張魁煒 徐冠基 李文強(qiáng) 張海進(jìn) 呂曉鵬

摘 要：在研究高速動車組行駛過程中，車頂或車下吊掛艙內(nèi)設(shè)備振動狀態(tài)時(shí)，需要將被測設(shè)備上的加速度傳感器線纜引入車廂內(nèi)部以接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。布線及走線過程往往耗費(fèi)大量的時(shí)間。提出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)大大減少了傳感器線纜的使用，節(jié)省了測試前的準(zhǔn)備時(shí)間，提高了測試效率。

關(guān)鍵詞：LAN-XI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；無線傳輸；振動測試

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.16.095

0 引言

高速動車組車廂是一個(gè)相對封閉的空間，對車廂頂部設(shè)備（如空調(diào)室外機(jī)、受電弓等）或車下吊掛設(shè)備（逆變器、空氣壓縮機(jī)、齒輪箱、車體構(gòu)架等）進(jìn)行振動測試時(shí)，通常需要將傳感器線纜沿著車體通過客室門接入位于車廂內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對復(fù)雜大型車外設(shè)備進(jìn)行振動測試時(shí)，會使用大量的振動加速度傳感器。測試前傳感器線纜的布置與固定需要消耗大量的時(shí)間與精力，以保證列車在高速行駛的過程中高風(fēng)速、劇烈的振動以及雨雪天氣等因素不會使線纜脫落，而對列車正常運(yùn)行造成隱患。本文提出的振動試驗(yàn)數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)可省去在車外布置的傳感器線纜的工作，保證了列車運(yùn)行期間的安全性，減少測試前準(zhǔn)備時(shí)間，提高測試效率。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，無線傳輸系統(tǒng)是由硬件設(shè)備及軟件兩部分組成。硬件設(shè)備包括LAN-XI數(shù)采板卡及電池模塊、WLAN路由器、12V直流穩(wěn)壓電源及筆記本電腦。LAN-XI數(shù)采板卡與其相配套的電池模塊可組成一套完整的小型測試系統(tǒng)，采集傳感器的信號；WLAN路由器及一個(gè)直流電源組成可移動的無線信號發(fā)射傳輸模塊。這兩部分可靈活置于車外被測設(shè)備附近。測試人員可在車內(nèi)使用帶有WLAN功能的筆記本電腦進(jìn)行測試工作。測試用軟件包括數(shù)采前端設(shè)置軟件Reflex Front-end Setup、數(shù)據(jù)采集軟件Time Data Recorder及數(shù)據(jù)處理軟件Reflex。這套系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)線纜的束縛，可對高速行駛中的高速動車組車頂及車下設(shè)備進(jìn)行振動或噪聲信號的測試，利用配套軟件可對前端數(shù)采硬件進(jìn)行配置，實(shí)時(shí)觀測傳感器時(shí)域信號、頻域信號并對采集的信號進(jìn)行后處理。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 LAN-XI 3053 型數(shù)采板卡

LAN-XI數(shù)采系統(tǒng)是B&K;公司的一種模塊化的硬件系統(tǒng)。單模塊數(shù)采板卡可以作為獨(dú)立的前端使用，單個(gè)板卡可采集多至12通道的數(shù)據(jù)。需要采集更多通道數(shù)據(jù)時(shí)，可采用多個(gè)板卡組成多至1000+通道的分布式測量系統(tǒng)。其體積小，方便攜帶，特別適合于現(xiàn)場使用。LAN-XI 3053 型數(shù)采板卡是世界上最小的12通道數(shù)采板卡，它可以同時(shí)測量振動與噪聲信號，最高采集頻率可達(dá)65.5kHz。支持帶有TEDS 的IEEE 1451.4 智能傳感器，根據(jù)存儲于傳感器中的TEDS 信息實(shí)現(xiàn)傳感器自動設(shè)置，包括靈敏度、序列號、制造商和校準(zhǔn)日期。支持24V、3.6mA的CCLD供電、輸入電壓可達(dá)10V（峰值），并帶擴(kuò)展量程31.6 V （峰值）。LAN-XI 3053 型數(shù)采板卡支持RJ45接口通信，其采集的數(shù)據(jù)可以通過RJ45接口傳輸至WLAN路由器。

2.2 LAN-XI 2831-A型電池模塊

2831-A型電池模塊為可充電鋰離子電池，輸出電壓為14.8 V，容量為6400 mAh，與LAN-XI數(shù)采模塊的尺寸相同，可供單個(gè)LAN-XI數(shù)采模塊工作七個(gè)小時(shí)以上。前端面板上有電池狀態(tài)指示燈，可隨時(shí)查看剩余電量。電池模塊可以與數(shù)采模塊單獨(dú)組成小型測試系統(tǒng)，將其放置在被測系統(tǒng)附近，極大縮短了與傳感器的距離，減少傳感器線纜的使用，提高了系統(tǒng)的便捷性。

2.3 WLAN 路由器及供電模塊

WLAN是無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的簡稱，目前技術(shù)成熟，數(shù)據(jù)傳輸速率高，應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)有802.11/a/g/b/n/ac等幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，802.11g/b 協(xié)議為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4至2.4835GHz的頻率范圍，最大傳輸速度可達(dá)54Mbit/s，最遠(yuǎn)傳輸距離100米。WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高，傳輸半徑廣，適合作為采集數(shù)據(jù)的傳輸媒介。WLAN路由器一般需要一個(gè)12V穩(wěn)壓直流電源供電。WLAN路由器及其直流電供電模塊組成了單獨(dú)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，將由RJ45接口傳輸來的數(shù)采模塊信號轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)射出去。

2.4 信號接收端

信號接收端為一個(gè)帶有WLAN功能的筆記本電腦，通過WLAN來獲得數(shù)采的數(shù)據(jù)信號。通過在筆記本上預(yù)裝的軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)采設(shè)備管理及數(shù)據(jù)信號在線監(jiān)測與后處理等功能。

3 系統(tǒng)軟件組成

軟件系統(tǒng)由B&K;公司的Reflex Front-end Setup、Time Data Recorder、Reflex軟件組成。從功能上來分，這三個(gè)軟件分別實(shí)現(xiàn)了數(shù)采硬件前端設(shè)置、時(shí)域數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析的功能。這三個(gè)軟件高度模塊化，獨(dú)立工作。筆記本電腦連接WLAN路由器后，通過Reflex Front-end Setup軟件可遠(yuǎn)程激活數(shù)采設(shè)備。利用Time Data Recorder軟件可對數(shù)采前端進(jìn)行配置：檢查采集通道是否正常開啟，信號是否正常傳輸，設(shè)置數(shù)據(jù)儲存路徑，設(shè)置傳感器靈密度、采樣頻率及分析帶寬。Reflex軟件可直接讀取Time Data Recorder已采集的時(shí)域數(shù)據(jù)文件，對其進(jìn)行處理，如濾波、FFT（快速傅里葉變換）等。

4 無線傳輸系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用

圖2為測試流程圖，現(xiàn)以測試某高速動車組車頂空調(diào)室外機(jī)設(shè)備振動狀況為例，闡述測試流程。此次測試對分別對離心風(fēng)機(jī)固定架、離心風(fēng)機(jī)安裝座、壓縮機(jī)固定座、冷凝風(fēng)機(jī)固定座、空調(diào)機(jī)組安裝座布置了多個(gè)單向及三向加速度傳感器。由于離心風(fēng)機(jī)固定架最上方處振動幅值較大，故選擇量程為50g的三向加速度傳感器。其余測點(diǎn)位置因振動幅值較小，故選擇量程為10g的單向加速度傳感器。

本次測試共使用1個(gè)三向加速度傳感器、19個(gè)單向加速度傳感，總計(jì)22個(gè)通道。每個(gè)LAN-XI 3053 型數(shù)采板卡最多支持12個(gè)通道輸入，故使用2個(gè)LAN-XI 3053 型數(shù)采板卡及2個(gè)LAN-XI 2831-A型電池模塊，組成兩套獨(dú)立測試系統(tǒng)置于車頂被測空調(diào)設(shè)備附近。通過傳感器線纜就近與在被測設(shè)備上布置好的加速度傳感器相連。數(shù)采設(shè)備通電開機(jī)后，檢查是否每個(gè)數(shù)采通道都能采集到傳感器信號，若不能則重新檢查傳感器及線纜連接。本次測試選擇了一塊容量為11400mAh、輸出12V的直流電源為WLAN路由器供電。打開WLAN路由器供電電源并通過RJ45接口連接兩個(gè)數(shù)采與WLAN路由器。打開筆記本電腦，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接WLAN路由器，通過Reflex Front-end Setup 軟件查找并連接兩臺數(shù)采設(shè)備。若不能找到數(shù)采設(shè)備則重新檢查WLAN路由器供電是否正常。此時(shí)硬件設(shè)置全部完成，測試人員可以進(jìn)入車廂內(nèi)部，等待正式測試。

測試開始前，打開Time Data Recorder軟件，設(shè)置分析帶寬為1600Hz，由奈奎斯特采樣定律可知，采樣頻率至少為分析帶寬的2.56倍，故設(shè)置采樣頻率為4096Hz。開始測試后，通過Time Data Recorder軟件記錄時(shí)域數(shù)據(jù)，同時(shí)可以觀察數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)域及頻域數(shù)值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。測試結(jié)束后，通過Reflex軟件可對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，生成測試報(bào)告。

5 結(jié)束語

本文提出的振動試驗(yàn)數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性高的特點(diǎn)，大大降低了對傳感器線纜的依賴。數(shù)采系統(tǒng)與其電池模塊可組成獨(dú)立的測試系統(tǒng)、WLAN路由器與其供電模塊可組成獨(dú)立數(shù)據(jù)傳輸模塊，將其放置于被測設(shè)備附近，減少了傳感器線纜的使用，省去在車外布置的傳感器線纜的工作，因而避免了因被測設(shè)備上有多個(gè)傳感器多而產(chǎn)生走線難、走線亂的問題。對測量行駛中高速動車組車頂設(shè)備、車下吊掛倉內(nèi)設(shè)備振動情況提供了可行的解決方案。

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