機(jī)械振動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 開題依據(jù)
1.1 選題背景
用試驗(yàn)方法測量機(jī)械的振動量（如位移、速度和加速度等）和系統(tǒng)特征參數(shù)(如固有頻率、阻尼、振型等)，以及振動環(huán)境的模擬等，都屬于振動測試。研究機(jī)械振動時通常采用理論分析和測試兩種手段。通過測試可驗(yàn)證理論分析計(jì)算的正確性，提供所需的修正依據(jù)。20世紀(jì)80年代以來，振動測試儀器有了顯著的進(jìn)步，如傳遞函數(shù)分析儀、實(shí)時頻率分析儀和快速傅里葉分析儀的相繼應(yīng)用，并與電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，為振動測試和測試結(jié)果的分析處理提供了方便的條件，從而也進(jìn)一步推動了振動理論的研究和發(fā)展。系統(tǒng)的振動特性也可以應(yīng)用激光全息照相法拍下實(shí)物或模型在振動時的全息照片，根據(jù)全息照片中的干涉條紋圖案來分析。
1.2 本課題意義
對于機(jī)械振動測試系統(tǒng)目前大多數(shù)的廠家還不具備先進(jìn)的技術(shù)，裝置大多從國外引進(jìn)，從而設(shè)備成本較高。為了滿足生產(chǎn)需要而又不需要投資太多的資金，我們需要不斷學(xué)習(xí)國外的技術(shù)并不斷地創(chuàng)新，研制出自己的產(chǎn)品。因此，我選擇這個課題，對我來講，意義非常深刻，也是一次不錯的學(xué)習(xí)及自我能力提高的機(jī)會。
2 文獻(xiàn)綜述
2.1調(diào)研
針對這次機(jī)械振動測試的題目，我特別到工廠進(jìn)行調(diào)研。
我了解到的機(jī)械振動測試的主要原理，方法和基本的過程，機(jī)械振動的研究可歸結(jié)為機(jī)械系統(tǒng)的激勵、響應(yīng)和振動特性三個方面的問題。統(tǒng)稱為機(jī)械阻抗曲線。在已知其中兩個方面的情況下可求第三方面的問題。測得的機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)通常以幅頻特性曲線和相頻特性曲線、實(shí)部和虛部頻率特性曲線或幅相頻率特性曲線(Nyquist圖)3種形式表達(dá)，與之相對應(yīng)，振動測試的基本內(nèi)容包括：①已知激勵和系統(tǒng)的振動特性情況下求響應(yīng)，即振動量的測量；②已知激勵和響應(yīng)的情況下求系統(tǒng)的振動特性，即系統(tǒng)特征參數(shù)的測定，也稱參數(shù)識別；③已知系統(tǒng)的振動特性和響應(yīng)的情況下求激勵，即環(huán)境預(yù)測，即用時域描述的振動量時，這種測試稱為振動環(huán)境模擬試驗(yàn)。
3.振動測試方案
3.1 振動測試方案1的提出和組成原理圖
振動系統(tǒng)動態(tài)測試儀器的設(shè)計(jì)過程是：首先按圖1所示的流程圖布置好振動系統(tǒng)動態(tài)測試儀器的硬件系統(tǒng)；然后，在個人計(jì)算機(jī)上開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件；最后，振動系統(tǒng)動態(tài)測試與模態(tài)識別的全過程，都是在個人計(jì)算機(jī)上通過軟面板對話框和適當(dāng)?shù)目刂瓢粹o來完成。
信號發(fā)生器
被測機(jī)械振動系統(tǒng)
輸入
輸出
個人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及動態(tài)特性測試分析軟 件
X（n）
振動
傳感
器及
信號
調(diào)理
電路
Y1（n）
被測振動系統(tǒng)的
模態(tài)參數(shù)和數(shù)學(xué)模型的輸出
激
振
器
振動
傳感
器及
信號
調(diào)理
電路
數(shù)據(jù)采集卡DAQ，包含：
多路開關(guān)
放大器
采樣保持器S/H
A/D轉(zhuǎn)換器
YN（n）
……
圖1 振動系統(tǒng)動態(tài)測試儀器原理圖
3.2 激振方式、激振器和振動傳感器的布置
激振方式可分為正弦穩(wěn)態(tài)掃頻和寬頻帶激振兩大類。通常采用“正弦穩(wěn)態(tài)掃頻激振”，其優(yōu)點(diǎn)是激振能量集中，信噪比高，對于線性系統(tǒng)的動態(tài)特性測試具有很高的測量精度。
首先，根據(jù)測試分析要求及振動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定激振點(diǎn)的位置和測量點(diǎn)的數(shù)量N及各測量點(diǎn)的位置。對于空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，往往需要測量1個點(diǎn)的3個方向，這時應(yīng)選用三軸振動傳感器。安裝激振器時，必須注意激振力的正確施加。在安裝測振傳感器時，應(yīng)保證傳感器能正確感受被測體的振動。小型振動系統(tǒng)必須選用微型傳感器，以避免傳感器附加質(zhì)量影響振動系統(tǒng)動態(tài)特性。
3.3 振動系統(tǒng)動態(tài)測試應(yīng)用軟件的總體研究
根據(jù)對前面振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器原理圖的分析可知，振動系統(tǒng)動態(tài)測試應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)流程分為如下步驟：
(1)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制“信號發(fā)生器”產(chǎn)生激勵信號，再通過“激振器”施加于被測振動系統(tǒng)。激勵信號的數(shù)字序列為X(n)。
(2) 等待被測振動系統(tǒng)穩(wěn)定一定時間，然后計(jì)算機(jī)再發(fā)出指令同步采集數(shù)據(jù)序列X(n)和Y1(n)，Y2(n)，… ，YN(n) 。采樣時間間隔或采樣頻率應(yīng)符合采樣定理及頻率分辨率的要求。
(3)利用按本原理設(shè)計(jì)的專用軟件分析處理X(n)和Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)， 就可得出被測振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。
顯然，整套應(yīng)用軟件應(yīng)包括兩大部分，即操作控制部分和數(shù)據(jù)處理部分。由于目前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，已足以解決此應(yīng)用軟件中的操作控制部分，且鑒于篇幅有限，所以筆者對應(yīng)用軟件的操作控制部分不再作進(jìn)一步討論，下面重點(diǎn)研究應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)處理部分。
3.4 數(shù)據(jù)處理專用軟件的設(shè)計(jì)原理
3.4.1 濾波方法
由于數(shù)據(jù)序列在采集過程中難免會受到各種干擾， 所以必須采取有效的濾波算法對采集得到的數(shù)據(jù)序列Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)進(jìn)行修正。通常應(yīng)采用相關(guān)濾波算法，因?yàn)橄嚓P(guān)濾波可以有效地把真正由X(n)通過振動系統(tǒng)產(chǎn)生的信號從Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)中分離出來。將經(jīng)過濾波算法處理后的數(shù)據(jù)序列記為YN1(n)，YN2(n)，…，YNN(n) ，n=1,2, …,D 。D為采樣點(diǎn)數(shù)量。
3.4.2 頻率響應(yīng)函數(shù)的確定
將確定性信號看成隨機(jī)信號，采用離散數(shù)字隨機(jī)信號的相關(guān)譜分析原理。
XK(k) = FFT [X(n)] YK(k) = FFT [YN(n)]
SX(k) = ∣XK(k)∣2 /D SY(k) = ∣YK(k)∣2 /D
SXY(k) = XK*(k)YK(k) /D XK*(K)為XK(k)的共軛復(fù)數(shù)。
為減少數(shù)據(jù)處理誤差，要對SX(k)，SY(k)，SXY(k)采取平滑處理算法。分段時，相鄰兩段重疊50℅的效果最佳，即將記錄段X(n)，YN(n)分成多個樣本，分別進(jìn)行上述運(yùn)算后再求平均值。
VXY2(k) =∣ SXY(k)∣2 / [SX(k) SY(k)]， 相干系數(shù)VXY越接近1效果越好。
H(k) =SXY(k) / SX(k)， 由變量代換關(guān)系“k/(DTS) =f（TS為采樣時間間隔）”可得到測試出的頻率響應(yīng)函數(shù)H(f) 。
對每一個數(shù)據(jù)序列Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)均用上述方法處理，就可以得到測試出來的N個頻率響應(yīng)函數(shù)H1(f)，H2(f)，…，HN(f) 。
3.4.3 擬合求解模態(tài)參數(shù)
機(jī)械振動系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識別，又稱為曲線擬合，即采用最小二乘法將測試所得的頻率響應(yīng)值與系統(tǒng)模型值進(jìn)行曲線擬合。優(yōu)化準(zhǔn)則就是使實(shí)測的頻率響應(yīng)值與理論數(shù)學(xué)模型對應(yīng)值的總均方誤差E極小。最小二乘曲線擬合過程中存在的有關(guān)問題，如方程組的病態(tài)問題，可根據(jù)數(shù)值分析理論，采用正交多項(xiàng)式的方法加以解決。通常機(jī)械振動系統(tǒng)的“理論數(shù)學(xué)模型”可用有理分式形式的傳遞函數(shù)來表示，即
H(s) = N(s)/D(s) = [a0sm+a1sm-1+…+am-1s+am]/ [sn+b1sn-1+…+bn-1s+bn]
上式中，m
對模擬量可直接分析處理，振動量測量按振動信號和轉(zhuǎn)換方式可分為電測法、光測法和機(jī)械測振法，其中以電測法應(yīng)用最為廣泛。圖1為一個較完整的振動量電測系統(tǒng)。測振傳感器（拾振器）將機(jī)械振動量轉(zhuǎn)換為與它成比例的電量。
測試結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)處理 測試結(jié)果所獲得的原始數(shù)據(jù)有兩種表現(xiàn)形式：一種是模擬量，常用的測振傳感器有發(fā)電型(如壓電式、電動式和磁電式等)和電參數(shù)變化型(如電感式、電容式、電阻式和渦流式等)兩類。以保證輸出電信號的幅值和相位均不失真。不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測量變換裝置（圖2）。最基本的要求是：在其工作頻率范圍內(nèi)的幅頻特性平坦、相頻特性呈線性關(guān)系，中間測量變換裝置對傳感器輸出的電信號進(jìn)行前置變換(電阻抗變換)、微積分運(yùn)算、放大、調(diào)制和解調(diào)等，以便驅(qū)動后接的分析或顯示、記錄設(shè)備。分析設(shè)備完成對信號的頻率分析。顯示、記錄設(shè)備給出振動信號（經(jīng)過分析的或未經(jīng)過分析的）的波形，并用數(shù)字或模擬方式指示出測量結(jié)果，應(yīng)校準(zhǔn)溫度的影響等。以便于儲存、分析信號和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
?
系統(tǒng)特征參數(shù)的測定? 主要是應(yīng)用機(jī)械阻抗測試技術(shù)，以獲得機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)（有時亦稱頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)），從而得到系統(tǒng)的特征參數(shù)如固有頻率、阻尼、剛度、質(zhì)量和振型等；還可通過模態(tài)分析求取系統(tǒng)在各階模態(tài)下的特征參數(shù)，既模態(tài)參數(shù)。這一測試過程稱為模態(tài)參數(shù)識別。這種測定通常在機(jī)械系統(tǒng)的非工作狀態(tài)或模型試驗(yàn)情況下進(jìn)行，以求全面了解其動態(tài)響應(yīng)特性。尤其是測振傳感器必須進(jìn)行定期校準(zhǔn)和定度。若在工作狀態(tài)下進(jìn)行，則常稱為在線識別。在機(jī)械阻抗測試技術(shù)中，施加的激勵有簡諧、瞬態(tài)和隨機(jī)3種類型，試驗(yàn)根據(jù)不同試驗(yàn)對象按相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，故機(jī)械阻抗測試也相應(yīng)地分3類。
振動環(huán)境模擬試驗(yàn)? 研究或考核試驗(yàn)對象在強(qiáng)度、壽命和功能方面的抗振性。簡諧激勵又有單點(diǎn)激勵和多點(diǎn)激勵兩種形式。這種模擬試驗(yàn)分為周期性振動試驗(yàn)、隨機(jī)振動試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn) 3種。周期性振動試驗(yàn)一般采用耐共振、耐掃頻和耐預(yù)定頻率試驗(yàn) 3種形式。在進(jìn)行振動壽命試驗(yàn)時，為了縮短試驗(yàn)時間常采用提高振動量級的辦法，即幅頻特性;測定振動響應(yīng)與激勵間的相位差隨激勵頻率變化的關(guān)系，即強(qiáng)化試驗(yàn)。提高的程度，即強(qiáng)化系數(shù)，
簡諧激勵機(jī)械阻抗的測試 以簡諧力作為激勵并保持其幅值恒定，應(yīng)根據(jù)試件的振動響應(yīng)特性和疲勞強(qiáng)度分析來考慮。試驗(yàn)根據(jù)不同試驗(yàn)對象按相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，并用模擬振動試驗(yàn)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)和定度? 為了保證測試結(jié)果的可靠性和測試精度，對所使用的儀器，尤其是測振傳感器必須進(jìn)行定期校準(zhǔn)和定度。以求全面了解其動態(tài)響應(yīng)特性。在進(jìn)行重要的或特殊的試驗(yàn)前，這種測定通常在機(jī)械系統(tǒng)的非工作狀態(tài)或模型試驗(yàn)情況下進(jìn)行，常直接對整套測試系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)和定度。測試系統(tǒng)最基本的校準(zhǔn)項(xiàng)目包括靈敏度、頻率響應(yīng)和線性度。既模態(tài)參數(shù)。此外，從而得到系統(tǒng)的特征參數(shù)如固有頻率、阻尼、剛度、質(zhì)量和振型等；還可通過模態(tài)分析求取系統(tǒng)在各階模態(tài)下的特征參數(shù)，根據(jù)需要還可進(jìn)行某些特殊的校準(zhǔn)，如所測振級變化范圍大時，應(yīng)校準(zhǔn)動態(tài)線性范圍；高溫下測試時，以便于儲存、分析信號和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。應(yīng)校準(zhǔn)溫度的影響等。測振傳感器的校準(zhǔn)在測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)中具有特別重要的意義。校準(zhǔn)方法主要有兩種：一是絕對校準(zhǔn)法，分析設(shè)備完成對信號的頻率分析。二是比較校準(zhǔn)法。無論是對測振傳感器或?qū)M成測試系統(tǒng)的儀器和對整個測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)，最基本的要求是：在其工作頻率范圍內(nèi)的幅頻特性平坦、相頻特性呈線性關(guān)系，不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測量變換裝置（圖2）。以保證輸出電信號的幅值和相位均不失真。
測試結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)處理? 測試結(jié)果所獲得的原始數(shù)據(jù)有兩種表現(xiàn)形式：一種是模擬量，如電壓和電流等；一種是數(shù)字量。對不同的數(shù)據(jù)形式，其中以電測法應(yīng)用最為廣泛。分析處理方法也不相同。
對模擬量可直接分析處理，也可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后分析處理。前者設(shè)備較簡單，后者精度和速度較高。
當(dāng)模擬量是振動的時間歷程，即用時域描述的振動量時，即環(huán)境預(yù)測，分析處理的主要內(nèi)容就是進(jìn)行各種頻譜分析，以了解測試對象在頻率域內(nèi)的振動特性。即系統(tǒng)特征參數(shù)的測定，常用的頻譜分析儀有恒定百分比帶寬式、恒定帶寬式、采用壓縮時間歷程的實(shí)時分析儀和具有并聯(lián)濾波器的實(shí)時分析儀等。當(dāng)模擬量是頻率響應(yīng)時，可歸結(jié)為對機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)的分析處理。測得的機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)通常以幅頻特性曲線和相頻特性曲線、實(shí)部和虛部頻率特性曲線或幅相頻率特性曲線(Nyquist圖)3種形式表達(dá)，統(tǒng)稱為機(jī)械阻抗曲線。因此分析處理的主要內(nèi)容是：根據(jù)機(jī)械阻抗曲線，通過模態(tài)分析，系統(tǒng)的振動特性也可以應(yīng)用激光全息照相法拍下實(shí)物或模型在振動時的全息照片，識別測試對象在選定頻率范圍內(nèi)的各階模態(tài)參數(shù)和建立它的數(shù)字模型。
模擬量的數(shù)字分析處理是將測得的振動模擬量信號，經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字量，并與電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，然后輸入數(shù)據(jù)處理機(jī)進(jìn)行各種必要的分析。當(dāng)測試結(jié)果直接以數(shù)字量表示時，則可利用軟件在電子計(jì)算機(jī)上分析處理。20世紀(jì)80年代以來，
4 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容
4.1 原理圖的設(shè)計(jì)
測振傳感器（拾振器）將機(jī)械振動量轉(zhuǎn)換為與它成比例的電量。常用的測振傳感器有發(fā)電型(如壓電式、電動式和磁電式等)和電參數(shù)變化型(如電感式、電容式、電阻式和渦流式等)兩類。不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測量變換裝置中間測量變換裝置對傳感器輸出的電信號進(jìn)行前置變換(電阻抗變換)、微積分運(yùn)算、放大、調(diào)制和解調(diào)等，以便驅(qū)動后接的分析或顯示、記錄設(shè)備。分析設(shè)備完成對信號的頻率分析。顯示、記錄設(shè)備給出振動信號（經(jīng)過分析的或未經(jīng)過分析的）的波形，并用數(shù)字或模擬方式指示出測量結(jié)果，以便于儲存、分析信號和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
4.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.3 控制設(shè)計(jì)
硬件實(shí)現(xiàn)
硬件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)一個能夠快速跟蹤信號頻率變化的倍頻電路。利用鎖相環(huán)的輸出信號動態(tài)跟蹤輸入信號頻率的這一特點(diǎn)，將VCO的輸出信號經(jīng)一分頻器后送入相位比較器，則鎖定時VCO輸出信號的頻率將等于K倍的輸入信號的頻率，即Kfi，適當(dāng)?shù)剡x擇分頻系數(shù)K就可以得到所需要的倍頻信號的輸出。本文所選的鎖相環(huán)芯片為CD4046，使用中無需解調(diào)信號輸出。比較器PC2用于比較兩輸入波形前沿或后沿相位的上跳或下跳（本電路采用上跳邊沿觸發(fā)方式）。
如圖所示，該電路主要由輸入信號、隔直電容、平移、整形、鎖相環(huán)組成。首先取鍵相位信號CIR作為測頻輸入，通過10μF電容濾去太高的直流電壓，送入MAX903比較放大器調(diào)節(jié)平移，輸出的脈沖由74HCT14進(jìn)一步整形后作為鎖相環(huán)的輸入信號；由鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)倍頻。為了實(shí)現(xiàn)FFT分析，在一個周期內(nèi)采集2 n個數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中n取為6，也即是在一個周期內(nèi)采集64個數(shù)據(jù)。分頻器的輸出信號CLK_64由CPLD產(chǎn)生。鎖相環(huán)的輸出信號CLK64實(shí)現(xiàn)A／D的采樣控制。本電路可以保證在有鍵相位的情況下，信號采集的第一起點(diǎn)在以鍵相位為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)360°／64點(diǎn)的位置上（因系統(tǒng)每周期采樣64點(diǎn)）。
軟件實(shí)現(xiàn)
圖是本系統(tǒng)通過CPLD實(shí)現(xiàn)整周期采樣的波形仿真圖。實(shí)驗(yàn)中A／D選用MAX1292，F(xiàn)IF0選用IDT7202。根據(jù)MAX1292的采樣時序和FIFO的寫時序，在CPLD中采用MOORE有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)對時序的控制。RE－SET為系統(tǒng)的復(fù)位信號，CLK64為轉(zhuǎn)速信號的64倍頻；GLOBAL_CLK為CPLD的時鐘信號；FF為FIFO的滿標(biāo)志位；AD_DATA為寫入A／D中的控制字節(jié)；AD INT、AD_WR、AD_RD、AD_HBEN、AD_CS為A／D的相關(guān)控制信號：AD_START為啟動A／D采集信號，由MCU發(fā)出。AD_CHANNEL為A／D的通道選擇控制字，硬件電路上用兩位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)單通道、雙通道及四通道的采集。圖中為四通道采集。EF、HF、FIFOINT為FIF0單元控制模塊。CLK 64、CLK 1000為分頻器模塊，用來實(shí)現(xiàn)整周期采樣和自適應(yīng)抗混疊濾波。
實(shí)現(xiàn)A／D整周期采樣的過程描述如下：首先，CPLD在接收到CLK64信號的上升沿后，開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MAX1292按照時序依次將四個通道的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。其中，在每個通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，都要判斷AD INT信號是否為低，若為低則表示轉(zhuǎn)換完成，可以進(jìn)行讀操作。此時，再去判斷FIFO的FF標(biāo)志，若為1則表明FIFO未滿，可以將數(shù)據(jù)寫入FIFO中。當(dāng)四個通道都完成如上操作后，再繼續(xù)判斷CLK64信號，循環(huán)執(zhí)行，完成在一個轉(zhuǎn)速信號周期內(nèi)對各路信號采集64次。本裝置中，被測的最大轉(zhuǎn)速信號為1kHz，GLOBAL_CLK的信號頻率為7MHz。
畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度
二月份：開題報(bào)告
三月份：英文翻譯1萬字（10頁）1-2個星期
完成緒論，第一章
拿出一個方案
四月份：（理論設(shè)計(jì)）
第二章 方案比較
具體設(shè)計(jì)
建立數(shù)學(xué)模型
五月份：第三章 理論
實(shí)驗(yàn)仿真
設(shè)計(jì)圖紙
六月初：中英文摘要
打印圖紙，整理論文
參考文獻(xiàn)
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目 錄
1 概述
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1振動測試?yán)碚?
2.2 振動測試技術(shù)
2.3 測試問題的提出
2.4 問題的解決和研究內(nèi)容
2.5 方案1的設(shè)計(jì)
2.6 方案2的設(shè)計(jì)
3 振動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2 實(shí)驗(yàn)裝置的選型
3.3 振動測試的激勵
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
4.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟
4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
參考文獻(xiàn)
振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器的研究
摘要:通過把振動系統(tǒng)動態(tài)分析理論與數(shù)字信號處理方法相結(jié)合，提出并系統(tǒng)地論述了振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器的開發(fā)原理。
1 引言
隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，所謂虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)上增加一組軟件和相關(guān)硬件，使使用者在操縱這臺計(jì)算機(jī)時，就像是在操作一臺他自己設(shè)計(jì)的專用傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，而軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地調(diào)整儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器技術(shù)給用戶一個充分發(fā)揮自己才能及想象力的空間，用戶(而不是儀器廠家)可以根據(jù)自己的需求隨心所欲地設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。因此有‘軟件就是儀器’的說法。
本文正是根據(jù)數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的思想，從簡單實(shí)用的角度出發(fā)，把振動系統(tǒng)的動態(tài)測試?yán)碚摵蛿?shù)字信號處理方法相結(jié)合，提出并系統(tǒng)地論述了振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器的開發(fā)原理。
2 動態(tài)測試的基本概念
工程中大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)均用線性系統(tǒng)來描述，而線性系統(tǒng)的輸入輸出之間存在著簡單的因果關(guān)系。因此，可以通過對被測系統(tǒng)輸入輸出物理量的測量和分析來確定系統(tǒng)的動態(tài)特性，這就是動態(tài)測試。動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型有多種形式：時域中常用的有微分方程、差分方程和狀態(tài)方程；復(fù)數(shù)域中有傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖；頻域中有頻率響應(yīng)函數(shù)等。
對機(jī)械振動系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性辨識的主要目的是得到系統(tǒng)的頻域特性或傳遞函數(shù)，并進(jìn)一步獲得機(jī)械振動力學(xué)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。頻率響應(yīng)函數(shù)用頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)和曲線來表示，可以把頻率響應(yīng)函數(shù)看成是描述線性系統(tǒng)的非參數(shù)模型。對于機(jī)械振動系統(tǒng)，其動態(tài)特性常用“固有頻率、阻尼比和振型”等所謂的模態(tài)參數(shù)來描述。在頻率響應(yīng)函數(shù)測試的基礎(chǔ)上，可以通過參數(shù)識別的方法，即試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析來建立機(jī)械振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。
動態(tài)測試技術(shù)的主要內(nèi)容就是對被測振動系統(tǒng)進(jìn)行激勵，通過振動測試、數(shù)據(jù)采集和信號分析，由輸入和輸出確定機(jī)械振動系統(tǒng)的動態(tài)特性?？梢?，動態(tài)測試分為兩大部分：頻率響應(yīng)函數(shù)的測繪和模態(tài)參數(shù)的識別。機(jī)械振動系統(tǒng)動態(tài)特性測試與分析的重點(diǎn)是，如何利用測試分析所得的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，通過模態(tài)識別的方法，求解出表征機(jī)械振動系統(tǒng)動態(tài)特性的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)識別可分為單模態(tài)識別和多模態(tài)識別，單模態(tài)識別是建立在小阻尼、弱耦合假設(shè)的基礎(chǔ)上。對于模態(tài)密集的復(fù)雜結(jié)構(gòu)或大阻尼情況，則需采用多模態(tài)分析。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展，現(xiàn)代模態(tài)參數(shù)識別大都采用多模態(tài)識別。
3 振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器的設(shè)計(jì)
3.1 虛擬儀器的提出和組成原理圖
虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠共享計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)的硬件資源和輸入輸出接口軟件，用戶只需設(shè)計(jì)有關(guān)的應(yīng)用軟件便可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測試分析功能。這樣不僅節(jié)約成本，而且還具有“實(shí)用性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，效價(jià)比良，靈活性好，全自動化”的特點(diǎn)。基于數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的快速發(fā)展，通過把機(jī)械振動系統(tǒng)動態(tài)測試技術(shù)和數(shù)字信號處理方法相結(jié)合，提出了一種構(gòu)建“振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器”的原理和方法。
振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器的設(shè)計(jì)過程是：首先按流程圖布置好振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器的硬件系統(tǒng)；然后，在個人計(jì)算機(jī)上開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件；最后，振動系統(tǒng)動態(tài)測試與模態(tài)識別的全過程，都是在個人計(jì)算機(jī)上通過軟面板對話框和適當(dāng)?shù)目刂瓢粹o來完成。
3.2 激振方式、激振器和振動傳感器的布置
激振方式可分為正弦穩(wěn)態(tài)掃頻和寬頻帶激振兩大類。通常采用“正弦穩(wěn)態(tài)掃頻激振”，其優(yōu)點(diǎn)是激振能量集中，信噪比高，對于線性系統(tǒng)的動態(tài)特性測試具有很高的測量精度。
首先，根據(jù)測試分析要求及振動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定激振點(diǎn)的位置和測量點(diǎn)的數(shù)量N及各測量點(diǎn)的位置。對于空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，往往需要測量1個點(diǎn)的3個方向，這時應(yīng)選用三軸振動傳感器。安裝激振器時，必須注意激振力的正確施加。在安裝測振傳感器時，應(yīng)保證傳感器能正確感受被測體的振動。小型振動系統(tǒng)必須選用微型傳感器，以避免傳感器附加質(zhì)量影響振動系統(tǒng)動態(tài)特性。
3.3 振動系統(tǒng)動態(tài)測試應(yīng)用軟件的總體研究
根據(jù)對前面振動系統(tǒng)動態(tài)測試虛擬儀器原理圖的分析可知，振動系統(tǒng)動態(tài)測試應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)流程分為如下步驟：
(1)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制“信號發(fā)生器”產(chǎn)生激勵信號，再通過“激振器”施加于被測振動系統(tǒng)。激勵信號的數(shù)字序列為X(n)。
(2) 等待被測振動系統(tǒng)穩(wěn)定一定時間，然后計(jì)算機(jī)再發(fā)出指令同步采集數(shù)據(jù)序列X(n)和Y1(n)，Y2(n)，… ，YN(n) 。采樣時間間隔或采樣頻率應(yīng)符合采樣定理及頻率分辨率的要求。
(3)利用按本原理設(shè)計(jì)的專用軟件分析處理X(n)和Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)， 就可得出被測振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。
顯然，整套應(yīng)用軟件應(yīng)包括兩大部分，即操作控制部分和數(shù)據(jù)處理部分。由于目前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，已足以解決此應(yīng)用軟件中的操作控制部分，且鑒于篇幅有限，所以筆者對應(yīng)用軟件的操作控制部分不再作進(jìn)一步討論，下面重點(diǎn)研究應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)處理部分。
3.4 數(shù)據(jù)處理專用軟件的設(shè)計(jì)原理
3.4.1 濾波方法
由于數(shù)據(jù)序列在采集過程中難免會受到各種干擾， 所以必須采取有效的濾波算法對采集得到的數(shù)據(jù)序列Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)進(jìn)行修正。通常應(yīng)采用相關(guān)濾波算法，因?yàn)橄嚓P(guān)濾波可以有效地把真正由X(n)通過振動系統(tǒng)產(chǎn)生的信號從Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)中分離出來。將經(jīng)過濾波算法處理后的數(shù)據(jù)序列記為YN1(n)，YN2(n)，…，YNN(n) ，n=1,2, …,D 。D為采樣點(diǎn)數(shù)量。
3.4.2 頻率響應(yīng)函數(shù)的確定
將確定性信號看成隨機(jī)信號，采用離散數(shù)字隨機(jī)信號的相關(guān)譜分析原理。
XK(k) = FFT [X(n)] YK(k) = FFT [YN(n)]
SX(k) = ∣XK(k)∣2 /D SY(k) = ∣YK(k)∣2 /D
SXY(k) = XK*(k)YK(k) /D XK*(K)為XK(k)的共軛復(fù)數(shù)。
為減少數(shù)據(jù)處理誤差，要對SX(k)，SY(k)，SXY(k)采取平滑處理算法。分段時，相鄰兩段重疊50℅的效果最佳，即將記錄段X(n)，YN(n)分成多個樣本，分別進(jìn)行上述運(yùn)算后再求平均值。
VXY2(k) =∣ SXY(k)∣2 / [SX(k) SY(k)]， 相干系數(shù)VXY越接近1效果越好。
H(k) =SXY(k) / SX(k)， 由變量代換關(guān)系“k/(DTS) =f（TS為采樣時間間隔）”可得到測試出的頻率響應(yīng)函數(shù)H(f) 。
對每一個數(shù)據(jù)序列Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)均用上述方法處理，就可以得到測試出來的N個頻率響應(yīng)函數(shù)H1(f)，H2(f)，…，HN(f) 。
3.4.3 擬合求解模態(tài)參數(shù)
機(jī)械振動系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識別，又稱為曲線擬合，即采用最小二乘法將測試所得的頻率響應(yīng)值與系統(tǒng)模型值進(jìn)行曲線擬合。優(yōu)化準(zhǔn)則就是使實(shí)測的頻率響應(yīng)值與理論數(shù)學(xué)模型對應(yīng)值的總均方誤差E極小。最小二乘曲線擬合過程中存在的有關(guān)問題，如方程組的病態(tài)問題，可根據(jù)數(shù)值分析理論，采用正交多項(xiàng)式的方法加以解決。通常機(jī)械振動系統(tǒng)的“理論數(shù)學(xué)模型”可用有理分式形式的傳遞函數(shù)來表示，即
H(s) = N(s)/D(s) = [a0sm+a1sm-1+…+am-1s+am]/ [sn+b1sn-1+…+bn-1s+bn]
上式中，m
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