回轉機構振動測量及譜分析

1、 AP0308123 林謙?；剞D機構振動測量及譜分析一、 實驗目的 1)掌握壓電加速度傳感器的性能與使用方法，2)了解并掌握機械振動信號測量的基本方法，3)掌握測試信號的頻率域分析方法， 4)了解虛擬儀器的使用方法,5) 掌握快速傅里葉變換（FFT）的參數(shù)選擇，6）掌握數(shù)據(jù)采集的正確使用方法，7）了解回轉機構的頻譜特點。二、 實驗內容測試振動實驗臺的加速度，用虛擬儀器LabVIEW分析振動實驗臺的振動 頻率特性，正確選擇實驗過程中的各種參數(shù)。三、實驗原理 回轉機械，由于回轉件的不平衡、負載的不均勻、結構剛度的各向異性、間隙、潤滑不良、支撐松動等因素，總是伴隨著各種振動。 振動測試包括兩種方式：

2、一是測量機械或結構在工作狀態(tài)下的振動，如振動位移、速度、加速度、頻率和相位等，了解被測對象的振動狀態(tài)，評定等級和尋找振源，對設備進行監(jiān)測、分析、診斷和預測。二是對機械設備或結構施加某種激勵，測量其受迫振動，以便求得被測對象的振動力學參量或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、頻率響應和模態(tài)等。 振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數(shù)，稱為振動三要素。 幅值：幅值是振動強度的標志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法來表示。本實驗振動實驗臺簡化如圖所示：     （1） 振動實驗臺簡圖 （2） 彈簧質量系統(tǒng) 由于偏心質量，實驗臺受到一周期離心力的作用，大小為 ，實驗測

3、的是y方向的振動，y方向的分力為 。由上可知，該力與電動機轉速有關。該力相當于作用在如圖（2） 所示的彈簧質量系統(tǒng)上，該系統(tǒng)的微分方程為?？芍瑴y出實驗臺的振動加速度 信號，通過信號分析就可以確定 的各參數(shù)。如頻率大小，進而可以確定電機的、即轉速。對于 的一階系統(tǒng)，根據(jù)頻率不變性。輸出信號的頻率與輸入力的頻率相等。雖然輸出信號有各種頻率成分（如噪聲，實驗臺不是單自由振動系統(tǒng)，有各種振動信號等），但占主導地位的是質量不平衡所引起的周期轉動信號，該周期信號的振動最強烈，通過對加速度信號的頻域分析，最大峰值所對應的頻率就是該信號的頻率。四、實驗儀器和設備   1. 計算機 1臺&

4、#160;  2. LabVIEW 虛擬儀器平臺 1套   3. 數(shù)據(jù)采集卡 1張   4接線板 1張   5. 加速度傳感器 1個   6信號調理設備 1臺   7. 振動、轉速、噪聲實驗臺 1臺   8開關電源 1臺 五、傳感器的選擇 該實驗測的是振動加速度，選擇壓電式加速度傳感器，型號是（LC0152T內裝IC壓電加速度傳感器），其使用頻率范圍為0.2到2000Hz。由于實驗臺的轉動信號的頻率范圍大約為5200Hz。（該值為了實驗儀器的安全，根據(jù)實際情況而定的

5、），所以該儀器適用，其靈敏度k=100mV/g . 該傳感器的主要參數(shù)如下： 型號：LC0152T    靈敏度（mV/g）：100   量程（g）：50    頻率范圍（Hz（±10%）：0.2-10000    安裝諧振點（kHz）：30    分辨率（g）：0.0002    質量（gm）：17    安裝螺紋（mm）：M5    用途：通用測振該傳感

6、器的突出特點如下：(1) 低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小;(2) 性能價格比高，安裝方便，尤其適于多點測量;(3) 穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體.六、實驗步驟  1）振動測量實驗結構如圖 1 所示，將加速度傳感器用M5螺紋安裝在振動實驗臺上，然后將其輸出端和信號調理設備的輸入端相連，信號調理器的輸出端通過一根帶五芯的航空插頭的電纜和接線板連接。并且，將接線板通過插線與計算機上的數(shù)據(jù)采集卡（ A D 卡）相連接。  2）打開計算機，啟動計算機上的“振動測試及譜分析 .vi ”。3）在振動實驗臺的電機轉子上添加試重，啟動電機，調整到一個穩(wěn)定的轉速。

7、60; 4）根椐接線板選擇信號輸入的通道號，并且選擇適當?shù)牟蓸宇l率和采樣點數(shù)以及硬件增益。點擊 LabVIEW 上的運行按鈕（ Run ）觀察振動信號的波形和頻譜。  5）參考“振動頻率”的顯示值，選擇合適的“數(shù)字濾波截止頻率”，按下“啟動數(shù)字濾波器”按鈕，觀察濾波前后振動信號的波形和頻譜的變化情況并記錄實驗結果。   6）嘗試輸入不同的濾波截止頻率，觀察振動信號的波形和頻譜的變化。   7）嘗試輸入不同的采樣頻率和采樣點數(shù)以及增益，觀察振動信號的波形變化。  8）根椐最合適的參數(shù)選擇，顯示最佳的結果。然

8、后按下“結束按鈕，完成信號采集。  9）在信號頻譜中移動游標，測出振動的峰值，以及振動最大處的頻率。并將之與右上角的振動頻率相比較，分析原因。（注意讀出的峰值應除以相應的增益）   10）調節(jié)電機的轉速，記錄810組在電機不同轉速下的信號的波形，觀察和分析所得到的振動信號和波形和頻譜。 11）用U盤拷回所得到的實驗波形，回來處理。七、實驗程序流程框圖八、1）虛擬儀器程序框圖（見程序）2）程序控制前面板如下： 九、現(xiàn)在對上面的程序解釋如下： 這部分是數(shù)據(jù)采集部分的程序，用于驅動數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)。這里有兩個參數(shù)要確定：采樣頻率和采樣點數(shù)。由于采樣信號的截止頻率

9、大約為200Hz，根據(jù)采樣定理，取采樣頻率為=512Hz。該電機的最低轉速也有5r/s即5Hz。該加速度信號是周期信號，根據(jù)周期信號的傅立葉變換幅值譜，幅值間隔為信號的基頻f。=5Hz。要能分辨出頻域的峰值，最大采樣頻率 間隔等于信號的基頻f。，即 =f。=5Hz。本實驗中為了減少誤差，取 =1Hz。對于基于2型的FFT，采樣點數(shù)取為2的整數(shù)次方，所以采樣點數(shù)N取為 點 。以上決定的采樣頻率與采樣點數(shù)，使信號采集后不出現(xiàn)頻混現(xiàn)象。還有一個通道選擇，由于本實驗只有一路信號，所以不需要選擇。這是用于去掉直流分量，因為直流分量是由電路混進去的，是干擾信號，所以應去掉。這一部分是數(shù)字濾波程序，本實驗中

10、采用數(shù)字濾波而不采用 模擬濾波，減少了模擬濾波器，簡化了實驗裝置。該濾波的目的是濾掉高頻噪聲等各種干擾信號。濾波的截止頻率根據(jù)信號的截止頻率定為200Hz，濾波級數(shù)選擇3階。是電路的增益。 這一部分是加窗部分。加窗部分是為了適應計算機的數(shù)字處理而對信號的截斷。本實驗對信號的主峰幅值要求較高，選擇漢寧窗，該窗旁辮較小，有抑制泄露的作用，但頻率分辨率較低。若選擇矩形窗，泄露較大。對主峰峰值影響較大。 這一部分是求振動加速度的強度的程序。對機械振動量的強度，一般要減去直流分量，因為直流分量是由電路等混進去的，信號的強度為用均方值來度量。數(shù)學表示為 ，其中為信號的均值。用這個子程序就可以求出振動加速度

11、信號的強度。其中0.1是加速度的靈敏度K。 這部分是信號頻域幅值單位轉換部分。信號流程如下： （K為傳感器的靈敏度）從傳感器出來的信號一般都是電信號。要把實驗信號轉換為加速度信號，要除以靈敏度K，即，這部分程序就可以完成這個功能，從而把幅值譜轉換為加速度單位 。 這部分是求信號的自功率譜，顯示信號的頻域信息，自功率譜為 , 自功率譜相當于對幅值的平方，更容易分辨出信號的主峰，主峰所對應的頻率即為離心力的頻率。在自功率譜程序中，還可以顯示出頻率間隔df。 十、數(shù)據(jù)處理1、調用子程序：信號的均方值， 求出在各個頻率下加速度的強度（均方值）填入下表中。 頻率(Hz)加速度(m/s2)15.260.2

12、8413317.080.26641430.210.271511330.4451534.390.44105134.570.51953334.990.45945935.820.61834536.540.69307437.010.67801237.440.66887537.90.666084以f為橫坐標， 為縱坐標繪出起坐標圖如下：從上圖可以看出振動強度隨著頻率的提高越來越強，曲線的畸形主要是用力按著實驗臺時，用的力度不同而引起，但總的趨勢是不變的。當輸入力的頻率達到實驗臺的固有頻率 時，振動強度最大。之后隨著頻率的繼續(xù)增加，振動又越來越弱，當 時，幾乎為不振動。根據(jù)這個結論，當要避免振動危害時，應

13、使輸入量的頻率盡量避開系統(tǒng)的固有頻率。該結論也用于指導減振設計。2、調用子程序，信號的自功率譜，顯示信號的頻域信息，其頻域信息圖如下：（三個圖的電機轉速逐漸增加）由以上三個圖可知：隨著電機轉速的提高，頻譜圖的主峰逐漸右移?？芍|量不平衡引起的周期信號占主導地位，當這個周期信號頻率改變時，信號的主要頻率成分必改變。 3、在某個頻率下的頻域信息圖如下： 如圖所示，十字光標所捕捉到的=37.90 就是周期力的頻率，則電動機的轉速為：=2274(r/min)4、測試電機不同轉速中加速度信號的主峰幅值（m/s2），其動撓度圖如下： 可見其變化規(guī)律就是信號強度的變化規(guī)律。十一、誤差：1、由于實驗臺要用手按

14、著才能做實驗，而每次按的力度都不同， 這引起實驗的主要誤差；2、當采用的采樣頻率間隔 不同時，也有誤差。本實驗中用了三種采樣頻率和采樣點數(shù)的組合，從三種不同的組合中可以看出采樣間隔對測量結果的影響。當采樣間隔大于允許的最小采樣間隔時，引起的誤差將是成60倍的誤差。3、數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)引起的量化誤差也對實驗結果有影響。由于實驗裝置條件的限制，本次實驗主要是正確地測量振動信號和怎樣分析信號的信息，對實驗結果沒有很高的要求。十二、 思考題 1. 為什么要采用加速度傳感器來測量振動信號？ 答：選擇測振傳感器主要考慮被測量的參數(shù)(位移、速度或加速度)、測量范圍、量程等問題。還有只有在測振傳感器的質量遠小

15、于被測物質量時，被測物固有頻率受測振傳感器質量的影響才較小，而加速度傳感器可以做得很小，質量一般在20g以下，故選用加速度傳感器來測量振動信號。2. 還可以采用那些方式來測量振動信號？答：還可以用位移計和速度計來測量振動信號。十三、體會:本實驗上開放性實驗,與以前的實驗根本不同.以前的實驗都是一步一步按著書本或者老師的指導去做,而這次實驗的各個參數(shù)都要自己去選擇,實驗報告要自己來確定格式.這對以后的課程設計,畢業(yè)設計以及以后的工作都有很大的幫助.一走進實驗室,我就產(chǎn)生一種興趣.我并不想測完參數(shù),就離開實驗室,而是想盡量在實驗室里久留一下.做完實驗,我和幾個同學還留下請教了康老師關于Labvie

16、w知識.我還在實驗室的電腦拷了一些測試程序回來,如噪聲測試程序等.在這次實驗中我看到了虛擬一起的用處之大.在程序中用數(shù)據(jù)濾波器濾波,避免了模擬濾波器,還有加窗等部分,都是用軟件來完成.減少了硬件,簡化了整個測系統(tǒng).這不但減少了實驗裝置的成本,還可以減少信號之間的干擾,提高了實驗的準確性.在現(xiàn)在的各種工程測試中,很多都是在一天計算機上完成的.工程人員可以在環(huán)境優(yōu)逸的辦公室里工作,改善了他們的工作環(huán)境,隨著虛擬一起的發(fā)展，這種情況將越來越普遍。在實驗中，我學會了怎樣測試振動量，對獲得振動信號進行了時域、頻域分析的方法。能正確選擇快速傅立葉的各參數(shù)，加深了對理論知識的理解。只有自己動手做一遍，才能更深刻更透徹理解書本的知識。該實驗的振動測量與以后的工程測量有一定的聯(lián)系，對以后的工作