光电振动测试系统的设计与实现

光电振动测试系统的设计与实现

0振动传感器法由于测量精度低，传统的振动测量方法通常很少。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。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检测块体的振动光电振动测试系统构成如图1所示。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。2振动输出电压的测量光电测量电路如图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。LabVIEW光电振动测试系统应置于避光的工作空间内。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。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±1mm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1.74V/mm。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的运动方程为设质量球m相对于壳体的相对位移为将式(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。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式(4)和式(5)中:ωn为运动系统的固有角频率;ξ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ω/ωn>1,当ξ=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ω≥1.7ωn。从相频特性来看,若要求相频特性近似为倒相关系,需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。3基于信号转换的被测振动信号模拟光电振动测试系统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。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、数据存储等。LabVIEW前面板如图5所示。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20kHz。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。4实验结果分析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20N,最大振幅±5mm,频率范围0~5kHz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30Hz和60Hz,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。5基于常系数二阶工作方程的光电振动测试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