| 基于LabVIEW的气垫船模试验平台测试系统
应用领域：研发/实验室自动化
挑战：建立气垫船模试验平台的测试系统，对多通道超低频实验信号进行数据采集、存储、在线分析和离线后处理。
应用方案：使用NI公司的LabVIEW6.1数据处理软件，配合16位16通道的A/D转换卡—PCI-6034E、SCXI-1102B信号调理模块等硬件设备，开发一个多通道、大数据流的测试系统，对船模的升沉、横摇及纵摇等频响信号加以采集分析处理，为气垫船的设计提供有效的试验参考。
使用的产品：LabVIEW6.1 PDS，PCI-6034E，SCXI-1102B及其它配套硬件。
介绍
在气垫技术实验室的建设中采用虚拟仪器技术，基于LabVIEW的强大功能，开发了一套信号采集处理系统，可实现多通道超低频信号的时域/频域示波及失真度分析等。该测试系统代替了由大量硬件才能实现的传统的数据采集分析处理功能，较大地较少了船模试验过程中的工作量，且提高了试验可靠性，为气垫船的试验研究提供了有效手段，具有较好的应用前景。
1．引言
在气垫船设计过程中，船模试验结果对于实船的设计具有重要的参考作用。为此，特建立船模试验平台以产生升沉、横摇、纵摇等方式性能分析，指导实船设计。对作为激振信号的试验平台运动精度要求很高，需准确记录平台的驱动信号，以检验其失真度是否满足要求；而对船模运动响应的数据记录要求准确，以便进行有效的分析，为实船设计提供可靠的依据。
该实验系统由船模试验平台、相关传感器、数据采集模块、工控机、数据处理软件、显示仪表等部分组成，
为实现信号采集及数据处理，采用NI公司的16位16通道的A/D转换卡PCI_6034E和SCXI-1102B信号调理模块及其他配套设备进行数据采集。基于LabVIEW 6.1 PDS的强大功能，通过二次开发实现了单通道、多通道信号的数据采集、存储、失真度等信息在线分析，及信号的迅速离线后处理等，并可将某一次试验结果与历史数据绘在同一曲线图中进行比较，圆满完成了测试和分析任务。
2. 气垫船模试验系统简介
整个系统主要有三部分组成：液压振动平台、气垫船模随动机械装置和测试系统。振动平台采用电液伺服式闭环控制，可达到较高的运行精度，其结构原理见图1。振动平台能产生作为扰动输入的正弦形式的升沉、横摇、纵摇运动信号。随动机械装置作用于船模的运动中心，用于船模的定位及船模升沉位移传感器的安装。
3. 测试系统硬件组成
测试系统所采用的NI公司的硬件设备为：PCI-6034E A/D card，1102B Signal conditioning module，BNC-2095，SCXI-1000 chassis，SH96-96, SCXI-1349 shielded cable。所使用的信号传感器为：Jewell公司的摆角传感器LCF100，Drucker公司的压力传感器，Schaevitz公司的加速度传感器LSBP-2，及阜新厂的位移传感器。
4. 数据处理软件编制
通过调研，我们选用当时最为先进的LabVIEW 6.1 PDS作为开发平台。
由于要得到气垫船的频响特性，对作为扰动源的振动平台输入要求有较高的精度，平台的升沉、横摇、纵摇振动，要求其幅值、频率、失真度要控制在一定范围之内。这三路信号作为系统需采集分析的一部分，再加上船模的升沉、横摇、纵摇运动响应，及船艏、船舯、船艉处的加速度，与前/后气室的气垫压力，共有11个通道的信号需加以采集分析。我们在LabVIEW中编制了两个程序，一为单通道信号的采集分析，可在线显示波形并得到该通道信号的幅值、频率及失真度信息，对于低频信号为得到该信号的失真度等信息，所分析时间段内的信号至少应包含几个完整波形，且所需分析的时间长度与被测信号频率有关，为便于自动调整，我们开发了相应的程序。另一程序为多通道信号的采集分析，由于此时的数据量较大，为不影响正常的数据采集保存，在显示所有通道时间历史曲线的同时,数据绘制在同一曲线图中，以方便比较。
4.1 信号失真度的在线分析
在LabVIEW中，可方便实现类似硬件示波器的功能，即连续采集信号，在线动态显示并刷新。对于超低频信号（如f=0.2Hz），为保证波形的完整及连续变化，需采用移动寄存器，以保留前面合适长度的时间段内所采得的数据，并与当前采得的数据合并形成显示波形。为便于失真度分析，亦需包含几个完整波形周期的数据信号，这就需要先求出所测信号对应的频率。先以较高的采样频率对振动信号采样，分析得到其频率，以前后两次分析得到的频率相差1％以内，即认为已得到信号的频率。从而可确定合适的数据分析时间长度，对这些数据即时分析，便可得到失真度。对于多通道信号，由输入的channel name string中分离出各通道的名称，对每个通道的信号先进行分析，得出该通道信号的频率；据所有通道的频率，即可确定合适的总采样频率及分析时间长度，从而实现各通道信号失真度的在线分析。
4.2 程序实现
由输入的通道名称(channel name string)分离得到所有通道的名称，LabVIEW中无实现此功能的模块。因此，我们用不同的编程语言编制了实现此功能的子程序，分别为：LabVIEW中用G语言编制的subVI[1]，通过System Exec.vi调用VB生成的exe程序[2]，通过Call Library Function调用VC＋＋编制的DLL文件[3]。
该子程序的流程图，见图2。对于VB程序，利用VB获取命令行参数的功能，将保存初始channel name string的临时文件名传给VB程序，并将分离得到的通道名保存到该临时文件中，由LabVIEW程序读取。调用VC编制的DLL文件的subVI中，将源参数，从而得到目标字符串中的通道名称。总信号采集及分析VI相应的Block Diagram见图3。它包括手动输入采样频率，及由程序自动确定合适的采样频率两种运行方式。可以在线显示所有通道信号的时间历史曲线，及某一指定通道信号的详细信息，如幅值、频率、失真度、波形因数、峰值因数等。
4.3 试验验证
我们编制的程序在振动平台信号分析中的实测结果见表1与表2。表1中的对比结果，为上海计量院利用丹麦B&K公司的PULSE Labshop(v7.0)软件同步测得信号的分析结果。表2为另一次试验的数据，表中的对比结果为美国惠普公司的HP信号动态分析仪同步测得信号的分析结果。从两次试验的结果比较，可以看出本文编制的程序是实用可靠的。
4.4 与以前试验数据的比较
由于本测试系统中所用到的传感器较多，为保证系统整体每次试验时的状态良好，本文编制了一程序可将测得的信号分析结果与以前试验的数据加以比较，以验证测试系统的完好性。程序中信号的存储选用文本格式，将每次采样循环中的信号及循环号作为一批数据添加到数据文件的尾部，这样在采样过程中可随时加以停止采样，而保存的数据不受损害。后处理程序根据保存的数据文件可选择不同的用于分析的数据段的起始位置及长度；为便于精确的FFT变换分析，程序中可依据试验信号的频率精确定位到某批数据的某个点。程序中对信号的滤波采用Butterworth滤波器，其参数有自动设置与手工设置两种方式，可任选其一。可在程序中进行滤波窗口的选择，可以选择三角窗、汉宁窗、海明窗、布喇克曼窗等窗口中的一种，或是不要进行窗口滤波操作。对不同的信而气垫压力变化与加速度响应需给出均方根值随输入频率的响应曲线。程序中提供了相应的数据处理方式，可自动加以选择。
5 结束语
与其他软件及硬件系统同步测得结果的比较，表明本文编制的数据采集分析程序功能稳定，满足了试验要求。LabVIEW具有的“所见即所得”编程思想及图形式开发语言(G语言)，使程序开发变得非常直观，可大大减少入门难度及开发时间。特别是其强大的数据处理分析功能，使得信号的采集及分析更为方便。目前，我们的实验室正在扩建，已计划采用NI公司的LabVIEW 7 Express与Vision模块来满足新的测试要求。
参考文献：
1、刘炳文《精通Visual Basic 6.0中文版》[M] 北京：电子工业出版社 1999：142~180
2、张冬玲,闻翔,金梁 “LabVIEW高级应用” [J] 计算机软件与应用 2003(1)：20~21
3、D.J.Kruglinski,S.Wingo,G.Shepherd《Visual C++6.0技术内幕(第五版)》[M] 北京：希望电子出版社 1999：509~538
表1、与计量院B&K PULSE Labshop测量软件同步测得结果的比较
| |
|
计量院测试结果 |
|
本文软件测试结果 |
| 试验 |
频率 |
实测频率 |
振幅 |
THD |
激振器 |
实测频率 |
振幅 |
THD |
| 内容 |
(Hz) |
(Hz) |
mm(峰值) |
% |
序号 |
(Hz) |
mm(峰值) |
% |
|
升沉振动 |
0.2 |
0.200 |
19.953 |
0.56 |
|
0.2001 |
19.935 |
0.580 |
| 1.0 |
1.002 |
19.953 |
0.64 |
|
1.0002 |
19.808 |
0.646 |
| 3.0 |
3.001 |
9.979 |
1.47 |
|
3.0012 |
9.982 |
1.485 |
| 5.0 |
5.003 |
9.974 |
1.33 |
|
5.0029 |
9.965 |
1.609 |
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
横摇振动3o |
0.2 |
0.200 |
15.550 |
0.42 |
1号 |
0.2000 |
15.536 |
0.425 |
| 0.200 |
15.169 |
0.66 |
2号 |
0.2000 |
15.165 |
0.693 |
| 0.200 |
15.185 |
0.64 |
3号 |
0.2000 |
15.172 |
0.667 |
| 1.2 |
1.200 |
15.366 |
0.94 |
1号 |
1.2000 |
15.361 |
0.939 |
| 1.200 |
15.328 |
1.84 |
2号 |
1.1999 |
15.319 |
1.827 |
| 1.200 |
15.387 |
0.96 |
3号 |
1.2000 |
15.377 |
0.941 |
| 3 |
3.001 |
15.004 |
1.51 |
1号 |
3.0011 |
14.991 |
1.554 |
| 3.001 |
15.270 |
1.67 |
2号 |
3.0011 |
15.752 |
1.711 |
| 3.001 |
15.682 |
1.27 |
3号 |
3.0011 |
15.672 |
1.303 |
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
纵摇动动3o |
0.2 |
0.200 |
30.691 |
0.74 |
2号 |
0.2000 |
30.659 |
0.744 |
| 0.200 |
30.752 |
0.74 |
3号 |
0.2000 |
30.726 |
0.736 |
| 1.2 |
1.200 |
30.669 |
1.3 |
2号 |
1.2000 |
30.659 |
1.301 |
| 1.200 |
30.769 |
0.98 |
3号 |
1.2000 |
30.726 |
0.989 |
| 3 |
3.001 |
30.973 |
1.87 |
2号 |
3.0010 |
31.019 |
1.901 |
| 3.001 |
30.472 |
1.76 |
3号 |
3.0012 |
30.475 |
1.783 | 表1、与计量院B&K PULSE Labshop测量软件同步测得结果的比较
| 试验内容 |
频率(Hz) |
HP仪器实测值(%) |
本文软件测试值(%) |
激振器序号 |
| 升沉振动 |
0.2 |
0.558 |
0.54 |
|
| 1 |
0.644 |
0.622 |
|
| 2.5 |
1.27 |
1.26 |
|
| 5 |
1.6 |
1.56 |
|
| 横摇振动 |
0.2 |
1.83 |
1.78 |
1号 |
| 0.446 |
0.412 |
2号 |
| 0.474 |
0.45 |
3号 |
| 1.2 |
1.16 |
1.195 |
1号 |
| 1.26 |
1.346 |
2号 |
| 0.777 |
0.807 |
3号 |
| 3 |
1.57 |
1.57 |
1号 |
| 1.72 |
1.707 |
2号 |
| 1.73 |
1.707 |
3号 | 表2、与HP信号动态分析仪同步测得THD结果的比较
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