基于LabVIEW光电振动测试系统设计.docx

2014 年 12 月第 18 卷 第 6 期宁波职业技术学院学报 journal of ningbo polytechnicdec ， 2014vol18 no6宁波职业技术学院学报e- mail：nbtpxb163com基于 labview 光电振动测试系统设计江东， 于德水， 王德玉（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院， 哈尔滨150080）摘 要： 设计了光电传感器实现绝对式振动测量，推导了测试系统的振动方程，方程为常系数二阶微分方程。 通过激振器产生 20hz 10 khz 连续变化的振动信号，由光电传感器得到振动波形，labview 频域分析得到被 测体的振动频率分布等。 结果表明，光电振动测试系统的输出频率与激振器相同。 该振动测试方法具有非接 触、远距离、抗电磁干扰、测量精度高、频率响应宽、成本低等优点。关键词： 绝对式振动测量； 振动方程； 振动波形； 功率谱分析中图分类号： tm 930.12+6文献标志码： a文章编号： 16712153（2014）06-0072-040引言机械式振动测量方法因测量精度低一般较少 采用。 目前应用较多的有电动式、压电式、电涡流 式、电感式、电容式、电阻式等测量方法1-6。电动式振动传感器由线圈、 阻尼杯和芯轴组 成，可测量被测体的振动速度；压电式振动传感器 利用晶体在一定方向上受力变形时， 在其表面上 产生相反的电荷，可用于测量物体的振动加速度； 电涡流振动传感器输出电流在线圈上产生交变磁 场，当被测体靠近时产生感应电流，可实现被测体 的振动位移测量； 电感式振动传感器把被测体机 械振动参数转换成为感应电参量信号而实现振动 测量。电动式振动传感器输出的是振动速度信号 ； 压电式振动传感器输出的是加速度信号， 通过积 分运算才能获得振动位移信号； 电涡流式和电感 式振动传感器虽然能够输出振动的位移信号，但 影响电参量因素多，构成也复杂，因此其应用受到 一定的限制，而且易受电磁干扰。光电式振动测量方法既可用于相对式振动测收稿日期： 2014-10-09基金项目： 国家自然科学基金资助项目（51377037）量也可用于绝对式振动测量， 具有非接触性远距 离测量且抗电磁干扰能力强、测量精度高、频率响 应宽、成本低等优点。 因此，开发光电式振动测试 系统具有重要的现实意义。1 光电振动测试原理光电振动测试系统构成如图 1 所示。图 1 光电振动测试系统构成图 1 中， 被测物体与光电振动测试系统刚性 固接在一起。当振动产生时作为质量块的球体因惯 性相对绝对参照系保持不动，质量球与光电传感器 产生相对运动。 当质量球向上运动时，遮挡光电传 感器接收光线。 光电传感器输出电压信号与被测振 动信号近似呈正比例变化， 从而反映被测物体的作者简介： 江东（1960-），男，湖北武汉人，教授，博士，研究方向为数字传感器技术、磁悬浮振动测试技术。72 2014 年第 6 期 江 东 等 ： 基 于 labview 光电振动测试系统设计 振动台位移/mm振动。labview 光电振动测试系统可直接输出被测 振动体的振动位移信号， 通过微分电路实现被测 振动体的速度信号和加速度信号。输出电压/v2光电测量电路光电测量电路如图 2 所示。 图 2 中，d1 为红外 发射管，t1 为红外光接收管，接收被质量球遮挡的 红外光信号，a1 构成跟随器用于提高测试系统的 输入阻抗，a2 构成同相放大电路，用于放大被测信 号。w2w1a2a1图 3 光电传感器输出电压与位移实测点及拟合曲线 d（z0-z1）设壳体的绝对位移为 z1， 质量球 m 的绝对位 移为 z0，则质量球 m 的运动方程为72 +cm d2z0dtdt2+k（z0-z1）=0。（1）图 2 光电测量电路设质量球 m 相对于壳体的相对位移为z01=z0-z1，（2）将式（2）代入式（1）得到质量球 m 的相对 位移 z01的运动方程为labview 光电振动测试系统应置于避光的工m d z01 dz01 01 d 2z1 2dt2 +c dt2 +kz=-m，（3）dt2作空间内。 若工作在环境红外光场合时，需加差动放大电路，可通过运算放大器构成减法电路，将测 量的振动信号与环境红外光信号相减消除环境红 外光的影响。 实测平衡点附近位移与输出电压关 系如表 1 所示。式中：m 为质量球的质量；c 为阻尼系数；k 为弹簧 的弹性系数8-9。若外界振动为简谐振动，z01 相对于壳体的振 动位移信号的幅频特性和相频特性为2ad= z01m = （/n） ，（4）位移/mm输出电压/v位移/mm输出电压/v-4.00.700.53.60-3.50.701.04.52-3.00.731.54.91-2.50.752.05.14-2.00.802.55.28-1.50.853.05.38-1.01.053.55.32-0.051.714.05.350.02.524.55.36表 1 位移与输出电压的关系z1m姨1-（/n）22+2（/n）2位移与输出电压实测点及拟合曲线如图 3 所 示。 图 3 中，当振动测量范围在1 mm 以内，输出 电压与位移基本呈线性关系。 由图 3 可计算出输 出电压与位移灵敏度为 1.74 v/mm。d=-arctg 2（/n） ，（5）1-（/n）2式（4）和式（5）中：n 为运动系统的固有角 频率； 为运动系统的阻尼率。由幅频特性可知，要实现不失真测量，振动测 试系统应工作在大于固有频率的频段上，即 /n 1， 当 =0.707 时， 幅频特性趋于常数值的速度最 快， 若要求幅频特性进入相对误差为 5%的范围 内，需 1.7n。 从相频特性来看，若要求相频特 性近似为倒相关系 ，需 （78）n。因为弹簧系统具有固有振荡频率，因此，振动 测量范围不能与系统的固有振荡频率相同。 可以 利用 labview 的滤波 方法去除系统 的固 有 振 荡 频率，消除对被测振动结果的影响。2014 年第 6 期73 宁波职业技术学院学报 e- mail：nbtpxb163com 3光电振动测试系统 labview 设计光电振动测试系统 labview 设计，包括时域 分析和频域分析，系统软件流程如图 4 所示。图 4 光电振动测试系统软件流程labview 振动分析主要功能包括振动信号波 形显示、 时域分析、 频域分析 10、 数据存储等。 labview 前面板如图 5 所示。图 5 光电振动测试系统 labview 前面板前面板设置了文件输入路径， 可同时显示被 测振动信号波形、 经过滤波后的时域信号波形和 功率谱分析波形。 光电振动测试系统 labview 程 序面板如图 6 所示。时域分析中的数字滤波器可选择巴特沃斯滤 波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器等，并可任 意选择低通、高通、带通、带阻四种模式。 实测中选 用了巴特沃斯低通滤波器滤除信号的噪声， 上限 截止频率设置为 20 khz。 被测振动信号实质为各 态历经随机过程， 测试系统可进行自相关性和互 相关性分析，可得到振动测试系统的延时、识别， 提取混淆在噪声中的信号等。 振动信号的时域均 方值反映的是平均振动能量， 时域峰值反映的是振动信号是否含有振动冲击信号， 可获得振动测 试系统的极大值、极小值等信息，由得到的时域分 析结果可了解被测振动体的振动特性， 实现振动 故障诊断。图 6 光电振动测试系统 labview 程序面板4 实测振动测试信号的数据处理为了验证光电振动测试系统，采用 hev-20 型 高能激振器。 该激振器是一种电动式变换器，将电 能转换为机械能，对试件提供激振力。激振器最大允许 激振力为 20 n，最大振幅5 mm，频率范围 05 khz 连续可调，满足本光电振动测试系统实验要求。调节激振器输出频率为 30 hz 和 60 hz， 实测 振动波形及功率谱分析结果如图 7 和图 8 所示。由图 7 和图 8 实测被测振动信号的波形和功 率谱可知， 振动测试系统输出电压波形的频率与 激振器相同且波形形状相同， 由此验证了该方法图 7 激振器 30hz 时的测量波形及功率谱74 2014 年第 6 期 江 东 等 ： 基 于 labview 光电振动测试系统设计 的可行性。 还可利用激振器输出标准振动信号对 设计的振动测试系统进行验证和定标。图 8 激振器 60hz 时的测量波形及功率谱5结束语labview 光电振动测试系统可实现绝对式振 动 测 量 ， 惯 性 球 和 弹 簧 等 安 装 在 同 一 机 箱 内 。 labview 光电振动测试系统的振动方程为常系数 二阶微分方程。 通过 labview 时域分析和频域分 析可实现滤波 及 频 率 分 析 ， 实 现 故 障 诊 断 等 。 labview 光电振动测试系统可应用于国防、 运输 和工业生产等领域，如对于各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、地铁、桥梁和楼房等的振动监测 和研究。参考文献：1 张慧萍， 杨志刚 电控电动式 4ws 系统在现代汽车中 的应用 j 重庆交通大学学报： 自然科学版，2008，27（2）：310-3162 刘阿玲 基于单片机的磁致伸缩位移传感器的应用j 宁波职业技术学院学报，2009，13（2）：19-223 勾虹焱 基于单片机的电涡流式微位移传感器测量系 统的研究j 电子世界，2014（10）：3114 李性珂， 王辉 电路系统设计中电感式位移传感器的 应用j 网络安全技术与应用，2014（7）：35-365 邓芳明，何怡刚，张朝龙， 等 低功耗全数字电容式传 感器接口电路设计术 j 仪器仪表学报，2014，35（5）： 994-9986 陈鹏，李成刚，尤晶晶，等 压电式六维加速度传感器 输 入 输 出 特 性 研 究 j 中 国 机 械 工 程 ，2014，25 （2）： 218-2227 应力恒，陈子珍，周双雷 基于 stc12c5a60s2 的转速 测量实验平台开发 j 宁波职业技术学院学报 ，2012（5）：8-128 彭益武 簧片扭摆弱力测量系统的设计研究 j 宁波 职业技术学院学报，2014（2）：100-1059 谭蔚，贾占斌，聂清德 弹簧阻尼器在塔器防振中的应 用j 化学工程，2013，41（12）：16-3410 杨琪文，吕为民 虚拟仪器在机械工程检测技术实验 中 的 应 用 j 宁波职业技术学院学报 ，2008，15 （5）： 108-111design of photo-electricity vibration measuring system based on labviewjiang dong， yu de-shui， wang de-yu（college of electrical & electronic engineering， harbin university of science and technology， heilongjiang 150080， china）abstract： an absolute vibration measurement system usin g photoelectric sensors isdesigned. the vibrationequation of the test system is derived. the equation derived is a mass - spring test vibration system of secondorder differential equations with constant coefficients. we use an exciter to continuously variable vibration signals. vibration waveforms were obtained byproduces 20hz 10khz photoelectric sensor. thefrequency distributions measured were got by labview frequency domain analysis. the experimental results show that the output waveforms measured by photoelectric vibration test system are same as the exciter. thevibration te