(dòng)監(jiān)測儀由PC104主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、12路信號調(diào)理器、LVDS顯示屏、電源轉(zhuǎn)換及管理模塊、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和大容量鋰電池組成，完成對傳感器采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)初步處理和存儲(chǔ)功能[4]；下位機(jī)為安裝數(shù)據(jù)分析和處理軟件的計(jì)算機(jī)，用于完成對高精度振動(dòng)監(jiān)測儀下載數(shù)據(jù)的波形、功率譜等分析功能。通常，高精度振動(dòng)監(jiān)測儀和傳感器安裝在被監(jiān)測對象上(艦船或艦載裝備)，高精度振動(dòng)監(jiān)測儀可由單相交流220 V供電，也可由內(nèi)部大容量鋰電池供電；下位機(jī)置于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理中心。

圖1 振動(dòng)測量系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)與選型

2.1 振動(dòng)測量儀基本指標(biāo)

根據(jù)被測對象及監(jiān)測環(huán)境需求，振動(dòng)測量儀應(yīng)滿足以下基本指標(biāo)：

監(jiān)測信號路數(shù)：≥12；

振動(dòng)信號分辨率：≤0.000 02 g；

監(jiān)測頻率：0.1～1 kHz；

工作溫度：-25～+75 ℃；

連續(xù)工作時(shí)間： ≥120小時(shí)(DC供電)；

≥90天(220 VAC供電)；

重量：≤15 kg(含蓄電池)；

長寬高：≯450 mm×300 mm×200 mm。

2.2 高精度振動(dòng)監(jiān)測儀設(shè)計(jì)

2.2.1 PC104主控模塊選型

圖2 電源轉(zhuǎn)換及管理模塊原理圖

PC104主控模塊選用深藍(lán)宇的PCM-3587，該模塊是一款性價(jià)比極高、尺寸極其緊湊、專為PC104應(yīng)用設(shè)計(jì)的嵌入式控制模塊。它的Vortex86DX處理器整合了南北橋、SPI BIOS、LPC、串/并口、高速USB2.0及10 M/100 M以太網(wǎng)等資源，尤其是采用的超低供電圖形顯示芯片VolariTMZ9S總耗電量僅為1 W，但其VGA顯示輸出高達(dá)1 600×1 200；此外，顯示芯片Z9S可以很容易地連接平板顯示，且支持TFT和LVDS輸出。這些特點(diǎn)使得振動(dòng)監(jiān)測儀更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)備體積小、功耗低等設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊選型

數(shù)據(jù)采集模塊選用深藍(lán)宇的基于PC104總線PCL-2101，該模塊具有16路12位分辨率的模擬量輸入通道、4路12位分辨率的模擬量輸出通道、24路TTL/CMOS數(shù)字I/O通道、6通道16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4路8位的PWM輸出通道以及可編程外圍接口等資源，且具有250 kHz的最大A/D采樣率、1024位數(shù)據(jù)深度FIFO緩存等優(yōu)異性能指標(biāo)，特別適用于結(jié)構(gòu)緊湊、高可靠的嵌入式應(yīng)用。

2.2.3 信號調(diào)理器

由于所選用高精度三軸振動(dòng)傳感器需要24 VDC/4 mA的恒流源供電，且輸出信號疊加在8～12 V直流偏壓上，因此需要對振動(dòng)信號進(jìn)行調(diào)理，振動(dòng)儀選用了與三軸傳感器相匹配的8通道信號調(diào)理器LC0201。每通道均可有效濾除傳感器疊加的直流偏壓，調(diào)理信號頻率可達(dá)0.1 Hz～30 kHz，工作電壓為直流18～36 V，可提供三軸傳感器所需的24 VDC/4 mA的直流恒流源。由于采用4個(gè)三軸振動(dòng)傳感器，共需12路信號調(diào)理通道，故需要兩臺(tái)信號調(diào)理器完成12路信號調(diào)理。

2.2.4 LVDS顯示模塊

考慮到振動(dòng)儀的便攜性與功耗，顯示模塊選用了尹萊仕光電科有限公司的7寸LVDS液晶模組+USB觸摸模塊SVB-LT0701-TP，它集成LVDS驅(qū)動(dòng)板模塊、USB觸摸控制模塊、7寸LED數(shù)字工控屏和4線電阻觸摸屏；具有24位LVDS信號輸入、標(biāo)準(zhǔn)USB接口、背光控制接口等資源；恒流LED背光工作模式，工作溫度范圍-20～+70 ℃，存儲(chǔ)溫度范圍-25～+80 ℃，功耗小于0.5 W；非常便于接入ARM系統(tǒng)和嵌入式工控主板。

2.2.5 電源轉(zhuǎn)換及管理模塊

振動(dòng)儀交流220 V和直流蓄電池兩種供電模式，若被監(jiān)測裝備可以提供220 V交流電，則采用交流供電，否則采用直流蓄電池供電；不管采用直流供電還是交流供電，都要轉(zhuǎn)換為振動(dòng)儀需要5 V和24 V兩種直流電源。此外，為充分提高蓄電池供電效率、盡可能延長無交流供電時(shí)系統(tǒng)工作時(shí)間，綜合運(yùn)用電源管理總線、電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整、動(dòng)態(tài)電能均衡等技術(shù)研制了智能化數(shù)字電源管理電路，該電路與過熱、過壓、電流監(jiān)測、220 VAC/24 VDC轉(zhuǎn)換電路和24 VDC/5 VDC轉(zhuǎn)換電路共同構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換與管理模塊[5]，如圖2所示。

2.3 三軸振動(dòng)傳感器

依據(jù)監(jiān)測需求，考慮艦載裝備特點(diǎn)[6]，三軸振動(dòng)傳感器選用了朗斯測試技術(shù)有限公司的LC0161壓電加速度傳感器，該傳感器內(nèi)裝微型IC放大器，將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集一體，能直接與記錄、顯示和采集儀器連接，簡化了監(jiān)測系統(tǒng)、提高了測試精度和可靠性；其振動(dòng)信號分辨率為0.000 02 g，X軸、Y軸和Z軸的靈敏度分別為1 008 mV/g、1 000 mV/g和1 008 mV/g，頻率測量范圍為0.1～1 000 Hz(±10%)，可抗300 g沖擊，溫度范圍為-30～+80 ℃，適應(yīng)全球95%以上海域。

LC0161三軸振動(dòng)傳感器采用先進(jìn)的隔離剪切和三角剪切結(jié)構(gòu)，美國原裝進(jìn)口的微型IC放大器基本組成為MOS場效應(yīng)管，并由輸入端的高阻值電阻與傳感器電容構(gòu)成一個(gè)一階高通濾波器，由此確定傳感器測量中的低頻截止頻率。內(nèi)置IC傳感器信號輸出具有兩線聯(lián)接特征，即信號輸出線與供微型IC放大器用的恒流源輸入線為同一根線，另一根為地線，信號輸出線可以用屏蔽效果好的低噪聲同軸電纜。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及與信號調(diào)理器電氣連接如圖3所示。

圖3 三軸振動(dòng)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及與信號調(diào)理器連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分除數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置等基本程序外，主要包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)分析程序，其中數(shù)據(jù)采集程序安裝在振動(dòng)儀上，數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)分析程序安裝在下位機(jī)上[7-8]；重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析的設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序?qū)?個(gè)三軸振動(dòng)傳感器采集的12路模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲(chǔ)，流程如圖4所示。數(shù)據(jù)采集程序首先對PCL-2101數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行初始化，然后通過向一個(gè)8位的通道選擇寄存器寫入地址來選擇振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入通道，寄存器的低4位選擇低通道，高4位選擇高通道，若低4位和高4位為相同值，則表示是同一個(gè)通道，這樣A/D變換時(shí)，模塊選中的通道寄存器會(huì)自動(dòng)遞增到選擇范圍內(nèi)的下一個(gè)通道，避免了在同一組通道上進(jìn)行A/D變換時(shí)變更通道地址；通道選擇后，完成模擬前端電路設(shè)置大概需要10 μs，而后即可在選擇的通道上進(jìn)行A/D變換；由于A/D變換器完成一次A/D變換至少需要10 μs的時(shí)間，而處理器和軟件運(yùn)行都很快，因此需要一個(gè)查詢來完成延遲等待；完成A/D變換后，就可以從A/D變換器中讀取變換后的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是一個(gè)12位的數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)，先讀出一個(gè)低8位的數(shù)據(jù)、再讀出一個(gè)高4位的數(shù)據(jù)，最后得出的12位無符號整數(shù)即為該次采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，即可結(jié)束采集或轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行再次采集。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)處理程序

綜合考慮振動(dòng)監(jiān)測儀監(jiān)測數(shù)據(jù)量大與內(nèi)置存儲(chǔ)空間有限的問題，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用了占用空間較小的二進(jìn)制模式進(jìn)行存儲(chǔ)，且各傳感器采集的數(shù)據(jù)是連續(xù)存儲(chǔ)的，因此，采集的數(shù)據(jù)是按時(shí)間序列存儲(chǔ)的一長串二進(jìn)制文件，而數(shù)據(jù)處理程序主要完成12個(gè)通道采集數(shù)據(jù)的分離及數(shù)據(jù)由二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制兩個(gè)功能。由于PCL-2101模塊具有12位的分辨率，即每采集一個(gè)數(shù)據(jù)占12個(gè)二進(jìn)制位，而2塊模塊的模擬量輸入最多16路，因此可用4位二進(jìn)制數(shù)表示，這樣采集的數(shù)據(jù)和通道號合起來共16位，組成2個(gè)字節(jié)，即每個(gè)A/D數(shù)據(jù)占2個(gè)字節(jié)，其高4位為采集數(shù)據(jù)的通道位，低12位為采集的加速度值的二進(jìn)制表示。因此，可將高4位作為數(shù)據(jù)通道分離的標(biāo)志符，其值應(yīng)小于12。充分利用高4位數(shù)據(jù)，確定每個(gè)采集數(shù)據(jù)的起始與終止是關(guān)鍵，也是數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)之一。數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。其中，“搜索標(biāo)志位”用于界定單次采樣數(shù)據(jù)的位置；“數(shù)據(jù)起始標(biāo)志位”和“數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志位”用于判定該次數(shù)據(jù)是否為對應(yīng)通道的數(shù)據(jù)；“搜索規(guī)則”用于判定分離的數(shù)據(jù)通道；“轉(zhuǎn)換規(guī)則”用于避免轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不是采集的12位振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)分析程序

理論上，可利用各種算法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到對艦載裝備的監(jiān)測目的。本系統(tǒng)中，主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及功率譜分析，得到在典型海況和工作情況下艦載裝備的受到的沖擊范圍、頻次與功率譜。數(shù)據(jù)分析程序主要利用安裝于下位機(jī)的Matlab軟件編程完成，時(shí)域顯示較為簡單，即繪制3.2中轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間(或采樣點(diǎn)數(shù))波形。隨機(jī)振動(dòng)功率譜分析中的功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)載荷激勵(lì)下響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，一般可表示為功率譜密度值與頻率的關(guān)系曲線。在此采用了改進(jìn)的周期圖估計(jì)方法來對監(jiān)測的振動(dòng)信號進(jìn)行功率譜分析[9-10]，體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是用平均法降低功率譜估計(jì)的方差，即將數(shù)據(jù)分成不重疊的數(shù)據(jù)段，然后求平均的周期圖，平均的段越多，估計(jì)結(jié)果的方差也就越小，但隨著分段的增加，雖然方差減小了，估計(jì)的偏差會(huì)變大，因此在使用平均周期圖法時(shí)，需要在估計(jì)期望值偏差和估計(jì)方差之間進(jìn)行權(quán)衡；二是使用非矩形窗的方法來改進(jìn)周期圖估計(jì)方法，即在周期圖前給每段信號加一個(gè)非矩形的數(shù)據(jù)窗，因?yàn)榇霸趦蛇厺u變?yōu)?，所以這種方法降低了由于重疊導(dǎo)致的段間統(tǒng)計(jì)相依的效應(yīng)，且實(shí)踐表明，取合適的窗函數(shù)(如海明窗、漢寧窗或凱塞窗)和一半段長度的重疊率，可以最有效的降低估計(jì)的偏差。

4 應(yīng)用結(jié)果及分析

4.1 某型艦載裝備振動(dòng)環(huán)境的監(jiān)測

振動(dòng)儀研制成功后，對多型艦船、多型艦載裝備進(jìn)行多海況、全天候振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測，取得了大量振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為艦載裝備的設(shè)計(jì)、維修保障和可靠性分析提供了真實(shí)、海量數(shù)據(jù)支持。圖6為應(yīng)用該振動(dòng)儀對某型艦載導(dǎo)彈艦上貯存狀態(tài)下振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用圖，圖中4個(gè)三軸振動(dòng)傳感器通過強(qiáng)力磁座吸附于設(shè)備上(也可以通過轉(zhuǎn)接螺栓等其他固定方式以適應(yīng)不同監(jiān)測環(huán)境)，且傳感器安裝方向Z軸指向艦艏方向，X軸指向水平向上，Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手系指向右弦；綠色箱子為振動(dòng)儀；黑色箱子為傳感器及數(shù)據(jù)傳輸線存放箱。由于監(jiān)測對象無交流供電系統(tǒng)，因此，監(jiān)測全程采用內(nèi)置蓄電池組直流供電，經(jīng)實(shí)際記錄，蓄電池可供振動(dòng)儀以24次/s(12個(gè)通道每秒鐘各采集2次)的采樣頻率不間斷工作144小時(shí)。

圖6 某型艦載裝備振動(dòng)監(jiān)測圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對某次軍艦遠(yuǎn)洋訓(xùn)練時(shí)，海況較好且快速航行狀態(tài)下，對艦載導(dǎo)彈的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)(1號傳感器)處理后，繪出的時(shí)域振動(dòng)波形如圖7～圖9所示?？梢钥闯觯炤d導(dǎo)彈受到的上下振動(dòng)沖擊較為平衡，典型值為0.012 g，最大不超過0.028 g；左右振動(dòng)沖擊不平衡，左右向典型值分別為0.01 g和0.025 g，左右向最大值分別為0.28 g和0.059 g；前后振動(dòng)沖擊不平衡，前后向典型值分別為0.017 g和0.015 g，前后向最大值分別為0.037 g和0.019 g。

圖7 1號傳感器X軸(上下)振動(dòng)波形圖

圖8 1號傳感器Y軸(左右)振動(dòng)波形圖

圖9 1號傳感器Z軸(前后)振動(dòng)波形圖

5 結(jié)束語

掌握全球各海域全天候海況參數(shù)對實(shí)現(xiàn)我國海軍前出作戰(zhàn)、全球保障、裝備適應(yīng)性和可靠性設(shè)計(jì)具有重要意義，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制后，批量裝配于我國海軍護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦等各類艦艇，利用遠(yuǎn)洋訓(xùn)練、實(shí)彈演習(xí)、綜合演練、全球出訪等各種時(shí)機(jī)，采集了各種海域、各種海況下艦載裝備承受的振動(dòng)/沖擊參數(shù)。國內(nèi)各武器裝備生產(chǎn)廠家對大批量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將分析結(jié)果用于現(xiàn)役裝備改進(jìn)和新型裝備設(shè)計(jì)，有效提高了裝備的適應(yīng)性和可靠性。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有精度高、體積小、功耗低、易于運(yùn)輸、便于安裝、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。