机械振动测试系统中的抗干扰问题_郭俊杰

1、设计研究分析 19文章编号：1002 - 6886( 2007)01- 0019- 04机械振动测试系统中的抗干扰问题郭俊杰(南阳理工学院，河南南阳 473(X)4)摘要:使用频谱分析的方法分析了机械振动测试系统中的乞种干扰源。针对不同的干扰源和干扰耦合途径采取不同的抗 干扰措施。通过采用软硬件的抗干扰措施取得了良好的效果。关键词机械振动 測试系统 抗干扰 小波降噪中图分类号：TP274Anti-hterference in theM echanicalk V brathg Testhg SystmiGUOAbstract Frequency spectnin is q)plr(l to ;i

2、uikzi)g in tedcimcc factoiy h he median ical# vi)rat hg testing syslan. I) if form t technique k alqited for d if lent interfcraice factory This thesis htroduces lianlware and so (Ware technique to iealize aiti-iiterfeF-Key words m<fe(hunicallyr vi)rathg testiig st<m anti iite!*f(br(ncc v avcl

3、el(kaix>isi)g所仃运行的机器都在振动振动是机器的脉搏，是机 器运行状况的表征7。通过対机械振动的测试，町以实现 实时监测设备运行状况、产品模态分析、设备故障诊断等 很餅应用。机械振动测试是研究各种机械设备特性的一 个基本方法。对丁任何一个测试系统，都仃扰的存在。 一个机械振动测试系统.如来其抗干扰能力很差，那么它 测得的数据就是不町信的.反映不了机器设备的特性。所有的电磁卡扰都是有三个某本要素组合而产牛的, 它们是：干扰源、耦合途径、敏感设备 叫要抗干扰,就必 须分析测试系统所处的匸作环境和测试系统组成的并个 坏节.找出干扰源和耦介途彳至，并采取措施消除干扰源、切 断耦介途径

4、.同时，机械振动测试系统与一般的电信号测 最相比除了有电磁十扰外.还仃机械振动方面的十扰。例 如.其他机械设备工作时所口 I起的振动会通过k地耦介到 被测对彖上面。2测试系统的组成通过数据采集系统将电荷放人器输出的模拟电斥信乃进 行AD转换、保存其结果并通过各种工具软件对结果进行 显示和处理。本机械振动测试系统所用仪器设备见农L仪器名称型号务注加速度传感器三向加速度传感BZI104电荷灵敏度:1 29pC/m«2电荷灵敏度：X： 1. 209pC/ms 2器BZ11I4Y: 1. 212p(：/ms"2Z L 155pC/ms 2速度传感器BZ13O5速度乂敬度：60()/

5、(m/s电荷放大器BZ21O56通道帶抗混吾滤波数据采集卡PCL- 81616通道数据采集12位A DC加速度校准仪JX- 1信号发生器GFG- 8215A计算机兼容机主板接口与PCL- 816兼容表1 机械震动测试系统所用设备列表在测试系统搭建完成后，在实脸室环境F.使用信兮本测试系统丄要用來进行液压缸爬行和加工屮心工 作台特性测试，其构成如图1所示。传感器将反映振动 的物理磧(加速度、速度、 位移等)转化为电荷或电 压信号；电荷放人器对传 感器的输出信号进行调 理和抗混吾滤波;计算机图丨机械掾动测试系统的组业发生器和加速 度校准仪等设 备对测试系统 的各个环节进 行了测试校 准.验证其各

6、项功能完全正 常.所测数据 是可信的。但田2未耒取抗干时的液压紅爬行的渡形作者简介：郭俊杰( 1974-),男，讲师，工学硕士主要从爭测试计量技术及仪器方面的研完。收稿日期：2007- 3- 19© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 20 现代机械2007年第4期是本测试系统在工作现场一我院的先进制造中心，因 为受到各种十扰.对液斥缸爬行所测的数据含仃人駅的于 扰信号，信噪比非常低，如图2所示。3干扰源的分析在先进制造中心里，有20台数控机床和5台加工中

7、 心，有非常多的电机在匸作。在这样的环境中，电网中的谐波污染非常严重。为了向先进制造屮心提供电力，在中 心设置了专用的变压器和配电室,所以，空间的电礎辐射 干扰也比较强。同时.由于数据采集卡插在计算机机箱 内使用计算机提供的电源，计算机在运行过程中必然也 会通过空间电滋辐射和电源通道対数据采集卡产生干扰。1)对电荷放人器采取克流供电方式。电荷放人器要求 直流输入的 电压为+ 12 V。为T对 比采用了开 关型ft流 臓(+ 12V ) 和电动车蓄 1117111(+ 12V ) 供电两种直 流供电方式。在分析扰源的过程中，采用了频谱分析的方法。采用M a t hb编 程，対测得的 数据进行 “

8、h法平均 功率谱估计. 如图3所示。 从图中可以 非常消晰的 看到主耍的 干扰信巧是 通过电源供图3未采取抗干删施时的淞压缸爬行的頻谁为了滩除百田4电荷放大B采用开关电源供电叶的浓形流电源中的 交流成分在 宜流电源的 输入端并联 了滤波电容。 对液压缸爬 行所得到的 测ft结果如 图4图5.图 6图7所示。 通过对比，町电线路耦合而來的匚频十扰。以看出采用开关型肖流电源供电.虽然能够抑制T频十 扰但是同时乂引入了其他频帯的十扰:而采用电池供电.4抗干扰措施一个测试系统，耍根据现场的情况釆取相应的抗十扰 措施。抗十扰的技术措施4以分为破件抗于扰和软件抗 F扰等两类。由于本系统工作于复杂的电磁坏境

9、中，电网 的谐波污染和空间轴射干扰IF常严贡所以.测试系统电 源问题的处理和屏蔽I卜:常乖要。同时.为了消除计算机对 数据采集卡所产牛的十扰还耍采取相应的软件抗十扰技 术。4 1硬件抗干扰的措施所谓唤件抗干扰就是从测我系统的硬件电路方而采 取技术措施抑制十扰源、切I析十扰耦介的途径。常用的 技术措施包括:抗混叠滤波、电源的隔离、屏蔽和接地等。 因为现在的电荷放人器-般都含仃抗混叠滤波的功能,在 这里就不再赘述。4 I 1电源的处理只耍测试系统的电源部分与T业电网相连工业电网 屮所含有的各种干扰信号都会通过电源耦合到测试系统 的各个环节,从而给测量结果带来很多的干扰。因此电 源的处理在测试系统屮

10、非常重要.就本系统而言，根据干扰源的分析可以看到信号主 要受到了频十扰。分析测试系统的各个环节电荷放人 器采用交流供电方式，与先进制造中心电源直接相连,是 丁频扰的耦介途径。为了消除工频I：扰.就盂要对测试因为电源与电网完全隔离，可以非常好的抑制工频干扰。2)対计算机的供电采取了隔离变压器和电源滤波器 的措施。隔离变压器一方面使计算机的供电与电网Z间 仃电上的联系只仃磁联系另一方面通过接地州施町 以抑制初级 线圈产生的 电磁辎射干 扰。电源滤 波器只允许 50 Hz的交流 电通过，对高 频干扰电圧 貝有较好的 衰减作用朋。 这样使计算 机的电源与 电网进行了 隔离,并使其 得到净化。4 L 2

11、加蔽切馳屏蔽技 术就是用金 属隔离的原 理.把通过空 间引入的电'图7电荷放大尽采用电池供电时的築裕系挪循鞍歆軀蟹譎粥彌卿憚性ic Publis驚if慚喝?hup?/设计研究分析21设计研究分析21介通道。测试系统都会冇接地线。地线一般分为：数字 地、模拟地、电源地等。如果接地不良就会通过地线引入 F扰信号。相反,良好的接地可以消除电流流过公共地线 所产生的干扰电爪.抑制噪声。屏蔽与接地是提高系统抗 干扰能力,抑制噪声的觅要手段h。从图6、图7中可以看到，虽然工频干扰已经被消除, 但是信号中还是含有其它的干扰成分。既然电源的问题 已经解决,那么这个扰W该來门空间的辐射I：扰或找 地不良

12、。针对这种情况采取了以下措施：1）为了抑制空II 1J电磁波的干扰,对测试系统的机箱 （电荷放人器机箱和计算机机箱）采取了屏蔽接地的方 法。2）整个测 试系统在构建 时.需要连接的 地线只佔一 条一连接电 荷放人器和数 据采集卡。通 过代找，发现数 据采集卡与电 荷放人器Z间 的接地处理紂 不合适。按照 数据采集卡说 明书提供的接 地方式进行连 接后.问题得到 解决所测波形 如图&图9所 示。4 2软件抗干扰所谓软件 抗十扰，就是在 数据采集系统图9扰干扰后的频褊的软件方而采取些技术措施，消除测砒结呆中的-些干 扰信号的数据。常用的软件抗干扰的方法仃:数字滤波、消除趋势项、小波降嗓等。

13、本测试系统主要用机械振动 的动态测试。因为机械振动的变化非常复朵.不适合采用 限值滤波或屮值滤波等数了滤波。所以，木系统主耍采取 的是小波降噪。4 2 1小波降噪人杲的降噪 结果对比, 才能找到相 对介适的小 波某和阀 值。研究屮 采用一个三 方向的加速 度传感器 （BZ1114）, 对深圳华亚 YHC600 型 加丁中心的 匚作台进行 振动测试。 所测的结果 如图10所 示，其频谱 如图11所 示。从中可 以看出信号 中含有高频 的干扰成 分。为了抑 制干扰,采 用小波包降 噪。数据的 处理是在 Malbb中进 行的。通过 调用相关的 小波包降噪 处理函数， 实现小波降 噪的EI的。 经过人

14、駅的 对比,采用 小波基为 sym 4阀值4 7o 降 噪后的波形图10工作台X轴方向攧动浓形（降嗓前）图II工作台X轴方向摄动的烦褂（降嗓称）图12工作台X转方向撅动波形（降嗓后）70图门工作台X轴方向撮动的如诰（降噪后）设计研究分析21小波降噪根据信号和噪声的不同特性进行非线性滤如图12、图13所示。可以看到，信号中的高频成分已经被设计研究分析21波在改善信噪比的同时，具有很高的时间（位置）分辨 率,该方法特别适介时变信号和突变信号的降噪伺。小 波降噪的原理在很多文献屮都仃论述，在此就不再赘述。 因为Mat hl）的小波丁貝中己经提供了卄常丰富的小波函 数所以对J：小波降噪算法的实现就非常

15、容易。I大I此小波 降噪的主要问题就是小波基的选择和阀值的选择。对j: 滤除。5总结抗干扰是测试系统必须貝备的能力。要想使测试系 统具有好的抗十扰能力,就必须做到以卜儿点：1）対测试系统的彼件构成要清楚。要知道哪些环节 需耍隔离、哪些坏盂耍屏蔽、哪些坏2盂耍接地等O设计研究分析212）对初始的测录结果耍进行分析。通过分析耍区分一 .（下转第33页）这两个问题.目前还没仃简单仃效的办法解决，只仃通过対週轉軍蔚驭觀滋蕙亂盃思朝掘!除船瞬ublishing House. All rights reserved. http:/?wv<v：criki：het设计研究分析 33运动刚体片B杆运动的角

16、加速度;积分式(11丿町得AH杆运动的角速度;当 心 +常斎作平而运动刚体在运动时质心C 与瞬心P的距离保持不变时:半=(1(1/设计研究分析 33设计研究分析 33由(15)- (17丿式可得寺顷4使用条件3= 1( 1- si】®)±以上两例町见作平面运动刚体用相对丁瞬心的动 最矩定理往往可以使方程求解简单、方便。设计研究分析 33=M P如图3所式。3证明过程证明：山质点系动駅矩定理豊凤推导出质点系相对丁瞬心的动届矩定理田4Lo =a + rt ) xm< Vi=rp x 为mu i + S r. m(Vi = rp Xl/ 叫 + &» f

17、12) 质点系相对丁0点的动量矩欠量。耍求作半面运动刚体质心C与瞬心P的距离始终保 持不变以保证$为常駅时才可应用相刈r瞬心的动彊 矩定理。尽管作平而运动刚体人多数情况能满足以上条 件但也何不能满足的这时就不能用相对r輯心的动骯 矩定理。如均 质杆重C直立 在光滑水平而 上受到微小干 扰后在竖直平 而内倒卜,求当 化30时杆卜端的反力M如图4所示。由瞬心P与质心C的距离为冷曲它随着W的变设计研究分析 33Mo = E(rF+rJxA*=rp x Ef； + X r, x“： = rp +气 -质点系相对r()点的外力矩。(13)化而变化 故这时相対丁|瞬心P的动彊矩定理就不能应 用。dT=w质

18、点系的动鼠矩定理 由(12)- ( 14丿式可得;5结论作平面运动刚体当其在运动时其质心C与瞬心"的 距离保持不变时就町以应用相对丁|瞬心的动就矩定理。x.|/ it) + rp xR +Mp dt(14)(15丿参考文献d(.W w )(M矶丿 f f0 x= 5 x/乙I哈尔滨工业大学理论力学教研室主编理论力学.高等教育出版 社2范钦珊理论力学鬲寻教育出版社(1/06)设计研究分析 33设计研究分析 33(上接第21页)于扰信号和被测信号。要确定F扰信号的性质，从而确泄 扰源和耦介途径，以便丁采取相対应的抗I二扰描施。3) 对测试对彖的特性进行分析和估计，结介初始测駅 的结果进行分析得出被测对象所处的频率范由。为测试 系统设定抗混叠滤波的转折频率和采取其他抗十扰措施 提供理论依据。4) 抗干扰的措施并非越多越好，在抗F扰的过程中要 注意度的把握。仃的抗干扰措施在抗干扰的同时,对被测 信号也有影响。例如低通滤波器并不是T.作在理想状 态它在滤除干扰信号的同时可能会对测量信号的某些 频率成分进行衰减。参考文献I杨长江.宋世远.李建伟，廖梓硏.机械振动谱图分析诊断.后動 工程学院学报，2006,. 2: 54- 582杨克俊.电型兼容原理与设计技术.人民邮电出版社，北京, 2004 8 2