（机械制造及其自动化专业论文）超低频振动校准系统中的测量技术及管线拖曳装置的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文结合国家科技基础条件平台建设专项“国家超低频振动标准装置的 建立 课题和中国地震局“地震计校准用超低频标准振动系统的研制”项目对超 低频振动校准系统中的有效值测量技术、失真度测量技术及管线拖曳装置进行了 研究。 第一章阐述了本论文的研究背景和意义。首先介绍了超低频振动校准技术国 内外研究现状及其发展方向；然后就超低频信号的有效值测量、失真度测量技术 以及大行程超低频振动台系统中采用的随动系统技术的国内外研究现状进行了 介绍；最后提出本论文的研究内容与目标。 第二章研究了基于峰值搜索的超低频信号有效值测量技术。首先介绍了基于 峰值搜索的有效值测量方法的基本原理；然后，分别从硬件设计和软件设计两方 面对该有效值测量方案进行阐述。 第三章研究了基于l a b v i e w 的超低频信号失真度数字化测量技术。首先介 绍了基于l a b v i e w 的超低频信号失真度数字化测量方案的基本原理；然后分别 从硬件和软件两方面对该测量方案进行阐述。 第四章研究了一种大行程管线拖曳跟踪装置。首先结合超低频振动台的运动 特性，提出了管线拖曳跟踪装置的技术参数；然后以此为依据选择随动系统的控 制电机及运动导轨；最后对本随动系统的控制方案进行了阐述。 第五章实验验证了本论文的研究内容。分别就基于峰值搜索超低频信号有效 值测量系统、基于l a b v i e w 的超低频信号失真度测量系统、大行程管线拖曳跟 踪装置等进行实验研究，并对误差及产生原因做出简要分析。 第六章总结本论文研究内容，并对后续工作作出展望。 关键词：振动校准；超低频；有效值； 失真度；管线拖曳装置。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，r m s ，d i s t o r t i o nm e a s u r i n ga n dd r a g g i n gd e v i c ef o rw i n d p i p e a n dw i r ew e r es t u d i e di no r d e rt od e v e l o pt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mo fu l t r a 1 0 w f r e q u e n c ys t a n d a r dv i b r a t i o ns y s t e m w h i c hw a sa s s o c i a t i n gw i t han a t i o n a ls c i e n t i f i c i n f r a s t r u c t u r ep l a t f o r l np r o j e c t 一“b u i l d i n go fn a t i o n a lu l t r a 1 0 wf r e q u e n c ys t a n d a r d v i b r a t i o nd e v i c e ”a n dap r o j e tf r o mc h i n ae a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o n “r e s e a r c ho n u l t r a 1 0 wf r e q u e n c ys t a n d a r dv i b r a t i o ns y s t e mf o rc a l i b r a t i o no fs e i s m o m e t e r ” i nc h a p t e rl ，t l l ea i m sa n ds i g n i f i c a n c eo ft h ed i s s e r t a t i o nw e r ep r e s e n t e d f i r s t t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do nt e c h n i q u e so fv i b r a t o rc a l i b r a t i o n a th o m ea n da b r o a dw e r ei n t r o d u c e d t h e n t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p i n g t r e n do nm e a s u r i n gt e c h n i q u e so fi 洲sa n dt h da n ds e r v os y s t e mf o rl o n g s t r o k e u l t r a - l o wf r e q u e n c yv i b r a t o rc a l i b r a t i o ns y s t e mw e r ep r e s e n t e d i nt h ee n d ，t h em a i n r e s e a r c ha i m a n dc o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o nw e r ea d d r e s s e d i n c h a p t e r2 ，i 洲sm e a s u r i n gt e c h n i q u e o fu l t r a 1 0 wf r e q u e n c yb a s eo n s e a r c h i n g - p e a km e t h o dw a sr e s e a r c h e d f i r s t t h ep r i n c i p l eo fr m sm e a s u r e m e n tb a s e o ns e a r c h i n g p e a km e t h o dw a se x p a t i a t e d t h e n t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f i 洲sm e a s u r e m e n tw e r ea n a l y z e d i nc h a p t e r3 ，t h ed i g i t a ld i s t o r t i o nm e a s u r e m e n to fu l t r a - l o wf r e q u e n c yb a s eo n l a b v i e ww a sr e s e a r c h e d f i r s t t h ep r i n c i p l eo fd i g i t a ld i s t o r t i o nm e a s u r e m e n tb a s e d o nl a b v i e ww a se x p a t i a t e d t h e n t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m w e r ea n a l y z e d i nc h a p t e r4 ，al o n g s t r o k ed r a g g i n gd e v i c ef o rw i n d p i p ea n dw i r ew a sr e s e a r c h e d f i r s t , t e c h n i c a lp a r a m e t e r so fd r a g g i n gd e v i c ew e r ea d d r e s s e da c c o r d i n gt om o t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a - l o wf r e q u e n c yv i b r a t i o nt a b l e t h e n c o n t r o l l e d m o t o ra n d m o t i o nr a i lo fs e r v os y s t e mw e r ec h o s e na c c o r d i n gt oi t sp a r a m e t e r s i nt h ee n d ， c o n t r o ls c h e m eo fs e r v os y s t e mw a se x p a t i a t e d i nc h a p t e r5 t h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o nw e r et e s t e d t h et e s t i n c l u d e s ：t h er m sm e a s u r e m e n to fu l t r a 1 0 wf r e q u e n c yb a s e do ns e a r c h i n g p e a k m e t h o d ，t h ed i s t o r t i o nm e a s u r e m e n to fu l t r a - l o wf r e q u e n c yb a s e do nl a b v i e w , a n d t h el o n g - s t r o k ed r a g g i n gd e v i c ef o rw i n d p i p ea n dw i r e a n dt h ee r r o r sw e r ea n a l y z e d i nc h a p t e r6 ，t h ea c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o nw e r es u m m a r i z e da n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r kt h a tn e e d st ob ed o n ew a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：v i b r a t o rc a l i b r a t i o n , u l t r a l o wf r e q u e n c y , r m s ，d i s t o r t i o n , d r a g g i n g d e v i c ef o rw i n d p i p ea n dw i r e 学号瞧哆。哆 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江大堂或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纵压仫签字日期：彬年莎月，臼日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解逝江叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 学位论文作者签名： 多必磊取 导师签名： 签字日期：伊孵年历月f 汐日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 坷 i 司 签字日期：矽。孑年占月f p 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超低频振动校准系统的国内外研究概况 1 1 1 国外超低频振动校准系统的研究现状 美国、前苏联、日本、西欧等军事、航空航天技术发达国家，都十分重视标 准振动计量技术的研究和发展，并先后研制出用于绝对校准的振动校准装置【l 】【2 1 。 5 0 年代初，美国开始着手研制振动标斛3 1 。美国国家标准技术研究所( n i s t ) 建立了多种校准与试验设备，一直进行着相关的试验研究，分别于1 9 6 9 年建立 了中、高频振动基准，在1 0 0 5 0 0 h z 范围内的校准精度达到了l 1 4 】，1 9 7 5 年 又建立了低频振动基准，频率范围2 - 5 5 h z ，标定精度在3 - 5 5 1 4 z 内达到1 【5 1 ， 成为美国传感计量与测试的权威【l 】。在微机控制校准方面，美国标准局已建成用 微机控制的校准系统，应用d i m o f f 振动台，在选定的频段和振级上进行稳定校 准1 4 1 。目前美国n i s t 正在研制峰峰值位移为l m ，在0 1 h z 处产生0 4 m s 2 加速 度的低频振动校准系统，以满足地震测量仪器和现代高速精密机床测量的需求。 前苏联对振动校准方面的研究工作也很重视，全苏门捷列夫计量科学研究院 是世界上第三个最早建立计量的科研单位【2 1 。它在6 0 年代末已经设计完成了 o u b y - 2 型标准次声振动装置。7 0 年代初重新考虑动态计量测试问题，自1 9 7 5 年起，每三年一次定期召开动态测试全苏讨论会，从理论和数学分析方面对此进 行广泛讨论。相继建立了各类振动校准系统，其频率可宽展到0 0 1 h z ，校准精 度也比较高i l 岳1 引。 欧洲和日本等发达国家也非常重视振动计量方面的研究，都建立其自己的振 动校准系统。此外，日本更注重工业应用的振动实验研究，如日本的岛津、东京 横机、东洋精机和振研( i m v ) 等企业都是世界上有名的试验台生产厂家【_ 7 1 。日 本科学技术厅制定的9 0 年代科研项目中有7 0 个重要课题，其中有l8 项与传感 器技术密切相关【8 】。随后，又把传感器技术与计算机、通讯、激光、半导体、超 导并列为国家六大核心技术【9 】。同时日本还注重从法律上完善计量校准工作，早 在1 9 9 3 年，开始按规定进行校准实验室的认可。 丹麦的b r t i e l & k j 霉r 公司是全世界最大的声学、振动测量分析仪器的研究及 制造公司。目前，b e c k 公司积极从事非正弦激励技术的研究，主要是随机激励技 术。丹麦b & k 公司已成功开发出套随机激励技术振动传感器校准系统。该套 校准系统3 6 2 9 型的校准精度：3 1 0 h z 为1 0 ，1 0 h z 2 k h z 为o 7 ，2 k 。5 k h z 为1 1 ，5 k - 7 k h z 为1 2 ，7 k - 1 0 k h z 为1 8 t 1 1 1 1 2 】。同时，b & k 公司与美国 浙江大学硕士学位论文 e n d e v c o 公司成功地将虚拟仪器技术应用于振动校准系统，并研制出了一套可 同时进行绝对法和相对法的校准系统。其中，美国e n d e v c o 公司的正弦扫描 全自动振动传感器校准系统颇具代表性。e n d e v c o 公司对正弦扫描全自动振 动传感器校准系统进行了集成化，将冲击校准也纳入系统内，可以实现从1 0 - - 1 0 5 9 的冲击校准，在套系统上就可得出传感器的灵敏度、频率响应、横向灵敏 度及幅值线性度四项参数，其校准不确定度：振动为1 ；冲击为3 【1 4 】。而p t b 激光干涉绝对校准的水平为：正弦直线振动的灵敏度值和灵敏度相移校准扩展不 确定度为o 1 与0 2 。；正弦旋转振动的灵敏度值和灵敏度相移校准扩展不确定 度为0 2 与0 2 。；冲击加速度的校准扩展不确定度为0 3 ，它代表了目前 的国际先进水平【l l 】。 1 2 2 国内超低频振动校准系统的研究现状 我国在振动标准计量方面的研究起步比较晚，大约始于2 0 世纪6 0 年代。在 超低频振动校准台研制方面，主要研究单位有：浙江大学、国家地震局工程力学 所和原计量院四川分院。经过2 0 年努力，1 9 7 9 年国内建立了首个低频标准， 其频率范围：1 1 0 0 h z ，校准精度在2 1 0 0 h z 内达到2 ，1 - 2 h z 内为2 6 【1 0 】。 后经过改进后，在1 9 8 6 年，2 1 0 0 h z 频率范围精度达到1 【l o 】。 从1 9 6 9 年起，应国防科工委的要求，浙江大学与核工业部及航天工业部合 作研制中频振动校准装置b z d 1 ，于1 9 7 5 年研制成功并交付使用。1 9 7 6 年由七 机部和浙江省联合组织鉴定，确定已达到了国外同类装置的水平【1 5 】。使用两年 后，于1 9 7 8 年正式作为国家中频振动基准。1 9 7 9 年，中国测试技术研究院研制成 功“低频振动标准装置”，从而建立了我国低频振动基准。在此基础上1 9 8 3 年又 成功研制了低频振动计量校准系统。 进入9 0 年代后，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，国内超低频振动 校准系统取得重大进展。19 9 8 年，中国地震局工程力学研究所在浙江大学研制 的振动台基础上，采用复合速度反馈技术实现了在0 0 5 1 h z 段的加速度谐波失 真度小于1 的技术指标1 1 2 1 。2 0 0 5 年，中国地震局分析预报中心与浙江大学合作 完成了甚低频振动校准系统建立，其工作频率范围0 0 1 h z - 8 0 h z ，最大位移峰峰 值为2 0 m m ，最大满载加速度为1 0 r n s 2 ，在整个频段上实现了位移失真度小于 1 。2 0 0 5 年，计量院在原低频垂直向振动副基准上实现了振动传感器复灵敏度 ( 幅值和相位) 的精确校准，其频率范围为o 1 。1 0 0 h z ，最大位移峰峰值为4 0 m m ， 最大加速度为3 0m s 2 。2 0 0 6 年，北京长城计量测试技术所在俄罗斯超低频振动 台的基础上，完成了超低频振动校准装置的研制，其频率范围0 0 1 h z - 2 0 h z ，最 大位移峰峰值为l m 【1 0 】【1 9 1 。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 超低频振动校准系统的发展方向 振动校准4 0 多年的发展历程中，伴随着计算机技术、电子技术、自动控制 技术、精密加工技术以及新材料、新工艺的迅猛发展，振动校准不断取得新的突 破。无论是绝对法还是相对法都已达到了相当完善的程度，基本上满足了各类振 动传感器校准的需求。目前，其发展趋势主要表现在以下几个方面【1 9 】【4 7 】【4 8 】【4 9 】： ( 1 ) 操作自动化 在计算机技术不断普及的今天，振动校准系统与计算机技术以及控制技术结 合，推出基于计算机控制的可视化，全自动化振动校准测控系统。自动化振动校 准测控系统具有，操作方便、界面友好、功能齐全等优点。实现了振动校准操作 的高度自动化，避免由人工操作带来的人为误差。 ( 2 ) 激励方式多样化 正弦激励是目前使用最多的校准激励方式。近年来，随机振动校准技术正逐 渐发展起来，它能精确地对被校传感器进行动态校准，采用动态信号分析仪和计 算机进行数据分析和处理，给出整个工作频段内完整的灵敏度幅频和相频校准数 据，它可以克服正弦振动校准法常受到机械运动不纯、谐波失真，且只能在一些 离散频率上给出传感器灵敏度，不能给出相频数据等不足。随机振动校准将是校 准发展的趋势之一。国外一些单位已着手这方面开发，如：丹麦b & k 公司的3 6 2 9 型随机振动校准系统。 ( 3 ) 指标极限化 随着人们对产品性能的要求不断提高，超低频振动校准装置指标极限化趋向 极限化。例如在航天技术、人造卫星的姿态控制、水声探测、地震预报等方面对 超低频信号进行测试，检测频率已经达到0 0 0 1 h z ，甚至更低。同时对振幅的要 求已经达到l m 。由此可见，无论是超低频、大行程还是宽动态范围等都是未来 研究的重点领域。 ( 4 ) 新技术化 超低频振动校准是多种技术的综合应用，许多新技术的出现，如信号分析技 术、虚拟仪器技术、u s b 技术等，使得超低频振动校准系统更加趋于完善。 1 2 超低频信号测量技术的国内外研究概况 1 2 1 概述 随着科学技术的发展，超低频信号( 小于o 1 h z )的测量日益受到人们的 重视，特别是在航天、航空、生物、海洋、地震等工程中，超低频信号的精密测 浙江大学硕士学位论文 量尤为重要。据报导，美国阿波罗航天工程中，火箭试验等失败的4 0 是由于 超低频振动测量不准确所造成的。因此超低频信号测量研究有着极其重要的意义 4 4 1 1 2 引。 对于超低频振动校准系统研究来说，最为关心的是超低频信号的有效值测量 和失真度测量。传感器校准是将传感器固定于电动式振动台面上，测量标准台所 做的标准正弦运动，然后通过电荷放大器将该测量信号转化为电压信号。对其转 化得到的电压信号，经过计算转化为其它量或直接与标准传感器信号相比较，即 可反映传感器的精度。其中有效值就是反映传感器所测信号的一个重要且基本的 参数，是传感器测量性能的一个基本参数反映。失真度是衡量振动台输出波形精 度的一个重要指标。通过对失真度的测量即可反映振动台的性能。综上所述，超 低频信号有效值测量和失真度测量对研究超低频振动校准系统有着极其重要的 意义。 1 2 2 正弦信号有效值测量的国内外现状 正弦信号是日常生活和工业生产中最常用的信号。对于正弦信号有效值的测 量问题的研究有十分重要的意义。随着技术的不断进步，正弦信号有效值的测量 方法也不断发展，经历了从传统的模拟法测量向数字采样法测量的转变，对其主 要测量方法可以概括为以下四种。 ( 1 ) 交流电压转化成直流电流法 在早期模拟法测量交流电压时，多数是先将交流电压变成与之成正比的直流 电流 2 2 1 2 3 】，然后由机电式表头予以指示。此类模拟电子电压表基本原理如图 1 1 所示。被测交流电压通过二极管检波 后，变为脉动电压加至负载电路上，电 流表头m 指针指示出此脉动电压的直流 分量数值。利用负载两段的滤波电容c 可以将表头m 上的电流基本稳定在一个 值，建立起表头m 显示值与输入电压值 间稳定的关系，如将电流表头m 的刻度 图1 1 交流模拟电子电压表基本原理图 按被测电压的有效值划定，便可以测量出输入电压的有效值。此类模拟式电子电 压表一般通过改变其检波和滤波电路来提高其测量精度。 ( 2 ) 热偶变换法【3 玉3 6 l 热偶变换式采用热偶作为变换元件，将被测电压变换成与其瞬时值平方成 正比的脉动电压，再经滤波器放大后得到有效值。此法的关键部件是热偶和滤波 器，该法产生的主要误差也与这两者有关。热偶变换法要保证被测信号产生的热 量全部被其吸收，滤波器要能够将有效值信息分离出来【3 3 1 。这种方法是从有效 4 浙江大学硕士学位论文 值的实际意义出发所设计出的测量方法，因而在理论上较为准确。但这种方法在 低频阶段的精度无法保证。在o 5 h z 时精度可达到1 f 3 5 1 ，但对于更低的频率， 精度等指标会变得更差。一是由于热偶的低频误差将严重影响热偶的转换精度； 二是滤波器的时间常数将很大，从而无法制造和保持其稳定的性能；三是测量时 间将显著增加，失去实际的使用价值。 ( 3 ) 真有效值法【2 2 】【3 0 1 所谓真有效值是“真正有效值 之意，英文缩写为t r m s ( t r u er o o tm c a n s q u a r e ) ，亦称为真均方根值。真有效值法，是根据交流电有效值定义 吒= 厢磊 借助t r m s d c 转换芯片对输入电压进行“平方一求和取平均开方 运算， 就可以获得交流电压的真有效值。目前常用的真有效值转换芯片是以美国a d i 公司为代表的a d 5 3 6 、a d 6 3 7 、a d 7 3 6 等系列t r m s d c 转换芯片【3 1 】【3 2 1 。该方 法在理论上没有误差，精度高，对信号的要求较小，能够测量任意信号的有效值。 但由于各器件都具有适用频率范围，并考虑到噪声干扰等问题，但在低频阶段应 用也并不理想。 ( 4 ) 基于采样的正弦信号测量法【2 5 之7 】 随着计算机技术的发展，特别是单片机和a d 转换技术的发展。基于采样 的正弦信号测量方法，逐渐成为正弦信号有效值测量方法的主流。采样法实质是 将连续的模拟电压信号经过a d 采样转化成许多离散的瞬间电压值，并以数字 形式存储在单片机内，然后由单片机按一定的算法处理计算，最后算出电压的真 有效值，由单片机驱动输出单元显示该计算值。该方法在硬件方面的核心是a d 转换器。转换器的精度很大程度上影响该方法测量有效值的精度。 软件方面，数字采样法电压表的核心是有效值算法。当模拟正弦电压信号输 入，经a d 采集处理转换成数字信号后，按何种有效值算法处理计算a d 转换 结果，从而能够更简洁、更快速有效地得到模拟信号的电压有效值是个关键问题。 有效值算法决定了数字表的精度和灵敏度以及频率测量范围。目前常用的有效值 算法有：峰值算法、真有效值算法和函数法【2 9 】【3 0 1 。峰值算法和真有效值算法大 家都比较熟悉，下面就函数法作个简单介绍。 函数法是基于信号正弦函数的特性而提出的一种算法。可以通过选取适当的 采样方式和采样频率，分别采集模拟电压参数，得到一组或多组电压的瞬时值。 该组瞬时值满足正弦函数关系式，可以反推导出包括真有效值在内的正弦交流电 的其它参数。函数法，按一组瞬时值采样点数和表达峰值形式计算方便不同，又 分为三点采样法和四点采样法【2 7 1 。 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 正弦信号失真度测量的国内外现状 失真度表征一个信号偏离纯正弦信号的程度。失真度定义为信号中全部谐波 分量的能量与基波能量之比的平方根值。如果负载与信号频率无关，则信号的失 真度也可以定义为全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比并以百分数 表示【3 9 1 ，即 厂=：巫巫1 0 0 ( 1 2 ) u 式中，厂为失真度；p 为信号总功率；曰为基波信号的功率；u 为基波电压的有 效值：u z ，u 。为谐波电压有效值。 失真度测量方法按原理大致可分为：基波剔除法和频谱分析法【3 8 】。按信号 处理方法分，大致可分为：模拟法和数字法。模拟法是指失真度测量中直接应用 模拟电路对信号处理来测量失真度，其中模拟法处理信号的方式又可分两种：基 波抑制法和谐波分析法。 ( 1 ) 基波抑制法【4 0 1 基于模拟法的失真度测量仪采用基波抑制原理，通过具有频率选择性的无源 网络抑制基波，由总的电压有效值和抑制基波后的谐波电压有效值计算出失真 度，测量结构示意图如图1 2 所示。 输入 i 熔准 l 基波抑 电路 仪征f 制网络 图1 2 基波抑制法失冥度测量结构不恿图 基于模拟法的失真度测量仪，按照基波抑制电路的类型可分为串联谐振电桥 式、双t 网络式、桥t 网络式、r c 文氏电桥式等。由于r c 文氏电桥式具有 抑制频率连续可调、基波抑制深度大、制造成本低等优点，所以被广泛采用。 ( 2 ) 谐波分析法【4 2 】 基于模拟法的失真度测量中，用频谱分析仪或波形分析仪检测信号中的基波 和各次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。谐波分析 法的优点是能获得各次谐波的含量，对信号的频谱能够直观地显示出来。它可以 解决频率范围从几h z 到几g h z 、失真度为l 1 0 一1 0 0 的测量，其测量准确 度为( 1 0 3 0 ) 左右。 ( 3 ) 数字化方法 6 浙江大学硕士学位论文 数字化方法是指首先通过数据采集器将被测信号量化，再对测量数据处理计 算出失真度的测量方法，如图1 3 所示。根据失真度的计算方法可分为f f t 法和 曲线拟合法。 图1 3 失真度数字化测量结构示意图 f f t 法【3 9 - 4 2 1 采用f f t 对量化后的被测信号处理，获得基波和各次谐波的电压，从而计 算出失真度。由于在实际的数据采集很难做到整周期采样，由此导致f f t 频谱 分析泄漏引入方法误差。总之，频谱泄漏引入的误差是影响f f t 法失真度测量 精度的主要因素。当前，一般通过加窗法减小频率泄漏，但效果并不理想，尤其 测量小失真度时误差较大。可通过采用准同步法【4 5 1 精确测量被测信号的基波和 各次谐波电压值的方法，从而提高非整周期采样条件下失真度测量精度。 f f t 法失真度测量存在“泄漏”、“栏栅效应”和谐波阶次截断造成的误 差。 曲线拟合法【4 2 】【4 3 l 设数据采集系统以固定的采样间隔z ，对某一正弦信号 s o = 4s i n ( c o o t + o o ) + d o( 其中，4 为信号幅值，为信号的角频率，o o 为相 位角，成为直流电平) 进行电压采集，测量序列为( f = 1 , 2 ，n ) 。用四参数正 弦波模型s = a s i n ( c o t ，f =， 对测量数据进行拟合。选取适当幅, i + 0 ) + d 1 , 2n 值、角频率、相位和直流电平参数使得该正弦波与测量序列对应点间的残差平方 和最小。即 p ( a ，国，口，d ) = 【t - a s i n ( c o t , i + 0 ) - d 2 = m i n ( 1 3 ) 结合式( 1 3 ) ，按照失真度的定义得出失真度。 曲线拟合法测量失真度的误差来源主要归结为两个方面：拟合程度的好坏和 拟合参量的误差。曲线拟合法一般用于失真度较小的情况。 1 2 4 超低频信号测量的主要问题 超低频信号变化极其缓慢，给测量带来了许多困难。用常规的测量方法和 模拟技术不但要求测量仪表本身具有极高的稳定性，而且仪表极长的响应时间和 不合理的电路元件参数使得测量在某些场合很难实现。例如，用模拟电路构成的 真有效值电压表测量信号的有效值时，测量准确度受到测量时间的影响，随着 7 浙江大学硕士学位论文 测量时间的增加，测量结果越趋稳定。为得到稳定的结果，要求测量时间大于 信号的几十个周期，对于1 0 h z 以上的周期信号来说，测量时间只不过为几秒钟， 这是实际测量所允许的。但是，对于超低频信号，几十倍被测信号周期的测量时 间是相当长的，如信号频率为0 0 1 h z 时，测量时间达几个小时。在这么长的时 间内，很难保证测量仪表的漂移在一个允许的准确度范围内。因此，在超低频 信号测量中，要求测量时间尽可能短，实现快速测量( 一般要求在被测信号的 2 3 个周期内完成测量) ，但同时又要保证一定的测量准确度。可以认为，测 量时间和测量准确度是超低频测量技术研究中要解决的问题之一【4 5 1 。 1 3 随动系统的国内外研究概况 1 3 1 概述 位置随动系统又称伺服系统，主要解决对象的位置控制问题，根本任务就是 实现执行机构对位置指令的准确跟踪，系统的输出量或称被控量一般是负载( 或 被控对象) 的空间位移，当给定量( 位置指令) 随机变化时，系统的输出量能一 定精度地跟踪给定量的变化并能复现给定量。随动系统在对生产过程和运动对象 的控制中，以及在定位、瞄准、跟踪等装置中都占有显著的地位，现己成为各种 自动调节系统的组成部分i 了7 】1 5 9 l 。 1 3 2 随动系统中的控制电机【4 6 l 【4 7 l 随动系统中的控制电机是系统自动控制的基础元件。常用的随动控制电机 有：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机【5 1 - 5 3 】。 步进电机是将电脉冲信号转变成角位移的伺服电机。它每接受一个电脉冲， 转子就转过一个最，称为步距角。由于这种电机转动是断续地一步步进行的，所 以称为步进电动机。步进电机的脉冲信号，一般由脉冲分配器和功率放大器两部 分组成的驱动器提供，并由它确定输入脉冲的个数、频率、分配到各控制绕组的 次序以及同时输入控制绕组的数卧5 3 1 。 直流伺服电机和交流伺服电机同属于伺服电机。伺服电机又称为执行电机， 在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角 速度的变化。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。改变控制电压可以改 变伺服电机的转速和转向。直流伺服以其优良的转矩特性曾在相当长时间主导运 动控制领域。但是，机械接触的电刷换向器的制造工艺复杂和成本较高，一直是 直流伺服电动机的致命弱点。电刷换向器的结构也降低了直流伺服电动机的可靠 性，限制了其在很多场合中的应用。为了取代有刷直流电动机的电刷换向器 8 浙江大学硕士学位论文 结构，人们作出了长期的探索。上世纪2 0 年代，b o l i g e r 提出用整流管代替有刷 直流电动机的机械式电刷，从此产生了无刷直流电动机的基本构想。与传统的有 刷直流电动机相比较，无刷直流电动机的最大特点是以半导体开关元件代替了由 换向器和电刷组成的机械换向机构。由于没有滑动电接触，也就消除了换向器的 机械磨损、换向火花和电磁干扰。其转子采用永磁体励磁，不仅没有励磁损耗， 而且保持了有刷直流电动机优良的调速特性，提高了电机的整体效率【5 2 】【5 3 】。 随着电机本体及其相关技术的迅速发展，“无刷直流电动机”的概念己由最初 “特指”具有特定电子换向的直流电动机发展到“泛指”一切具备有刷直流电动机 外部特性且没有电刷的永磁直流电动机。无刷直流电动机系统按其绕阻反电势 b e m f 的波形和电流的波形可分为两大类：方波无刷直流电动机和正弦波无刷直 流电动机或正弦波交流伺服电动机。两种永磁无刷电动机比较而言，方波无刷直 流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单、系统实现相对容易等优点。但 是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷，因电枢中电流和电枢磁势移动的不 连续性而存在电磁脉动，而这种脉动在高速运转时产生噪声，在中低速又是平稳 的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电机速度控制特性恶化，从而限制了由 其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下 的应用( 尤其是在低速直接驱动场合) 。因此，对于一般性能的电伺服驱动控制 系统，选用方波无刷直流电动机及相应的控制方式，而对于高精度、高性能电伺 服驱动系统则多采用正弦波交流伺服电动机及其控制系统在以计算机为核心的 数字运动控制系统中，正弦波交流伺服电机作为执行电动机，能够接受计算机发 出的转矩、转速和位置等一系列数字控制量【6 0 】【6 1 】。 正弦波交流伺服电机低速运转平稳。正弦波交流伺服电机定子三相绕阻中通 过，由矢量控制技术产生的三相正弦波交流电流。三相正弦波交流电流与三相绕 阻中的三相正弦波反电势产生光滑平稳的电磁转矩。在交流伺服控制系统中具有 频率解析机能( f f t ) ，可检测出机械的共振点，调整系统抑制共振。总之，正 弦波交流伺服电机具有宽广的调速范围，在3 0 分钟转一周到每分钟3 0 0 0 转的范 围内都不会出现振动现象。正弦波交流伺服电机在其额定转速以内，都能实现恒 转矩输出。可按主控计算机要求独立地输出额定转矩以内的任何转矩。在额定转 速以上为恒功率输出。正弦波交流伺服电机具有较强的过载能力。其最大转矩为 额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启、制动瞬间的惯性力矩。有效地减少 启、制动时间。以松下m s m a 4 0 0 w 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转 速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。随着技术的发展， 交流伺服驱动技术又有了进一步突破，交流伺服以其上述优异的性能，已经逐渐 取代直流伺服电机、已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向【5 7 】【5 引。 9 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 随动系统中的导轨 目前，随动系统的导轨有两种比较常用的形式：一种是同步齿型带导轨，另 一种是滚珠丝杠导轨。滚珠丝杠和同步齿形带都可以通过一定的方式，将驱动电 机的旋转运动转换为直线运动的传动装置。滚珠丝杠是一种低摩擦、高精度、高 效率的机构。滚珠丝杠传动具有以下传动特点：( 1 ) 传动效率副5 6 1 ，滚珠丝杠 传动系统的传动效率高达9 0 9 8 ，为传统的滑动丝杠系统的2 4 倍。( 2 ) 运动平稳，滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、 启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给( 3 ) 高可靠性， 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较 简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作( 4 ) 高 同步性，由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传 动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。( 5 ) 高精度， 滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸 以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度【5 8 1 【5 9 1 。 同步齿型带传动是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的 一种新型传动方式。由于同步带是利用齿工作面与带轮齿槽啮合进行传动，因此 带与带轮之间在传动过程中没有滑差而呈现同步传动。同步齿型带传动工作时， 带齿与带轮的齿槽相啮合，属于啮合传动，具有链传动和带传动等优点。同步带 传动具有比较精确传动比，具有减振吸振功能，传动过程中，具有传动平稳、噪 音小，不需要润滑，无滑差、节能等特点。同步带传动，与滚珠丝杠传动相比， 具有结构简单，价格低廉。此外，同步齿型带传动与滚珠丝杠传动相比，比较适 合大行程、带传动的行程可以做得比较大。如f e s t o 的d g e 系列同步带一般常用 得传动导轨可以做到5 m 。滚珠丝杠传动导轨行程一般在l m 以内。行程做大， 加工比较困难，成本比较高。由于同步齿型带传动的这些特点，使得同步齿形带 传动在近年来有着越来越广泛的应用。同步齿型带特别适合一些精度要求不太高 的，行程比较大的场合。例如：该传动机构可以代替滚珠丝杆作为直角坐标装配 机器人的线性驱动器使用。 1 3 3 随动系统的发展趋势 现代伺服系统经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比 如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能d s p 加f p g a 、 以及伺服专用模块( 比如瓜推出的伺服控制专用引擎) 也不足为奇。国际厂商 伺服产品每5 年就会换代更新一次，总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路 1 0 浙江大学硕士学位论文 线，可以看到以下一些最新发展趋判6 1 舶】。 ( 1 ) 直接驱动 直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的线性伺服驱 动，由于消除了中间传递误差，从而实现了高速化和高定位精度。直线电机是近 年来飞速发展的一种新型电机，它是一种可以将电能直接转换成直线运动，而不 需要任何中间转换机构的电磁传动装置。直线伺服系统采用了直接驱动方式，使 整个系统具有快速动态特性、结构简单、宽调速范围、定位精确等优点。直线电 机容易改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量 化。 ( 2 ) 一体化和集成化 电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的 一个发展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机为智能化电机( s m a r t m o t o r ) ，有时我们把集成了运动控制和通讯的驱动器称为智能化伺服驱动器。电 机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。 但是这种方式面临更大的技术挑战( 如可靠性) 和工程师使用习惯的挑战，因此 很难成为主流，在整个伺服市场中属于一个很小的特色部分。 ( 3 ) 智能化 现代伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱 动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数， 自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同 步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起，对于伺服用户来说，则提供了 更好的体验效果。 ( 4 ) 网络化和模块化 随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术( 问题发生时判 断原因并采取措施避免故障扩大化) 已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技 术，使人们可以通过i n t e m e t 及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性 措施，比如，关注电流的升高，负载变化时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度升高 时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。 1 4 论文研究目的及内容 1 4 1 论文研究目的 本论文主要是结合国家科技基础条件平台建设专项“国家超低频标准振 动装置的建立”课题和中国地震局“地震计校准用标准振动系统的研制 项目， 为解决超低频振动校准系统中的超低频信号测量以及大行程管线拖曳等关键技 浙江大学硕士学位论文 术问题而展开的研究。该研究的目的为：( 1 ) 结合本系统的要求，提出超低频电 压有效值的测量方案，并设计出软硬件，解决本系统的超低频电压和电流测量问 题；( 2 ) 结合本系统要求，提出超低频失真度测量的设计方案，并设计出软硬件， 解决系统中的超低频失真度测量问题；( 3 ) 对于大行程管线影响振动台输出波形 的问题，提出一种大行程管线拖曳跟踪系统的解决方案。 1 4 2 论文主要内容 针对论文的研究目的，本文的主要内容包括以下三个方面： ( 1 ) 超低频振动校准系统中的电压和电流有效值实时测量。本论文在前人 研究的基础上，得出基于a d 采样计算是解决问题的较好途径，在a d 采样计 算算法上，本论文比较有效值算法和峰值算法的各自优缺点，结合本系统测量对 实时性要求比较高，对精度要求不太高的特点，采用峰值搜索算法来实现对振动 校准系统中的电压和电流实时测量。 ( 2 ) 超低频振动校准系统中的失真度测量。比较基波剔除法和频谱分析法 测量失真度的特点，结合本系统对失真度测量的要求，研究基于l a b v i e w 软件 及数据采集器的超低频信号失真度测量方法。 ( 3 ) 大行程管线拖曳跟踪装置。针对超低频大行程振动台中管线牵拉对振 动台输出波形影响的问题，设计一种搭载管线并跟踪振动平台运动的随动系统一 一管线拖曳跟踪装置，包括控制电机及运动导轨的选型。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章基于峰值搜索的超低频正弦信号 2 1 概述 有效值测量技术 正弦信号有效值是正弦信号一个重要的参数。基于数字采样