CN115728513A - 一种新型冲击加速度测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型冲击加速度测量装置，包括冲击波发生装置、压电式压力传感器、测试块、电荷放大器、动态信号测试采集仪、微型计算机和MATLAB仿真环境，压电式压力传感器设置于被测设备的待测点处，测试块设置于压电式压力传感器的上表面，其测量方法包括如下步骤：步骤1、确定被测设备的测点位置，并选择压电式压力传感器和测试块进行安装；步骤2、利用冲击波发生装置对被测设备施加冲击电荷，进行测试，并完成力信号的采集；步骤3、根据所采集的力信号计算时域加速度，借此，本发明具有既提供了一种结构简单、操作方便、能精确测量冲击加速度的装置，也提供了一种消除低频零漂、不受频率大小控制、测试精度高的测量冲击加速度方法的优点。

Description

一种新型冲击加速度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于冲击加速度测量技术领域，特别涉及一种新型冲击加速度测量装置及其测量方法。

背景技术

目前，加速度是振动、冲击测量和分析的主要物理量之一。在燃气轮机及关键部件的抗冲击试验中，常常采用直接测量法，即用加速度传感器进行整机及关键部件的冲击加速度测量。但在冲击加速度的测量和数据处理中，往往会出现输出基线偏离零点的现象，即零漂现象，使得测量数据在低频不能反应真实的冲击状态，试验结果不准确。因此，需要抑制减小低频零漂，以保证测量的准确性。

引起零漂现象的主要原因：一是受传感器本身压电材料及制造工艺的影响，二是受电缆噪声、电荷放大器及后处理调理电路等外部因素的影响。目前，常用解决零漂的方法有：机械滤波法、改进小波修正法、傅里叶变换-弹簧振子修正法、小波变换-弹簧振子修正法、选择无零漂高值、高频响应特性的传感器以及外部设计改进等。研究表明，采取以上合理的措施，对降低和抑制零漂现象具有一定的效果。压电式压力传感器具有频响特性好、量程大、灵敏度高、结构简单等优点，结合FFT技术，可用于解决加速度传感器低频特性差的问题。

发明内容

本发明提出一种新型冲击加速度测量装置及其测量方法，既提供了一种结构简单、操作方便、能精确测量冲击加速度的装置，也提供了一种消除低频零漂、不受频率大小控制、测试精度高的测量冲击加速度的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种新型冲击加速度测量装置，包括冲击波发生装置、压电式压力传感器、测试块、电荷放大器、动态信号测试采集仪、微型计算机和MATLAB仿真环境，其中，所述冲击波发生装置连接设置于被测设备的一侧，所述压电式压力传感器设置于被测设备的待测点处，所述测试块设置于压电式压力传感器的上表面，所述压电式压力传感器、电荷放大器、动态信号测试采集仪、微型计算机和MATLAB仿真环境依次相连设置。

一种利用如权利要求1所述的新型冲击加速度测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、确定被测设备的测点位置，并选择压电式压力传感器和测试块进行安装；

步骤2、利用冲击波发生装置对被测设备施加冲击电荷，进行测试，并完成力信号的采集；

步骤3、根据所采集的力信号计算时域加速度。

作为一种优选的实施方式，步骤1中压电式压力传感器具有加速度补偿的结构，测试块的质量为1-2kg。

作为一种优选的实施方式，步骤1中测点位置为待测设备的水平方向。

作为一种优选的实施方式，步骤2中冲击负荷是由5000kg横向冲击机产生的正负双半正弦波。

作为一种优选的实施方式，步骤2中力信号的采集方法为，压电式压力传感器的检测信号经电荷放大器放大后输入动态信号测试采集仪，微型计算机对动态信号测试采集仪的数据进行处理和存储后，即完成该力信号的采集。

作为一种优选的实施方式，步骤3中根据所采集的力信号计算时域加速度的方法为，根据力信号f(t)求其频谱F(k)，进而得出该力信号各谐波分量的幅值A_fx、圆频率ω_k和初相角

根据力学原理，求出加速度中各谐波分量的幅值A_ak和初相角

得加速度频谱A(k)，既而求出时域加速度a(t)。

作为一种优选的实施方式，力信号f(t)为多谐波力离散信号，其表达式为：

根据快速傅里叶变换FFT技术得出其频谱F(k)，其表达式为：

其中，

其中，

分别为各谐波分量幅值、圆频率和初相角；

分别为各谐波分量经傅里叶变换后得到的复数的实部和虚部；T为样本长度，N为时间T内的采集数据个数。

作为一种优选的实施方式，根据力与加速度之间的关系得出所述待测点的加速度为：

其中，

其中，m为测试块质量，

分别为各谐波分量产生加速度幅值及初相角。经计算，各谐波分量在频域内的实部

虚部

分别为：

进而得出加速度频谱A(k)，其表达式为：

作为一种优选的实施方式，根据加速度频谱A(k)，既而求出时域加速度a(t)的方法为，加速度频谱A(k)进行逆快速傅里叶变换IFFT，即可得所求的时域加速度a(t)。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

1、压电式压力传感器具有频响特性好、频率范围广、灵敏度高、结构简单等优点，可实现低频、高频的更大量程测量，具有较高的测试精度。此外，选择具有加速度补偿的压电式压力传感器，能很大程度上削弱因机械振动引起的加速度信号对实测压力信号的影响，使得测量结果准确可靠。

2、用压电式压力传感器测量冲击加速度涉及的仪器均是一些常用测试设备，无须再投入资金，且便于操作，节省大量的人力物力财力。

3、采用FFT及IFFT技术，编程简单、计算精度高、速度快。

4、能够有效地测量低频加速度，抑制零漂现象，具有较高的工程实用价值。

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，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的结构示意图。

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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1至图2所示，一种新型冲击加速度测量装置，包括冲击波发生装置、压电式压力传感器、测试块、电荷放大器、动态信号测试采集仪、微型计算机和MATLAB仿真环境，其中，所述冲击波发生装置连接设置于被测设备的一侧，所述压电式压力传感器设置于被测设备的待测点处，所述测试块设置于压电式压力传感器的上表面，所述压电式压力传感器、电荷放大器、动态信号测试采集仪、微型计算机和MATLAB仿真环境依次相连设置。

冲击波发生装置对被测设备施加冲击载荷，压电式压力传感器的检测信号经电荷放大器放大后输入动态信号测试采集仪，微型计算机对动态信号测试采集仪的数据进行处理和存储，完成力信号的采集。在MATLAB仿真环境下编程，采用FFT及IFFT技术，完成时域加速度信号的获取。本装置结构简单、操作方便、能有效地测量低频加速度。

一种利用如权利要求1所述的新型冲击加速度测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、确定被测设备的测点位置，并选择压电式压力传感器和测试块进行安装；

步骤2、利用冲击波发生装置对被测设备施加冲击电荷，进行测试，并完成力信号的采集；

步骤3、根据所采集的力信号计算时域加速度。

步骤1中压电式压力传感器具有加速度补偿的结构，测试块的质量为1-2kg。

本实施例中根据确定被测设备的测点位置，并选择压电式压力传感器和测试块的方式为常用的技术手段，因此此处不再做过多的赘述，本实施例中选择合适量程及灵敏度的压电式压力传感器和测试块，可实现低频、高频的更大量程测量，具有较高的测试精度。此外，选择具有加速度补偿的压电式压力传感器，能很大程度上削弱因机械振动引起的加速度信号对实测压力信号的影响，使得测量结果准确可靠。

本实施例中压电式压力传感器具有加速度补偿的结构也为现有技术中的常用技术手段，因此此处不再做过多的赘述。

步骤1中测点位置为待测设备的水平方向。

步骤2中冲击负荷是由5000kg横向冲击机产生的正负双半正弦波。

步骤2中力信号的采集方法为，压电式压力传感器的检测信号经电荷放大器放大后输入动态信号测试采集仪，微型计算机对动态信号测试采集仪的数据进行处理和存储后，即完成该力信号的采集。

步骤3中根据所采集的力信号计算时域加速度的方法为，根据力信号f(t)求其频谱F(k)，进而得出该力信号各谐波分量的幅值A_fx、圆频率ω_k和初相角

根据力学原理，求出加速度中各谐波分量的幅值A_ak和初相角

得加速度频谱A(k)，既而求出时域加速度a(t)。

力信号f(t)为多谐波力离散信号，其表达式为：

根据快速傅里叶变换FFT技术得出其频谱F(k)，其表达式为：

其中，

其中，

分别为各谐波分量幅值、圆频率和初相角；

分别为各谐波分量经傅里叶变换后得到的复数的实部和虚部；T为样本长度，N为时间T内的采集数据个数。

根据力与加速度之间的关系得出所述待测点的加速度为：

其中，

其中，m为测试块质量，

分别为各谐波分量产生加速度幅值及初相角。经计算，各谐波分量在频域内的实部

虚部

分别为：

进而得出加速度频谱A(k)，其表达式为：

根据加速度频谱A(k)，既而求出时域加速度a(t)的方法为，加速度频谱A(k)进行逆快速傅里叶变换IFFT，即可得所求的时域加速度a(t)。

通过采用具有加速度补偿结构的压电式压力传感器，并结合FFT及IFFT技术测量冲击加速度，一方面很大程度上削弱了因机械振动引起的加速度信号对实测压力信号的影响，使得测量结果准确可靠；另一方面，可实现对低频加速度的有效测量，抑制零漂现象，具有较高的工程实用价值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上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 (10)

1.一种新型冲击加速度测量装置，其特征在于，包括冲击波发生装置、压电式压力传感器、测试块、电荷放大器、动态信号测试采集仪、微型计算机和MATLAB仿真环境，其中，所述冲击波发生装置连接设置于被测设备的一侧，所述压电式压力传感器设置于被测设备的待测点处，所述测试块设置于压电式压力传感器的上表面，所述压电式压力传感器、电荷放大器、动态信号测试采集仪、微型计算机和MATLAB仿真环境依次相连设置。

2.一种利用如权利要求1所述的新型冲击加速度测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定被测设备的测点位置，并选择压电式压力传感器和测试块进行安装；

步骤2、利用冲击波发生装置对被测设备施加冲击电荷，进行测试，并完成力信号的采集；

步骤3、根据所采集的力信号计算时域加速度。

3.根据权利要求2所述的一种新型冲击加速度测量方法，其特征在于，所述步骤1中压电式压力传感器具有加速度补偿的结构，测试块的质量为1-2kg。

4.根据权利要求2所述的一种新型冲击加速度测量方法，其特征在于，所述步骤1中测点位置为待测设备的水平方向。

5.根据权利要求2所述的一种新型冲击加速度测量方法，其特征在于，所述步骤2中冲击负荷是由5000kg横向冲击机产生的正负双半正弦波。

6.根据权利要求2所述的一种新型冲击加速度测量方法，其特征在于，所述步骤2中力信号的采集方法为，压电式压力传感器的检测信号经电荷放大器放大后输入动态信号测试采集仪，微型计算机对动态信号测试采集仪的数据进行处理和存储后，即完成该力信号的采集。

7.根据权利要求2所述的一种新型冲击加速度测量方法，其特征在于，所述步骤3中根据所采集的力信号计算时域加速度的方法为，根据力信号f(t)求其频谱F(k)，进而得出该力信号各谐波分量的幅值A_fx、圆频率ω_k和初相角

根据力学原理，求出加速度中各谐波分量的幅值A_ak和初相角

得加速度频谱A(k)，既而求出时域加速度a(t)。

8.根据权利要求7所述的一种新型冲击加速度测量方法，其特征在于，所述力信号f(t)为多谐波力离散信号，其表达式为：

根据快速傅里叶变换FFT技术得出其频谱F(k)，其表达式为：

其中，

其中，

分别为各谐波分量幅值、圆频率和初相角；

分别为各谐波分量经傅里叶变换后得到的复数的实部和虚部；T为样本长度，N为时间T内的采集数据个数。

9.根据权利要求8所述的一种新型冲击加速度测量方法，其特征在于，根据力与加速度之间的关系得出所述待测点的加速度为：

其中，

其中，m为测试块质量，

分别为各谐波分量产生加速度幅值及初相角，经计算，各谐波分量在频域内的实部

虚部

分别为：

进而得出加速度频谱A(k)，其表达式为：

10.根据权利要求7所述的一种新型冲击加速度测量方法，其特征在于，所述根据加速度频谱A(k)，既而求出时域加速度a(t)的方法为，加速度频谱A(k)进行逆快速傅里叶变换IFFT，即可得所求的时域加速度a(t)。

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