CN114646462B - 一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置及方法，该装置包括：至少两组非接触式位移传感器、采集卡以及数据分析装置；至少两组非接触式位移传感器分别用于检测被测试件水平方向上的位移数据和用于检测被测试件竖直方向上的位移数据；采集卡，与非接触式位移传感器连接，用于同时采集各位非接触式移传感器的位移数据；数据分析装置，与所述采集卡连接，用于获取所述采集卡所采集的位移数据，并根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率。本发明能够实现与被测件无接触，且无需获取激励仅需要采集响应信号即可获取模态参数。

Description

一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置及方法

技术领域

本发明涉及工作模态测试技术领域，具体来说，涉及一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置及方法。

背景技术

模态分析分为实验模态分析EMA和工作模态分析OMA，二者都可以得到模态参数，但有着本质的区别：不同的应用场合、测量方式与分析方法等。EMA需要同时测量激励和响应，而OMA无须测量激励或激励无法测量得到，因而，OMA在激励力无法测量的情况下具有独特的优势，可将“振动试验”简化为“响应测量”，可用于机械状态监测与结构健康监测等方面。

传统的实验模态分析EMA通常在实验室中进行测量分析，结构处于静止状态，通过使用额外的激励设备，如力锤或激励器等，去激励结构以便使结构产生想要的响应。但当待测结构处于实际工作状态时，一方面传统的激励方式变得困难，不易实现；另一方面，处于运行状态下的结构会产生相应的响应，如果这时仍采用传统的实验模态进行测试（假设易于激励）：使用额外的激励设备对结构进行激励，那么响应将是运行下的响应与额外激励设备产生的响应的叠加，由于响应不是当前可测量的激励引起的，那么相干将很差。

OMA测量的是结构在实际工作状态下的实际响应，这个响应将是结构在工作状态下的实际变形的精确反映。在传统的实验模态测试及传感器安装方法中，测试中需要传感器与被测机械接触，且同时采集激励和响应，再通过后处理获得模态参数，但在磁悬浮飞轮转子高速旋转时，传感器无法与被测机械接触，且测试中无法获取激励，因而无法使用传统的实验模态方法进行测试。

针对上述问题，本文提出一种新的磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试方法及装置，该方法中传感器与被测机械无接触，且无需获取激励仅需要采集响应信号即可获取模态参数。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置及方法，能够实现与被测件无接触，且无需获取激励仅需要采集响应信号即可获取模态参数。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置。

该磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置包括：位于被测试件侧方的至少两组非接触式位移传感器、采集卡以及数据分析装置；其中，

至少两组非接触式位移传感器中，一组为与被测试件相互平行设置的非接触式位移传感器，且数量至少为两个，用于检测被测试件水平方向上的位移数据；

至少两组非接触式位移传感器中，另一组为与被测试件相互垂直设置的非接触式位移传感器，且数量至少为两个，用于检测被测试件竖直方向上的位移数据；

采集卡，与非接触式位移传感器连接，用于同时采集各位非接触式移传感器的位移数据；

数据分析装置，与所述采集卡连接，用于获取所述采集卡所采集的位移数据，并根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率。

其中，至少两个平行设置的非接触式位移传感器中，一个非接触式位移传感器为固定式位移传感器，其他位非接触式位移传感器为移动式位移传感器；至少两个垂直设置的非接触式位移传感器中，一个非接触式位移传感器为固定式位移传感器，其他非接触式位移传感器为移动式位移传感器。

其中，所述位移数据包括固定式位移传感器所采集的预定固定参考点的位移数据，以及移动式位移传感器所采集的预定固定参考点到预定测试终点过程中的位移数据。

其中，所述数据分析装置在根据响应信号，获取功率谱密度函数时，计算预定固定参考点到预定测试终点过程中的响应信号与预定固定参考点的响应信号之间的互功率谱密度，并根据互功率谱密度拟合功率谱密度函数。

可选的，非接触式位移传感器为激光位移传感器。

其中，所述被测试件为磁悬浮转子系统，所述磁悬浮转子系统包括被测飞轮转子，所述被测飞轮转子的两端与电磁轴承连接，所述电磁轴承设置于磁轴承座上，且所述被测飞轮转子的一端通过弹性离合器与设置于电机安装座上的驱动电机连接；至少两组非接触式位移传感器位于被测飞轮转子的侧方。

可选的，固定式位移传感器位于所述被测飞轮转子一端部的电磁轴承外侧，移动式位移传感器位于所述被测飞轮转子该端部的电磁轴承内侧。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试方法，用于对运行过程中的被测试件的工作模态进行测试。

该磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试方法，包括：

利用至少两组非接触式位移传感器检测被测试件的位移数据；其中，一组非接触式位移传感器平行设置于被测试件的侧方，另一组非接触式位移传感器垂直设置于被测试件的侧方；所述位移数据包括水平方向的位移数据和竖直方向的位移数据；

采集所述位移数据，并根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率。

其中，水平方向的位移数据和竖直方向的位移数据均包括预定固定参考点的位移数据以及预定固定参考点到预定测试终点过程中的位移数据。

其中，根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率包括：

根据水平方向的位移数据，获取水平方向上的响应信号，并根据竖直方向的位移数据，获取竖直方向上的响应信号；分别计算水平方向和竖直方向上，预定固定参考点到预定测试终点过程中的各响应信号与预定固定参考点的响应信号之间的互功率谱密度；根据水平方向的互功率谱密度与竖直方向上的互功率谱密度，拟合功率谱密度函数；并根据功率谱密度函数，获取被测试件的工作模态频率。

有益效果：本发明可以在不采集激励的情况下，通过处理采集的响应信号从而获得相应的模态参数，并且本发明的传感器与被测试件无接触，消除了传感器对被测试件的附加质量效应，同时减少了被测试件的振动冲击对传感器的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试方法的流程示意图；

图3是根据本发明实施例的磁悬浮转子系统磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置的结构示意图。

图中：

1、被测飞轮转子；2、电磁轴承；3、激光位移传感器一；4、激光位移传感器二；5、磁轴承座；6、弹性离合器；7、驱动电机；8、电机安装座；9、数据分析装置；10、采集卡；11、激光位移传感器三；12、激光位移传感器四。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置及方法。

如图1所示，根据本发明实施例的磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置，包括：位于被测试件侧方的至少两组非接触式位移传感器101、采集卡103以及数据分析装置105；其中，

至少两组非接触式位移传感器101中，一组为与被测试件相互平行设置的非接触式位移传感器，且数量至少为两个，用于检测被测试件水平方向上的位移数据；

至少两组非接触式位移传感器101中，另一组为与被测试件相互垂直设置的非接触式位移传感器，且数量至少为两个，用于检测被测试件竖直方向上的位移数据；

采集卡103，与非接触式位移传感器101连接，用于同时采集各位非接触式移传感器的位移数据；

数据分析装置105，与所述采集卡103连接，用于获取所述采集卡所采集的位移数据，并根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率。

在一个实施例中，至少两个平行设置的非接触式位移传感器101中，一个非接触式位移传感器为固定式位移传感器，其他位非接触式移传感器为移动式位移传感器；至少两个垂直设置的非接触式位移传感器中，一个非接触式位移传感器为固定式位移传感器，其他非接触式位移传感器为移动式位移传感器。

在一个实施例中，所述位移数据包括固定式位移传感器所采集的预定固定参考点的位移数据，以及移动式位移传感器所采集的预定固定参考点到预定测试终点过程中的位移数据。

在一个实施例中，所述数据分析装置105在根据响应信号，获取功率谱密度函数时，计算预定固定参考点到预定测试终点过程中的响应信号与预定固定参考点的响应信号之间的互功率谱密度，并根据互功率谱密度拟合功率谱密度函数。

如图2所示的，根据本发明实施例的一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试方法，包括：

步骤S201，利用至少两组非接触式位移传感器检测被测试件的位移数据；其中，一组非接触式位移传感器平行设置于被测试件的侧方，另一组非接触式位移传感器垂直设置被测试件的侧方；所述位移数据包括水平方向的位移数据和竖直方向的位移数据；

步骤S203，采集所述位移数据，并根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号；

步骤S205，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率。

在一个实施例中，水平方向的位移数据和竖直方向的位移数据均包括预定固定参考点的位移数据以及预定固定参考点到预定测试终点过程中的位移数据。

在一个实施例中，根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率包括：

在一个实施例中，在根据水平方向的位移数据，获取水平方向上的响应信号，并根据竖直方向的位移数据，获取竖直方向上的响应信号时，可分别计算水平方向和竖直方向上，预定固定参考点到预定测试终点过程中的各响应信号与预定固定参考点的响应信号之间的互功率谱密度；再根据水平方向的互功率谱密度与竖直方向上的互功率谱密度，拟合功率谱密度函数；最后根据功率谱密度函数，获取被测试件的工作模态频率。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下以磁悬浮转子系统作为被测试件为例，对本发明的上述技术方案进行详细说明。

如图3所示，磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置包括：被测飞轮转子1、电磁轴承2、两个垂直方向的激光位移传感器一3和激光位移传感器二4、磁轴承座5、弹性离合器6、驱动电机7、电机安装座8、数据分析装置9、采集卡10、两个水平方向的激光位移传感器三11和激光位移传感器四12。两个电磁轴承2和飞轮转子1组成磁悬浮转子系统，该系统安装在磁轴承座5上，一端通过弹性离合器6与驱动电机7连接从而获取动力，采集卡10采集到的激光位移传感器一3、激光位移传感器二4、激光位移传感器三11、激光位移传感器四12的位移信号经过数据分析装置9得到模态参数。

具体的，所述被测飞轮转子1的两端与电磁轴承2连接，所述电磁轴承2设置于磁轴承座5上，且所述被测飞轮转子1的一端通过弹性离合器6与设置于电机安装座8上的驱动电机7连接；激光位移传感器一3、激光位移传感器二4与激光位移传感器激光位移传感器三11、激光位移传感器四12分别位于被测飞轮转子1的侧方。且激光位移传感器一3和激光位移传感器三11位于所述被测飞轮转子1一端部的电磁轴承2外侧，激光位移传感器二4和激光位移传感器四12位于所述被测飞轮转子1该端部的电磁轴承2内侧。

具体使用时，首先把磁轴承座5与地基（或者试验台）通过螺栓连接紧固，然后把被测飞轮转子1和两个电磁轴承2组成的磁悬浮转子系统安装在磁轴承座5上并进行螺栓紧固。

把电机安装座8与地基（或者试验台）通过螺栓连接紧固，然后把驱动电机7通过紧固电机座脚安装在电机安装座8上，再安装动力连接件弹性离合器6。为了保证驱动电机轴和飞轮转子轴同心，减少磁悬浮转子系统的振动，因此在安装弹性离合器6时要进行打表调心，保证电机轴与飞轮转子轴的同轴度。

在磁悬浮转子系统和驱动电机安装完成后，接下来进行传感器布置。传感器分为水平方向和垂直方向两个组，最少要使用4个激光位移传感器，两个激光位移传感器一3、激光位移传感器二4布置在垂直方向，两个激光位移传感器三11、激光位移传感器四12布置在水平方向。在水平方向和垂直方向各选择一个传感器（激光位移传感器一3和激光位移传感器三11）作为参考点并保持不动，其他的传感器在进行一次采集后按照图中方向进行移动进行下一次采集，根据事先设计的采集点位移一直采集完成为止。

传感器通过采集线缆连接采集卡11，采集卡11采集的位移信号最后汇总到数据分析装置9中进行处理，由于该方法无法获取激励只能采集位移响应，因此，无法通过拟合传递函数的方法获取模态参数。该方法可以通过计算采集到的位移响应信号的功率谱密度函数进行模态参数提取。首先选定事先选好的参考点的信号作为参考信号，然后计算各个信号与参考信号的互功率谱密度，最后拟合这些功率谱密度函数，从拟合的函数中提取模态参数。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明可以在不采集激励的情况下，通过处理采集的响应信号从而获得相应的模态参数，并且本发明的传感器与被测试件无接触，消除了传感器对被测试件的附加质量效应，同时减少了被测试件的振动冲击对传感器的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置，其特征在于，包括：位于被测试件侧方的至少两组非接触式位移传感器、采集卡以及数据分析装置；其中，

至少两组非接触式位移传感器中，一组为与被测试件相互平行设置的非接触式位移传感器，且数量至少为两个，用于检测被测试件水平方向上的位移数据；

至少两组非接触式位移传感器中，另一组为与被测试件相互垂直设置的非接触式位移传感器，且数量至少为两个，用于检测被测试件竖直方向上的位移数据；

采集卡，与非接触式位移传感器连接，用于同时采集各位非接触式移传感器的位移数据；

数据分析装置，与所述采集卡连接，用于获取所述采集卡所采集的位移数据，并根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率;

至少两个平行设置的非接触式位移传感器中，一个非接触式位移传感器为固定式位移传感器，其他非接触式移传感器为移动式位移传感器；至少两个垂直设置的非接触式位移传感器中，一个非接触式位移传感器为固定式位移传感器，其他非接触式位移传感器为移动式位移传感器；

所述位移数据包括固定式位移传感器所采集的预定固定参考点的位移数据，以及移动式位移传感器所采集的预定固定参考点到预定测试终点过程中的位移数据；

所述数据分析装置在根据响应信号，获取功率谱密度函数时，计算预定固定参考点到预定测试终点过程中的响应信号与预定固定参考点的响应信号之间的互功率谱密度，并根据互功率谱密度拟合功率谱密度函数。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置，其特征在于，非接触式位移传感器为激光位移传感器。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置，其特征在于，所述被测试件为磁悬浮转子系统，所述磁悬浮转子系统包括被测飞轮转子，所述被测飞轮转子的两端与电磁轴承连接，所述电磁轴承设置于磁轴承座上，且所述被测飞轮转子的一端通过弹性离合器与设置于电机安装座上的驱动电机连接；至少两组非接触式位移传感器位于被测飞轮转子的侧方。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试装置，其特征在于，固定式位移传感器位于所述被测飞轮转子一端部的电磁轴承外侧，移动式位移传感器位于所述被测飞轮转子该端部的电磁轴承内侧。

5.一种磁悬浮储能飞轮转子的工作模态测试方法，其特征在于，用于对运行过程中的被测试件的工作模态进行测试，包括：

利用至少两组非接触式位移传感器检测被测试件的位移数据；其中，一组非接触式位移传感器平行设置于被测试件的侧方，另一组非接触式位移传感器垂直设置被测试件的侧方；所述位移数据包括水平方向的位移数据和竖直方向的位移数据；

采集所述位移数据，并根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率；

水平方向的位移数据和竖直方向的位移数据均包括预定固定参考点的位移数据以及预定固定参考点到预定测试终点过程中的位移数据；

且根据所述位移数据获取所述被测试件的响应信号，根据响应信号，获取功率谱密度函数，并根据功率谱密度函数，获得被测试件的工作模态频率包括：

根据水平方向的位移数据，获取水平方向上的响应信号，并根据竖直方向的位移数据，获取竖直方向上的响应信号；

分别计算水平方向和竖直方向上，预定固定参考点到预定测试终点过程中的各响应信号与预定固定参考点的响应信号之间的互功率谱密度；

根据水平方向的互功率谱密度与竖直方向上的互功率谱密度，拟合功率谱密度函数；并根据功率谱密度函数，获取被测试件的工作模态频率。

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