机械振动测试系统综述

机械振动测试系统综述 翟 慧 强 张 金 萍 于 玲 王 丹 （沈阳化工大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110142） 摘 要:机械振动测试技术在工业生产中起着十分重要的作用，为此设计和制造高效的机械振动测试系统 便成为测试技术的重要内容。本文首先概述了机械振动测试系统的发展历程。总结和分析了发展机械振动 测试系统的基本组成和应用理论。根据不同原理列举了几种机械振动测试系统的类型并对不同的机械振动 测试系统进行分析,探讨了他们的优点和不足。 最后在此基础上分析了机械振动测试系统的几个发展趋势和 系统建设中仍然要注意的抗干扰问题和故障诊断问题。 关键词：机械振动测试系统；测试技术；抗干扰；故障诊断 1 引言 振动问题广泛存在于热门的生活和生产当中。 建筑物、 机器等在内界或者外界的激励下 就会产生振动。 而机械振动常常会破坏机械的正常工作， 甚至会降低机械的使用寿命并对机 器造成不可逆的损坏多数的机械振动是有害的。 因而对振动的研究不仅有利于改善人们的生 活环境和生活水平，也有助于提高机械设备的使用寿命，提高人们的生产效率。正因如此振 动测试在生产和科研等多方面都有着十分重要的地位 1。为了控制振动，将振动给人们带来 的危害降至最低，就需要我们了解振动的特性和规律，对振动进行测试和研究。振动测试系 统应运而生。 振动测试系统有着较为长久的发展历史，是与人类社会的发展有着紧密的联系。随着 计算机技术和相关高科技技术的问世和发展， 振动测试系统也有了飞跃性的发展。 振动测试 系统从最早的简单机械设备的应用到如今的先进的计算机技术和设备的应用。 从刚开始的检 测人员的耳朵来进行测量、 判断和计算出大概的故障点的原始方法到现在的计算机控制、 存 储、处理数据的处理 2。无不体现出振动测试系统的长足发展和飞跃式的进步。与此同时， 机械振动测试在理论方面也有了长足的发展，1656 年惠更斯首次提出物理摆的理论并且创 造出了单摆机械钟到现今的自动控制原理和计算机的日趋完善， 人们对机械振动分析的研究 已日趋成熟。 而伴随着振动测试系统的进步和日臻成熟， 其在国民的日常生活和生产中所扮 演的角色也愈发的重要。 2 机械振动测试系统的基本理论与组成 机械振动测试就是利用现代一些测试手段， 对所研究物体的机械振动进行测量， 并对测 得的信号进行更细致的分析， 以期获得在各种工作状态下物体的机械振动特性， 从而判断物 体的机械振动特性是否符合要求。 振动测试系统主要由传感器、信号调节部分、数模转换器、信号处理部分和数据记录部 分、反馈部分等组成。传感器是将被测量转换成某种电信号的部件。是整个测试系统最重要 的组成部分。信号调节部分是把传感器的输出信号转换成适合于进一步传输和处理的形式。 经过加工处理使得原始信号更加便于分析和处理。这种信号的转换多数是电信号直接的转 换。 信号处理部分是对来自信号调节环节的信号进行各种运算和分析。 这也是测试的核心意 义所在， 包括对时域和频域的分析， 已得到各种参数。 数模转换器是采用计算机等进行测试、 控制系统时进行模拟信号与数字信号的相互转换的环节。 测试系统的主要作用是更加便捷易 懂的将初试信号转换成某种信号进行提取分析。 因此最重要的是信号不能失真， 不出现扰动。 这就对测试系统提出了较为严格的要求 3。 3.振动测试系统的分类 近几年来， 振动测试理论与方法都有了很大的发展。 目前振动测试方法按其原理不同可 以分为四类。直观类、光学类、机械类和电测类。直观法操作简便，不受各种器材的限制。 光学法它不受制于电磁场干扰、 测量精度高， 适用于一些质量效应及不易安装传感器的试件 进行非接触性的测量。机械法的抗干扰能力强，频率范围及动态、线性范围窄、测试时会给 试件加上一定的负荷，影响测试结果。电测发是目前使用最为广泛的一种测量方法，它主要 是将被测对象的振动量转化成电量，继而用电量测试仪器进行测量。灵敏度很高，频率范围 以及动态、线性范围广，易于进行分析和远程测量，但是容易受到电磁场的干扰。这是它最 大的缺点 4。振动测试的方法有很多种，相应地根据不用的激振方法有不同的测试系统。 3.1 阶段正弦激振测试系统 阶段正弦激振主要是对被测对象的频率特性进行测试， 因此在被测对象的有效的响应的 频率范围内，用不同的频段的正弦激振力进行激振。 激振器经过力传感器对系统进行激振， 是根据功率放大器将信号发生器产生的正弦电信号放 大后驱动激振器来实现。 加速度传感器和力传感器分别用于测量加速度响应和力激振。 数据 从测量仪器中读取， 示波器用来监视信号的波形。 测出的激振力由跟踪滤波器确定与响应只 与激振频率有关。 为了测量记录各频率点的响应幅值与相位， 我们需要逐一改变振动频率来 进行激振。进而可得到振动系统的整个相关的相频和幅频的特性曲线 5。 正弦激振的特点是信噪比低，激振功率大，有效的保证了测试的精度。但是测量周期 过长。 3.2 随机激振测试系统 随机激振测量系统是现在广泛应用的一种系统。 由信号由信号发生器产生， 经过功率放 大器来驱动激振器，对测试系统进行激振。分别以力传感器和加速度计测量激振力和响应， 信号经过处理后输出。 这种方法与瞬态激振不同的是在同一时间内， 以随机信号对被测对象 进行连续激振，以此获得较大的激振能量 5。 这种方法抗干扰能力强，能在有噪声的情况下有效的提取有用信号。与此同时，采用随 机激振测试方法对系统进行测试时， 不必中断系统的正常工作， 只要是所施加的激振信号与 系统正常运行中的信号或扰动信号是无关的， 则系统的运行信号和扰动就不会影响测试的结 果。 3.3 瞬态激振测试系统 瞬态激励测试系统脉冲激励是以理想的脉冲激振力对系统进行激振。 由于脉冲的整个频 域频谱的范围内是恒定的，因此对应于所有频率的正弦信号同时激励。 瞬态激振方法的优点是迅速，测量周期短。实验设备也比较简单，但由于激振能量分散 在较宽的频率范围内，因此对于某些形态可能会存在激振能量不足，与此同时，信噪比低同 时测量精度不高 5。 4 机械振动测试系统的研究方向 4.1 机械振动测试系统计算机化. 机械振动要求高采集速度，以及好的采集时性，应用 MCS-51 汇编语言编辑系统软件。 通过微控制器，其特征在于，所述信号调节由软件来完成的工作，从而与硬件电路相比，逻 辑功能大大简化。 计算机化的机械振动试验系统与传统系统相比， 不仅大大降低了生产和测 试系统的测试精度和测试速度的工作量，成本也得到了很大的改善，多元化的处理功能，信 号处理工程进行中按照数字形式， 这可以预示一个更完整的分析和处理， 提取所需的数据的 形式 6。 4.2 机械振动测试系统的虚拟化 虚拟化的机械振动测试系统的主要依据就是基于虚拟仪器利用 Labview 编程以达到测 试和分析机械振动的目的，既可以在一些实验教学中应用也可在一些实际生产中加以实践。 虚拟仪器技术的核心是利用计算机软件和硬件设施，以实现最大限度的降低系统成本， 提高灵活性和功能为目的。虚拟振动测试系统是利用虚拟测试仪器完成机械振动信号的测 量，数据分析和有效的处理。通常以 PC 机作为系统硬件平台的核心。一方面，振动信号采 集部分以用单片机为核心的串口同学的数据采集卡为主。 软件部分的主要原理是将振动分析 算法转换成虚拟仪器的应用程序 7。另一方面，Labview 图形化的编程语言提供了一个方便 快捷的工作环境 8。为了便于日后系统的扩充以及数据采集、信息管理、信号预处理、频域 分析、时域分析等功能的扩展，采用了模块化设计 9。最后，为了使系统更加完善，发挥更 大的功效。在以后的研究中，需要不断提高通信方面的传输速度 10。选择高效前沿的系统功 能进行扩展。以满足科研生产的需要 11。 5.机械振动测试系统需要注意的问题 5.1 抗干扰问题 使用频谱分析的方法对机械振动测试系统的各种干扰源进行有效的分析。 抗干扰措施的 选择和实施要根据不同的干扰源。 要找出干扰源， 首先要对测试系统所处的工作环境和测试 系统的各个部分和工作工程进行分析。 进而采取有效的措施切断和消除干扰源。 其次针对不 同的干扰源进行不同的抗干扰措施。 抗干扰是测试系统必须具备的能力。 与此同时我们要注 意到在抗干扰的过程中不是措施越多越好，因为在进行抗干扰的同时对被测信号也有影响 12。 5.2 故障诊断问题 想要获取有效的振动数据,振动测试系统的正常运行是先决条件。 测试系统发生故障后， 数据的有效性就会降低， 甚至是失效， 从而影响结果的分析和处理。 为了保证数据的有效性， 我们就要保证测试系统的故障诊断的有效性。 随着现代科技的进步， 高度集成化市测试系统的前段采集和后端处理的发展趋势， 这就 导致测试系统的故障越来越难以发现， 故障诊断的难度也就大大的提高了 17。 目前比较流行 的诊断方法有神经网络、故障字典法、支持向量机 18等。 神经网络法的基本原理是模仿人类思维方式， 因此具有很强的自适应能力和自学习的能 力，以此同时具有很强的容错能力。但是却缺少重组的样本数据和解释能力。因此在处理复 杂的问题时稍显不足 15。 故障字典法就是事先预存入已经获得的测试值， 再将实际测试的值输入字典中， 若能查 到相关数据就表明可获得故障原因。它的优点是只需要进行单次运算，使用灵活。但是由于 难以获得所有的故障经验， 就会出现获得测试值却在字典中找不到对应的值， 从而无法获得 故障原因 15 支持向量机法是建立在统计学习理论和结构风险最小理论。 通过对样本的分析从而获得 故障类型。它的优点在于应用范围广，理论基础较为坚实。但是不足之处就是样本数不足， 对于大样本的分类效果差 16。 对测试系统中发生的系统故障， 需从结果数据中发现存在的测试故障， 通过详细的分析， 来确定故障性质，从而找到排除故障的方法。 6.结束语 我国在机械振动测试系统方面的研究在某些方面和国际上的先进技术之间仍有很大的 差距。 在系统中的各个环节不论是测试精度还是设备功能都有着不小的距离。 而机械振动测 试在我国的各个行业部门已经开始显现出愈发重要的作用， 因此亟需先进的理论和创新。 目 前我国的机械振动测试系统取得了一系列的研究成果，但仍需要发展和开拓新的应用领域。 为我国的工业生产作出贡献。 参考文献 1（美）饶 著 李欣业,张明路 译.机械振动M.清华大学出版社.2009. 2师汉民,黄其柏.机械振动系统M.华中科技大学出版社.2013. 3石来德,卞永明.机械量测与分析M.上海科学技术出版社.2011. 4张义民,李鹤.机械振动学基础M.高等教育出版社.2010:124-137. 5李有堂。机械振动理论与应用M.科学出版社.2012:303-307. 6丛智,战同令.机械振动测试微机化的研究C.试验技术与试验.1994 年第 34 卷第 2、3 期. 7林颖,常永贵,李文举等.基于虚拟仪器的振动测试系统设计C.机床与液压,2008(3):131134. 8赵荣珍,叶鑫.基于 LabVIEW 的机械振动测试系统设计与远程发布方法研究D.硕士学位论文,2008. 9安军,唐东炜,林云峰,黄光淮.基于虚拟仪器的旋转机械振动测试系统C.仪表技术与传感器,2009（2） 21-31. 10DALLAS Semiconductor Automatic Identification Data Book. 11余愚,朱岩.基于 LabVIEW 的振动测试系统设计D.硕士学位论文,2009. 12郭俊杰.机械振动测试系统中的抗干扰问题C.现代机械.2007(4):19-20. 13黄斌根,虞汉文,万宇.振动测试系统的故障诊断C.直升机技术.2006(1):29-31. 14The Special Fomnal of the Flight Test Data Eurocopter document. 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