第三章：磁流变减振实验台

1、第三章 磁流变振动测试台3.1.1 磁流变振动测试台的设计思想为了检测磁流变橡胶减振器的各个性能参数,必须设计一套与之相配套的振动测试装置,由于磁流变橡胶减振器只能在一个方向上工作,属于一维减振器,所以振动台的设计只需考虑上下方向的运动就可以,课通过齿轮机构和两个偏心块的结构来实现只有上下振动消除水平方向的力。在检测磁流变橡胶减振器的性能参数时,由于要考虑到不同的工况,所以在结构设计时还需考虑激振力和振动频率可调。对于激振力的调整可以考虑选用可调偏心激振装置,对于振动频率的调节只要选择调节电机的转速就可以实现。3.1.2 磁流变振动测试台的动力学模型本文所设计的磁流变振动测试台属于单自由度振动

2、系统,图3.1为振动测试台动力系统模型,m 为起振质量,k 分为减振器的刚度,c 为阻尼系数,sin F t 为激振力。其动力学方程如下:sin m x cxkx F t += (3.1 引入描述单自由度阻尼振动的特性参数 系统固有频率:n = 临界阻尼系数:c c =阻尼因子:cc c =则式3.1可写为:2sin 2n n F t x xx m由式3.1可得到起振部位移x 对激振力sin F t 的传递函数为:图3.1动力系统模型 Fig3.1 The dynamic system mode21(G s m s cs k=3.1.3 磁流变振动测试台的结构设计磁流变振动测试台主要由基座、振

3、动台、可调偏心块、异步电动机、被测减振装置以及一些附属装置所组成,通过改变异步电动机的转速和偏心块的偏心距来调节振动台的激振力,从而达到模拟振动压路机工况的目的。磁流变振动测试台的实物图如图3.2所示。其传动路线如下:电源变频器异步电动机皮带轮一对参数相同的啮合齿轮两个齿轮轴两个可调偏心块,通过变频器调节电机的转速,通过手轮调节偏心块的偏心距,从而实现改变振动台激振力的目的。3.1.4 磁流变振动测试台的各主要零件1. 振动支架由于此振动测试台是模拟振动压路机的工况,在其振动过程中的所需的激振力比较大,所以在设计振动台的振动支架过程中,要考虑振动支架的强度。在振动支架的组焊过程中,要采取防焊接

4、变形措施。2. 可调偏心激振装置的装配图3.2磁流变振动测试台 Fig 3.2 MR vibration test device偏心机构减振器位移传感器可调偏心激振装置是振动测试台中最重要的部件之一,装配的合适与否直接关系到振动台的工作性能。图3.3为振动台的可调偏心激振装置。可调偏心激振装置的工作原理:偏心块的两臂分别与两个挡板固定,两个挡板通过左右旋螺纹分别与中间的左右旋螺纹轴联接,通过手轮旋转中间的左右旋螺纹轴,使固定偏心块的两个挡板向相反方向移动,从而改变偏心块的偏心距,达到调整振动台激振力的目的。根据其工作过程,在安装可调偏心激振装置的过程中,一定要保证安装偏心块的两个花键轴的平行度

5、,以及两个偏心块在自由状态下保持相同的方向,以便能够产生竖直方向的激振力。左右螺旋轴可调偏心块图3.3 可调偏心激振装置Fig3.3 The adjustable eccentric device for exciting force3.2 振动测试系统的搭建3.2.1 振动测试原理磁流变振动测试台主要由基座、振动台、可调偏心块、异步电动机、被测减振装置组成,通过改变异步电动机的转速和偏心块的偏心距来调节振动台的激振力,从而达到模拟振动压路机工况的目的;振动台工作原理图如图3.4所示,x方向为振动台的振动方向,通过改变偏心轮的偏心距或转速来调节振动台的激振力,运用加速度和位移传感器可以检测振动

6、台竖直方向的位移和加速度,从而实现间接测量磁流变减振器的振幅和加速度的目的。 图3.5是振动台测试原理图,通过传感器采集振动工作台的位移和加速度等模拟信号,采集的信号通过信号调理器进行放大、滤波、隔离后输入到数据采集卡,经模数转换后,经过LabVIEW程序进行分析计算,然后通过控制电源对阻尼器线圈输入合适的激励电流,以此改变振动系统的阻尼参数,达到所预期减振效果。3.2.2 振动测试系统程序的编写1. 虚拟仪器与LabVIEW11虚拟仪器(Virtual Instruments是测控技术和计算机技术相结合的革命性产物,美国NI公司于1986年首先提出虚拟仪器的概念,即用计算机技术,对传统仪器的

7、部分或全部功能进行软件化,在计算机平台上,通过灵活的虚拟仪器软件包、仪器软面板更好地实现仪器的测控能力,从而扩展系统的功能和灵活性。一个完整的虚拟仪器系统由硬件和软件构成,具体地说是由计算机、功能化模块硬件、专用软件及电缆组成。计算机可以是台式机、工控机、便携式电脑和各种类型的嵌入式PC机,在计算机上进行编程,同时计算机提供与主板通信的插槽;功能化模块硬件有各种插卡式或外置式的信号调理板、数据采集卡和控制卡、输入/输出卡、GPIB卡,还有各种带计算机接口的测量仪器,如电荷放大器、抗混滤波器、传感器等;专用软件包括由系统集成厂商开发的软件如LabVIEW、LabWindows/CVI 等以及用户

8、为实现各种测控功能设计的程序,主要是实现信号采集、控制、处理、结果输出等功能;电缆是信号的通道。虚拟仪器可由用户按自己要求自行设计、自行定义,变换非常灵活。虚拟仪器的功能主要通过软件编程来实现、修改和扩充。虚拟仪器不仅能执行传统仪器的功能,而且,还能执行传统仪器所无法实现的许多功能。采用虚拟仪器思想设计的测量仪器代表着测量仪器发展的方向,应用领域比传统仪器更加广泛,具有用途多、数据处理能力强、自动化程度高、系统扩展和联网容易等优点。虚拟仪器的核心和关键部分是软件,本系统选择NI公司推出的,被称为是工程师和科学家开发语言的LabVIEW作为开发开具,LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Lab

9、oratory Virtual Instrument Engineering Workbench的简称,是一种多功能的图形化编程语言,它采用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面,利用工程师和科学家所熟悉的术语、图表、概念来说明程序的具体行为。LabVIEW具有功能强大、精度高、速度快、实时性好,且简单、直观、易学等特点,此外在LabVIEW的附加软件包中还有网络工具包,对于实现网络测控有一定的优势。LabVIEW为工程技术人员构建所需的测控系统提供了很好的开发平台。2. 振动测试数据采集软件的编写根据本实验振动信号测试原理,利用LabVIEW软件对振动信号的数据采集进行编程,采用多通道差分连

10、续采集模式来实现对振动信号的动态检测。Fig 3.6 The flow chart of data acquisitions图3.7 差分测量系统Fig 3.7 The system of differential measurmennt图3.6为数据采集流程结构图。在数据采集之前,程序首先对DAQ板卡进行初始化,板卡和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。图3.7为8通道差分测量系统11。在差分测量系统中,信号输入端的正负极分别与两个不同的模拟输入端口相连接,并通过多路开关(MUX分别连接到仪用放大器(Instrumentation Amplifier的正负极上,其中仪用放大器通过多

11、路开关进行通道的转换标有AIGND(模拟输入地的引脚就是测量系统的地。采用差分接线方式能够尽可能消除共模电压的影响,抑制噪声以及温度漂移。Fig 3.8 The model of continuum data acquisitions图3.8是采用LabVIEW进行连续采集的一般模型68。即通过传感器采集信号依次通过AI Config、AI Start、AI Read、Data Process、AI Clear几个子模块。在循环采样过程中,AI Config、AI Start、AI Clear子模块只执行一次,放在循环体的外面,而循环体内只做AI Read和必要的数据处理。Fig 3.9 Th

12、e DAQ programs front panel of vibrant tableFig 3.10 The DAQ programs real panel of vibrant table图3.9和图3.10是根据测试要求所编写的数据采集程序前面板和后面板。在AI Config子模块里面设置数据采集通道号、设备号以及缓存区大小,在AI Start子模块里面设置扫描速度和连续采集模式,在AI Read子模块里面设置从缓存区读取数据的速度。然后将采集得到的两路信号分离,分别进行相应的运算处理并进行保存,最后用AI Clear来清除模拟输入操作和缓存区,释放DAQ板卡的资源12。在数据采集之前首

13、先要进行一些相关参数的配置:采样频率是一个非常重要的参数。采样定理13是选取采样频率的理论基础,理论上采样频率设置为被采集信号最高频率的2倍就可以,而实际常选用510倍11,有时为了更好地还原信号波形,可以适当地选用更高的采样频率。本文根据实验数据的特点,取采样频率为信号最高频率的20倍。根据采样频率设置缓存区的大小和读取速度,本文将缓存区的大小设置为扫描速度的两倍,将读取速度设置为缓存区的一半。只要可以保证在进行数据的连续采集时,缓存区的数据不会溢出导致数据丢失就可以。3.2.3 相关振动测试仪器的介绍1. 数据采集卡:本测试系统采用的数据采集卡为PCI-6014。它的技术特性为: 16位精

14、度,16路单端或8路差分模拟输入,2路16位模拟输出。最高采样率是200kS/s。 2. 信号调理器:本测试系统采用的信号调理器是由SCXI-1000机箱和16通道隔离多路服用器模块SCXI-1122 组成的。它能将采集到的传感器信号进行放大、滤波、隔离后输入到数据采集卡PCI-6014。图3.11是信号调理器的实物图,其中SCXI-1122为各种需要信号隔离功能的传感器和信号输入而设计。它为每路通道提供了单独的隔离放大器、过滤器和激励源。SCXI-1122具有至少250 Vrms ,工作隔离并可采集应变、RTD 、热电偶、毫伏、伏特、250V 、0到20mA 以及4到20mA 电流输入信号。

15、该模块的所有通道都可以被DAQ 设备的某一路通道采集,也可以进行扩展以增加通道数。3. 传感器传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号。在本测试系统中,根据实验要求采用了位移传感器和加速度传感器。ST-1型非接触式位移振动传感器 ST-1型非接触式位移振动传感器属于电涡流式传感器,它是根据楞次定律将传感器线圈与被测金属导体之间距离的变化转换成线圈品质因数、等效阻抗和等效电感三个参数的变化,再通过测量、检波、校正等电路转化为线形电压(电流的变化。本实验采用的是ST-1-25型非接触式电涡流位移传感器。其主要技术指标:线形量程:12mm ;线形区电压:-2V2V ;中点电压:-6V ;灵敏度:0.8mv/m ;分辨率:1.5;温度漂移:0.5%/ºC ;稳定度:0.05%;线形度:2.0%;互换性误差:±2.5%。LC0104型内装IC 压电加速度传感器 LC0104系列内装IC压电加速度传感器 图3.11 信号调理器 Fig 3.11 The picture of SCXI是内装微型IC放大器的压电加速度传感器。它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体,能直接与记录和显示仪器连接,简化了测试系统,提高了测试精度和可靠性。其主要技术指标:灵敏度:100mv/g;量程:50g;频率范围:0.59000Hz(±10%;