（机械制造及其自动化专业论文）振动校准测控系统的研究与开发.pdf

全文摘要 ( 3 6 8 6 5 0 本论文针对堰垫焦壁登皂垫燕建丕绝测控部分软硬件的开发和研制过程中 所遇到的若干问题进行了研究。 第一章阐述了振动传感器校准工作的目的和意义，对国内标准振动计量的发 展概况做了介绍，突出了在计算机控制下实现传感器自动化校准的必要性和积极 意义，并在最后明确了本论文研究的主要任务。 第二章在给出系统技术指标要求的基础上，对振动校准测控系统进行了总体 方案的设计，并指出了课题研究中几个关键的技术问题。 第三章详细分析了正弦定频和扫频的参数设置及试验过程控制，设计出了一 种有效的振动量级控制策略。 第四章介绍了运麴型蕉戗的硬件设计，阐明了任意信号发生器、低频信号发 生器、程控a d 转换卡和程控频比计数器这四个核心模块的功能及其工作原理， 对于系统中采用的一种较为先进的e p p 接口也给予了重点的说明。 第五章介绍了自动校准系统的控制软件设计。借先选择了合适的软件编制和 运行的环境，然后分别介绍了各个独立功能模块的控制程序，最后是传感器自动 校准的主控程序设计方案。对于本套软件中一个重要的组成部分虚拟设备驱 动程序( v x d ) 的设计方法和具体的设计思路自始至终贯穿于整章之中。， 第六章对系统中各子功能模块进行了测试，分析了其结果中误差的来源，并 提出了改进措施，最后通过对几个实际振动传感器校准实例的结果分析，给出了 对本系统的总体评价。 第七章对本课题进行了总结和展望。 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s e v e r a li m p o r t a n ta s p e c t so nv i b r a t i o n c a l i b r a t es y s t e m a r er e s e a r c h e d i nc h a p t e r1 ，t h es i g n i f i c a t i o no fv i b r a t i o nt r a n s d u c e r sc a l i b r a t i o ni ss h o w n t h e n ，t h es i t u a t i o n o fs t a n d a r dv i b r a t i o nm e t r o l o g yt e c h n i q u e sa th o m ea n d a b r o a di si n t r o d u c e d a tl a s t ，t h em a i nc o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o ni sa d d r e s s e d i nc h a p t e r2 ，a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lt a r g e t ，t h ed i s s e r t a t i o nr e l e a s e st h e g e n e r a lp l a na n dp o i n t o u ts e v e r a lk e yt e c h n o l o g yi s s u e s i nc h a p t e r3 ，t h ep r o c e s s e so ff i x i n gf r e q u e n c ya n ds w e p te x p e r i m e n t sa r e a n a l y z e dd e t a i l as t r a t e g yt oc o n t r o lt h el e v e lo f v i b r a t i o ni sd e s i g n e d i nc h a p t e r4 ，t h ep r e s e n t a t i o no fc o n s t r u c t i o no fh a r d w a r ei s g i v e n t h e g e n e r a t o r , t h e a dc h i pa n dt h ec o u n t e ra r et h ei m p o r t a n t p o i n t si n t r o d u c e d a s aa d v a n c e di n t e r f a c ec i r c u i t ，e p pp r o t o c o la l s oi ss t r e s s e de n o u g h i nc h a p t e r 5 ，t h ec o n t r o ls o f t w a r eo fv i b r a t i o n c a l i b r a t es y s t e mi sd i s c u s s e d t h ef i r s tt h i n gi st oc h o o s et h ep r o p e rt o o l so f p r o g r a m m i n g t h es e c o n dt h i n g i s t o d e s i g nt h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mm o d u l e s t h el a s tt h i n gi st od e s i g nt h em a i n c o n t r o lc o d e st h a tm a k em o d u l e sc o o p e r a t eo n ea n o t h e r m e a n w h i l e ，t h ec r u c i a l p o r t i o no ft h es o f t w a r e ，v x d ( v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ) ，i se m p h a s i z e da l lo v e rt h i s c h a p t e r i nc h a p t e r6 ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee r r o r so ft h em o d u l e st e s t i n g ，s o m e s o l u t i o n sa r e s u g g e s t e d a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ng i v e st h ev a l u a t i o no ft h i sc o n t r o l s y s t e m ，b a s e do nt h er e s u l t so ft h es e n s o rc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o ni sd r a w na n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r kw h i c hw i l lb e d o n ei nt h en e a rf u c u r ei sp u tf o r w a r d - 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 振动传感器校准的意义【掩2 2 j 随着社会的发展和科学的进步，人们涉足的领域越来越广。特别是在国防、 航空航天、地震监测等科研部门，需要对不同频段的振动信号进行精确的测量和 研究。如果不能保证振动传感器的精度，就无法准确测得与振动有关的各项试验 数据，这将给科研工作带来很大的困难。因此，对于这些部门所使用的高精度振 动传感器，必须定期对其各项技术性能指标进行检测，并根据检测结果作相应的 调整，这种工作称为校准( c a l i b r a t i o n 也有称为标定、定标或校对) 。 另外，为了满足工业生产中各个行业的不同需要，传感器生产厂家必须生 产出各种类型的传感器及测量仪器，这些器件在出厂前都要对其参数进行校准。 用户的传感器在使用了一段时间后，由于传感器晶片的老化、磁性材料的变化和 运动部件的磨损，其参数要发生变化，也必须按规定时间到有关计量部门对它们 进行再校准。 通常在下列几种情况下，要对振动传感器及测振仪器进行校准。 1 生产厂对传感器及测振仪器进行产品校准，使它们符合规定的技术性能 指标。 2 传感器及测振仪器在修理以后进行校准，以检查有关性能参数是否发生 变化。 3 用户对传感器及测振仪器进行定期或不定期的校准，以避免因传感器内 部机电转换元件性能变化而引起传感器技术指标的变化。 4 有计量部门组织的对用作基准的标准传感器作对比性校准，以保证国家 计量标准的正确传递。 由此可见，振动传感器及测振仪器的校准是一项重要的技术，其目的是保 证振动测量结果具有必要的精度和可靠性，保证各种传感器和测振仪器有统一的 计量标准。因此，它是振动测试技术中重要的不可分割的内容之一。 1 2 振动传感器及其校准 1 2 1 振动传感器的特点 在振动测量中，把被测的振动力学参数转换成电学参数，以便于信号的测量、 传递、变换、分析和保存的装置称之为振动传感器。因为传感器是被用来检测( 或 拾起) 振动信号的，所以也称为拾振器。 振动传感器的类型较多，按被测物理量来分有位移( 振幅) 传感器、速度传 感器和加速度传感器三种。由于位移、速度、和加速度这三个参数可以通过简单 的微积分关系相互转换，故三种传感器有时又可通用。加速度传感器通常尺寸小、 重量轻，且工作频率较宽。这样在测量时，不仅传感器对试件振动特性的影响( 附 加质量) 小，而且所测得的结果也更接近某个“点”，而不是某个“面”的振动， 浙江大学硕士学位论文 同时能更好的适应振动频率的要求。所以，近年来有使用加速度传感器代替位移 和速度传感器的倾向。 测振传感器多采用惯性原理制成，如磁电式速度计、压电式加速度计、压阻 式加速度计、挠性伺服加速度计、地震计量用的测振仪等等。此类振动传感器对 于因测试环境自身在运动而难于找到静止基准的条件也适用，把它直接固定在被 测振动体上，测量所得结果是直接以固结于地球上的惯性坐标为参考坐标。因此， 这是一种绝对式测振传感器。惯性式位移传感器和速度传感器在测量时有一个使 用频率下限，为了拓展低频特性，必须设法降低传感器的固有频率。如地震监测 使用的检波器往往体积和质量较大，就是为了减小自身的固有频率以加强低频性 能。而对于加速度传感器，在测量时有一个使用频率上限，从理论上讲，其测量 频率下限可低至零。 除上述的惯性式测振传感器外，还有电容式、电感式、光栅式测振传感器， 在这里就不一一列举。 1 2 2 振动传感器的校准”吨羽 校准也称为标定，它是通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系， 同时也确定出不同使用条件下的误差关系。振动测量中所使用的各类传感器的性 能指标如灵敏度、线性范围、频率响应等，对测量数据的精度和可靠性产生直接 的影响。因此，为保证测试结果的正确性和统一性，满足一定的试验精度要求， 所使用的传感器、测试仪器、试验设备都要定期进行校准。根据国家计量检定规 程( j j 6 1 3 4 - 8 7 ，j j g 2 9 7 9 1 ) ，对传感器的检定周期，除特殊要求外，一般为一 年。对标准压电加速度传感器，如有必要，可适当缩短周期。 振动传感器及测振仪器的技术指标很多，因此校准的内容也很多，主要包括 以下几项： 1 灵敏度。它是指在规定的频率范围内和周围环境条件下输出量( 电压、 电荷) 与输入量( 振动的位移、速度、加速度等) 的比值。灵敏度反映 了传感器将非电量转化为电量的能力。 2 频率响应。频率响应是指传感器的灵敏度与频率变化的关系，它包含了 幅频响应和相频响应两个方面，一般只考虑幅频特性。 3 线性范围。线性范围是指传感器输入量与输出量之间保持线性关系的最 大机械输入量的变化范围。 4 横向灵敏度。它是指传感器承受与主轴方向垂直的振动时，其输出与输 入振动量的比值。 5 环境因素的影响。 通常校准的内容有灵敏度、频率特性、线性范围三项。 1 2 3 振动传感器的校准方法n 3 m 振动传感器和测振仪器是由标准振动装置来进行校准的，一般有绝对校准和 浙江大学硕士学位论文 相对校准两种。绝对校准的精度要高于相对校准。所谓的标准振动装置，由标准 振源、高精度振幅测量仪、高精度计数器和数字电压表组成。标准振源主要是使 用标准振动台，它能产生高精度的正弦运动，作为传感器的机械输入量。振幅测 量仪是以激光干涉仪为核心的测量系统。 绝对校准法 绝对校准法的基本原理是用高精度的测量设备测得长度( 振幅) 和时间( 频 率) 两个基本参数，再结合传感器输出的电参量( 电荷或电压) 导出灵敏度。振 动传感器的绝对校准法常用于校准高精度或作为计量标准的加速度传感器。目前 世界各国进行绝对校准的方法主要采用幅值校准法。 绝对校准法系统如图卜1 所示。 图i - i 激光干涉校准法系统图 激光干涉法测量振幅是利用了迈克尔逊干涉原理。分光镜分出的两束光经反 射后由于存在光程差而发生干涉，即出现明暗相间的干涉条纹。该干涉光束经分 光镜投射到光电元件上将光的强弱转换为电脉冲送至计数器计数这样就将振 动台的振幅转变为电信号。 根据光的干涉原理，振动台每移动圭 ，光程差变化 ，则干涉条纹的明暗 变化一次。设j 0 为台面振幅，则一个周期的振动总位移量为4 z 。，共产生电脉 冲数为n ，因此有 。 n 2 4 x 。| 笔2 x 勘 若以激振信号的周期t 为控制计数器的计数时间，根据测得的电脉冲数n 即 可求得台面的振幅以，即 n “m t 塑堡查堂受主兰垡堡奎 一一 再由频率计测得台面的振动频率f ，由电压表读取电荷放大器输出电压的有 效值己，。，。下面以加速度计为例推导出其电荷灵敏度的表达式。 对于简谐振动，加速度值由下式决定 口= ( 2 矿) 2 x 。 g s q 为传感器的电荷灵敏度t s 。为电荷放大器的灵敏度，单位为m v p c ， 则由加速度计与电荷放大器组成的测量系统的总灵敏度为 s2 s 口s p 电荷放大器的灵敏度s 。取决于输出增益值( m v u n i t ) 和传感器灵敏度适调度盘 的示值( p c u n i t ) ，若它们分别取q ( m v u n i t ) 和c 2 ( p c u n i t ) ，则s p 为 s p = c , c 2 ( m v p c ) 由于被校准加速度测量系统的总灵敏度s 为 s = 压u 。加( m v ( m s 之) 】 因此可得被校准的加速度计的电荷灵敏度墨为 岛= s s = 压u 。a s ， = 2 压u 。( 矿) 2n 2 ( p c ( m s ) ) 相对校准法 相对校准法是将被校准的传感器与标准传感器背靠背的安装在振动台上，其 中标准传感器的灵敏度、频响特性及其它技术参数是以知的。在相同的振动条件 下，通过比较两个传感器的输出，从而得到被校准传感器的各项技术指标。其校 准系统如图卜2 所示。 若标准传感器的灵敏度为，被校准传感器的灵敏度为s ，当振动台在某 一恒定频率恒定振级下振动时，标准传感器的输出电压为配，被校准传感器的 输出电压为u ，则有 浙江大学硕士学位论文 u = s y 和己，= s y 从以上两式可推导出被校准传感器的灵敏度 s = 等s 5 u 5 标准传 图1 - 2 相对校准法系统图 相对校准法原理简单，所用设备少，且具有速度快、操作方便等优点，是校 准传感器的灵敏度及频率特性曲线的最一般的有效方法，使用相当普遍。 1 3 计量用振动校准系统发展概况1 5 1 1 3 3 l 【3 5 1 1 2 s - 3 1 i 1 3 1 国外标准振动计量的发展概况 机械振动量值的计量是力学计量的一个重要方面。二次世界大战结束以来， 随着工业和科学技术的发展，尤其是航空、航天和军事科学技术的发展，振动量 的计量和测试方面的工作越来越显得重要和得到重视。国外有人作出统计，在火 箭、导弹试验失败的事件中，有4 0 是由于振动环境引起其中某部分损坏和工作 失灵造成的。因此，美国、前苏联、西欧等军事、航空航天技术发达的强国，都 十分重视标准振动计量技术的研究和发展，均投入大量的资金和人力开展振动计 量和测试方面的研究工作，并先后于6 0 年代后期建成了用于绝对校准的标准振 动装置。 5 0 年代初，美国就开始着手研制振动基准。在美国国家航空和宇航局( n a s a ) 等单位的协作和资助下，美国国家标准技术研究所( n i s t ) ( 原国家标准局n b s ) 建立了各种相应的校准与试验设备，一直进行着有关的试验研究。该所于1 9 6 9 年建立中、高频振动基准，在1 0 5 0 0 h z 范围内的校准精度达到- 4 - 1 的的水平： 尔后，又于1 9 7 5 年建立了低频振动基准，频率范围是2 - - 一5 5h z ，校准精度在 3 - - - 5 5h z 内达到1 ，成为美国传感器计量与测试的权威。 浙江大学硕士学位论文 前苏联对标准振动计量的研究非常重视，全苏门捷列夫计量科学研究院就是 世界上第三个最早建立的计量科研单位。俄罗斯继承了前苏联的成果。1 9 9 6 年， 在超低频标准振动计量上已取得了重大进展，低频计量拓展到0 0 1 h z ，除个别 频率点外，均具有较高的精度。 日本不仅重视标准振动计量研究，更注重于工业应用中的振动试验研究，如 日本的岛津、东京衡机、东洋精机、东京试验机、振研( i m y ) 等企业都是世界 上赫赫有名的振动试验机生产厂家。 1 3 2 国内标准振动计量的发展概况 我国于5 0 年代末期开始独立自主地发展核武器及其运载工具，由于进行振 动环境试验的需要，迫切要求建立自己的振动计量标准和量值传递的系统。应国 防科工委要求，从1 9 6 9 年起，浙江大学和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 一1 ，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，确认己达到国外同类装置( 主要指美国国家标准局的装置) 的 水平，填补了国内的空白。经过二年试用后，于1 9 7 8 年正式作为国家中频振动 基准。在此基础上，于1 9 8 3 年又研制成功低频振动计量标准系统，校准精度在 2 1 0 0h z 内达到2 ，并陆续在有关的计量部门投入了使用。 在同一时期，中国计量科学院成都分院、东北工程力学研究所、苏州试验仪 器厂等也进行校准用振动台的研制。 在随后的时间里，我国的科技工作者为建立更高频率、更低频率、更高精度 的标准振动计量继续展开深入的研究。如浙江大学振动所为国家地震局研制的低 频标准振动台，航空航天工业部第七0 二所研制的2 3 0 0 系列低频摆台，国家地 震局工程力学研究所通过反馈控制来拓展已有低频标准振动台低频特性的研究 等等。表1 1 列出了各国低频振动基准的主要指标。 表1 i 国别频率范围振幅校准精度建立时间 ( h z )( r a m ) 日本1 - 2 0 0 1 2 5 土3 一5 1 9 7 4 美国2 5 5 2 2 o 1 ( 3 5 5h z ) 1 9 7 5 2 ( 2 h z ) 原西德2 1 0 0 1 o 2 1 9 7 8 俄罗斯0 0 1 - 2 0 1 2 2 5 1 5 ( o 1 七o h 曲 1 9 9 6 * 3 7 ( o 1 乏o h 曲 中国1 1 0 0 2 2 5 2 ( 2 一1 0 0h 曲 1 9 7 9 + 2 6 ( 1 2h 7 、 2 1 0 0 4 0 + 1 1 9 8 6 数据根据调研考察报告提供，时间为考察年份。 浙江大学硕士学位论文 1 3 3 自动校准振动系统的发展概况 随着计算机技术、数控技术和自动控制理论的发展，八十年代中期，各国 相继推出了一些自动化程度较高的数字式振动控制系统。例如，丹麦b & k 公司的 1 0 5 0 ，日本i m v 公司的s v c ，英国斯特朗公司的1 5 9 2 ，美国l i n g 公司的s d c 一8 等。数字振动控制系统实际上是一闭环自动控制系统，它借助于微机和专用的仪 器对振动台实现了自动控制和传感器信号的自动检测。利用数字振动控制系统可 实现传感器校准的自动化，大大提高了校准工作的效率和质量。 在振动校准测试自动化方面的研究，国内远远落后于国外发达国家。从七 十年代后期至八十年代，我国高、中、低频振动测试基准相继建立至今，大多数 计量部门和生产传感器的厂家仍采用模拟式控制仪激励振动台来校准传感器。在 校准过程中，振动台的控制、数据的采集和数据处理都靠手工来完成，因此耗时 长、工作量大，还不可避免的引入各种误差。 进入九十年代以来，随着国内计算机技术应用的日益成熟，陆续有科技工 作者在借鉴和消化国外数字振动控制仪的基础上进行研究，并取得了定的成 果。如1 9 9 0 年，苏州试验仪器厂的k d 一1 型数字振动控制系统研制成功，各项性 能指标达到了国际上八十年代的先进水平。1 9 9 1 年，浙江大学电机系在地震计 量用标准振动装置中引入了i b m p c 微机，设计了数据采集系统和振动控制系统 以代替数字电压表和信号源。浙江大学机械系精密机械研究室受陕西省计量测试 研究院和能源部西安热工所委托也研制出了类似的系统，并取得了一定的成功。 4 本课题的研究目的和内容 本课题是受重庆地质仪器厂委托，研制一套传感器自动校准系统，能对该 厂生产的c d j 系列数字地震检波器( 固有频率低于l o o h z 的速度传感器) 的灵敏 度等特性进行校准。考虑到今后新产品开发的需要，也可对包括标准加速度计、 速度计、位移计在内的多种振动传感器进行标定及校准。课题研究的目的在于提 高振动传感器校准的自动化水平和校准的精度，使在整个过程中用户只需要进行 少量的干涉( 如必须的控制参数输入、试验结果确认等) ，就可自动完成剩下的 所有工作，消除传感器校准中人为造成的误差，减轻操作人员的劳动强度，提高 校准工作的效率，增强校准过程的规范性。 用户对于本系统的具体要求有下面几点： 1 定频标定。显示频率f 、位移x 、速度主、加速度主及经过数据处理 获得的灵敏度s ( m v c m s 。1 ) 2 频响测试。通过对数扫频获得频响曲线，纵坐标为灵敏度，横坐标为频 率。扫频过程中显示实时振动值，频响曲线在扫频完成后自动显示。 3 线性试验。在定频条件下，通过改变振动速度获得不同速度下的灵敏度。 以上工作均可用相对法或绝对法进行校准，对象为速度传感器。对其它传感 器只要改变相应输入参数，也能完成上述工作。 一一 塑垩查兰堡主堂垡笙苎 本论文重点研究课题中测控部分，包括以下几方面内容： 一振动测控系统总体方案的设计及可行性论证。 二系统硬件的设计原理和调试，主要包括信号发生卡、a d 采样卡、程控 频比记数器、低频信号发生器和接口电路。 三系统各功能软件和主控程序的编制，具体如下： 1 设计编制和调试a d 采样卡、程控频比记数器、低频信号发生器的虚 拟设备驱动程序。 2 根据不同类型试验的参数输入要求，进行系统界面程序的设计。 3 设计和编制用于正弦定频、扫频和线性试验的实时控制和实时波形显 示程序。 4 数据处理和结果计算程序的编制。 四整个系统的调试与结果分析，对该系统的总体评价。 浙江大学硕士学位论文 第二章振动校准系统的介绍 2 1 主要技术指标介绍 o 1 1 0 0 0 h z 振动校准系统，主要用于振动传感器灵敏度校准、传感器频 响特性的测试分析，也可用于某些仪器设备的性能试验。该系统针对重庆地质仪 器厂所生产的c d j 系列数字地震检波器的校准要求，可作定频定幅的正弦振动， 也可作对数扫频振动，并且配备了激光干涉测振仪，可用绝对法对标准传感器进 行标定，主要技术指标和校准不确定度均达到国家级水平。 1 基本技术参数 1 ) 工作频率范围 2 ) 最大空载加速度： 3 ) 最大振幅： 4 ) 最大负载： 5 ) 台面漏磁： 6 ) 一阶轴向共振频率 0 1 1 0 0 0h z 垂直台 0 1 5 0 0h z水平台 垂直台6 9 ；水平台以充分满足使用要求为准 2 0 m m ( 峰一峰) 1 0k g 2 8 0 0 h z ；水平台 2 0 0 0h z 2 精度指标 1 ) 在0 1 2 h z 工作频率范围内，达到以下精度指标： 台面位移波形失真度 1 5 台面振动不均匀度 1 台面横向振动比( 3 2 ) 在垂直台2 5 0 0 h z ，水平台2 - 3 5 0 h z 工作频率范围内，达到以下精度指标： 台面波形失真度 1 台面振动不均匀度 1 台面横向振动比 3 3 ) 在垂直台5 0 0 - - 1 0 0 0 h z ，水平台3 5 0 5 0 0 h z 工作频率范围内，达到以下精度 指标： 台面波形失真度 3 台面振动不均匀度 3 台面横向振动比 6 2 2 总体设计说明 2 2 1 系统功能结构设计 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。 由于计算机具有强大的逻辑判断、计算和信息处理能力，从而使自动控制达到新 9 浙江大学硕士学位论文 的水平，大大提高了生产过程的自动化程度和系统的可靠性。但是，计算机参与 控制的生产过程和试验对象多种多样，控制要求各不相同，因此，控制系统的总 体控制方案和设计步骤不是千篇一律的，而要具体情况具体对待。我们所要研究 的振动校准测控系统是一个计算机闭环控制系统，其主要用途就是对振动传感器 进行自动化标定。 要进行振动传感器的校准必须要有个标准的振源，该振源能把信号发生器 送来的电信号不失真的转换为规定的机械振动，因此要选用性能好、精度高的标 准振动装置，包括标准振动台和与其配套的功率放大器。这部分就构成了整个系 统的机械执行单元。 对于传感器测得的模拟量信号，首先需要经过二次仪表的放大处理，然后经 a d 转换后才能送入计算机。另外，由于本系统不仅要实现传感器的相对法校准， 还要能进行绝对法标定，所以振动量的绝对测量是必须的。系统中引入激光干涉 仪和对其干涉条纹进行计量的程控频比计数器，其目的正是在于此。以上这部分 构成了测量转换单元。 控制单元是整个系统的灵魂，系统中各个部分都在它的统一协调和控制下进 行着各自的工作，以保证系统的稳定运行。该部分主要包括主控计算机、支撑软 件、各种控制软件和程控信号发生器。 图2 1 是标准振动校准系统的功能结构图。 被校传感器 图2 - 1 振动校准测控系统功能结构图 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 系统物理结构设计 1 ) 确定系统任务和控制方案 根据系统要求，在定频定振和扫频试验中均要对振动台的振动参量进行实时 采集和反馈，以保证振动台按规定的运动方式运行，因此是一个闭环控制系统。 进而，还要确定整个系统是采用直接数字控制d d c ( d i r e c td i g i t a l c o n t r 0 1 ) ， 还是采用计算机监督控制s c c ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r 0 1 ) ，或者采用分 布式控制d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ) 。 直接数字控制d d c 是计算机过程控制中使用的较为普遍的一种方式，其结构 如图2 2 所示。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据 规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制执行机构。 发定值_ 4 三h 掣堕仁 被 计 控 阻 算 对 机 i 打印r 象 图2 - 2 直接数字控制系统图 在d d c 系统中的计算机参加闭环控制过程，不仅能完全取代模拟调节器，实 现多回路的p i d 调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复 杂的控制规律，增强了系统的灵活性和自动化程度。由于d d c 已经能够很好满足 振动控制系统的要求，且实现起来较为容易，经综合考虑，决定采用d d c 作为本 系统的控制方式。 2 ) 确定系统的主控计算机 目前可用于工业控制的计算机类型比较多，经常被自动控制系统采用的有单 片机、通用微型计算机和工控机等。 对于不太复杂的控制系统来说，单片机是一个不错的选择。它们体积小、可 靠性高、价格便宜，发展异常迅速，性能指标越来越高。但是由于其系统资源有 限，对于数据处理量大，实时性要求很高的复杂系统就显得有些力不从心。 随着微型计算机价格的大幅降低，其性价比越来越高，已被广泛的使用在各 种计算机控制系统中。微型计算机内存容量大，有很强的数据处理能力，有完善 的中断系统，还有齐全的外围设备和丰富的系统软件资源。这一系列的优点使微 型计算机在现代控制系统中扮演着重要的角色。 至于工控机则是在微型计算机的基础上增强了其稳定性和恶劣环境的适应 性。由于本系统不是用来进行生产控制，而是应用于计量部门，工作在隔振处理 的特殊环境中，条件非常好，所以没有必要选用价格昂贵的工控机。 综合考虑以上各种因素，本系统选用微型计算机作为主控计算机。 浙江大学硕士学位论文 3 ) 确定系统的硬件组织结构 本系统是作为振动计量标准来使用的，因此系统的高精度和高稳定性是硬件 总体设计的最高原则。 硬件的各种功能模块可以制成标准化的微机通用总线板卡，直接插入计算机 内部相应的总线插槽中。但由此造成的结果是，在微机内部电路的干扰下，信号 的精度很难得到保证。解决办法是采用个人仪器的方式，把各种硬件模块做在一 个独立的仪器箱中，采用单独的电源供电，并采取多种抗干扰措施。这就组成了 整个系统的测控仪，然后再把它分别与微机和被控对象连接起来。 测控仪与微机的连接可采用串行通讯或并行通讯方式。但是，由于串行通讯 的传输速度有限，一般不作为高速数据传输接口。因此，测控仪与微机之间是采 用并行连接，可以直接利用微机系统提供的打印机口l p t 作为并行接口，这样 可省去一块接口卡。 在早期，微机的并行接口是采用的标准并行口( s p p ) 协议，它定义的数据 线是单向输出的，不能满足测控仪和微机之间数据传输的要求。而最近推出的增 强型并行口( e p p ) 协议极大的改善了标准并行口的功能，使数据实现了双向传 输，传输率达到了p c 内部i s a 总线的能力。 4 ) 确定系统的软件结构 振动校准测控系统所需的软件包括两部分，系统软件和应用软件。 系统软件主要指微机的操作系统，选择不问的操作系统直接会对整个测控系 统性能指标产生影响。面对现在众多性能各异的操作系统，我们选择了m i c r o s o f t 公司的w i n 9 5 9 8 ，原因是它支持抢占式多任务和多线程，有很高的实时响应能 力和平滑的后台处理，而且完全图形化的操作提供了友好的用户界面。应用软件 是为完成特定的系统控制任务而编写的各种程序的总称。本系统中应用程序的设 计语言为c + + ，开发工具是m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 6 0 。 到现在为止，已经可以清晰的勾画出整个测控系统的轮廓。图2 3 是系统的 物理结构设计方案。 2 3 关键技术问题 为了保证振动校准测控系统的设计最终能获得成功，在具体实现各项功能的 过程中，对以下几个关键技术问题必须加以解决。 1 低频校准精度的保证 由于本测控系统一个重要的应用是对地震检波器进行校准，因此在保证试验 精度的前提下，频率范围必须向下拓展到0 i h z ，已经进入了超低频的范围。在 振动控制中，5 h z 以下的振动试验精度一直是个难点，这涉及到几个方面的问题。 首先，低频信号发生的精度要能得到保证。与中、高频的情况不同，低频试验时 振动台的振动量级非常小，信号的变化缓慢，所以低频信号的发生需要采取特殊 的策略，在信号缓慢变化的过程中实时进行逐点调整，才能使波形精度达到预定 浙江大学硕士学位论文 的要求。其次，功放和标准振动台要有很好的低频特性，这对振动台的机械结构 设计和磁路设计等提出了更高的要求。最后，低频信号的测量也是一个关键的问 题，如果系统对从传感器输入的低频电压信号测量不准确，那么由此算出的灵敏 度肯定会产生很大的误差。有效值变换电路在中、高频可以较精确的测出电压信 号的有效值，但频率低时测量误差就比较大，即使是精密数字电压表对5 h z 以下 的信号测量也不是很准确。所以，对于低频信号必须找到一种简便而又有效的测 量方法。 激光干涉仪r i ： l l i 功放l ，一襞ii 嚣 ， 信。号 l f 程控计数器 a d 发生器i l 丰采集卡 ， 7 ie p p 接口电路 ll振动校准测控仪 l彳、 、 ： 、岁 il p t 接口 计算机及软件 主控计算机 | i十t 下i li 参数输入l i 振动控制l i 屏幕显示ll 数据处理 存储打印l 图2 3 振动校准测控系统物理结构图 2 试验中的实时响应处理 传感器校准试验过程包括两个主要步骤。第一步，振动台的调整。测控系统 根据用户输入的振动参量，实时的不断调整振动台的振动频率和振级，使其达到 预定的运动规律。第二步，传感器灵敏度测量。测控系统要在标准信号通道和被 校信号通道之间循环切换，对标准输入和各个被校传感器的输入进行有效值运 算，最终计算出灵敏度。 1 3 浙江大学硕士学位论文 由此可见，在传感器校准过程中，测控系统有大量的实时控制和实时数据处 理。因此，在系统软硬件设计中，计算机对校准过程的实时控制如何能得到保证； 在实时数据处理量大的系统瓶颈处如何分配计算工作量，以提高测量的可靠性和 稳定性，都是要重点解决的问题。 3 传感器相频特性的检测 对于绝大多数传感器的校准，灵敏度、线性度和幅频响应的检测已经基本满 足使用要求，如果有特殊的要求才会对传感器的相频特性进行检测。由于用户临 时提出，希望在系统中加入传感器相频特性的检测，而我们在硬件设计中并没有 考虑到这一点，不能对多路信号进行同步测量，所以实现起来有一定难度。如果 时间允许，将会尝试用软件的方法来解决这一问题。 浙江大学硕士学位论文 第三章振动台定频与扫频控制 3 1 振动校准系统的传输特性分析1 9 - 2 1 3 1 1 传输环节分析 振动校准系统主要由计算机、振动测控仪、功率放大器、振动台和测振传感 器组成，见方框图3 - 1 。 图3 - i 振动校准系统方框图 要对振动台的运动进行控制，首先必须分析本系统的传输特性，在这里主要 指功率放大器和振动台的频响特性。由于功率放大器采用闭环电压反馈，因此可 以认为其输出电阻很小，输出电压和输入信号之比为常数，而真正作用于振动台 的是功率放大器的输出电流，在功率放大器为电压源的情况下，其大小和性质将 完全由其负载，即电动振动台的驱动线圈决定。正是由于输出负载中的等效电容 和电感的存在，使功率放大器的输出电流随着输入信号频率的变化而变化，这是 影响功率放大器和振动台两者组合频率特性的主要原因。 功率放大器的电气时间常数一般较机械系统的时间常数小得多，对信号的响 应比较及时，因此在系统的传输特性分析时主要考虑的是振动台，而忽略功放的 影响。作这样的近似处理简化了模型的建立，便于计算和分析，而且也不会引入 过大的误差。 3 1 。2 振动台的计算模型及频率特性 在空载或刚性负载情况下，振动台的模型可简化为图3 - 2 所示的两个自由度 系统。 c 图3 - 2 振动台力学模型 浙江大学硕士学位论文 图中符号的意义如下： ml 振动台台面质量；m 。动圈质量； k 。、c 。可动系统相对于外壳的刚度和阻尼，即支承弹簧的刚度和阻尼 k 。、c 。动圈骨架相对于台面的刚度和阻尼。 1 激振频率较低时 当激振频率较低时，由于k 。远小于k 。，因此假设台面与动圈骨架完全刚性 则可简化为单自由度系统，见图3 3 。 图3 3 振动台低频简化模型 已知电动力是简谐力，可写为f = f o e ”。m 为整个可动部件质量m = m l + m 2 则质量m 的运动方程为 ，砂+ c ；岁。+ k s y ；= r e 。“ 式( 3 - 1 ) 可解得加速度幅值为： 口o = 面f f 孑o ( o 而2 历 式= 压= 压 j 鲁2 v川1 2v 肌2 1研2 ：是振动台可动系统的第二阶固有频率( 轴向) q ：是动圈相对于台面的固有频率。 加速度与频率的关系如下： 口0=熹而1+j2s万m2 1 珊】+一+ ，z 黝 式中万：竺为频率比； 2 占= 二为阻尼比。 c c f 从式( 3 5 ) 中可以看出，当频率比万由1 下降，则加速度a 。趋近于尘，见 m 图3 5 。 全频带频率特性曲线可分为a 、b 、c 、d 四个区。 a 区：振动台在低频时位移为常数，其值由电动力幅值只及支承弹簧刚度 k ；决定，故a 区称为刚度控制区。 b 区：低频共振区。 c 区：在此区内振动台的加速度为常数，其值受可动系统的质量控制，故c 区称为等加速度区或质量控制区。 d 区：高频共振区。 浙江大学硕士学位论文 d 0 ，o l 1 l ：l abcd 图3 - 5 全频带频率特性图 实际使用区为c 区，在使用振动台时，应对它进行测试，以了解其频率特性 曲线，正确选择使用范围。 3 2 振动量级的控制方法 为了保证振动传感器校准的一致性和精度，符合国家振动与冲击计量标准的 要求，在进行传感器的校准时，必须控制振动台的各个运动参量( 包括频率、振 级、相位等) 在规定范围内。由于振动台频率的控制可通过信号发生器内的相关 硬件电路精确的实现，而在一般的校准过程中对相位也没有作出特殊的要求，所 以振动台控制工作的重点在于振动量级的控制。 然而，实现振动台振动量级的控制并不是一件容易的事，因为振动台是一个 复杂的机电系统，其传递特性难于准确把握。对于本系统而言，需要在0 1 - - 1 0 0 0 h z 这样一个比较宽的的频率范围内实现振级的精确的控制，而且该工作是 后面正弦定频定振控制、定频变振量控制和扫频控制的基础，其控制质量的好坏 直接影响到各项校准指标的精度。因此，振动台振动量级的控制是整个自动测控 系统设计中难予解决，却又必须要加以很好解决的一个关键问题。 在振动量级的控制方法设计时，有如下三点需要加以注意： 1 振动台的激励响应时间。由于本系统是一个闭环反馈系统，在振级的调 整过程中要不断把新采样得到的值处理后返回给系统，以校正振动台的 运动。信号发生器送出信号后，振动台的振动量并不是跟随电信号的变 化马上发生变化，而是有一个时延，这个时间延迟量可以通过实验的方 法测得。一般来说，不同的振动台时延是不同的，同一个振动台在不同 的激振频率，时延也是会有一些差别的。 2 振动量级的变化方式。在模拟调节器中，信号的幅值可以连续变化，而 数字信号发生器的输出是不连续的，只能以阶跃方式变化，这势必会给 振动台带来冲击，如果这种变化过大，会使振动台发生剧烈冲击，导致 功放和振动台的损坏。针对这种情况，需要做试验实验，确定个合适 的步长，使振动台在振动量级的调整过程中，既不会产生明显有危害性 的冲击，又要满足快速达到目标振级的要求。 浙江大学硕士学位论文 _ - _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 图3 - 6 振动量级逐次逼近控制算法 - 1 9 - 浙江大学硕士学位论文 3 信号发生器的精度和安全保证。对于数模转换器，当达到其最大转换电 压后，如果数字量再继续增加将会导致溢出，输出电压骤然降至o ，会 给功放和振动台系统带来冲击，因此必须加以防止。此外，考虑到一般 电子器件在其性能指标的中间范围内精度往往较高，所以可通过软件的 方法给数模转换器的输出电压强行设定一个上下限，当电压信号调整过 程中超出此上下限时，停止调整，并提示用户对功率放大器的增益作相 应改变后再重新开始调整。这样既能得到较高的输出信号精度，又可防 止信号发生器产生溢出。 综合考虑以上各种因素，为振动台振动量级的控制设计了如图3 - 6 所示的逐 次逼近控制算法。经实验检验，该方法可快速无冲击的使振动台达到设定振级， 其幅值控制精度在0 5 的范围内。 3 3 正弦定频试验控制 3 3 1 参数设置 正弦定频振动试验包括定频定振控制( 基准频率点校准) 和定频变振量控制 ( 线性试验) 。对于这两种试验来说，每一次具体的控制任务都需要设定不同的 正弦信号频率和振动量级等参数。信号频率可通过对数字信号发生器中频率合成 器进行设置而很方便的得到，而振动量级的设置相对复杂一些。在低频段试验时 一般以位移为振级衡量的标准：高频段试验时则多以加速度为振级衡量标准。这 是因为在低频时，一个很小的加速度量值就会使振动台产生较大振幅的振动，用 测量位移的方法可以更加精确的描述该振动，而且当频率低到一定程度时，加速 度传感器甚至没有输出信号，无法正常工作，此时也只能采取位移测量的方法。 而高频时，在一个较大的振动加速度情况下，位移很可能仍处于微米级，测量比 较困难，此时就应该选用加速度来描述该振动。 这是基于以上的原因，在振动量级输入时，设计了位移、速度和加速度三种 形式，以供分别在低、中、高频条件下使用。 3 3 2 试验过程控制 正弦定频振动试验过程控制的主要任务是 振级 振动量级的控制，直接用上节所设计的控制方 法。它包括两个阶段，第一阶段：在当前振级“杯僵 与目标振级相差较大时，采用线性增加或减少 的方式靠近目标振级；第二阶段：在比较接近 目标振级时采用逐次逼近法，直到实测振级进 入容许范围内为止。图3 - 7 为振动量级控制中 。 振级趋于目标值的示意图。 图3 7 - 2 0 浙江大学硕士学位论文 由于本系统是作为计量标准用来校准振动传感器的，所以保证