检测理论课程设计

1、检测理论及其应用课程设计报告单 位： 学生姓名： 专 业： 班 级： 学 号： 指导老师： 成 绩： 设计时间：2012 年 12月重庆邮电大学自动化学院制轨道振动测试实验系统的设计与分析李 锐1.目的通过了解轨道振动特征，选用检测器件，搭建振动测试平台，进行实验及数据处理，使得学生掌握检测系统设计的方法及相关的信息处理技术。2.设计给定条件（1）低频的轨道振动特征及模拟参数；（2）振动电机及变频器、振动平台；（3）获取振动信号（加速度、力、位移等）的传感器；（4）信号采集设备（虚拟仪器）。3.设计的具体要求（1）根据轨道低频振动特征，给出实验室进行轨道振动测试的技术方案；（2）根据测试方案，

2、合理选用激振设备（振动电机）、传感器、数据采集分析设备，并给出具体的计算过程或选用依据；（3）搭建轨道振动模拟的实验室测试系统，进行不同激励下的轨道振动测试；（4）对振动测试数据进行分析（振动传递率、功率谱、相关等），给出分析结果，并对振动隔离进行评价。4.参考书目可参考检测理论及应用、传感器与自动检测技术、信号与系统、MATLAB仿真、普通物理学等方面的教材或相关文献。一:振动测试系统1.1概述信号分析技术被广泛地应用于许多学科和领域，诸如：通信、雷达、声纳、地震、遥感、生物医学、机械振动等，特别是近代电子技术、数字计算机及微型机的发展和应用，使得信号分析技术得到了迅速的发展，目前，它已成为

3、信息科学技术中一种必不可少的手段。在生产和科学实验中，机械振动是普遍存在的现象。振动测试与分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面。随着科学技术的日益发展，对各类机械的运转速度、承载能力、工作寿命等方面的要求越来越高，因而发生振动的可能性不断增大。另一方面，人们对机器的工作精度和稳定性的要求也越来越高，对控制振动的要求越来越迫切。这些都对机械振动的研究和振动测试的研究提出了更高的要求。振动测试与分析技术的任务就在于帮助人们清楚地认识振动现象，从而能动地控制振动和利用振动。振动测量就是检测振动的变化量，将其转换为与之对应的、便于显示和分析处理的电信号，并从

4、中提出所需的信息。振动测量的方法一般有机械式测量方法、电测方法和光测方法三类。其中用的最普通、技术最成熟的是电测法。电测法通常采用测振传感器检测振动的位移、速度和加速度信号并转为电量，然后利用分析电路或专用仪器来提取振动信号中的强度和频谱信息。振动系统，是对一般机器或结构系统的一类抽象数学模型，当研究的目的是关于这个系统的振动性能时，所抽象的系统模型，就称为振动系统。一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出，该输入通常称为激励，输出称为响应。而输出特性不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。输入、输出和系统的振动特性这三者之间的关系如图 1.1 所示。激励响应系统振动

5、特性图 1.1 振动系统原理框图 在进行实践、探索和研究。振动测试的主要用途为： 1.各种工程机械、建筑结构、车辆船舶、飞机导弹、能源设备、仪器仪表等系统或者自身在运转过程中由于质量不平衡等原因而产生激振力，成为强烈的振源；或者受到周围环境的激励而产生受迫振动。在实验室内对正在设计或大批生产的产品进行各种振动试验以考核产品承受振动能力已成为很多工厂的常规任务。从现场测试了解机器运转时振动大小以确定其性能优劣已成为验收往复式、旋转式机器的一个重要环节，现在又有各种产品的“振动烈度标准”和振动烈度测量仪。 2.各种利用振动工作的机械如振动给料机、振动打夯机、振动压路机、振动筛、振动输送机、动平衡机

6、和各种激振设备因其高效率低能耗在国民经济各部门得到日益广泛的应用。为了研究其工作机理以提高生产效率，必须进行大量的振动测试。 3.实际系统往往零部件繁多，结合面形状复杂，理论计算（如有限元）是要做大量简化假设，只能建立粗略的力学模型，某些重要参数（如阻尼系数）至今仍无完善的计算方法。用振动测试可以求得系统的动态特性参数，进而建立或修正力学模型，为今后的“响应预估”或“环境预估（载荷识别）”创造先决条件。这就是结构动力学中所谓“系统识别”或“参数识别”课题。 4.效益巨大但造价昂贵的现代化大型系统（如海上平台、大型汽轮发电机组、航天飞机等）经常在高转速、大负荷、高温、高压或高真空等恶劣条件下工作

7、，他们的破坏会造成十分严重的后果。国外统计重要产品的故障中有百分之六十以上来自环境因素（包括温度、振动、冲击、沙尘等），而在各环境因素中振动引起的故障几乎占百分之三十，利用振动测试手段对运行设备进行在线的状态监控或故障诊断是保证机组安全、及时消除隐患的重要措施之一。 5.振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳动效率，甚至产生“振动病”或“运动病”，如常见的晕车、晕船现象就是由于小于 1Hz 的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市场上已有用于人体振动测量的传感器和测试仪出售。6.任何机械振动系统往往

8、同时又是声波辐射源。噪声中很大一部分来自振动物体。减少振动的同时往往也意味着降低噪声（相反地也可从噪声分析中找到振源）。只要有声电传感器（如话筒）和适调放大器，振动分析和声学分析就可以共用同一分析仪器。 1.2振动测试系统理论1.2.1 传感器测量系统包括各种振动传感器、压力传感器及其有关测量部分。作用：拾取表征机器状态的各种信号或参数，并使之变成标准的电压或电流信号。1.2.2测量数据采集、显示、处理及分析系统作用：获得信号并进行显示，同时进行进一步的各种分析、处理。激振装置激镇对象分析处理图 1.2 振动系统结构示意图1.2.3振动系统振动系统的输入通常称为激励，输出称为响应；输出特性不仅

9、取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。在工程技术当中，研究振动问题就是在激励、响应和系统特性这三者中知道其二求其三的问题。在己知激励条件和系统振动特性的情况下，求系统的响应，这就是所谓的振动分析问题；在己知系统振动特性和系统响应的情况下，求系统的激励状态，这就是所谓的振动环境预测问题：在已知系统激励和系统响应的情况下，确定系统的振动特性，这就是所谓的振动特性测试或系统识别问题。1.2.4传感器传感器是感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种灵敏的转换元件。本系统为振动测试系统，所测量为振动的非电量信号，因此选用了电涡流位移传感器和光电传感器。传感器选用原则：1.可靠性：是指仪器、

10、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。为了保证传感器应用中具有高的可靠性，事先须选用设计、制造良好，使用条件适宜的传感器；使用过程中，应严格保持规定的使用条件，尽量减轻使用条件的不良影响。2. 测量方式：是指传感器在实际条件下的工作方式。例如，接触与非接触测量、在线与离线测量等，也是选用传感器时应考虑的重要因素。工作方式不同对传感器要求亦不同。3.线性范围：任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精确度的基本条件。4.灵敏度：是指测试系统在静态测试时，输出量的增量与输入量

11、的增量之比的极限值。一般讲，传感器的灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量越小，被测量稍有一微小变化，传感器就有较大的输出。5.精确度：传感器的精确度表示传感器的输出与被测量真值一致的程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量值，对整个测试系统具有直接影响。6.响应特性：在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测量条件。此外，实际传感器的响应总有一定迟延，但总希望迟延时间越短越好。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点。1.3信号测试与分析对于数据采集和控制系统来说,传感器在连接到数据

12、设备之前所的信号必须被转换为设备所能够识别的信号,所以信号调理非常重要典型的系统一般都需要信号调理硬件,用于将原始信号以及传感器输出接到数据卡上通过信号调理的功能，如信号的放大、隔离、滤波、线性化处理等,提高了数据系统的可靠性等性能。信号分析是振动测试中的一种重要方法，也是近年来测试技术的发展方向。数字信号的测试与模拟信号的测量一样，也是由传感器来完成的。然后将模拟信号进行转化成数字信号，再利用数字信号处理技术进行分析与处理。信号处理的基本步骤如图1.3所示。振动信号预处理A/D转换信号处理器结果显示图1.3 数字信号处理的基本步骤1.预处理预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理

13、。把信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理的困难。如对输人信号的幅值进行处理，使信号幅值与AD转换器的动态范围相适应；衰减信号中不感兴趣的高频成分，减小频混的影响；隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直流分量的干扰等项处理。 2.AD转换是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，存入到指定的地方。信号处理系统的性能指标与其有密切关系。 模数转换是模拟信号经过采样、量化并转换为二进制数的过程。数字信号处理器或计算机对离散的时间序列进行运算处理。计算机只能处理有限长度的数据，所以首先要把长时间的序列截断，对截取的数字序列有时还要人为的进行加权(乘以窗函数)，以成为信的有限长的序列。对于数据中的

14、奇异点(由于强干扰或信号丢失所引起的数据突变)应予以剔除。如有必要，还可以设计专门的程序来进行数字滤波。然后把数字信号处理结果送入计算机进行运算，完成各种分析和处理。3.分析计算对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成信号处理器完成，也可用通用计算机。4.一般采用数据和图形显示结果。二:需求分析2.1测控系统轨道振动测试系统是用于测量列车运行时轨道振动的参数，从而分析振动特征，并且通过反馈系统控制减振器来实现对轨道进行减振的目的，不仅能提高轨道使用寿命，更能保证列车平稳安全的运行。轨道振动测试系统主要由振动源（轨道的振动），传感器，信号调理电路，信号处理电路，控制器等几部分主成。

15、轨道振动是低频振动，但是承受的压力较大，有反馈电路，所以在选用传感器是要选用能测量这类信号的传感器并且要保证信号处理和反馈的速度，以保证信号能够快速的通过控制器来控制减振器工作。由于现代轨道的电磁环境比较复杂，所以电路的设计应该有比较好的电磁兼容性，从而保证了整个电路的正常稳定的工作。2.2系统结构图图2.1系统结构图三:方案制定3.1传感器的挑选1.西安方元明科技发展有限公司 型号 FCY系列131A01压电式加速度传感器。表3.1 FCY 131A01参数参数值电压灵敏度1v/g频率范围0.2Hz10kHz供电电压12v量程±5g工作原理：压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效

16、应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。2. 上海天贺自动化仪表有限公司 LCS-S3 S型力传感器。表3.2 LCS-S3 S参数参数值测量范围01T输出灵敏度2.0mv/v激励电压5-10v输入电阻380±10输出电阻350±3安全过负载率150%F·S3.2电荷放大电路电荷放大器的输出电压仅与电荷量成正比，与反馈电容成反比，而与输入信号频率和电路其它参数基本无关。

17、但由于电荷放大 器是高阻抗、高增益、电容反馈电路, 极易受外界电场及碰场的干扰, 故实用的电荷放大器由电荷变换级、差动放大级和输出变换级三部分组成, 如下图所示。电荷变换级是电荷放大器的核心, 其主要作用是将压力传感器输出的电荷量的变化转换为电压量的 变化。且采用 差动电荷变换级, 进一步减少漂移, 提高放大倍数。第二级采用差动放大器, 对输入信号进一步放大, 且提高电荷转换级驱动负载的能力。第三级采用双输入、单输出电路，与后续电路匹配。图3.1 电荷放大电路图3.2图3.3 增益放大电路改变反馈电阻的自动增益调整电路输出电压为：Rx=R3+rr是场效应晶体管V的漏源电阻。当输入信号较小时逻辑

18、控制电路输出零电平，结型场效应晶体管V饱和导通，r很小，电路增益很大。当输入信号超过某个界限时，逻辑控制电路输出负电平，V截止，r，电路增益最小。四:具体实现4.1设计思路把四个传感器分别安装在振动平台的四个角处，通过信号采集电路和外围电路相连。当传感器感感应到振动并通过信号采集电路把振动特征通过电信号传出来时，信号即可通过滤波电路将不需要的噪声过滤。这时得到的信号再通过放大电路并进行AD转换后可用来控制单片机等控制设备，通过控制设备控制执行器，即可实现这个系统的运行。4.2力传递率的计算激振电机振动方程：为激振电机的振动频率为振动电机两偏心轮的重合角度。计算公式： 为信号经过滤波处理后拟合曲

19、线方程的幅值为振动电机激振力方程的幅值。4.3.传感器的测量范围力传感器的测量范围：010000N (-5V5V)加速度传感器的测量范围：-5g5g (-5V5V) (g为重力加速度)4.4对信号的处理信号选频滤波后，求1.力传递率：四个力传感器数据分别相加，对其滤波，滤波后曲线拟合；如:图4.1图4.2 力传递率：1=A1/A=0.1077*1000/200*100%=53.85% F_f10_I0_N1802=A1/A=0.1115*1000/200*100%=55.75% F_f10_I0.5_N180 3=A1/A=0.1060*1000/200*100%=53.00% F_f10_I

20、1_N1804=A1/A=0.1060*1000/200*100%=53.00% F_f10_I1.5_N1805=A1/A=0.1096*1000/200*100%=54.80% F_f10_I2_N1806=A1/A=0.1602*1000/200*100%=80.10% F_f10_I0_N1807=A1/A=0.1597*1000/200*100%=79.85% F_f12_I0.5_N1808=A1/A=0.1578*1000/200*100%=78.90% F_f12_I1_N1809=A1/A=0.1553*1000/200*100%=77.65% F_f12_I1.5_N180

21、10=A1/A=0.1578*1000/200*100%=78.9% F_f12_I2_N18010=A1/A=0.1553*1000/200*100%=77.65% F_f14_I0_N18010=A1/A=0.1656*1000/200*100%=82.80% F_f14_I0.5_N18010=A1/A=0.1690*1000/200*100%=84.50% F_f14_I1_N18010=A1/A=0.1720*1000/200*100%=86.00% F_f14_I1.5_N18010=A1/A=0.1800*1000/200*100%=90.00% F_f14_I2_N1802.加

22、速度传递率：仅做1号传感器的数据，对其滤波，滤波后曲线拟合；如：第一组数据图4.33.功率谱/均方值/均方根/电压差百分比 如：传感器1 图4.4方差:NUM =1平均值:XMean =-0.0406平方值:X2p =0.0029平方根Xsq =0.0543标准差:Xstd =0.0361方差:Xd =0.00134.以OA为基准（4个传感器相加后的力传递率） 分别与0.5A1A1.5A2A信号做对比，并绘图。图4.54.5 程序实现以及截图 %原始波形及其FFT变换波形 %参考Appl_3_4 clc;figure(1) NUMERIC= xlsread('C:UsersAdmini

23、stratorDesktop课程设计资料实验数据No.1力数据F_f10_I0_N180.xls');%导入数据并赋给 Fs=500; %设定采样率 单位(Hz)dt=1/Fs; %求采样间隔 单位(s)NUM=1; %传感器标号Xt=NUMERIC(:,NUM*2); %1号传感器的所有数据N=length(Xt); %得到序列的长度Xf=fft(Xt); %对信号进行快速Fourier变换(FFT)subplot(2,1,1),plot(0:N-1/Fs,Xt); %绘制原始值序列xlabel('时间/s');title('力原始数据（时域图）');

24、grid on;subplot(2,1,2),plot(0:N-1/(N*dt),abs(Xf)*2/N);%绘制信号的振幅谱xlabel(' 频率/Hz');title('力幅频图');ylabel('振幅');xlim(0 Fs/2); %频率轴只画出Nyquist频率之前的部分grid on;%滤波 参考Appl3_4_1figure(2)n=0:N-1;t=n*dt; %时间序列f=n/(N*dt); %频率序列y=fft(Xt); %进行快速傅里叶变换f1=8;f2=12; %要滤去频率的上限和下限yy=zeros(size(y); %

25、设置与y相同元素的数组for m=0:N-1 %将未在频率范围内的振动滤去 if(m/(N*dt)>f1&&m/(N*dt)<f2). %小于Nyquist频率的保留频率范围|(m/(N*dt)>(1/dt-f2)&&m/(N*dt)<(1/dt-f1) %大于Nyquist频率的保留频率范围 yy(m+1)= y(m+1); %保留频率范围内的振动振幅不变 else yy(m+1)=0.; %其余频率范围的振动振幅为零 endendA=ifft(yy); %数据运用ifft变换回时间域存放在B数组中subplot(2,1,1);plot

26、(t,real(A) %绘制滤波后时间域波形。title('力FFT滤波后的信号图');xlabel('时间/s')B=A;tt=t;grid on;%功率谱估计（只做1号传感器） 参考Samp9_8N=1024;Nfft=256;n=0:N-1;t=n/Fs; %数据长度、时间序列window=hanning(256); %选用的窗口noverlap=128; %分段序列重叠的采样点数（长度）dflag='none' %不做趋势处理Pxx=PSD(Xt,Nfft,Fs,window,noverlap,dflag); %功率谱估计f=(0:Nff

27、t/2)*Fs/Nfft; %求得对应的频率向量subplot(2,1,2);plot(f,10*log10(Pxx); %绘制功率谱xlabel('频率/Hz');ylabel('功率谱/dB');title('PSDWelch方法'); grid on%数字特征分析(只做1号传感器) 参考samp9_1disp('平均值:');XMean=mean(Xt); %计算随机序列的均值disp('平方值:');X2p=sum(Xt.2)'/N; %计算其均方值,这里利用了矩阵相乘的算法disp('平方

28、根:');Xsq=sqrt(X2p); %计算其均方根值disp('标准差:');Xstd=std(Xt,1); %相当于ystd=sqrt(sum(y-yMean).2)/(N-1)disp('方差:');Xd=Xstd.*Xstd;%力传递率Xt1=NUMERIC(:,2);Xt2=NUMERIC(:,4);Xt3=NUMERIC(:,6);Xt4=NUMERIC(:,8);XT=Xt1+Xt2+Xt3+Xt4;dt=0.002; %由于数据的采样间隔0.02秒N=length(XT); %序列长度n=0:N-1;t=n*dt; %时间序列f=n/(

29、N*dt); %频率序列y=fft(XT); %进行快速傅里叶变换f1=8;f2=12; %要滤去频率的上限和下限yy=zeros(size(y); %设置与y相同元素的数组for m=0:N-1 %将未在频率范围内的振动滤去 if(m/(N*dt)>f1&&m/(N*dt)<f2). %小于Nyquist频率的保留频率范围|(m/(N*dt)>(1/dt-f2)&&m/(N*dt)<(1/dt-f1) %大于Nyquist频率的保留频率范围 yy(m+1)= y(m+1); %保留频率范围内的振动振幅不变 else yy(m+1)=0.

30、; %其余频率范围的振动振幅为零 endendfigure(3)subplot(2,1,1)A=ifft(yy);plot(t,real(A) %绘制滤波后的数据运用ifft变换回时间域并绘图。title('四个传感器力数据叠加后FFT滤波后的信号图');xlabel('时间/s')grid on;%激振力f1=10; %激振频率Angle=pi; %两偏心轮重合角度F=2*f1*f1*sin(Angle/2)*sin(2*pi*f1*t); %激振力方程F1=F' %转置矩阵%1号传感器加速度传送率NUMERIC1= xlsread('C:UsersAdministratorDesktop课程设计资料实验数据No.1加速度数据A_f10_I0_N180.xls');%导入数据并赋给 Fs1=500; %设定采样率 单位(Hz)dt1=1/Fs1; %求采样间隔 单位(s)NUM1=1; %传感器标号Xt1=NUMERIC1(:,NUM1*2); %传感器1的所有数据N1=length(Xt1); %得到序列的长度Xf1=fft(Xt1); %对信号进行快速Fourier变换(FFT)subplot(2,1,2),plot(0:N1-1/Fs1,Xt1); %绘制原始值序列xlabel('时间/s'