光電振動測試系統的設計與實現

0振動傳感器法由于測量精度低，傳統的振動測量方法通常很少。目前應用較多的有電動式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式等測量方法。電動式振動傳感器由線圈、阻尼杯和芯軸組成,可測量被測體的振動速度;壓電式振動傳感器利用晶體在一定方向上受力變形時,在其表面上產生相反的電荷,可用于測量物體的振動加速度;電渦流振動傳感器輸出電流在線圈上產生交變磁場,當被測體靠近時產生感應電流,可實現被測體的振動位移測量;電感式振動傳感器把被測體機械振動參數轉換成為感應電參量信號而實現振動測量。電動式振動傳感器輸出的是振動速度信號;壓電式振動傳感器輸出的是加速度信號,通過積分運算才能獲得振動位移信號;電渦流式和電感式振動傳感器雖然能夠輸出振動的位移信號,但影響電參量因素多,構成也復雜,因此其應用受到一定的限制,而且易受電磁干擾。光電式振動測量方法既可用于相對式振動測量也可用于絕對式振動測量,具有非接觸性遠距離測量且抗電磁干擾能力強、測量精度高、頻率響應寬、成本低等優點。因此,開發光電式振動測試系統具有重要的現實意義。1檢測塊體的振動光電振動測試系統構成如圖1所示。圖1中,被測物體與光電振動測試系統剛性固接在一起。當振動產生時作為質量塊的球體因慣性相對絕對參照系保持不動,質量球與光電傳感器產生相對運動。當質量球向上運動時,遮擋光電傳感器接收光線。光電傳感器輸出電壓信號與被測振動信號近似呈正比例變化,從而反映被測物體的振動。LabVIEW光電振動測試系統可直接輸出被測振動體的振動位移信號,通過微分電路實現被測振動體的速度信號和加速度信號。2振動輸出電壓的測量光電測量電路如圖2所示。圖2中,D1為紅外發射管,T1為紅外光接收管,接收被質量球遮擋的紅外光信號,A1構成跟隨器用于提高測試系統的輸入阻抗,A2構成同相放大電路,用于放大被測信號。LabVIEW光電振動測試系統應置于避光的工作空間內。若工作在環境紅外光場合時,需加差動放大電路,可通過運算放大器構成減法電路,將測量的振動信號與環境紅外光信號相減消除環境紅外光的影響。實測平衡點附近位移與輸出電壓關系如表1所示。位移與輸出電壓實測點及擬合曲線如圖3所示。圖3中,當振動測量范圍在±1mm以內,輸出電壓與位移基本呈線性關系。由圖3可計算出輸出電壓與位移靈敏度為1.74V/mm。設殼體的絕對位移為Z1,質量球m的絕對位移為Z0,則質量球m的運動方程為設質量球m相對于殼體的相對位移為將式(2)代入式(1)得到質量球m的相對位移Z01的運動方程為式中:m為質量球的質量;c為阻尼系數;k為彈簧的彈性系數。若外界振動為簡諧振動,Z01相對于殼體的振動位移信號的幅頻特性和相頻特性為式(4)和式(5)中:ωn為運動系統的固有角頻率;ξ為運動系統的阻尼率。由幅頻特性可知,要實現不失真測量,振動測試系統應工作在大于固有頻率的頻段上,即ω/ωn>1,當ξ=0.707時,幅頻特性趨于常數值的速度最快,若要求幅頻特性進入相對誤差為5%的范圍內,需ω≥1.7ωn。從相頻特性來看,若要求相頻特性近似為倒相關系,需因為彈簧系統具有固有振蕩頻率,因此,振動測量范圍不能與系統的固有振蕩頻率相同?？梢岳肔abVIEW的濾波方法去除系統的固有振蕩頻率,消除對被測振動結果的影響。3基于信號轉換的被測振動信號模擬光電振動測試系統LabVIEW設計,包括時域分析和頻域分析,系統軟件流程如圖4所示。LabVIEW振動分析主要功能包括振動信號波形顯示、時域分析、頻域分析、數據存儲等。LabVIEW前面板如圖5所示。前面板設置了文件輸入路徑,可同時顯示被測振動信號波形、經過濾波后的時域信號波形和功率譜分析波形。光電振動測試系統LabVIEW程序面板如圖6所示。時域分析中的數字濾波器可選擇巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器等,并可任意選擇低通、高通、帶通、帶阻四種模式。實測中選用了巴特沃斯低通濾波器濾除信號的噪聲,上限截止頻率設置為20kHz。被測振動信號實質為各態歷經隨機過程,測試系統可進行自相關性和互相關性分析,可得到振動測試系統的延時、識別,提取混淆在噪聲中的信號等。振動信號的時域均方值反映的是平均振動能量,時域峰值反映的是振動信號是否含有振動沖擊信號,可獲得振動測試系統的極大值、極小值等信息,由得到的時域分析結果可了解被測振動體的振動特性,實現振動故障診斷。4實驗結果分析為了驗證光電振動測試系統,采用HEV-20型高能激振器。該激振器是一種電動式變換器,將電能轉換為機械能,對試件提供激振力。激振器最大允許激振力為20N,最大振幅±5mm,頻率范圍0~5kHz連續可調,滿足本光電振動測試系統實驗要求。調節激振器輸出頻率為30Hz和60Hz,實測振動波形及功率譜分析結果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8實測被測振動信號的波形和功率譜可知,振動測試系統輸出電壓波形的頻率與激振器相同且波形形狀相同,由此驗證了該方法的可行性。還可利用激振器輸出標準振動信號對設計的振動測試系統進行驗證和定標。5基于常系數二階工作方程的光電振動測試LabVIEW光電振動測試系統可實現絕對式振動測量,慣性球和彈簧等安裝在同一機箱內。LabVIEW光電振動測試系統的振動方程為常系數二階