毕业设计（论文）-汽车减震器测试仪的设计.doc

天津职业技术师范大学 tianjin university of technology and education 毕 业 设 计 专 业：自动化与电气工程学院 学生姓名： 指导教师： 二一年 六 月 天津职业技术师范大学本科生毕业论文天津职业技术师范大学本科生毕业论文 汽车减震器测试仪的设计汽车减震器测试仪的设计 design of automotive shock absorber tester 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 系系 别：自动化与电气工程学院别：自动化与电气工程学院 20102010 年年 6 6 月月 摘摘 要要 减震器是汽车的一个重要零部件，金属橡胶件的动刚度数值是衡量其性能的 重要指标，现有的一些动刚度测试系统难于满足生产企业及检测单位的测试要求。 1 本文根据国内外橡胶件动刚度测试技术的发展及生产企业的实际要求，研究开发了 新型的金属橡胶件的动刚度测试仪。该仪器包括无预加应力和有预加应力两种装 置，能够准确测定不同频率下制品的动刚度，并绘出曲线与传统电液伺服疲劳试 验台相比，该测试仪振动位移更大，测量精度更高。 随着我国汽车工业的快速发展，国内汽车保有量大幅增加，用户和生产商对汽 车的平顺性和操纵稳定性的要求日益严格。而减震器对这些特性有着极其重要的影 响，它能有效的使振动迅速衰减振幅迅速减小，起到减震作用，改善汽车行驶平顺 性和操纵稳定性。减震器的性能好坏则是通过它的阻尼特性反映出来的,在设计和生 产时阻尼特性是重要的指标。而我国的减震器设计和生产能力目前仍然很低，大量 的技术均来源以国外，加上传统的阻尼特性是通过试验得到，需要耗费大量人力， 财力和时间，故为能提高国内减震器设计水平并降低试验成本的减震器阻尼特性的 仿真就成了一项十分重要而且紧迫的研究课题。 关键词关键词：减震器；测试仪；动刚度 abstract shock absorber is an important car parts, shock absorbers in the metal-the dynamic stiffness of rubber parts for the values in an important index to measure their performance, dynamic stiffness test some of the existing system is difficult to meet the manufacturers test requirements and test units . this dynamic stiffness of rubber parts according to domestic and international technology development and production test the actual needs of enterprises, research developed a new type of metal - rubber dynamic stiffness testing technology development and actual needs of manufacturers, research and development of a new type of metal - rubber the dynamic stiffness value of real-time, accurate and efficient determination. the instruments include non-pre-pre-plus increase stress and stress are two devices with different frequencies can be accurately measured dynamic stiffness of products, and draw the curve with the traditional electric hydraulic servo fatigue test rig for a comparison, the greater the vibration displacement tester , higher measurement accuracy. with the rapid development of chinas automobile industry, domestic car ownership increased significantly, users and manufacturers on the ride comfort and handling stability are becoming more stringent. the damper has an extremely important feature of these effects, can efficiently make the vibration of the rapid decay - the amplitude decreases rapidly, play a damping effect, improve vehicle ride comfort and handling stability. shock absorber performance is good or bad by its damping characteristics reflected in the design and production damping characteristics are important indicators. the shock absorber design and production capacity in china is still very low, a large number of sources of technology are foreign, with the traditional damping is obtained by experiment and requires a lot of manpower, money and time, so as to improve the domestic shock experimental design levels and reduce the cost of shock absorber damping characteristics of the simulation has become a very important and urgent research topic. key words：shock absorber; tester; adaptive vibration table i 目 录 1 绪论.1 1.1 汽车减震器在汽车行业的发展现状1 1.2 课题的意义.2 2 减震器测试仪的结构和原理及测试方法.3 2.1 汽车减震器测试仪的测试原理3 2.1.1 无预加应力的测试.4 2.1.2 要求预加应力时的测试5 2.2 汽车减震器测试仪中传感器的选取.6 2.2.1 压电式加速度传感器7 2.2.2 磁电感应式传感器.9 3 汽车减震器测试仪的电路设计.10 3.1 系统设计10 3.2 运算电路11 3.2.1 滤波电路11 3.3 数据采集13 3.3.1 usb 数据采集模块15 3.4 matlab 数据分析和处理19 3.4.1 matlab 简介.19 3.4.2 matlab 采集过程20 3.4.3 组态王与 matlab 通信的实现.21 4 组态系统控制的设计.25 4.1 组态王软件简介.25 4.2 组态王与数据库交换信息.26 4.3 系统方案的设计27 4.3.1 系统设计27 4.3.2 组态王监控图像.30 结 论.33 参考文献.34 致 谢.35 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 1 1 绪论 汽车是现代社会中最主要也的交通工具之一，随着社会文明的进步，人们对汽车舒 适性要求越来越高，作为专门提高汽车舒适性的配件，减震器的作用越来越重要。 2 汽车技术的发展一方面谋求汽车的使用经济性，同时,正在改善汽车的舒适性、安 全性。这就从减振、噪音、舒适性和行使稳定性的角度，对橡胶减振元件提出了更高的 要求。与其他减振制品相比用橡胶材料作为减振材料的优点在于：具有良好的阻尼特性； 弹性变形比金属大的多，而弹性模数比金属的小得多，形状能自由选择，可自由选择 三个方向的弹簧常数比；容易与金属牢固地粘合成一个整体，可使减震橡胶件体积变小， 重量减轻，且支承方法也简单化；具有良好的减振、隔音和缓冲性能。 橡胶减震器因其结构简单、减震效果好、维护方便、采购成本低而得到了广泛的应 用。用橡胶材料做弹性元件时，其刚度系数因工作频率不同而改变，故汽车减震器中的 金属橡胶件有动刚度和静刚度之分，动刚度系数值也成为衡量减震器性能的重要指标。 目前，电-液伺服系统疲劳试验台、电动力式试验台、机械疲劳试验机均可对金属-橡胶 件的动刚度进行测试。但对于电液伺服疲劳试验台，汽车用的各种减震、隔震部件的 技术要求规定的频率已经接近其可用的频率范围的上限，震动位移很小，致使测量精度 降低，且价格昂贵；一般但电动力式振动台的激振力较小，满足不了较大变力的测试要 求；机械式疲劳试验台无法在线调幅，不能充分满足测试规范要求。针对金属-橡胶件 动刚度测定存在的不足，根据国内外橡胶件动刚度测试技术的发展及生产企业的实际要 求，设计了金属-橡胶件动刚度测试仪，实现金属胶件动刚度值的快速、准确的测定。 减震器是汽车的一个重要零部件。然而任何产品都有他的使用限度，超负荷的使用 就有可能导致产品寿命的减短或损坏，从而给生产或生活带来不便，甚至带来生命危险。 汽车行驶中这些橡胶减震件主要承受来自所支撑部件的常载(重力)和车身振动引起的交 变载荷(惯性力)，在这两种载荷的共同作用下橡胶件可能发生疲劳失效，因此其疲劳寿 命对汽车的减震性能有重要影响。本文就设计了一种新型的金属橡胶件动刚度测试机， 实现了金属-橡胶件动刚度值的快速、准确测定。 1.1汽车减震器在汽车行业的发展现状 我国汽车减震器的生产，已有几十年历史。早期生产的橡胶件疲劳试验机绝大多 2 数在机械传递、模拟测量，精度的提高方面受到限制。近些年来，随着科技的发展，我 们在吸收国内外先进技术，并与多所院校合作，已建立起了低、中、高梯档的梯次，也 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 2 由原来的单一拉压试验向多种试验特性测试迈进。 汽车减震器主要用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击。在经过不平 路面时，虽然吸震弹簧可以过滤路面的震动，但弹簧自身还会有往复运动，而减震器就 是用来抑制这种弹簧跳跃的。减震器太软，车身就会上下跳跃，减震器太硬就会带来太 大的阻力，妨碍弹簧正常工作。在关于悬挂系统的改装过程中，硬的减震器要与硬的弹 簧相搭配，而弹簧的硬度又与车重息息相关，因此较重的车一般采用较硬的减震器。与 引震曲轴相接的装置，用来抗衡曲轴的扭转振动（即曲轴受汽缸点火的冲击力而扭动的 现象） 。汽车将电子控制式减振器作为标准装备，通过传感器检测行驶状态，由计算机 计算出最佳阻尼力，使减振器上的阻尼力调整机构自动工作。我国汽车业的高速发展， 带动我国汽车后视镜市场需求持续大幅增长。作为汽车的主要配套行业，中国减震器市 场需求相应增长，2008年需求规模约为4700万只。预计未来将以10%左右的速度增长， 2010年有望达到5700万只。国内的减震器行业一直处于供大于求的状态，从近几年的减 震器生产情况看，2007年减震器包括汽车与摩托车等产量达到5627万支，2008年已超过 6000万只。尽管如此，国产减震器生产远远不能满足市场需求，尤其是中高档汽车减震 器更是供不应求，缺口部分仍依赖于进口。与此同时，国内减震器生产厂家过多，市场 竞争处于同质低价水平，在国外的主要减震器企业不断进入国内市场的情况下，国内企 业将面临生存的“危”与“机”。 中国汽车零部件产业规模迅速扩大、出口迅速增长、零部件企业创新活动踊跃、关 键零部件基本都实现了本土化生产。中国汽车零部件产业的不足一是规模比较小、实力 弱；二是处在国际分工中最低端；三是研发能力严重不足。新中国成立60年、特别是改 革开放30年来，中国经济飞速发展。民营企业在这个过程中异军突起，以其独特的活力 迅速成长。当前零部件行业中，民营资本和境外资本已经开始占据主要地位。进入新世 纪，民营企业展现出旺盛的生命力。 1.2 课题的意义 橡胶材料用作弹性元件时，其刚度系数因工作频率不同而改变。因此，汽车减震器 中的金属橡胶件有静刚度和动刚度之分，动刚度系数也是衡量减震器性能的重要指标。 多年来，一直采用电液伺服疲劳试验台进行汽车减震器金属-橡胶件动刚度测定。汽 车用减震、隔震部件的技术要求规定频率为15，50，75，100 ,200 和400hz，已接近电 液伺服疲劳试验台可用频率范围的上限，振动位移很小，导致测量精度较低，且这种 电液伺服疲劳试验台价格很高。而一般的电动式振动台的激振力较小，满足不了较大 交变力的测试要求；机械式疲劳试验台无法在线调幅，不能充分满足测试规范要求。针 对金属-橡胶件动刚度测试的不足，本文根据国内外橡胶件动刚度测试技术的发展及生 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 3 产企业的实际要求，设计了一种新型的金属橡胶件的动刚度测试仪，实现了金属橡 胶件动刚度值的快速、准确测定。 2 减震器测试仪的结构和原理及测试方法 2.1 减震器测试仪的结构和原理 橡胶材料用作弹性元件时，其刚度系数因工作频率不同而改变。因此，汽车减震器 中的金属橡胶件有静刚度和动刚度之分。多年来，一直采用电液伺服疲劳试验台进 行汽车减震器金属件动刚度测定。汽车用减震、隔震部件的技术要求规定频率为 15，5o，75，100，200和400hz，已接近电液伺服疲劳试验台可用频率范围的上限， 振动位移很小，导致测量精度较低，且这种电液伺服疲劳试验台价格很高。为此，本 工作研究开发了金属橡胶件的动刚度测定仪，现将其结构、原理及测试方法介绍如下。 其原理框图为： 参震质量 m 的振动 加速度 a 参震质量 m 参震质量 m 相对振 动台的振动速度 v 乘法器 积分器 橡胶件承受 的载符合 f 参震质量 m 相 对振动台的振 动位移 除法器 橡胶件 的动刚 kdy 图2-1 金属胶件动刚度测试原理框图 金属橡胶件动刚度测试机由自适应稳频稳幅振动台、检测元件及计算机测控系统 等组成。其中，计算机测控系统主要完成数据采集、加载控制与动刚度测试数据处理等 工作。通常在被测橡胶件上很难安装力传感器，如果将力传感器安装在金属件上，则金 属的惯性载符合也起作用，于是会影响测量精度。本系统在质量快上安装压电加速度计， 侧得质量快的震动加速度峰值为，再乘以质量快的质量，即可得到作用在被测橡 max am 胶件上的载荷峰值；橡胶件两端的动态变形的测量采用磁电式速度传感器， maxmax maf 该传感器的线圈固定在质量块上，永磁磁钢则固定在震动台的台面上，当振动台以给定 频率震动时，可测得此振动频率下的橡胶件两端的相对振动速度，即： 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 4 （2-)cos()(tvmtv 1） 其中：角频率，是速度和力信号交变分量之间的相位差。)(tv 通过积分电路可得到相对振动位移为： （2- 0 )()(ytvty 2） 经积分运算得： （2-)sin()( min tyty 3） 其中：是震动位移和动态交变力之间的相位差，是震动位移的峰值。)(ty min y 于是，可得被测橡胶件的动刚度为： （2- max max y f kdy 4） 2.1.1 无预加应力的测试 装置的测量原理如上图2-1所示，测定装置如图2-2所示。通常，在被测橡胶件上很 难安装力传感器。如果将力传感器安装在金属件上，金属件的惯性载荷也起作用，从而 影响测量精度。本系统在质量块上安装了压电加速度计，测得质量块的振动加速度峰值 ，再乘以质量块的质量，即可得到作用在被测橡胶件上的载荷峰值 max am 为测量橡胶件两端的动态变形，采用磁电式速度传感器，速度传感器的线 maxmax maf 圈固定在质量块上，永磁磁钢则固定在振动台的台面上。这样即可测得橡胶件两端的相 对振动速度。通过积分电路和峰值电路可得相对振动位移峰值。则被测橡胶件的动 min y 刚度为： （2- max max y f kdy 5） 如果外加加温套和测温仪，则可以进行不同温度的试验。对于汽车减震器金属橡 胶件的动刚度试验，可以采用98 n推力的通用电磁振动台。但该振动台的体积和质量大、 价格高。在本装置中采用自适应共振型和简易共振型两种专用的振动台。自适应共振型 振动台控制系统如图2-3所示: 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 5 图 2-2 无欲加应力时动刚度测定装置 1-磁电式速度传感器的永磁磁钢；2-磁电式速度传感器的线圈；3-压电加速度计； 4-质量快；5-金属-橡胶件的橡胶件；6-振动台台面 振荡器 振动台面 测振仪频 率计 频率跟踪单元电磁铁绕组 振动速度信号 功率模块 图2-3 自适应共振型振动台控制系统 该电路的关键点是采用了振动速度信号作为闭环反馈环节，即用该传感器的输出作 为频率跟踪单元的同步信号。可以证明，只有正确选取振动速度信号的反馈相位才能实 现自适应共振状态。台面的振动微分方程如下： （2-yvptqkyycycym sin 2 21 6） 或 （2-pt m q yy m c y m vc y n sin 2 221 7） 式中，t为时间； 和分别是线性阻力和非线性阻力系数，通常可以忽略， 1 c 2 c 2 c 但在本系统中则应考虑它的影响；q为电磁激振力的幅值；是电磁激振干扰力的角频p 率；v 是速度反馈系数；是该振动系统的固有频率。可见，只有当v0 且v时， n 1 c 该系统才能实现具有负阻效应的自激振动。还可以证明，只有当且时， n p n hp 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 6 才能有稳定的振动运动，其中是频率同步范围因数。一般情况下，1.05。h03 . 1 只要满足这两个条件。无论系统的是多少。该系统都呈现稳定的共振状态，而且频率 n 计实时显示的数值。在调试过程中，通过加减台面的配重(应考虑试样和夹具的质量) n 可以很容易地达到hz的状态。频率调试后，即可进行试样的动刚度测量。200 n 如果试验要求频率为200或400 hz，用同样的方法可以制造出自适应共振的200或 400 hz振动台。如果采用电网的50 hz工频直接给电磁铁绕组供电，可以取代变频电源形 成固定频率激振的共振系统。因为50hz供电时，在电磁铁中能产生100hz的激振力。虽 然简易共振型与自适应共振型相比结构简单且造价较低，但为了适应系统在频率范围很 窄的共振区工作，调整配重的工作难度很大。电磁激振振动台如图2-4所示。 2.1.2 要求预加应力时的测试 有预加应力的试验机如图2-5所示。它增加了液压加力装置和测力传感器。该装置 能对试样加载5000 n的预加应力和1999 n的交变载荷。频率范围分10100 hz和 40400 hz两档。振幅范围为0.10.5 mm，能满足大多数汽车减震器的试验规范要求。 图2-4 电磁激振振动台示意 1-电磁铁绕组；2-电磁铁磁靴；3-电磁铁衔铁，即质量为m的振动台台面； 4-总刚度为k的弹簧；5-底座；6-磁电式速度传感器的线圈；7-传感器的永磁磁钢 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 7 图2-5 有欲加应力的试验机示意 1-机身框架；2-液压压力器；3-电磁铁；4-交流激磁线圈；5-直流激磁线圈； 6-振动衔铁和下工作台；7-主震簧；8-试样；9-上工作台；10-力传感器 2.2 汽车减震器测振仪中传感器的选取 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装 置。在汽车减震器测振仪试验机中，传感器的作用是将力信号转换为可测的电压信号。 3 我们知道，传感器将要测量两个力信号，一个是在试验机工作前加于上工作台的预加力 （也称为静力），一个是试验机工作时产生的动力。因为力信号的不同以及试验机测量 精度要求，此时传感器的选取至关重要。根据减震器测振仪工作原理，将选取应压电式 加速度传感器测加速度，选取磁电感应式传感器测量速度。 2.2.1 压电式加速度传感器 压电式加速度传感器又称压电加速度计，它也属于惯式传感器。它是利用某些物质 如石英晶体或压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也 随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成 正比。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故 输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻 抗的前置放太器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产电 荷，从而实现非电量电测量的目的。它能测量最终能变换为利的那些物理量，例如压力、 加速度等。压电式加速度是特被适合于动态测量，加上它的体积小、工作可靠、灵敏度 高等优点近年得到飞速发展。 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 8 压电方程与压电常数。压电元件受到力 f 作用时，就在相应的表面产生表面电荷 q，力 f 与电荷 q 之间存在下列关系： （2-dfq 8） 式中 d=压电常数 压电系数 d 对于一定的施力方向和一定的产生电荷表面是一个常数，但上式仅能用 于一定尺寸的压电元件，没有普遍意义。为使用方便，采用以下公式： （2- ij dq 9） 式中 电荷表面的密度() q 2 /cmc 单位面积上的作用力() 2 /cmc 压电常数，单位为() ij dnc / 压电式传感器的高频响应好，如配备合适的电荷放大器，低频段可低至 0.3hz。所 以常用来测量动态参数，如震动、加速度等。压电式速度传感器还具有体积小、重量轻 等优点。 (1) 压电式加速度计的结构和安装 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物 质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。 当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输 出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗 的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪 表或记录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产 品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。 常用的压电式加速度计的结构形式有中央安装压缩型，压电元件质量块弹簧系 统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座与测试 对象连接时，如果基座有变形则将直接影响测振器输出。此外，测试对象和环境温度变 化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。压电元件由夹持环将其夹 牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底 座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。由于粘结剂会 随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 9 图 2-6 压电式加速度计的幅频特性曲线 加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图 2-6）。一般小阻尼 (z=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于 1db（即 12%）；若取为共振频率的 1/5，则可保证幅值误差小于 0.5db（即 6%），相移 小于 3 度。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是 在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共 振频率和使用上限频率都会有所下降。 （2）压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或 电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压 （mv）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度 单位为 m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度 g 作单位，1g= 9.80665m/s2。这是 一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有测振仪器都用 g 作为加速度单位并在仪器的 板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的 增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应 当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。 压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感 程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表 示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏 度应小于主灵敏度的 3%。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。 （3）压电加速度计的前置放大器压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使 压电元件边界和接在边界上的导体充电到电压（这里是加速度计的内电容）caqu/ca 。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电 荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减 少到测量准确度所要求的限度以内。 压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高 输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于 一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷 放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。从压电式传感器 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 10 的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其 小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比 很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是 不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为 0.1hz 左右。 随着电子技术的发展，目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来 完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器的加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直 接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用 2 线制，即用 2 根电缆给传感器供给 210ma 的恒流电源，而输出信号也由这 2 根电缆输出，大大方便了现场的接线。 2.2.2 磁电感应式传感器 磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据电磁感应定律，线圈两端的感 应电动势正比于线圈所包围的磁链对时间的变化率，即 （2- dt d w dt d e 10） 式中 线圈匝数；w 线圈所包围的磁通量。 若线圈相对磁场运动为速度 v 或角速度 w 时，则式（2-10）可改为： （2-wblve 11）或 wbse （2-12） 式中 每匝线圈的平均长度； l 线圈所在磁场的磁感应强度；b 每匝线圈的平均截面积。s 在传感器中，当结构参数确定后，即、 、均为定值，那么感应电动势blws 与线圈相对磁场运动速度（ 或）成正比。ev 电磁式振动速度传感器是一种惯性式传感器，当传感器随同被测振动物体一起振动 时，其线圈与永久磁钢之间发生相对运动，从而在线圈中产生与振动速度成正比的电压 信号，因此可以测定振动速度。磁电式振动速度传感器，采用特殊的高强磁钢材料和独 特的结构设计。自带强力磁座，可直接吸在被测机器设备上进行长期监测。该传感器性 能一致性好，具有互换性特点。特别适合于电力、冶金、机床、化工等部门机械设备振 动监测，爆破工程地震监测，是进行故障诊断，振动分析，磨床动平衡的理想传感器。 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 11 主要优点：灵敏度高、输出阻抗低、不需要电源、只要有振动就能产生较大的电压输出； 频响宽、线性好、防潮防水。 磁电式速度传感器为惯性式速度传感器，其工作原理为：当有一线圈在穿过其磁通 发生变化时，会产生感应电动势，电动势的输出与线圈的运动速度比。 在实际使用中，为了能够可以测量较低的频率，希望尽量降低绝对式速度计的固有 频率，但过大的质量块和过低的弹簧刚度使其在重力场中静变形很大。这不仅引起结构 上的困难，而且易受交叉振动的干扰。因此，其固有频率一般取为1015hz。上限测量 频率决定于传感器的惯性部分质量，一般在1khz以下。 磁电式振动速度传感器的优点是不需要外加电源，输出信号可以不经调理放大即可 远距离传送，这在实际长期监测中是十分方便的。另一方面，由于磁电式振动速度传感 器中存在机械运动部件，它与被测系统同频率振动，不仅限制了传感器的测量上限，而 且其疲劳极限造成传感器的寿命比较短。在长期连续测量中必须考虑传感器的寿命，要 求传感器的寿命大于被测对象的检修周期。 磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或感应式传感器。它是利用导体和磁场发 生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。因此它是一种机-电能量转换传感器，不 需供电电源，是直接从被测物体吸收机械能量并转换成电信号输出。 磁电感应式传感器具有电路简单、性能稳定、输出阻抗小，又具有一定的频率响应 范围（一般为10-1000hz），适用与否振动、转速、扭矩等测量。因此测量动力是选用 磁电感应式传感器。 3 汽车减震器测振仪的电路设计 3.1 测试系统设计 根据上述测试原理，设计汽车减震器测试仪，测试系统如图3-1 所示。操作员通过 pc机设计振动频率，保证试验台工作在给定频率；试验台工作后，数据采集模块采集加 速度信号和速度信号，并上传给pc机进行处理，pc机将测试结果显示、打印、存储。 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 12 试 验 台 加速 度传 感器 速度 传感 器 数据采 集模块 pc 机 显示 打印 存储 电磁激振器 有直流分量的 变频器 供电 图3-1 测试系统框图 3.2 运算电路 3.2.1 滤波电路 对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路。它的功能是使特定频率范围内的 信号通过，而且阻止其它频率信号通过。有源滤波电路是应用广泛的信号处理电路。 数据采集模块将传感器采集过来的电压信号进行滤波，放大，以及进行 a/d 转换然 后送入 pc 机，可以沿用传统的设计方法，综合考虑采集的精度、速率、通道数来选择 芯片和设计电路。依据传感器发送的信号范围以及 a/d 转换芯片的接收电压范围来确定 放大倍数，决定是采用单级放大还是多级放大，设计相应的放大电路。另外，根据信号 的频率要求，设计滤波电路。对于多路采集，还需要加入相应的开关电路，使得微处理 器能够分时处理多路信号。 滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压，电流的储能特性达到滤 波的目的。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器 c 在电源供给的电压升高 时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比 较平滑，即电容 c 具有平波的作用；与负载串联的电感 l，当电源供给的电流增加（由 电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使 负载电流比较平滑，即电感 l 也有平波作用。 数据采集系统中，低通滤波器直接用于 adc 之前，以降低高频噪声。关于数据采 集系统中使用低通滤波器的合理性有两种错误的观点。第一种误解是：转换直流或低频 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 13 信号时不需要低通滤波器。因为这些低频信号根本没有噪声，因此，设计人员认为不需 要低通滤波器。假设有一个在低频状态下运行的系统，但有源/无源模拟器件会将高频 噪声引入信号路径。电阻是一种常见的会产生噪声的无源器件。无论有没有电压或电流 激励，每个电阻自身都会产生热电压噪声。运算放大器是有源器件，会在内部产生噪声。 放大器的噪声主要是由前端差分输入对造成的。频率越低，噪声越高。此外，其它有源 器件也会产生噪声，如电源内的开关动作。最后，噪声可以从外部信号辐射进入信号路 径。 一、数字滤波 数字滤波就是通过特定的计算程序处理，降低干扰信号在有用的信号中的比例，故 实质上是一种程序滤波。数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号滤波。数 字滤波由于稳定性高，滤波参数修改方便，因此得到广泛的应用。与模拟器相比，数字 滤波有以下优点：不需要增加任何硬件设备，只需程序在进入数据处理和控制算法之前， 附加一段数字滤波程序即可，不存在阻抗匹配问题；可以很低，如 0.01hz 的信号滤波， 而模拟 rc 滤波器由于受电容的影响，频率不能太低，对于多路信号输入通道，可以提 供一个滤波器，从而降低仪表的硬件成本；只需适当改变滤波器程序或参数，就可以方 便的改善滤波特性。这对于低频脉冲干扰和随机噪声的客服特别有效。 二、中值滤波 中值滤波原理 ：中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性 信号处理技术，中值滤波的基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一 个拎域中各点值的中值代替，让周围的像素值接近的值，从而消除孤立的噪声点。二 维中值滤波输出为，其中分别为原),(),(),(lklykxfmedyxg),(),(yxgyxf 始图像和处理后图像。为二维模板，通常为 2 2，3 3 区域，也可以是不同的的 形状，如线状，圆形，十字形，圆环形等。 （1）实现方法：通过从图像中的某个采样窗口取出奇数个数据进行排序；用排 序后的中值取代要处理的数据即可 。 （2）优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰 ；对温度、液位的变化缓慢 的被测参数有良好的滤波效果 。 （3）缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜。 三、最小二乘滤波 如果已知函数在若干点处的值，便可根据插值和曲线拟合)(xf),.,2 , 1(nixi i y 原理来建立多项式作为的近似值。但在科学实验和生产实践中，这些函数值是由实)(xf 验或观测得到的数据，可避免地带有测量误差，如果要求所得的近似函数曲线精确无误 地通过所有的点，就会使曲线保留着一切测试误差。因此我们并不需要)( ,ii yx 一定要经过所有的点，而只要求在给定点上误差按某种标准达)(xfy i x ii yxfi)( 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 14 到最小。通常用欧式范数作为误差量度的标准。这就是所谓的最小二乘法。它既能 2 反映数据的总体分布。又不至于出现局部较大的波动。更能反映被逼近函数的特性,使 求得的逼近函数与已知函数从总体上来说其偏差按某种方法度量达到最小。 1.线性拟合 线性拟合以最简单的一次线性方程拟合数据。按最小二乘法， 01 )(axaxf 需满足最小，因此可以通过表达式（3-1）求出此时的 01,a a n i ixaayr 1 2 10)( 01,a a （3- 0 0 1 0 a r a r 1） 2.多项式拟合 而有时所给数据点的分布并不一定近似地呈一条直线，这时仍用直线拟合显然是不 合适的，可用多项式拟合。对于给定的一组数据，寻求次数不超过 ( ,),1,2,. ii x yinm （）的多项式来拟合所给定的数据，与线性拟合类似，mn 2 01 . m n yaa xa x 使偏差的平方和为最小。 2 10 () nm j iji ij qya x 由于可以看作是关于 ()的多元函数, 故上述拟合多项式的构造问题qmj,.,2 , 1 , 0 可归结为多元函数的极值问题。 令且 0,0,1,2. k q km a 10 ()0, nm jk ijii ij ya xx mk,.,1 , 0 即有公式： （3- 01 21 01 12 01 m imii m iimiii mmmm iimiii a naxaxy axaxaxx y axaxaxx y 2） 这是关于系数的线性方程组，通常称为正规方程组。可以证明，正规方程组有惟 n a 一解。 3.3 数据采集 在计算机控制应用中，数据采集十分重要。可以把它看成是实体与虚拟的连接线。 各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 15 采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。 采样频率、抗混叠滤波器和样本数。假设现在对一个模拟信号 x(t) 每隔 t 时间采 样一次。时间间隔 t 被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数 1/ t 被称为采样频率， 单位是采样数/每秒。t=0, t ,2 t ,3 t 等等，x(t) 的数值就被称为采样值。所有 x(0),x(t),x(2t )都是采样值。这样信号 x(t)可以用一组分散的采样值来表示：下图显示 了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是 t，注意，采样点在时域上是分散的。 如果对信号 x(t)采集 n 个采样点，那 x(t)就可以用下面这个数列表示：这个数列被 称为信号 x(t)的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引， 而不含有任何关于采样率（或 t）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知 道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号 x(t)的频率。根据采样定理，最低 采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示 信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包 含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。一个信号分 别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。 采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做 混叠（alias） 。出现的混频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率 整数倍的差的绝对值。假设采样频率 fs 是 100hz,信号中含有 25、70、160 和 510 hz 的成分。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（fs/2=50 hz）的信号可以被正确采样。 而频率高于 50hz 的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了 30、40 和 10 hz 的畸变 频率 f2、f3 和 f4 。计算混频偏差的公式是： 混频偏差abs（采样频率的最近整数倍输入频率） 其中，abs 表示“绝对值” ，例如： 混频偏差 f2 = |100 70| = 30 hz，混频偏差 f3 = |(2)100 160| = 40 hz，混频偏差 f4 = |(5)100 510| = 10 hz。 为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（ a/d ）之前，经过一个低通滤波 器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。这个滤波器称为抗混叠滤波器。 采样频率的设置。也许可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间 使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数 据太慢。理论上设置采 样频率为被采集信号最高频率成分的 2 倍就够了，实际上工程中选用 510 倍，有时为 了较好地还原波形，甚至更高一些。 通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如 fft 等。这里对样本数又有一 个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有 510 个周期，甚至更多的 样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，有时我们并 不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数， 天津职业技术师范大学 2010 届本科生毕业论文 16 也不能保证提供整周期数的样本。我们所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数 x(n)和 采样频率。这是我们测量与分析的唯一依据。 usb数据采集模块用于测试测量具有很大的优越性，但同时也存在一些潜在的问题。 usb为用户开发测试测量应用提供简单可供选择的方法，提供真正的插拔、增强的抗扰 度、较快的数据传输率和更好的便携性。对真正的插拔而言，数据采集模块用一个标准 的低成本usb缆线可以连接到pc机的usb端口。在插入模块和所需的软件工作时，pc自 动识别模块。这种连接方法大大降低了起动时间。插入一个usb数据采集模块不再需要 打开pc来增加板卡、配置dip开关和irq设置、搜索正确的驱动器或重新配置系统。一 旦模块插入到任何usb端口，就可以连接传感器信号，而且可以立即开始数据采集。对 于噪声敏感的测量，usb数据采集模块也提供优异的性能。usb缆线1到5米长，使i/o 电路进一步远离计算机的有干扰的母板和电源，而且更靠近测量传感器信号。因此，pc 机中的噪声源的噪声进入模块的可能性比较小。 带usb端口的计算机与usb数据模块之间数据传输率高达12mbit/s。对于数据流应 用，这种全速率是有用的，而且支持高达400khz的数据采集率。带usb2.0端口的pc可 支持数据传输率高达480mbit/s的高性能应用。增宽的带宽可使多i/o工作，在每个方向 同时执行高达500khz 的吞吐率，这类似于pci 测量系统。usb数据采集的另一个好处 是节省成本。大多数usb数据采集模块包括可取下的终端元或bnc连接器，这些单元装 载大量的i/o连接阵列。这使得不需要购买任选的螺丝终端附件和缆线。usb数据采集模 块也很坚固、便携。这使得用户甚至可以把复杂的测试测量应用走出实验室而到现场中。 用低成本扩展插口和usb缆线，用户可以增加另外的usb模块来增大测量能力。在计算 机运行时，可以装入或取下usb数据采集模块。用户可以插入模块，采集数据和数据采 集完成时