描述机械系统运动或位置的量值相对于某一平均值或大或小交替地随时间变化的现象称为振动[1]。机械振动是工程技术和日常生活中的常见现象,振动的强弱可用振动量(振动体的位移、速度或加速度)衡量。振动量若超过允许范围,机械设备产生的较大动载荷往往会降低机械设备的使用寿命甚至导致零部件损坏造成事故[2],且振动过程中产生的噪声会污染环境,影响人体健康。由于现代机械结构日益复杂,运动速度日益提高,振动的危害更为突出。因此,振动测试成为工程技术界尤其是航空航天、动力机械、交通运输、兵器、能源工业、土木建筑、电子工业、环境保护等广泛关注和研究的课题。国内外开展了大量的探索、实践和研究,新的测试方法和测试手段不断涌现,但目前大多数结构振动信号测试系统的数据采集电路设计复杂,开放性不足。鉴此,本文设计了一种结构简单、成本低、适用性强、可靠性高的结构振动信号测试系统,主要用于研究典型结(简支梁或悬臂梁)产生的振动。
1 结构振动信号测试系统构成及原理
结构振动信号测试系统由加速度传感器、信号放大器、数据采集卡和微型计算机组成。系统构成如图1所示。其工作原理为:先由传感器感知结构产生的振动信号,通过放大器放大振动信号,再由放大器通过数据采集卡的配套设备将振动信号传入数据采集卡中,然后将采集到的振动信号传送给计算机,计算机通过测试软件完成振动信号的分析处理。
2 结构振动信号测试系统硬件实现
为避免设计复杂的采集电路,本设计采用由研华公司开发的PCI-1711L型多功能数据采集卡及配套设备(ADAM-3968接线端子板和PCL-10168电
缆)组成的数据采集器件。采集卡有以下优点:①即插即用;②灵活的输入类型和范围设定;③PCI-1711L卡上的FIFO存储器可储存1k A/D采样值,可启用或禁用FIFO缓冲区中断请求功能;④卡上可编程控制器可用于A/D转换时的定时触发;⑤速度快、适用性强、易编程等。此外,结合测试系统的需要,选用了YD-5-2型压电传感器及YE5852型电荷放大器。
在结构振动信号测试中,数据采集的任务由传感器和通用采集卡PCI-1711L完成,将采集卡插入计算机的插槽中,利用计算机的总线结构,用软件编程启动,其等效电路的基本组成结构见图2。
3 结构振动信号采集系统软件的实现
3.1 整体软件设计
振动测试系统的软件主要完成采集、处理、记录、分析、显示振动信号数据等任务。设计任务主要有两部分:①完成对PCI-1711L采集卡的通道、工作方式、采样频率等设置;②完成数字信号的处理与分析。本测试系统软件基于MatlabGUI工具进行开发和调试。当前友好的图形用户界面GUI已成为应用软件的基本交互接口,Matlab软件也提供了对GUI的支持,通过GUIDE开发工具或编写程序,可便捷地设计菜单化和控件式人机交互界面[3]。软件的主界面分为五部分:①数据采集卡类型的选择;②通道输入选择;③重要参数设置;④数据采集和存储的控制;⑤数据处理图形显示。
3.2 软件的功能和流程图
软件主要功能是设置采样参数、采集、存储、显示、分析传感器信号等。数据采集采用软件触发方式,当信号上升达到2 V,便开始数据采集。软件流程图如图3所示。
3.3 软件的程序页面设计
本测试系统软件采用图形用户界面设计方法(GUI)。GUI包含许多可使软件与用户终端进行交互的用户界面组件,GUI的任务之一即控制这些组件响应用户的行为[4]。程序的主界面见图4。
4 实例
采用本系统对悬臂梁振动信号进行了采集分析,图5为实测的一个响应信号,图6为对该冲击信号进行自相关、幅频和功率谱分析的结果。其中,自相关曲线(图6(a))是根据自相关函数求得,图6(b)反映信号中各频率成分的幅值沿频率轴的分布状况,由幅值谱可大致分析出此试验装置的前3阶固有频率为27、142、445 Hz。由测试系统对振动信号的功率谱分析(图6(c))可看出,振动信号是一个逐渐衰减过程,基本上反映了振动规律,实现了振动信号的采集,同时达到了测试目的。
5 结语
a.使用PCI-1711L采集卡代替了复杂的信号采集电路,且系统中的各组件安装、拆卸较方便,既摆脱了专用测试系统的缺点,又提高了组件的利用率,节约了成本。
b.实例结果表明,设计的结构振动信号测试系统具有结构简单、适用性强等优点,对典型结构的振动信号能有效采集和分析,在工民建、水利工程领域均有广泛的应用前景。
参考文献:
[1] 樊振江.机械振动及其计算机辅助测试技术[M].北京:机械工业出版社,1996.
[2] 黄长艺,严普强.机械工程测试技术基础(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2003.
[3] 黄瑛.基于MATLAB GUI的电机学仿真实验系统设计[J].中国现代教育装备,2009(12):38-39.
[4] 施晓红,周佳.精通GUI图形界面编程[M].北京:北京大学出版社,2003.
作者简介:李文昊(1985-),男,硕士研究生,研究方向为武器系统信息与控制,E-mail:lwhmsyf@126.com
