CN200962274Y

CN200962274Y - 虚拟测试振动与控制综合实验装置

Info

Publication number: CN200962274Y
Application number: CN 200620111566
Authority: CN
Inventors: 张成贵; 秦树人; 王见
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2016-10-20

Abstract

一种虚拟测试振动与控制综合实验装置，包括机械振动与控制实验装置和虚拟仪器，其特征是：机械振动与控制实验装置包括机械振动综合实验台及激振测振单元、转子平衡单元中的一种；综合实验台上具有至少一种模型的位置，振动装置模型包括1～3自由度演示模型、悬臂梁模型、简支梁模型和薄壁圆板演示模型；所述单元中的装置位于综合实验台上，激振测振单元中的传感器位于综合实验台上，或/和减振单元上，或/和底座上，其信号输出端连接虚拟仪器。它有切换灵活方便和成本低的优点，将振动实验所需设备使之成为一套完整紧凑的实验装置，便于在同一平台上开展数个实验；而且还可以完成至少23种有关机械振动及振动控制的实验和演示，可操作性强。

Description

虚拟测试振动与控制综合实验装置

所属技术领域

本实用新型涉及测试振动与控制实验装置领域，特别涉及一种可通过虚拟仪器完成测试和分析的机械振动与控制的综合实验装置。

背景技术

工程实际中存在大量的振动问题，机械振动和振动控制也是大学理工科的重要教学内容。实验能够更好地帮助理解振动学中抽象的概念和结论，因此利用机械振动与控制实验装置进行实验和演示，可以使实验人员通过观察、对比、分析建立正确牢固的概念，通过动手提高解决实际问题的能力。

目前国内现有的机械振动与控制实验装置都还没有引入计算机技术，为了完成规定的全部实验，还需要配套多台电子仪器，需要付出较大的经济代价，因此不能进入现代实验仪器的行列。

目前，虚拟仪器由于其成本低、灵活性强、升级换代容易等优越性而得到越来越广泛的开发和应用。申请人秦树人从90年代开始虚拟仪器的研究和产业化应用，已获得极大的成功，从2003年以来已经申请关于虚拟仪器的专利20多项，其中包括已获得发明专利权的ZL200310104190.3智能控件化的方法、ZL200310104192.2智能虚拟控件的制作方法以及申请号为2003101041918智能虚拟显示器的制作方法等公开的技术为实现虚拟仪器的制作和应用奠定了坚实的基础。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种切换灵活方便、故障少、低维修的虚拟测试振动与控制综合实验装置，它整合了振动实验所需设备使之成为一套完整紧凑的实验装置，便于在同一平台上开展数个实验，一套虚拟仪器库软件取代了多台电子仪器，使机械振动与控制实验装置在技术上产生了突破性的进步，从此步入现代实验仪器的行列，而且还可以完成23种实验和演示。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：即一种虚拟测试振动与控制综合实验装置，包括机械振动与控制实验装置和虚拟仪器，其特征在于：机械振动与控制实验装置包括机械振动综合实验台及激振测振单元、转子平衡单元中的一种；所述机械振动综合实验台上具有可拆卸式选择安装六种振动装置模型中的至少一种的位置，所述六种振动装置模型包括1～3自由度演示模型、悬臂梁模型、简支梁模型和薄壁圆板演示模型；所述激振测振单元、减振单元和转子平衡单元中的装置可拆卸式选择性安装在机械振动综合实验台上，其中，激振测振单元中的传感器安装在机械振动综合实验台中的简支梁上，或/和安装在减振单元中的被动隔振器上，或/和底座上，其信号输出端通过激振测振单元中的激振测振仪连接虚拟仪器的数据采集卡。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：

(1)、它整合了振动实验所需设备使之成为一套完整紧凑的实验装置，便于在同一平台上开展数个实验；

(2)、由于很多复杂的硬件设备或装置由虚拟仪器代替，因而极大的降低了成本，简化了装置的结构；

(3)、可由用户参与设计、修改、增减功能，使其成为一个开发的实验装置；

(4)、可以完成至少23种有关机械振动及振动控制的实验和演示，实验演示范围广、直观性强，学习性和可操作性强；

(5)、它的升级换代容易并且成本低；

(6)、测试分析精度高，辅助功能强，数据图形的输出或存储方便，功能间的切换灵活方便；

(7)、它以电脑为硬件平台，具有故障少、低维修的特点。

附图说明

本实用新型的附图说明如下：

图1为本实用新型的组成的连接框图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型的虚拟测试振动与控制实验装置中机械振动综合实验台与激振测振单元、减振装置和转子平衡装置的装配关系图；

图4为本实用新型中的激振测振仪电路原理图；

图5为本实用新型中的激振测振仪的前面板配置图；

图6为本实用新型中的激振测振仪的后面板配置图；

图7为本实用新型的复式动力吸振器吸振实验装置图；

图8为本实用新型的复式动力吸振器的力学模型图；

图9为本实用新型的偏心盘的结构图；其中A为剖视图，B为主视图。

1.底座；2.支座；3.二自由度装置；4.薄壁圆盘支承螺杆；5.固定铰；6.非接触式激振器；7.薄壁圆盘；8.电动式激振器；9.压板；10.可调偏心电机；11.偏心盘；12.被动隔振器；13.压电式加速度传感器；14.简支梁；15.活动铰；16.悬臂梁；17.圆支柱；18.质量块；19.调压器；20.油阻尼减振器；21.单式动力吸振器；22.复式动力吸振器；23.主动隔振器；24.电动式激振器支座；25.激振测振仪；26.虚拟仪器；27.微机及打印机；28.数字面板表；29.通道1量程选择开关；30.数字面板表；31.功率幅度调节旋钮；32.前面板；33.功率输出A；34.频率/电流显示选择；35.功率输出B；36.A/B功率输出选择；37.频率粗调旋钮；38.频率微调旋钮；39.信号幅度调节旋钮；40.通道2量程选择开关；41.通道2传感器输入端；42.通道2灵敏度调节；43.测量/灵敏度调节开关；44.通道2功能选择；45.通道1传感器输入端；46.通道1灵敏度调节；47.测量/灵敏度调节；48.通道1功能选择；49.内/外信号源选择开关；50.外部信号输入接口；51.恒压/恒流功率输出选择开关；52.通道2电压输出端；53.通道1电压输出端；54.信号波形输出接口；55.功率波形输出接口；56.220VAC电源插座；57.ON/OFF电源开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

见附图1：本实用新型包括机械振动与控制实验装置和虚拟仪器，其中：机械振动与控制实验装置包括机械振动综合实验台及激振测振单元、转子平衡单元中的一种；所述机械振动综合实验台上具有可拆卸式选择安装六种振动装置模型中的至少一种的位置，所述六种振动装置模型包括1～3自由度演示模型、悬臂梁模型、简支梁模型和薄壁圆板演示模型；所述激振测振单元、减振单元和转子平衡单元中的装置可拆卸式选择性安装在机械振动综合实验台上，其中，激振测振单元中的传感器安装在机械振动综合实验台中的简支梁上，或/和安装在减振单元中的被动隔振器上，或/和底座1上，其信号输出端通过激振测振单元中的激振测振仪连接虚拟仪器26的数据采集卡。

见附图2或3：所述机械振动综合实验台上具有可拆卸式选择安装六种振动装置模型中的一自由度模型包括简支梁14和质量块18，该质量块通过末端的螺纹与简支梁上的螺孔连接；所述二自由度模型3包括固定在细钢丝上的两个质量块18和一个悬挂式质量块，固定了质量块的钢丝左端固定于机械振动综合实验台左支座2的圆支柱17上，右端跨过位于机械振动综合实验台左支座上的右圆支柱17上的滑轮与悬挂式质量块连接；所述三自由度模型包括固定在细钢丝上的三个质量块和一个悬挂式质量块，钢丝左端固定于机械振动综合实验台左支座的圆支柱上，右端跨过位于机械振动综合实验台左支座上的右圆支柱上的滑轮与悬挂式质量块连接；所述悬臂梁模型为矩形等截面弹簧钢片悬臂梁16，其一端固定于机械振动综合实验台左或右支座上；所述简支梁模型包括弹簧钢板简支梁14，其左端通过固定铰5与机械振动综合实验台左支座连接，右端通过活动铰15与机械振动综合实验台右支座连接；所述薄壁圆板模型包括薄壁圆盘7，通过螺帽与位于机械振动综合实验台左支座上的薄壁圆盘支承螺杆4连接；

见附图4：所述激振测振单元包括电动式激振器8、非接触式激振器6、偏心电机10、压电式加速度传感器13和激振测振仪25；电动式激振器8选择性安装在电动式激振器支座24上，其激振头与简支梁14接触；非接触式激振器6安装在磁力表座上，由磁力表座通过螺钉选择性安装在机械振动综合实验台的底座1上；偏心电机10通过压板9选择性安装在简支梁14上；其中电动式激振器8和非接触式激振器6驱动信号输入端与激振测振仪25信号源的功率输出端相联；压电式加速度传感器的电压信号输出端与激振测振仪25的信号输入端连接，所述电压信号经放大处理后一路与数据采集卡的模拟信号输入端连接，另一路由显示电路显示；可调偏心电机10与调压器19输出端相联，调压器19输入端与电源相联。

见附图5或6：所述的激振测振仪的型号为：ZK-4JCZ型，其内部信号源是输出功率较大的正弦信号源，信号经过功率放大后可以驱动电动式激振器或非接触式激振器，供激振试验用，也可作一般功率发生器用。内部信号源的频率由频率粗调旋钮37来进行粗调，由频率微调旋钮38进行微调。内部信号源可产生频率10～1kHz，幅度≤5V(单峰值)的正弦信号，作为功率放大器的输入信号。当显示选择打在频率(Hz)档时，信号源的频率可直接从数字面板表30读取。内/外信号源选择开关49可以控制功率放大器连接内部信号源还是外部信号源，当内/外信号源选择开关49打到外部信号源时，外部信号由外部信号输入接口50输入到功率放大器。内部信号源产生的正弦信号要进行幅值放大，通过信号幅度调节旋钮39可以调节信号的幅值，然后进行功率放大，通过功率幅度调节旋钮31可以调节输出功率，信号经过功率放大后，输入到测量通道和功率输出通道中。测量通道可以对信号的电流和频率进行测量，然后将测得的信号的频率和电流值传到MCU微程序控制器中，MCU对输入的频率和电流值进行处理后，把它们的具体值发送到数字面板表上显示。数字面板表30上是显示频率还是电流由频率/电流显示选择开关34来控制。功率输出有A、B两个通道可以选择，具体选择哪个可以由A/B功率输出选择36来控制。A、B功率输出通道的接口分别为功率输出A33、功率输出B35。此外，功率输出还可以是恒流或恒压输出，这个由恒压/恒流功率输出选择开关51来控制，当功率放大器工作在恒压状态时，采用电压负反馈。这样，在振动信号的频率发生变化时，功率负载上的电压是恒定的。在恒流状态时，采用电流负反馈。当频率变化时，通过功率负载上的电流是恒定的。功率输出用来驱动激振器，功放的输出阻抗约为8Ω。在选择不同类型的激振器时，首先要保证负载阻抗相匹配。另外，要确保负载是浮地。

本实施例中的激振测振的测量传感器使用压电式加速度计。由于加速度计的电荷灵敏度是离散的，所以，需要有一个归一化的过程。归一化的步骤是：首先，将内部信号源的频率调至80Hz左右，再将灵敏度调节钮子开关拨向下方，按照加速度计的电荷灵敏度值，用改锥调节灵敏度调节处的内嵌式电位器，使数字面板表28的读数与加速度计的电荷灵敏度值相一致。通过测量/灵敏度调节开关43可以选择是调节灵敏度还是对通道1传感器输入端45的输入信号进行测量。在测量之前，首先要按照上面说的方法将电荷放大器的灵敏度调到和加速度计的电荷灵敏度一样。灵敏度校准完毕后，将测量/灵敏度调节开关47打到测量档，就可以对传感器的输入信号进行测量了，通道1的信号由通道1传感器输入端45接口输入。由通道1量程选择开关29可以选择量程，有×1和×10两档量程，×1档是为了测量幅值较小的信号时，得到更高的精确度，×10档可以测量幅值较大的信号，增大了测振仪的量程。加速度传感器的输入的模拟信号可以由通道1电压输出端53输出到示波器上显示。此外，模拟信号还可以通过测量通道进行测量，得到信号的A、V、D值，然后将其中一个输入到MCU单元进行处理后，再将它的具体值传到数字面板表28上显示。将A、V、D中的哪个值输入MCU然后显示，可以由三向开关通道1功能选择开关48来控制。

通道2传感器输入端41的工作原理和通道1传感器输入端45是一样的，只是接口、调节开关和调节旋钮不同。通道2传感器输入端41的测量/灵敏度调节为开关43，通道2灵敏度调节旋钮42、通道2量程选择开关40、通道2功能选择开关44、通道2电压输出端52均布在前面板32上。另外，信号波形输出接口54可以输出经过功率放大后的信号波形，功率波形输出接口55可以输出经过功率放大后的功率波形。通过220VAC电源插座56和ON/OFF电源开关57对其进行供电或断电操作。用户需要信号源的波形时，可从后面板的信号波形输出接口54读取。其幅度大小由前面板的信号幅度调节39电位器控制。

见附图1或2：还包括与激振测振单元配合使用的减振单元，所述减振单元包括用于安装激振测振单元中的可调偏心电机10的主动隔振器23、用于安装激振测振单元中的传感器13的被动隔振器12、以及动力吸振器与油阻尼减振器20中的至少一种；其中主动隔振器23选择性安装在底座1上，被动隔振器选择性安装在在简支梁上，动力吸振器有单式动力吸振器21和复式动力吸振器22两种，选择性安装在简支梁上；油阻尼减振器20选择性安装在简支梁与底座之间。

见附图9：所述转子平衡单元包括激振测振单元中的可调偏心电机10和偏心盘11，其中偏心盘11上均匀开有六个螺孔，偏心盘11通过螺钉锁死在可调偏心电机10的转动轴上，可调偏心电机10通过压板与简支梁14连接；所述的悬臂梁模型由矩形等截面弹簧钢片构成，其一端固定于机械振动综合实验台的右支座上。

参见图1，所述虚拟仪器单元26通过其虚拟式测试仪器库软件完成虚拟式波形显示器与数据记录仪功能、虚拟式单通道快速傅立叶变换FFT分析仪和虚拟式双通道快速傅立叶变换FFT分析仪功能，其中，虚拟式波形显示器与数据记录仪主要完成1～16线的波形动态显示、数据记录与回放、多通道数据文件分离成单通道数据文件、三通道以上数据文件分离成双通道数据文件、波形编辑、任意两通道数据的X-Y显示、双光标读数、屏幕位图输出彩色位图或黑白位图等功能，虚拟式单通道快速傅立叶变换FFT分析仪主要用于完成单通道数据在线或离线的时域统计分析、幅值域分析、相关分析、频谱分析、频谱细化分析、解调分析、数字滤波等，虚拟式双通道快速傅立叶变换FFT分析仪主要用于完成双通道数据在线或离线的相干分析、传递函数、互谱分析、相关分析等。该部分的内容不是本实用新型提出的新的技术内容，可采用现有技术，在此不赘述。

本实用新型可以实现23种有关机械振动及振动控制的教学实验和演示。现以复式动力吸振器吸振实验为例，参见附图7：所谓吸振就是将原装置的振动能量转移到附加装置，从而使原装置的振动减小。动力吸振器利用联结在振动装置上的附加质量的动力来实现吸振，即将原振动装置的振动能量转移到附加的弹簧质量振动装置上了。动力吸振器主要用在外力角频率不变的场合，或者当外力角频率改变时，能控制动力吸振器的固有角频率随外力角频率成正比变化的场合。相对于单自由度振动装置的单式动力吸振器，复式动力吸振器是一个二自由度振动装置，复式动力吸振器的减振频带较宽，所以适用于激扰频率变化或激扰含有多种频率成份的场合。

复式动力吸振器吸振实验的实验原理为二自由度振动装置的复式动力吸振器与单自由度振动主装置一起构成三自由度装置，力学模型如附图8所示。实验方法是首先用共振法测量简支梁无吸振器时的幅频特性曲线，改变激振频率f并测量得到的一系列振动幅值X，然后描绘出无吸振器时的幅频特性曲线，并由曲线峰值确定出简支梁装置的固有频率；其次，利用虚拟式FFT分析仪和测振仪，可以调整复式动力吸振器的固有频率，因为复式动力吸振器由安装在悬臂杆上的附加质量m₁、m₂构成，两质量距中心柱的距离分别为L₁、L₂，悬臂杆端部有螺纹，在悬臂杆上调整附加质量至中心柱的距离L₁、L₂，便可改变吸振器的固有频率f₁、f₂，使满足关系式：f₁＜＝f₀＜f₂或f₁＜f₀＜＝f₂，一般可先使f₁＝f₀，再使f₂略大于或略小于f₀。再次，测量简支梁有吸振器时的幅频特性曲线，改变激振频率f，根据振动幅值和频率描绘出有吸振器时的幅频特性曲线。实验完成。

Claims

1.一种虚拟测试振动与控制综合实验装置，包括机械振动与控制实验装置和虚拟仪器，其特征在于：机械振动与控制实验装置包括机械振动综合实验台及激振测振单元、转子平衡单元中的一种；所述机械振动综合实验台上具有可拆卸式选择安装六种振动装置模型中的至少一种的位置，所述六种振动装置模型包括1～3自由度演示模型、悬臂梁模型、简支梁模型和薄壁圆板演示模型；所述激振测振单元、减振单元和转子平衡单元中的装置可拆卸式选择性安装在机械振动综合实验台上，其中，激振测振单元中的传感器安装在机械振动综合实验台中的简支梁上，或/和安装在减振单元中的被动隔振器上，或/和底座(1)上，其信号输出端通过激振测振单元中的激振测振仪连接虚拟仪器的数据采集卡。

2.根据权利要求1所述的虚拟测试振动与控制综合实验装置，其特征在于：

1)、所述机械振动综合实验台上具有可拆卸式选择安装的六种振动装置模型中的一自由度模型，它包括简支梁(14)和质量块(18)，该质量块通过末端的螺纹与简支梁上的螺孔连接；

2)、所述二自由度模型(3)包括固定在细钢丝上的两个质量块和一个悬挂式质量块(18)，固定了质量块的钢丝左端固定于机械振动综合实验台左支座(2)的圆支柱(17)上，右端跨过位于机械振动综合实验台左支座上的右圆支柱(17)上的滑轮与悬挂式质量块连接；

3)、所述三自由度模型包括固定在细钢丝上的三个质量块和一个悬挂式质量块，钢丝左端固定于机械振动综合实验台左支座的圆支柱上，右端跨过位于机械振动综合实验台左支座上的右圆支柱上的滑轮与悬挂式质量块连接；

4)、所述悬臂梁模型为矩形等截面弹簧钢片悬臂梁(16)，其一端固定于机械振动综合实验台左或右支座(2)上；

5)、所述简支梁模型包括弹簧钢板简支梁(14)，其左端通过固定铰(5)与机械振动综合实验台左支座连接，右端通过活动铰(15)与机械振动综合实验台右支座(2)连接；

6)、所述薄壁圆板模型包括薄壁圆盘(7)，通过螺帽与位于机械振动综合实验台左支座上的薄壁圆盘支承螺杆(4)连接。

3.根据权利要求1所述的虚拟测试振动与控制综合实验装置，其特征在于：所述激振测振单元包括电动式激振器(8)、非接触式激振器(6)、可调偏心电机(10)、压电式加速度传感器(13)和激振测振仪(25)；电动式激振器(8)选择性安装在电动式激振器支座(24)上，其激振头与简支梁(14)接触；非接触式激振器(6)安装在磁力表座上，由磁力表座通过螺钉选择性安装在机械振动综合实验台的底座(1)上；可调偏心电机(10)通过压板(9)选择性安装在简支梁(14)上；所述电动式激振器(8)和非接触式激振器(6)的驱动信号输入端与激振测振仪(25)信号源的功率输出端相联；压电式加速度传感器的电压信号输出端与激振测振仪(25)的信号输入端连接，所述电压信号经放大处理后一路与数据采集卡的模拟信号输入端连接，另一路由显示电路显示；可调偏心电机(10)与调压器(19)输出端相联，调压器(19)输入端与电源相联。

4.根据权利要求1所述的虚拟测试振动与控制综合实验装置，其特征在于：还包括与激振测振单元配合使用的减振单元，所述减振单元包括用于安装激振测振单元中的可调偏心电机(10)的主动隔振器(23)、用于安装激振测振单元中的传感器(13)的被动隔振器(12)、以及动力吸振器与油阻尼减振器(20)中的至少一种；其中主动隔振器(23)选择性安装在底座(1)上，被动隔振器选择性安装在在简支梁上；动力吸振器有单式动力吸振器(21)和复式动力吸振器(22)两种，选择性安装在简支梁上；所述油阻尼减振器(20)选择性安装在简支梁与底座之间。

5.根据权利要求1所述的虚拟测试振动与控制综合实验装置，其特征在于：所述转子平衡单元包括激振测振单元中的可调偏心电机(10)和偏心盘(11)，其中偏心盘(11)上均匀开有六个螺孔，偏心盘(11)通过螺钉锁死在可调偏心电机(10)的转动轴上，可调偏心电机(10)通过压板与简支梁(14)连接；所述的悬臂梁模型由矩形等截面弹簧钢片构成，其一端固定于机械振动综合实验台的右支座上。