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基于LabVIEW的旋转机械振动相位软测量方法
张磊杨建刚杨为民/东南大学火电机组振动国家工程研究中心

摘要：提出了在虚拟仪器LabVIEW开发平台上测量旋转机械振动相位的一种方法。试验表明，该方法可行，测量数据准确。
关键词：旋转机械；相位；振动；虚拟仪器
中图分类号:TK39；TH825文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2007）06-0056-03
MeasurementMethodforVibrationPhaseofRotatingMachineryBasedonLabVIEW
Abstract:ThispaperpointesoutamethodformeasuringvibrationphaseofrotatingmachinerybasedonLabVIEW.Themethodhasbeenprovedreliableandaccurateinmeasuringdata.
Keywords:rotatingmachinery;phase;vibration;virtualinstrument

0引言
相位对于旋转机械振动分析非常重要，相位准确与否直接影响到转子动平衡的精度。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术，是当前测控领域的技术热点。LabVIEW是虚拟仪器概念的首创者，它包含了丰富的用于数据采集、分析表达及数据存储的库函数，在信号处理方面有着强大的功能。
用虚拟仪器替代传统测试仪器进行振动的测试、分析已经成为一个新的研究热点。旋转机械振动测试分析时，振动相位测量的准确性和可靠性是影响虚拟仪器在该领域应用的一个重要因素。
旋转机械振动相位有其特定的定义，即基频脉冲信号相对于振动信号高点的角度差。在工程上最为有用的是基频振动相位，在此主要讨论基频振动相位测量。
1基频分量提取
旋转机械振动相位针对的是基频分量。实际振动信号中同时包括了基频、低频和高频等很多成分，需要从复杂的振动信号中提取出基频分量。基频分量可以通过数字滤波和相关滤波两种方法来实现。
1.1数字滤波器
LabVIEW软件中的数字滤波器可以实现该功能。虽然使用简单，只需在基频附近设置一个带宽较小的带通滤波，但信号通过数字滤波器时，部分信号会引起失真；而且信号经过数字滤波器后会有一个时间延迟，和原始信号存在一个相位差，如图2所示。这样对测量结果势必会造成误差。

图1振动信号图2数字滤波后信号图3相关滤波后信号
1.2相关滤波[1]
设待滤波信号为
产生的正余弦信号分别为；
令输出只保留直流成分，有

之后从上面的、中解析出原始信号，便于信号的观察：
这样就实现了从一个包含多种频率成分的信号中提取出所需要频率（基频）信号的功能，相当于实现了滤波。如图1和图3所示。
2相位测量方法
2.1相位概念
测量振动相位目前主要采用的是脉冲法。脉冲法测量相位的基本原理：在转子上贴一反光条或开一键槽，采用光电传感器或涡流传感器产生一个与转速完全同步的脉冲信号，求脉冲前沿与振动信号某一点之间的角度，即为振动相位(见图4)。可以由式得到，其中t是同一周期内方波的前沿与振动波形最大峰值之间的时间；T为振动波形整周期长度。

图4相位示意图
2.2提高相位测量精度的方法
在研究相位测量方法的过程中，先后提出了3种测量方法。
首先采用的是全周期平均法。即求出一次采集信号的平均周期，以替代，计算每个周期内的相位。发现转子旋转的过程中转速并非恒定的，会发生微弱的波动，因而信号中含有了周期长度各不相同的振动信号。若全部以来计算，每个周期的相位都会发生误差，通过若干个周期累积之后，相位就会发生较大的偏差。该现象在转子升降速过程中表现尤为突出[2]。
之后，为防止这样的累积误差，提出了短周期平均法。即求出第一个脉冲周期，从而找出4时间内振动信号的相位。考虑到转子在很短的时间内，转速变化基本可以忽略，所得相位值基本准确。这样虽减小了累积误差，却会引起非整周期采样，使得下一次测量时很难判断测量相位的起始点，造成相位测量的误差。
笔者提出了单周期相位测量方法[3]。首先找出脉冲信号的每个脉冲前沿所对应的点，由于脉冲信号与振动信号是同步采样，因此即为对应的第个振动信号的周期长度。在个点内找出幅值最大处对应的点，那么该周期的相位为，其具体实现过程见图6。此方法避免了不必要的误差累积，确保了每个周期相位测量的准确性和可靠性。也考虑到信号采集和计算过程中可能会出现遗漏或者干扰，通常会选择连续的4或者8个周期的相位平均后再输出，这样就提高了测量的精度。

2.3相位测量的软件实现
LabVIEW是数据流程图式的编程语言，即把采集的信号依次送入各信号处理单元，完成对信号的处理（图5）。
由于速度传感器不可能完全采集到完整的周