CN103323195B - 一种旋转振动激励与动态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转振动激励与动态测量装置，主要包括信号源、振动信号激励、振动信号动态采集与传输，以及旋转机构的动力驱动等部分，为实现旋转机构（如，圆杆、管等）的振动激励与信号检测，利用激振器与旋转机构配接和同轴转动，在不同转速下对该旋转机构施加不同激励波形、激励强度的振动激励，并采用有线或无线传输方式，实现多通道振动加速度信号的动态采集与传输，便于后续的信号分析与处理。本装置在旋转机构停转或转动条件下均可工作，便于与信号发生器或用户设计的信号发生装置连接，实现复杂信号的振动激励与检测，可用于机械振动信号测量、振动特性分析、低频声波数据传输等理论特性与实验研究，具有结构简单、操作方便的特点。

Description

一种旋转振动激励与动态测量装置

技术领域

本发明属于振动测量技术领域，具体涉及一种旋转振动激励与动态测量装置，用于实现旋转机构（如，圆杆、圆管等物体）的振动信号激励、采集与传输，可广泛用于机械振动信号测量、振动特性分析、低频声波数据传输等理论特性与实验研究。

背景技术

随着科学技术的发展，旋转机械已成为各行各业常见的一种关键设备，是我国国民经济和国防事业中广泛应用的重要装置。在工程生产实际中，通过旋转机械的振动信息或通过人为施加振动激励，可获取其工作状况。特别是，对于轴系旋转过程，振动分析离不开振动激励及检测装置。因此，旋转振动中的振动信号激励与检测已成为近年来的研究热点。

振动测试是通过对正在运转过程中的机械设备产生的振动现象进行测试，或用人为的激振试验法测量设备对标准激励振动信号的传递特性，分析系统（设备）的特征参数，以判断设备是否存在故障。其中，振动激励是振动系统的重要组成部分，而激振器是振动设备的核心部件。目前，根据激励形式的不同，激振器主要分为电磁式、压电式、电液式、气动式和液压式等形式。例如，1996年Suga利用堆叠式压电器件，借助钢板弹簧的变形力获取高效的大扭矩，以驱动旋转体，例如在超声电机、行波与驻波系统等（参见：Suga Michihisa.Piezoelectric rotation driving apparatus[P].EP0720245A2），该种激励方式通常具有高频响特性，一般用于高频激励，而用于低频激励时压电激振器的尺寸较大。2004年沈瑜铭提出通过液压方式实现轴系扭转与激励（参见：沈瑜铭，李松和，瞿昕，俞小莉.扭振减振器性能试验台激振器[P].ZL200420023056.0）。2013年Tang提出利用液压激励方式驱动破碎锤，使其工作在谐振状态以提高工作效率，降低驾驶挖掘机的损害（参见：Tang Zhongsheng.HydraulicResonant breaking hammer[P].USA:2013/0015696A1)。但类似于这种液压或电液式激励装置由于受到液压介质和运动部件的限制，整体结构复杂、成本很高、控制技术复杂度高，且仅限于200Hz以下的低频激振。2005年黄瓯提出利用气流激振对高速旋转机械进行模拟振动激励（参见：黄瓯，何阿平，刘岩，苏明，等.高速旋转机械气流激振模拟与振动测试装置[P].ZL200510027434.1）。该激励装置具有较好的可靠性，但成本较高，且存在流场复杂等问题。2012年吴少博等考虑钻柱在井口、井底的位移边界条件和力边界条件，建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学试验装置，可进行不同激振频率、轴向激振力、排量条件下的杆柱振动试验和不同轴向力、转速、排量条件下的杆柱旋转试验（参见：吴少博，程学亮，李治淼.流体作用下钻柱运动状态试验研究[J].石油矿场机械，2012，41（1）：37-42）。根据该文献，该装置与石油大学管志川以底部钻柱实际工作环境为原形利用相似原理建立的直井底部钻具动力学研究试验台（参见：管志川，靳彦欣，王以法.直井底部钻柱运动状态的试验研究[J].石油学报，2003，24（5）：102-106）相类似，但所述试验装置的激振器位于固定的下机架上，通过压力传感器将激振力施加于模拟井底。由此分析，激振器应为静止状态而非旋转激励。

总的来说，针对理论特性与实验研究，相对于其它振动激励方式，电磁激振器具有使用经济、工作寿命长、制造工艺简单、控制和安装形式可变、频率、振幅可调，具有大距离直线往复推动动力的特点，但目前主要用于被测机构处于非旋转状态。为此，本专利针对管结构物体的旋转激励的工程与实验需要，将电磁激振器固定于设计的机械载体内，通过螺纹连接，使其在与管结构物体同步转动过程中实现旋转激励。同时，考虑到振动加速度信号的采集与传输，本专利采用IEPE（Integrated Electronics Piezo Electric）型加速度传感器。该种传感器是一种自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器，带有一个放大器和一个恒流源，电流源将电流引入加速度传感器，可以有效克服传统振动测量中电阻式应变传感器寿命短、可靠性差等缺点，以及激光多普勒法中系统结构复杂、抗振动性能差、成本高等不足。

本发明可广泛应用于航空航天、石油石化、电力、冶金等领域。

发明内容

本发明的目的是为实现振动信号的旋转激励与动态测量。为实现管结构物体的旋转振动激励与信号检测，本发明装置中激振器与旋转机构配接以同轴转动，在不同转速下对该旋转机构施加不同激励波形、激励强度的振动激励，并采用有线或无线传输方式，实现多通道振动加速度信号的动态采集与传输，从而进行后续的信号分析与处理。

本发明提出的技术方案为：一种旋转振动激励与动态测量装置，该装置主要包括信号源、振动信号激励、振动信号动态采集与传输，以及旋转机构的动力驱动部分；所述的振动信号激励部分由电磁激振器、夹持机构、滑环组成；所述的振动信号动态采集与传输部分由加速度传感器、数据采集器、振动信号传输单元组成；所述的旋转机构的动力驱动部分由电机及固定装置组成，其中，旋转机构为钢管或圆杆；其中：

电机通过传动轴驱动振动信号激励部分，实现激振器与旋转机构同步旋转，信号源产生的激励信号经功率放大器和滑环驱动电磁激振器对旋转机构进行动态激励；在振动信号的接收端，通过分布在旋转机构上的加速度传感器获取振动信号，通过有线方式或无线方式将振动信号传输至与上位机相连的数据采集器；上位机对获取的振动信号进行机械振动时、频域分析或传输信道内声传播特性分析处理。

进一步的，所述振动信号激励系统中的电磁激振器内嵌固定于卡座A中，通过键槽配合与电机传动轴连接；卡座A与卡座B通过螺纹连接，卡座B与旋转机构连接，实现激振器与旋转机构的同步转动；功率放大器输出导线通过滑环与激振器相连，实现旋转条件下振动激励。

进一步的，所述振动信号动态采集与传输部分中加速度传感器为压电式IEPE型加速度传感器，根据测量轴向的不同，使用单轴或三轴加速度传感器。

进一步的，所述振动信号动态采集与传输部分获取的振动信号，通过有线方式或无线方式传输至与上位机相连的数据采集器，有线方式为滑环方式，无线方式为RF射频通讯或ZigBee无线通讯方式。

进一步的，所述旋转机构为单一的或组合的管结构物体，具体为由多个不同长度和横截面积的钢制无缝圆管与钢制管箍构成的周期性传输信道，用于研究静态或旋转条件下周期性管信道的振动特性与低频声波传输特性。

进一步的，所述激励信号为力锤脉冲激励，来自实验室用信号发生器的正弦激励、方波激励、基本调制信号ASK、FSK、PSK激励，以及基于单片机、DSP、计算机组成的信号输出设备输出的自定义随机信号。

本发明的原理在于：

本发明涉及一种旋转振动激励与动态测量装置，主要包括信号源、振动信号激励、振动信号动态采集与传输，以及旋转机构的动力驱动等部分，属于振动测量技术领域。为实现旋转机构（如，圆杆、管等）的振动激励与信号检测，本发明利用激振器与旋转机构配接和同轴转动，在不同转速下对该旋转机构施加不同激励波形、激励强度的振动激励，并采用有线或无线传输方式，实现多通道振动加速度信号的动态采集与传输，便于后续的信号分析与处理。本装置在旋转机构停转或转动条件下均可工作，便于与信号发生器或用户设计的信号发生装置连接，实现复杂信号的振动激励与检测，可用于机械振动信号测量、振动特性分析、低频声波数据传输等理论特性与实验研究，具有结构简单、操作方便的特点。

本发明的特点及技术效果：

1.本发明中激振器（激振频率可达5-10kHz）与旋转机构配接以同轴转动，可在不同转速下（转速<300r/min）对该旋转机构施加不同激励波形、激励强度的振动激励，实现振动信号的旋转激励与检测。

2.本发明采用压电式IEPE型加速度传感器动态拾取振动信号，便于采用较长的通用电缆传输，具有测量精度高、输出稳定、温度漂移小、抗干扰能力强等优点。

3.本发明中采集的振动加速度信号，可通过有线方式（滑环）或无线方式（RF射频通讯或ZigBee无线通讯）传输至与上位机相连的数据采集器。

4.本发明的振动激励信号可由力锤、信号发生器或基于单片机、DSP、计算机等设备输出，施加多种波形信号，完成脉冲信号、正弦扫频、调制信号以及低频声波通信信号的激励。

5.本发明可用于随钻测井或生产测井领域，实现对基于钻柱或油管为信道的声信号传输特性的实验研究，以分析井下信道内声信号检测特征，优化井下声遥测系统的设计，节约钻井成本。

6.本发明具有结构简单、操作方便等优点，还可用于实现振动信号的动态激励与采集，可应用于航空航天、石油石化、电力、冶金等多个领域，可实现理论分析与实验研究的结合，优化系统设计，节约工程成本。

附图说明

图1为本发明的旋转振动激励与动态测量装置的原理框图；

图2为本发明的以滑环接收方式为例的旋转振动激励与动态测量装置示意图，其中，1为电机，2A、2B为滑环，3为卡盘，4为激振器，5A为第一加速度计，5B为第二加速度计，6为支架，7为模拟钻柱；

图3为本发明中旋转激振器的安装示意图，图中，8A、8B为螺钉，9A、9B为卡座，4为激振器；

图4为本发明的以周期性管结构信道内声波信号激励为实施例的振动信号采集与测量的原理示意图，图中，10为激励信号，11为下行信号，12为上行信号，13为钢管，14为管箍，15为传输信道；

图5为根据图4所示的实验结构，在模拟钻柱静止时力锤激励条件下端面处获取的振动信号时、频域波形图；

图6为根据图4所示的实验结构，在模拟钻柱以150r/min转动时正弦激励条件下获取的振动加速度信号时、频域波形图；

图7为对图6获取的两路振动加速度数据进行双接收器回波噪声剔除后，所恢复提取的振动加速度信号时、频域波形图。

具体实施方式

本发明设计了一种旋转振动激励与动态测量装置，结合各附图及实施例的详细说明如下：

本发明的一种旋转振动激励与动态测量装置的原理框图如图1所示，主要包括信号源、振动信号激励、振动信号动态采集与传输，以及旋转机构的动力驱动等部分。针对旋转机构的随转振动激励与加速度信号检测，本发明将激振器与旋转机构配接以实现电机对两者的同轴转动，来自信号源（例如，信号发生器、基于单片机、DSP或FPGA的自定义信号）的激励信号经功率放大器驱动后借助滑环方式控制激振器，可在不同转速下对旋转机构施加不同激励波形、激励强度的振动激励。在信号接收端，通过IEPE压电式加速度传感器获取振动信号，并可通过滑环或ZigBee模块，将振动信号以有线或无线的方式传输至与上位机连接的数据采集器，实现振动数据的信号分析与处理。

图2给出了以滑环接收方式为例的旋转振动激励与动态测量装置示意图。激励端处信号源输出的激励信号和接收端处加速度计获取的接收信号分别通过滑环实现振动信号的旋转激励与动态检测。其中，各部分的组成及功能说明如下：

（1）振动信号激励：激振器4为JZ-2A型电磁激振器，其出力大小为10N，激振频率可达5-10kHz，最大位移±3mm；功率放大器为GF-20型功率放大器，用于驱动JZ-2A型电磁激振器；

（2）旋转机构：图2中所用旋转机构实例为由4节无缝钢管（Φ38×1350mm）与3节钢制管箍（Φ38×150mm实心）螺纹连接的具有周期性管结构特征的模拟钻柱7，以实验研究随钻声传输中钻柱信道内低频声信号的传输特性；

（3）振动加速度信号采集：加速度传感器5A、5B选用CA-YD-186型单轴压电式加速度传感器，其数据输出接口形式为IEPE型，灵敏度为100mV/g，允许的最大加速度为50g，工作频率范围为0.5Hz-5kHz；

（4）振动信号传输：选用的是标准的过孔式滑环2A、2B，以实现激振器的旋转激励与加速度计的随转检测，其最大工作电流为10A，工作转速为0-500rpm，工作寿命为5000万转。

（5）动力驱动：本实施例的驱动装置主要为51K90RGN-CF型调速电机1，其额定功率为90W，转速范围90-1300rpm；

图3为图2中振动信号激励部分内激振器的安装结构示意图。激振器4固定于卡座9A中，卡座9A由Φ38mm和Φ80mm的两段圆柱体组成，其中Φ38mm部分通过键与电机转轴相连，Φ80mm部分圆柱体内有圆柱形空腔，通过螺钉8B实现激振器的紧固，并可通过螺钉8A调节激振器与传动装置之间的预应力；卡座9B与卡座9A通过Φ80mm的螺纹实现连接，旋转机构的Φ38mm钢制圆管套入卡座9B圆柱形空腔内，通过螺钉实现固定。当装置工作时，电机1带动卡座9A与卡座9B及激振器4组成的组合体一起转动，功率放大器输出的激振信号通过滑环2A施加给JZ-2A型激振器，并由激振器4将振动信号施加于旋转机构，实现旋转状态下振动激励。

针对图2所示的以滑环接收方式为例的旋转振动激励与动态测量装置实施例，为验证所述装置在静止、转动条件下的工作性能，以“4节无缝钢管13+3节钢制管箍14”构成的模拟钻柱为旋转机构，通过加速度计获取振动信息，进行了随转模拟钻柱信道15内低频声信号传输特性的实验研究。由于振动信号在钢介质中以纵波形式进行传播，在激励端（钻柱下端面）施加激励信号10，由于信道15内钢管13与管箍14的声阻抗不匹配，上传信号在管箍和端面处会发生反射，形成入射波与反射波。根据钻柱内一维纵波波动方程：

$c^2\frac{{\&PartialD;}^{2}U}{{\&PartialD;x}^2}=\frac{{\&PartialD;}^{2}U}{{\&PartialD;t}^2}---\left(1\right)$

其位移解为：

U(x,t)＝(ue^jkx+ve^-jkx)e^-jωt   （2）

式中，u，v分别表示入射波和反射波在界面处的振动位移幅值，c为声波波速，k为波数，ω为角频率。

则式（2）可改写为：

U(x,t)＝U(x)e^-jωt   （3）

式中，

U(x)＝cos(kx)(u+v)+jsin(kx)(u-v)   （4）

由此可求解信道中因声阻抗不匹配而在界面处产生的入射波与反射波。特别地，受端面反射影响，信道内不同接收位置会表现出迥异的响应特性，应根据瞬态特性，正确选择声换能器接收位置。设井下激励源位于钻柱下端面上方的x位置处，且在该位置处激励信号y表示为：

y＝Acosω(t-x/c_s)   （5）

式中，c_s为声波沿钻柱的传播速度，A为波幅。设接收端位于钻柱上端面下方的x位置处，且直达波信号如式（5）所示，则沿钻柱向上传播的声波在上端面发生反射后返回接收端。仅考虑第一阶反射波，并忽略钻柱的透射损耗和信道传输衰减，则接收端信号y改写为：

$y=A\cos \mathrm{\&omega;t}-A\cos \mathrm{\&omega;}(t+\frac{2x}{v})=2A\sin \mathrm{\&omega;}t\sin \frac{2\mathrm{\&pi;x}}{\mathrm{\&lambda;}}---\left(6\right)$

若保证接收端信号的响应最佳，则|y|＝1，为此接收位置与钻柱上端面的距离为：

$x=\frac{(2s-1)\mathrm{\&lambda;}}{4}---\left(7\right)$

式中，λ为载波波长，s为正整数。

由此可确定单个加速度传感器在钻柱信道的接收位置，但声波信号不具有方向性，如图4所示，导致在信道15内同时存在上行信号12和下行信号11，图4为振动信号采集与测量原理示意图。为抑制信道内回波噪声以提高信噪比、改善接收性能，将两个加速度传感器S1、S2分别放置于信号接收端端面及距离端面约为1m的位置。假设在钻柱底端施加单位脉冲激励时，位于两个加速度传感器S1、S2处的脉冲响应分别为h₁(t)和h₂(t)，以及在钻柱顶端施加单位脉冲激励时，加速度传感器S1、S2处的脉冲响应分别为h'₁(t)和h'₂(t)，则考虑地面下行噪声n_s(t)条件下，当钻柱底端施加上传的输入信号x(t)时，加速度传感器S1、S2处的时域信号y₁(t)、y₂(t)可表示为：

y₁(t)＝x(t)*h₁(t)+n_s(t)*h'₁(t)   （8）

y₂(t)＝x(t)*h₂(t)+n_s(t)*h'₂(t)   （9）

式中，h₁(t)、h₂(t)表示为钻柱上行通道的瞬态脉冲响应；h'₁(t)、h'₂(t)表示为钻柱下行通道的瞬态脉冲响应；

对式（8）、（9）进行傅里叶变换，并联立求解以消除噪声n_s(t)，则：

$X\left(f\right)=\frac{{H_N}_2\left(f\right)Y_1\left(f\right)-{H_N}_1\left(f\right)Y_2\left(f\right)}{{H_X}_1\left(f\right){H_N}_2\left(f\right)-{H_X}_2\left(f\right){H_N}_1\left(f\right)}---\left(10\right)$

由此，施加于钻柱底端的原始激励信号x₀(t)经逆傅里叶变换，可求解为：

式（11）中， 分别为加速度传感器S1、S2处上、下行通道的瞬态脉冲响应h₁(t)、h₂(t)、h'₁(t)、h'₂(t)的频域形式。由于计算求解误差的影响，式（11）求解得到的信号x(t)中存在噪声，需对此进行带通滤波以实现较好的接收性能。

具体实施步骤如下：

1.力锤激励

为测试装置中周期性管结构信道特性及加速度传感器的接收特性，实验时利用力锤在信道（即，旋转机构）的一端施加短脉冲激励，产生脉冲激励信号，利用IEPE加速度传感器在另一端接收振动信号，通过数据采集部分将获取的振动信号上传至计算机，则端面处加速度传感器获取的振动信号时、频域波形如图5所示。实验结果表明，利用本发明的装置，周期性管结构信道获得与理论分析相吻合的通阻带交替且通带伴有谐振尖峰的梳状滤波器频谱结构（参见：Drumheller D.S.Wave impedances of drill strings and other periodic media[J].TheJournal of the Acoustical Society of America,2002,112(6):2527-2539）。在本实施步骤中，动力驱动部分不工作，旋转机构处于静止状态。

2.连续正弦信号激励

结合信道的通阻带频谱特性，以通带内1.6kHz频率为例，由信号发生器产生1.6kHz的正弦激励信号，经过功率放大器驱动激振器对旋转机构施加连续正弦激振，在旋转机构的接收端利用两个IEPE加速度传感器S1和S2对振动信号进行接收，通过数据采集部分将获取的振动信号上传至计算机。在本实施步骤中，动力驱动部分正常工作，电机带动旋转机构与激振器以150r/min的转速匀速旋转，同时激振器对旋转机构实施旋转激振。

图6为在模拟钻柱以150r/min转动时正弦激励条件下获取的振动加速度信号时、频域波形图（图中，S1放置在距离端面1m处，S2放置在端面处）。图7为对图6获取的两路振动加速度数据进行双接收器回波噪声剔除后，所恢复提取的振动加速度信号时、频域波形图。分析图6中两路单接收器的时、频域信号以及图7中经双接收器回波噪声抑制后获取的时、频域信号，同时结合施加的1.6kHz单频正弦激励信号可知，由于受到端面回波和传输过程中接箍反射回波的干扰，若仅使用单个加速度传感器进行振动信号接收，虽可获取较大幅值的接收信号，但旁瓣噪声较高，且由于噪声频率与激振频率接近，无法直接通过滤波器进行滤除；而经式（8）～式（11）的双接收器处理算法后，接收信号幅值相对单接收器时较小，但大部分旁瓣回波噪声得到了抑制，有利于声通信信号的调制解调与信号识别。

由此表明，本发明的旋转振动激励与测量装置在静止和转动条件下能够可靠工作，且便于与信号发生器或用户设计的信号发生装置连接，实现复杂信号的振动激励与检测，可用于机械振动信号测量、振动特性分析、低频声波数据传输等理论特性与实验研究，具有结构简单、操作方便的特点。

本实施例的主要技术特点：

1.本发明中激振器（激振频率可达5-10kHz）与旋转机构配接以同轴转动，可调整旋转转速（转速<300r/min），激励信号的波形、幅值与频率，实现脉冲激励、正弦激励、随机信号激励等。

2.本发明中旋转机构由多节钢管和管箍组成的周期性管结构组合，具有周期性梳状滤波器频谱响应特性，可用于研究钻杆或油管等类似的周期性管结构信道的声信号传输特性或检测方法。

3.本发明采用压电式IEPE型加速度传感器动态拾取振动信号，并在接收端利用两个IEPE加速度传感器，实现低频声信号激励下回波噪声抑制。

4.本发明对获取的振动加速度信号提供滑环或短距离无线传输两种方式。

5.本发明可用于随钻测井或生产测井领域，实现对基于钻柱或油管为信道的声信号传输特性的实验研究，以分析井下信道内声信号检测特征，优化井下声遥测系统的设计，节约钻井成本。

6.系统具有结构简单、操作方便等优点，可用于实现谐振状态下振动信号的采集，本装置可以广泛应用于航空航天、石油石化、电力、冶金等多个领域，可改善接收信号的信噪比，提高传输速率，节约工程成本。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种旋转振动激励与动态测量装置，其特征在于，该装置主要包括信号源、振动信号激励部分、振动信号动态采集与传输部分，以及旋转机构的动力驱动部分；所述的振动信号激励部分由电磁激振器、夹持机构和滑环组成；所述的振动信号动态采集与传输部分由加速度传感器、数据采集器和振动信号传输单元组成；所述的旋转机构的动力驱动部分由电机及固定装置组成，其中：

电机通过传动轴驱动振动信号激励部分，实现激振器与旋转机构同步旋转，信号源产生的激励信号经功率放大器和滑环驱动电磁激振器对旋转机构进行动态激励；在振动信号的接收端，通过分布在旋转机构上的加速度传感器获取振动信号，通过有线方式或无线方式将振动信号传输至与上位机相连的数据采集器；上位机对获取的振动信号进行机械振动时域以及频域分析或进行传输信道内声传播特性分析处理；

所述振动信号激励部分中的电磁激振器内嵌固定于卡座A中，通过键槽配合与电机传动轴连接；卡座A与卡座B通过螺纹连接，卡座B与旋转机构连接，实现激振器与旋转机构的同步转动；功率放大器输出导线通过滑环与激振器相连，实现旋转条件下振动激励；

所述振动信号动态采集与传输部分中加速度传感器为压电式IEPE型加速度传感器，根据测量轴向的不同，使用单轴或三轴加速度传感器；

所述振动信号动态采集与传输部分获取的振动信号，通过有线方式或无线方式传输至与上位机相连的数据采集器，有线方式为滑环方式，无线方式为RF射频通讯或ZigBee无线通讯方式；

所述旋转机构为组合的管结构物体，具体为由多个不同长度和横截面积的钢制无缝圆管与钢制管箍构成的周期性传输信道，用于研究静态或旋转条件下周期性传输信道的振动特性与低频声波传输特性；

所述激励信号为力锤脉冲激励，来自实验室用信号发生器的正弦激励、方波激励、基本调制信号ASK、FSK、PSK激励或基于单片机、DSP和计算机组成的信号输出设备输出的自定义随机信号。