CN206695967U - 一种振动试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种振动试验系统。该系统的组成为核心控制器模块、数据传输采集模块、二级控制器及驱动电流产生模块、电磁式振动台、传感器模块和滤波器模块；其中，核心控制器模块与数据传输采集模块相连；数据传输采集模块分别与二级控制器及驱动电流产生模块、滤波器模块相连；传感器模块与滤波器模块相连，二级控制器及驱动电流产生模块与电磁式振动台内部的驱动线圈相连；传感器模块的五个相互独立的加速度传感器固定在电磁式振动台的台面。本实用新型兼顾实时性、开放性和精准性，采用两级控制器，可得到更准确的振动实时数据。

Description

一种振动试验系统

技术领域

本实用新型装置涉及一种振动试验系统。该系统采用两级控制器的连接形式，结合在振动台台面合理分布的五路传感器等模块组成闭环系统，可控制振动台进行振动并能对振动试件进行实时监测，具有灵活开放的用户开发环境和便于维护扩展的可靠连接方式。

背景技术

振动试验是将试件暴露于特定的振动环境中，鉴定其结构和性能是否可以承受预计振动环境，验证产品振动环境的适应性及预测寿命可靠性的一种必要手段。

用于振动试验的振动台从其激振方式上可分为三类：机械式振动台、电液式振动台和电磁式振动台。电磁式振动台的频率范围宽，动态范围广，易于实现自动控制，适合产生多种波形的振动，是目前使用最广泛的一种振动设备。电磁式振动台是根据电磁感应原理设计的：台体内部永磁体或励磁线圈通电产生恒定磁场，驱动线圈处于其中，通电后的驱动线圈和磁场进行相互作用，使振动台产生振动。

产品在制造、组装、运输及使用过程中所遭受的大多是随机振动环境，为了模拟真实的振动环境，振动试验系统不仅要能够提供正弦振动试验环境，而且应能够提供随机振动的试验环境，且随机振动的加速度功率谱密度曲线应符合有关振动试验的国家标准。

目前，市场上盛行的电磁式振动试验系统大致有两种连接构成形式：其中一种由控制箱和电磁式振动台组成，控制箱为基于单片机控制的变频器模块，通过控制箱旋钮或按键设定来控制振动台振动，基于该连接形式组成的振动试验系统只能实现多种形式的正弦振动；另一种采用嵌入式直接集成的DSP作为控制器或信号发生器，另配备功率放大器驱动振动台振动，采用该连接形式的振动试验系统，虽然功能有所增强，但由于集成性和封闭性，使得其运行和控制方式受产品出厂时固定，振动试验模式单一，不利于有特殊需求的用户直观方便的调整试验模式、进行开发和扩展。采用以上两种连接形式的试验台普遍还存在着以下问题：采用串行通讯或以太网口通讯方式传输数据，造成信号传输滞后、控制效果实时性不高；未采用闭环连接形式，或在闭环连接中仅设置一个传感器，很难获知准确的振动实时数据，影响对振动台的精确控制和振动试验的准确度；对试件进行振动试验时还需另外连接振动信号分析记录仪器，增加了硬件连接复杂度和经济成本。

实用新型内容

本实用新型针对上述不足，提出一种振动试验系统。该系统是面向特殊需求用户和高校科研教学人员的振动试验系统，基于电磁式振动台，采用两级控制器的连接形式，核心控制器为振动台振动波形信号设定、调整扩展系统功能和验证控制理论方法提供灵活开放的平台，且兼作振动试验的监测分析之用；二级控制器实时接收核心控制器指令并结合硬件电路精准的生成驱动振动台振动的信号；采用具备模拟量输出的多功能数据采集卡将两控制器连接，保证了核心控制器指令到二级控制器的同步传输和振动台的实时执行。且在振动台面合理分布五个传感器，并结合滤波器等模块组成闭环系统，可采集更全面准确的振动实时数据，为良好的振动试验环境提供了可靠的硬件基础。

本实用新型的技术方案为：

一种振动试验系统，该系统的组成为核心控制器模块、数据传输采集模块、二级控制器及驱动电流产生模块、电磁式振动台、传感器模块和滤波器模块；

其中，核心控制器模块与数据传输采集模块相连；数据传输采集模块分别与二级控制器及驱动电流产生模块、滤波器模块相连；传感器模块与滤波器模块相连，二级控制器及驱动电流产生模块与电磁式振动台内部的驱动线圈相连；

传感器模块的五个相互独立的加速度传感器固定在电磁式振动台的台面；

五个传感器在振动台面的位置为：第一加速度传感器位于振动台的中心，以第一加速度传感器为圆心，半径为R的圆周上，分布有第二、第三个加速度传感器，且第二、第三加速度传感器相对于圆心的夹角为90度；第二、第三加速度传感器到第一加速度传感器的连线的延长线上，分别固定有第四、第五加速度传感器，且第四、第五加速度传感器到第一加速度传感器的距离，均为R/2；

所述的核心控制器模块为工控机；

所述的数据传输采集模块为多功能数据采集卡；

所述的滤波器模块为五组八阶低通滤波器，每组八阶低通滤波器与一个加速度传感器相连，每组八阶低通滤波器还通过端子板与数据传输采集模块相连。

所述的二级控制器及驱动电流产生模块的组成包括：整流电路、平波电路、单相逆变电路、低通滤波电路、A/D转换器、DSP控制器和驱动电路，其中，整流电路、平波电路、单相逆变电路和低通滤波电路依次连接，A/D转换器、DSP控制器和驱动电路依次连接，驱动电路还与单相逆变电路相连，低通滤波电路与电磁式振动台内部的驱动线圈相连，数据传输采集模块与A/D转换器相连。

本实用新型的有益效果为：本实用新型的硬件连接形式兼顾实时性、开放性和精准性，采用两级控制器，不使用通信方式而特别采用多功能数据采集卡的模拟量输出方式，保证了核心控制器指令到二级控制器的同步传输和振动台的实时执行，结合在台面合理分布的五个传感器组成闭环系统，可得到更准确的振动实时数据，并由此带来更佳的振动效果和直观的监测界面，具有灵活的开发环境和便于维护扩展的可靠连接方式，对特殊需求用户和科研教学人员具有应用意义。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是实用新型装置的整体结构框图。

图2是实用新型装置二级控制器及驱动电流产生模块的内部结构框图。

图3是实用新型装置加速度传感器台面安装位置图。

图4是实用新型装置滤波器模块电路连接图。

图5a是实用新型装置振动实时波形的显示效果图；图5b是实用新型装置振动功率谱密度显示效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明，但它们不对本实用新型作任何限制。

本实用新型为一种振动试验系统，整体结构框图如图1所示，其组成为核心控制器模块1、数据传输采集模块2、二级控制器及驱动电流产生模块3、电磁式振动台4、传感器模块5和滤波器模块6；

其中，电连接方式为：核心控制器模块1与数据传输采集模块2相连；数据传输采集模块2分别与二级控制器及驱动电流产生模块3、滤波器模块6相连，二级控制器及驱动电流产生模块3与电磁式振动台4内部驱动线圈相连；传感器模块5与滤波器模块6相连；物理连接方式为：传感器模块5的五个相互独立的加速度传感器在电磁式振动台4的台面固定。

具体的连接方式如下所述。

所述的核心控制器模块1为研华610H型工控机，该模块通过PCI总线接口与数据传输采集模块2相连，集振动波形设定、显示、数据处理为一体。

所述的数据传输采集模块2为多功能数据采集卡，具体为研华PCI-1712型。该模块通过PCI总线接口与核心控制器模块1进行连接，通过PCLD-8712端子板分别与二级控制器及驱动电流产生模块3和滤波模块6进行连接。本实用新型利用该数据采集卡中的1路模拟量输出通道和5路模拟量输入通道，通过同一块板卡实现工控机信号的实时输出和多路加速度信号的实时采集，传输效率高，且抗干扰、隔离性能好。

所述的二级控制器及驱动电流产生模块3的输入端通过端子板与数据传输采集模块2连接，输出端与电磁式振动台4内部驱动线圈连接。其内部结构框图如图2所示，模块内部结构组成包括：整流电路、平波电路、单相逆变电路、低通滤波电路、A/D转换器、DSP控制器和驱动电路等。该模块优选AD7891作为A/D转换器，优选TMS320F28335型DSP作为控制器，优选英飞凌FF150R12ME3G作为单相逆变电路的逆变模块。其中，电网市电为整流电路提供交流电源，整流电路、平波电路、单相逆变电路和低通滤波电路依次相连，A/D转换器、DSP控制器和驱动电路依次连接，驱动电路还与单相逆变电路相连，低通滤波电路与电磁式振动台4内部的驱动线圈相连，数据传输采集模块2与A/D转换器相连。该模块具有过流、过压、过载等保护功能。该模块的电路连接形式和DSP控制器的性能，为振动台的正弦、随机或指定波形振动提供了精准的驱动电流，能量转换效率高、电流响应速度快，具有较高的可靠性。

所述的电磁式振动台4为公知设备，其内部驱动线圈与二级控制器及驱动电流产生模块3连接，由模块3产生的交流电流控制信号，利用电磁感应原理驱动电磁式振动台振动。

所述的传感器模块5为五个相互独立的加速度传感器，分别固定在电磁式振动台台面部分。具体可优选为朗斯LC0163型的压电加速度传感器，并选用LC0207恒流源模块对加速度传感器供电，以消除叠加在振动信号上的直流偏压并减少干扰。振动试验时，各个加速度传感器实时检测电磁式振动台台面各个位置的振动加速度，并以电压信号的形式输出至滤波器模块6。五个传感器在振动台面安装位置如图3所示。其中，第一加速度传感器位于振动台的中心，以第一加速度传感器为圆心，半径为R的圆周上，分布有第二、第三个加速度传感器，且第二、第三加速度传感器相对于中心的夹角为90度；第二、第三加速度传感器到第一加速度传感器的连线的延长线上，分别固定有第四、第五加速度传感器，且第四、第五加速度传感器到第一加速度传感器的距离，均为R/2；所述的R为振动台台面的放置试件区的半径，根据本系统振动台台面尺寸75cm，则R设置为30cm至36cm。该布局方法能够在使用较少传感器个数的情况下，同时反映出振动台台面不同角度和不同位置的振动数据特征。

所述的滤波模块6为五组八阶低通滤波器，具体可优选为MAX291八阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器。如图4所示为滤波器模块电路连接图，每组滤波器对应一个加速度传感器的输入，每组滤波后信号分别通过端子板的连接送至数据传输采集模块2。在进行放置试件和夹具的振动试验时，模块5和模块6中加速度传感器和滤波器的数量和位置，可根据试件大小和形状另行增加和调整，但加速度传感器和滤波器应一一对应。根据本实用新型数据采集卡参数性能的特点，最多可进行16路单端模拟量输入，可根据实际情况，在总体不超过16路采集信号的前提下自行扩展。

具体来说，本实用新型的工作过程如下：

首先，核心控制器模块1即研华610H型工控机执行初始化操作，配置PCI-1712多功能数据采集卡的输入输出量程、极性、通道使能，设置DMA传输方式等。

然后，由用户根据需求和相关试验标准，通过核心控制器平台，设定振动试验中振动波形的相关参数值和试验时间，正弦信号设定幅值和频率，随机信号设置加速度功率谱密度。核心控制器根据设定参数计算出振动波形数字信号，通过数据传输采集模块2的多功能数据采集卡进行D/A转换后，输出振动波形模拟量信号至二级控制器及驱动电流产生模块3，在模块3内该波形信号进行A/D转换并采集至二级控制器DSP内，DSP控制器将转换后的数字波形信号与三角波载波比较，产生脉宽调制信号控制单相逆变电路模块的IGBT开关管通断，进而生成满足振动台性能要求、跟随设定波形信号变化的交流信号，经低通滤波电路后驱动电磁式振动台振动。

与此同时，振动台台面设置的传感器模块5的五个加速度传感器将振动的加速度信号转换为电压信号，经过滤波器模块6的滤波，由数据传输采集模块2对该电压信号进行采集并送至核心控制器。在核心控制器平台，对五路加速度信号进行算数平均处理并显示，结合用户需求和设定目标参数对振动效果进行分析和判断，振动效果符合要求则继续上述工作过程不做改动；振动效果不佳时可根据用户需求和试验标准不断调整更新下一时刻的振动波形信号。上述正式试验步骤持续进行，试验时间截止则停止试验。

本实用新型以随机振动试验为示例，振动实时波形和振动功率谱密度分别如图5a和图5b所示，实时波形清晰平滑，功率谱密度曲线在误差限内，由此反应了本实用新型可靠的硬件连接方式带来较好的振动试验环境和清晰直观的监测界面。

在承载夹具和试件的振动试验中，另增设多路固定在试件关键部位用作监测用途的加速度传感器组，其振动波形数据均可实时在核心控制器中显示并保存，以便进行实时监测和试验后的进一步分析研究。

由以上表述可以得出本实用新型的功能特点：

1、连接可靠、便于扩展：采用两级控制器，核心控制器集振动波形设定、显示、数据处理为一体，二级控制器及其硬件模块实时转换核心控制器指令并精准生成驱动信号；系统各个模块独立设计，且连接形式可靠，便于用户维护与扩展。

2、多传感器、准确度高：合理分布在振动台面的五个加速度传感器可得到更全面准确的实时振动数据，为振动试验效果提供准确参照标准；闭环连接形式和良好的硬件性能保证了系统执行控制指令准确度高。

3、高速传输、实时性好：采用具备模拟量输出的多功能数据采集卡的连接形式，使得核心控制器指令到二级控制器同步传输、振动台实时执行；振动台振动的加速度信号同时被高速实时的采集，系统整体实时性好。

4、观测便捷、同步分析：试件振动情况可根据实际情况另设加速度传感器采集至核心控制器，振动台的振动效果与振动试件振动情况均在核心控制器中实时显示，可直观便捷的监控分析试件的振动波形、记录与保存关键数据。

本实用新型涉及的程序和协议为器件自带或公知技术。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

Claims (2)

1.一种振动试验系统，其特征为该系统的组成为核心控制器模块、数据传输采集模块、二级控制器及驱动电流产生模块、电磁式振动台、传感器模块和滤波器模块；

其中，核心控制器模块与数据传输采集模块相连；数据传输采集模块分别与二级控制器及驱动电流产生模块、滤波器模块相连；传感器模块与滤波器模块相连，二级控制器及驱动电流产生模块与电磁式振动台内部的驱动线圈相连；

传感器模块的五个相互独立的加速度传感器固定在电磁式振动台的台面；

五个传感器在振动台面的位置为：第一加速度传感器位于振动台的中心，以第一加速度传感器为圆心，半径为R的圆周上，分布有第二、第三个加速度传感器，且第二、第三加速度传感器相对于圆心的夹角为90度；第二、第三加速度传感器到第一加速度传感器的连线的延长线上，分别固定有第四、第五加速度传感器，且第四、第五加速度传感器到第一加速度传感器的距离，均为R/2；

所述的核心控制器模块为工控机；

所述的数据传输采集模块为多功能数据采集卡；

所述的滤波器模块为五组八阶低通滤波器，每组八阶低通滤波器与一个加速度传感器相连，每组八阶低通滤波器还通过端子板与数据传输采集模块相连。

2.如权利要求1所述的振动试验系统，其特征为所述的二级控制器及驱动电流产生模块的组成包括：整流电路、平波电路、单相逆变电路、低通滤波电路、A/D转换器、DSP控制器和驱动电路，其中，整流电路、平波电路、单相逆变电路和低通滤波电路依次连接，A/D转换器、DSP控制器和驱动电路依次连接，驱动电路还与单相逆变电路相连，低通滤波电路与电磁式振动台内部的驱动线圈相连，数据传输采集模块与A/D转换器相连。