CN220153733U - 低频振动测试系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种低频振动测试系统，包括：隔振支架，用于安装位移传感器；位移传感器，安装在隔振支架上，与被测物体非接触式设置；所述位移传感器用于非接触式测量被测物体振动时的低频振动信号；信号采集单元，包括依次连接的输入接口、第一信号调理电路、微处理器和输出接口；所述位移传感器连接输入接口，所述输出接口连接上位机；第一信号调理电路用于将位移传感器测量的低频振动信号进行低通滤波和模数转换，所述微处理器用于采集第一信号调理电路输出的数字量的低频振动信号并向上位机发送；上位机，对输入的数字量的低频振动信号进行处理与分析。本实用新型的测量精度高、低频响应好。
Description
技术领域
本实用新型属于振动测试技术领域，尤其是一种低频振动测试系统。
背景技术
机械设备存在大量有害振动问题近年来被工程技术人员所认识，机械设备工作时会产生传动系统振动，启动、停止时冲击振动，轨道或路面冲击振动等振动问题。随着产业升级，机械设备应用场景日益趋向高速、高精度、高智能化，机械设备会使用更大扭矩的原动机、搭载更多精密仪器，振动对机械设备的影响会更加明显。为了分析振动对机械设备的影响，工程技术人员在设计阶段往往通过一般动力学分析或经验公式计算机械结构的固有频率和阻尼，但存在固有频率计算结果误差较大、系统阻尼主要依靠经验获得、无法分析随机发生的振动。实际测量机械运行中所产生的振动，通过振动信号处理与分析，研究振动对机械设备影响依然占据着重要作用。对于多数机械设备而言，其运行中主要产生低频信号，被测目标主要会对0.5Hz～500Hz的低频振动敏感。因此对机械设备低频振动测量提出了更高的要求。
振动测量主要通过位移计、速度计、加速度计、陀螺仪等仪器实现。测量时需要将仪器固接在被测物体上，通过信号调理装置、信号采集卡将电信号由上位机读取和存储。
低频振动信号有振幅大、振动加速度小、不易察觉的特点。在低频振动测量中，速度计、加速度计、陀螺仪在测量振动时需要将仪器的传感器部分固定在被测物体上，其传感器往往比较大，较小的机械结构无法安装传感器，甚至比较笨重的传感器还会改变被测物体的模态和系统阻尼，造成错误测量结果。使用位移计在测量振动时，测试系统易受干扰、采样频率过低、低通滤波器考虑不足的问题，测量信号中往往存在大量噪声信号，低频测量信号被淹没在噪声信号中，造成测量信号信噪比过小，信号质量差。
发明内容
本实用新型的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种低频振动测试系统，以便适用非接触式测量方法，位移传感器可快速安装且不会影响被测物体，能够提高低频振动测量精度。为实现以上技术目的，本实用新型实施例采用的技术方案是：
第一方面，本实用新型实施例提供了一种低频振动测试系统，包括：
隔振支架，用于安装位移传感器；
位移传感器，安装在隔振支架上，与被测物体非接触式设置；所述位移传感器用于非接触式测量被测物体振动时的低频振动信号；
信号采集单元，包括依次连接的输入接口、第一信号调理电路、微处理器和输出接口；所述位移传感器连接输入接口，所述输出接口连接上位机；第一信号调理电路用于将位移传感器测量的低频振动信号进行低通滤波和模数转换，所述微处理器用于采集第一信号调理电路输出的数字量的低频振动信号并向上位机发送；
上位机，对输入的数字量的低频振动信号进行处理与分析。
进一步地，所述第一信号调理电路包括巴特沃斯低通滤波电路和ADC芯片；
所述第一信号调理电路中的巴特沃斯低通滤波电路包括：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11，电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，运算放大器U1、U2、U3和U4；
所述电阻R1和电容C1的一端相接并作为信号输入端；所述电阻R1和电容C1的另一端接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接电阻R3的一端、电容C2的一端和运算放大器U2的同相输入端；所述电容C2的另一端接电阻R4的一端和运算放大器U1的输出端，所述电阻R4的另一端接运算放大器U1的反相输入端和运算放大器U2的反相输入端，以及电容C3的一端；所述电容C3的另一端接运算放大器U2的输出端和电阻R5的一端；所述运算放大器U1的同相输入端接电阻R5的另一端和电阻R6的一端；
所述电阻R3的另一端接电容C4的一端、电阻R10的一端和运算放大器U4的同相输入端；电容C4的另一端接电阻R8的一端和运算放大器U3的输出端，所述电阻R8的另一端运算放大器U3的反相输入端和运算放大器U4的反相输入端，以及电容C5的一端；所述电容C5的另一端接运算放大器U4的输出端和电阻R9的一端；所述运算放大器U3的同相输入端接电阻R9的另一端和电阻R7的一端；所述电阻R6的另一端与电子R7的另一端相接并接地；
所述电阻R10的另一端作为信号输出端，并通过并联的电容C6和电阻R11接地。
进一步地，所述低频振动测试系统还包括：
力锤，用于所述被测物无外部激励时或处于静止状态时，通过力锤锤击被测物体使其振动；所述力锤上设有IEPE传感器；
恒流源适配器，分别与力锤上的IEPE传感器和信号采集单元连接；用于所述IEPE传感器供电并将IEPE传感器测得的激励力信号转换为信号采集单元能够识别的激励电信号；
第二信号调理电路，设置在信号采集单元上，用于对获得的激励电信号进行低通滤波和模数转换。
进一步地，所述位移传感器，当所述被测物体振幅小于等于10毫米，选用电涡流传感器；当所述被测物体振幅大于10毫米，选用激光位移传感器。
本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1)可以采用非接触式测量，传感器不需要安装在被测物体上，不会影响测量精度。
2)通过位移传感器测量振幅信号，实现低频振动信号高精度、低频响应好、便捷、低成本的动态测量。
附图说明
图1为本实用新型实施例中的低频振动测试系统结构示意图。
图2为本实用新型实施例中的信号采集单元原理图。
图3为本实用新型实施例中的第一信号调理电路原理图。
图4为本实用新型实施例中的测量方法流程图。
图5为本实用新型实施例中的低频振动信号示意图。
图6为本实用新型实施例中的频域信号示意图。
图7为本实用新型实施例中的所筛选出的IMF分量所绘制曲线示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
第一方面，如图1所示，本实用新型的实施例提出一种低频振动测试系统，包括：
隔振支架1，用于安装位移传感器2；
位移传感器2，安装在隔振支架1上，与被测物体7非接触式设置；所述位移传感器2用于非接触式测量被测物体7振动时的低频振动信号；
信号采集单元3，包括依次连接的输入接口301、第一信号调理电路302、微处理器303和输出接口304；所述位移传感器2连接输入接口301，所述输出接口304连接上位机4；第一信号调理电路302用于将位移传感器2测量的低频振动信号进行低通滤波和模数转换，所述微处理器303用于采集第一信号调理电路输出的数字量的低频振动信号并向上位机4发送；
上位机4，对输入的数字量的低频振动信号进行处理与分析，得到被测物体7的固有频率和阻尼比。
机械振动表现为物体在平衡位置做往复运动，振动发生时，物体位置随时间变化呈现位移变化，称之为振幅；低频振动信号的特点是振幅较大，通常是0.1mm～100mm，而振动频率较低，通常为0.5Hz～500Hz；振幅作为机械振动的一种表现形式，利用低频振动幅频特性，通过位移传感器非接触式测量振幅信号，实现低频振动信号高精度、低频响应好、便捷、低成本的动态测量；
具体地，信号采集单元3通常制作在一个PCB板上；如图3所示，第一信号调理电路302包括巴特沃斯低通滤波电路3021和ADC芯片3022，所述巴特沃斯低通滤波电路3021用于进行低通滤波，滤除位移传感器2测量的低频振动信号中的高频噪声；所述ADC芯片3022用于将模拟量的低频振动信号转换为数字量的低频振动信号；ADC芯片3022选用TI公司12位ADS7822芯片；微处理器303采用串口通信通过所述输出接口304与上位机4通信；
具体地，所述第一信号调理电路中的巴特沃斯低通滤波电路3021包括：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11，电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，运算放大器U1、U2、U3和U4；
所述电阻R1和电容C1的一端相接并作为信号输入端；所述电阻R1和电容C1的另一端接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接电阻R3的一端、电容C2的一端和运算放大器U2的同相输入端；所述电容C2的另一端接电阻R4的一端和运算放大器U1的输出端，所述电阻R4的另一端接运算放大器U1的反相输入端和运算放大器U2的反相输入端，以及电容C3的一端；所述电容C3的另一端接运算放大器U2的输出端和电阻R5的一端；所述运算放大器U1的同相输入端接电阻R5的另一端和电阻R6的一端；
所述电阻R3的另一端接电容C4的一端、电阻R10的一端和运算放大器U4的同相输入端；电容C4的另一端接电阻R8的一端和运算放大器U3的输出端，所述电阻R8的另一端运算放大器U3的反相输入端和运算放大器U4的反相输入端，以及电容C5的一端；所述电容C5的另一端接运算放大器U4的输出端和电阻R9的一端；所述运算放大器U3的同相输入端接电阻R9的另一端和电阻R7的一端；所述电阻R6的另一端与电子R7的另一端相接并接地；
所述电阻R10的另一端作为信号输出端，并通过并联的电容C6和电阻R11接地。
作为本实施例的优化，本实用新型的实施例提出一种低频振动测试系统，还包括：
力锤5，用于所述被测物7无外部激励时或处于静止状态时，通过力锤5锤击被测物体7使其振动；所述力锤5上设有IEPE传感器；IEPE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；
恒流源适配器6，分别与力锤5上的IEPE传感器和信号采集单元3连接；用于所述IEPE传感器供电并将IEPE传感器测得的激励力信号转换为信号采集单元3能够识别的激励电信号；
第二信号调理电路，设置在信号采集单元3上，用于对获得的激励电信号进行低通滤波和模数转换。
具体地，对于所述位移传感器2，当所述被测物体7振幅小于等于10毫米，选用电涡流传感器；当所述被测物体7振幅大于10毫米，选用激光位移传感器；
在多传感器测量时，例如在被测物体7的两个方向同时进行测量时，需要增加第一信号调理电路302的数量，并集成在信号采集单元3中；通常位移传感器2与第一信号调理电路302的数量一一对应；
第二方面，本实用新型的实施例提出一种低频振动测量方法，该方法运行于所述上位机4，包括以下步骤：
步骤S101，所述上位机接收到的低频振动信号为原信号，该原信号为时域信号；
如图5所示为一个原信号的例子，横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为位移，单位为毫米；
可选地，步骤S1011，将原信号直接在上位机屏幕上显示；
步骤S102，所述上位机对原信号进行FFT变换(快速傅里叶变换)，将时域信号转为为频域信号，在频谱图中显示频域信号的功率谱；然后在频谱图中确定主频数量为n；以主频数量的两倍即2n为奇异值个数；
在图6所示的一个频谱图例子中，横坐标是频率，单位为赫兹(Hz)；纵坐标是功率谱密度，单位为分贝(dB)；所确定的主频901的数量为2个；
步骤S103，所述上位机以2n为奇异值个数，对原信号进行奇异值分解；从而实现对原信号降噪，提高低频振动信号信噪比；
步骤S104，对降噪后的原信号进行FFT变换(快速傅里叶变换)，将降噪后的信号转换为频域信号，对降噪后的原信号转换得到的频域信号，在频谱图中显示频域信号的功率谱；此时功率谱中功率密度最大的频率成分即为所述被测物体的固有频率；
步骤S105，对降噪后的原信号进行EMD分解(经验模式分解)，经过EMD分解得到若干IMF(内涵模式函数)分量和残余分量，如公式(1)所示；
其中，f(t)为降噪后的原信号，imfi(t)是第i个IMF分量，rn(t)是n个信号残余分量；
步骤S106，选择IMF分量对其进行HT变换(希尔伯特变换)，筛选出频率与步骤S104中固有频率相等或最相近的IMF分量；
步骤S107，根据所筛选出的IMF分量绘制曲线；对所筛选与固有频率相等或最相近的IMF分量选取曲线中衰减部分，通过截取所述曲线相邻峰值即可计算出阻尼比，引入对数衰减率δ，表示如下：
经推导得到阻尼比为：
其中，A1、A2为曲线相邻峰值，ξ为阻尼比；如图7所示。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种低频振动测试系统，其特征在于，包括：
隔振支架，用于安装位移传感器；
位移传感器，安装在隔振支架上，与被测物体非接触式设置；所述位移传感器用于非接触式测量被测物体振动时的低频振动信号；
信号采集单元，包括依次连接的输入接口、第一信号调理电路、微处理器和输出接口；所述位移传感器连接输入接口，所述输出接口连接上位机；第一信号调理电路用于将位移传感器测量的低频振动信号进行低通滤波和模数转换，所述微处理器用于采集第一信号调理电路输出的数字量的低频振动信号并向上位机发送；
上位机，对输入的数字量的低频振动信号进行处理与分析。
2.如权利要求1所述的低频振动测试系统，其特征在于，
所述第一信号调理电路包括巴特沃斯低通滤波电路和ADC芯片；
所述第一信号调理电路中的巴特沃斯低通滤波电路包括：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和R11，电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，运算放大器U1、U2、U3和U4；
所述电阻R1和电容C1的一端相接并作为信号输入端；所述电阻R1和电容C1的另一端接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端接电阻R3的一端、电容C2的一端和运算放大器U2的同相输入端；所述电容C2的另一端接电阻R4的一端和运算放大器U1的输出端，所述电阻R4的另一端接运算放大器U1的反相输入端和运算放大器U2的反相输入端，以及电容C3的一端；所述电容C3的另一端接运算放大器U2的输出端和电阻R5的一端；所述运算放大器U1的同相输入端接电阻R5的另一端和电阻R6的一端；
所述电阻R3的另一端接电容C4的一端、电阻R10的一端和运算放大器U4的同相输入端；电容C4的另一端接电阻R8的一端和运算放大器U3的输出端，所述电阻R8的另一端运算放大器U3的反相输入端和运算放大器U4的反相输入端，以及电容C5的一端；所述电容C5的另一端接运算放大器U4的输出端和电阻R9的一端；所述运算放大器U3的同相输入端接电阻R9的另一端和电阻R7的一端；所述电阻R6的另一端与电子R7的另一端相接并接地；
所述电阻R10的另一端作为信号输出端，并通过并联的电容C6和电阻R11接地。
3.如权利要求1所述的低频振动测试系统，其特征在于，还包括：
力锤，用于所述被测物无外部激励时或处于静止状态时，通过力锤锤击被测物体使其振动；所述力锤上设有IEPE传感器；
恒流源适配器，分别与力锤上的IEPE传感器和信号采集单元连接；用于所述IEPE传感器供电并将IEPE传感器测得的激励力信号转换为信号采集单元能够识别的激励电信号；
第二信号调理电路，设置在信号采集单元上，用于对获得的激励电信号进行低通滤波和模数转换。
4.如权利要求1所述的低频振动测试系统，其特征在于，
所述位移传感器，当所述被测物体振幅小于等于10毫米，选用电涡流传感器；当所述被测物体振幅大于10毫米，选用激光位移传感器。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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