振動(dòng)測試的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

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摘要：本文設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)測試的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以了解機(jī)械振動(dòng)的機(jī)理，掌握振動(dòng)測試的原理，掌握信號(hào)采集的方法，并了解數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng)；信號(hào)采集；測試系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理

0引言

振動(dòng)，是機(jī)械設(shè)備所具有的基本特性，也是評(píng)判機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況的綜合性指標(biāo)。設(shè)備的磨損量隨著運(yùn)行時(shí)間的增長而不斷增加，不斷增加的運(yùn)行間隙使得設(shè)備的振動(dòng)烈度持續(xù)增大，根據(jù)振動(dòng)測試便可得知設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。而在高校機(jī)械類專業(yè)的教學(xué)過程中，教學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生最直觀地了解知識(shí)的過程，也是學(xué)生最直接地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決問題的過程，對(duì)于提升教學(xué)效果有著十分重要的作用。

1實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）觀察機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)現(xiàn)象，掌握機(jī)械設(shè)備發(fā)生振動(dòng)的機(jī)理，了解振動(dòng)測試對(duì)于診斷機(jī)械設(shè)備故障的意義。（2）學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)測試的方法，掌握振動(dòng)測試系統(tǒng)的組成，了解振動(dòng)信號(hào)測量的基本原理。（3）了解信號(hào)采集的基本知識(shí)，掌握一種信號(hào)采集的技能，學(xué)習(xí)振動(dòng)測試數(shù)據(jù)的處理方法。（4）學(xué)習(xí)壓電式傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集軟件、激光振動(dòng)測量儀的使用方法，了解壓電式傳感器、激光振動(dòng)測量儀的基本原理。

1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，教師進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的拓展講解，使學(xué)生掌握本實(shí)驗(yàn)應(yīng)具備的相關(guān)知識(shí)，講解內(nèi)容如下：a機(jī)械振動(dòng)的相關(guān)知識(shí)：通過講解，學(xué)生可以了解機(jī)械設(shè)備發(fā)生振動(dòng)的機(jī)理，了解振動(dòng)對(duì)于判斷機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的意義。b振動(dòng)測試的相關(guān)知識(shí)：通過講解，學(xué)生可以了解振動(dòng)測試的方法，掌握測試指標(biāo)的選擇原則，了解振動(dòng)信號(hào)測量的基本原理。c信號(hào)采集的相關(guān)知識(shí)：通過講解，學(xué)生可以了解信號(hào)采集的基本原理，學(xué)習(xí)信號(hào)采集的相關(guān)理論，掌握信號(hào)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成和采集方法。d數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí)：通過講解，學(xué)生可以了解振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)處理的相關(guān)方法，掌握數(shù)據(jù)處理的基本流程。e電動(dòng)機(jī)使用注意事項(xiàng)：通過講解，學(xué)生可以了解基本的安全用電常識(shí)，掌握電動(dòng)機(jī)使用的相關(guān)注意事項(xiàng)，在自我保護(hù)的同時(shí)保護(hù)教學(xué)設(shè)備的安全。f壓電式傳感器的知識(shí)：通過講解，學(xué)生可以了解壓電式傳感器的組成、工作原理，掌握傳感器的使用方法，了解其應(yīng)用領(lǐng)域。g電荷放大器相關(guān)知識(shí)：通過講解，學(xué)生可以了解電荷放大器的作用，掌握其使用方法。h數(shù)據(jù)采集卡相關(guān)知識(shí)：通過講解，學(xué)生可以了解數(shù)據(jù)采集卡的工作原理，掌握其使用方法。（2）為了提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)其工程素養(yǎng)，將學(xué)生分為幾個(gè)小組，給出小組討論時(shí)間，讓其自主的討論、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器的使用。具體包括。a壓電式傳感器的接線與布置，電荷放大器的具體操作，數(shù)據(jù)采集卡的接線操作，數(shù)據(jù)采集軟件以及激光振動(dòng)測量儀的具體使用。b練習(xí)振動(dòng)測試系統(tǒng)的搭建。（3）在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，學(xué)生搭建正式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，完成振動(dòng)信號(hào)的采集工作。（4）振動(dòng)測試工作完畢后，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，學(xué)生完成振動(dòng)測試系統(tǒng)的拆除工作，將相應(yīng)儀器設(shè)備做好保養(yǎng)后放置于指定位置。

2實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1實(shí)驗(yàn)原理

機(jī)械設(shè)備所包含的一切活動(dòng)，包括沖擊運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，均可作為激勵(lì)源。設(shè)備在激勵(lì)源的作用下產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)沿著設(shè)備從內(nèi)部向外部傳播。待到達(dá)設(shè)備表面時(shí)，機(jī)械振動(dòng)擾動(dòng)空氣產(chǎn)生聲波。采集并分析這些聲音信號(hào)及振動(dòng)信號(hào)，就能對(duì)機(jī)械設(shè)備及其運(yùn)行狀況作出相應(yīng)的評(píng)判。激勵(lì)源是機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)的根本。在主動(dòng)式測量中應(yīng)采用激振器對(duì)被測試設(shè)備進(jìn)行施振，由于施振特性是已知的，便可據(jù)此分析被測試設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)。而對(duì)于大型設(shè)備（例如大型柴油機(jī)），不便于對(duì)被測設(shè)備施加主動(dòng)式測量，則可以針對(duì)設(shè)備自身工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行測試，從而分析被測試設(shè)備的振動(dòng)特性、判斷其運(yùn)行狀態(tài)。相關(guān)研究表明，機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)頻率范圍一般為10Hz~10000Hz，因此可將振動(dòng)速度作為被測指標(biāo)。但是，以現(xiàn)階段的技術(shù)水平難以進(jìn)行速度量的直接測量，通常以振動(dòng)加速度作為被測指標(biāo)，通過對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行積分從而得到速度、位移量。

2.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

由電動(dòng)機(jī)、壓電式加速度傳感器、電荷放大器、NI數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦等組成。

2.2.1壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器由壓電材料以及敏感元件構(gòu)成，其特性為遭受外力后會(huì)在表面產(chǎn)生電荷。

2.2.2電荷放大器本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用KD5018型雙積分電荷放大器，可以將輸入的電荷量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓量進(jìn)行輸出。該型電荷放大器與壓電式加速度傳感器配合時(shí)，可以對(duì)機(jī)械振動(dòng)中的加速度量進(jìn)行測量，在機(jī)械、化工、航天等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。

2.2.3數(shù)據(jù)采集卡本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的9205采集卡。

2.2.4激光振動(dòng)測量儀本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的激光振動(dòng)測量儀，可以直接測量并輸出振動(dòng)速度量。

3測試方法及數(shù)據(jù)處理

3.1測試方法

3.1.1振動(dòng)速度的間接測量方法本實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)速度的間接測量方法為加速度一次積分測量法。加速度一次積分測量法，是當(dāng)前振動(dòng)測試領(lǐng)域較為成熟的一種方法。其測試系統(tǒng)的性價(jià)比較高，對(duì)測試環(huán)境的要求較低，系統(tǒng)的搭建、使用十分簡便，測試數(shù)據(jù)后期的處理方法也十分成熟。

3.1.2振動(dòng)速度的直接測量方法本實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)速度可以由激光振動(dòng)測量儀直接測出。

3.2數(shù)據(jù)處理

3.2.1振動(dòng)加速度信號(hào)的處理實(shí)驗(yàn)過程中所測得的振動(dòng)加速度信號(hào)，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并消除直流分量。消除直流分量之后的信號(hào)還應(yīng)進(jìn)行濾波處理，濾波的方法有兩種：數(shù)字頻域?yàn)V波、時(shí)域?yàn)V波。本實(shí)驗(yàn)中采用數(shù)字頻域?yàn)V波。a消除直流分量濾波之前，首先要消除加速度信號(hào)中所包含的直流分量，消除直流分量的方法：先求出N個(gè)采樣數(shù)據(jù)的平均值，然后將各采樣值進(jìn)行減去平均值的處理，所得數(shù)據(jù)即為消除直流分量之后的值。b數(shù)字頻域?yàn)V波在積分之前，還要對(duì)消除直流分量之后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，本實(shí)驗(yàn)中采用基于FFT變換的頻域?yàn)V波。c進(jìn)行數(shù)字積分對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行直接數(shù)字積分，得到初步的振動(dòng)速度信號(hào)。數(shù)字積分的方法有很多，常用的有梯形法和辛普森法。d需消除趨勢項(xiàng)振動(dòng)測試過程中，受到外界環(huán)境溫度變化以及其他干擾的影響，傳感器會(huì)產(chǎn)生零漂、低頻性能不穩(wěn)定等現(xiàn)象。振動(dòng)測試數(shù)據(jù)因而往往發(fā)生偏離基線的現(xiàn)象，并且偏離基線的程度還會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就是趨勢項(xiàng)。趨勢項(xiàng)是干擾量，需要消除，常用的方法為最小二乘法。對(duì)所得到的初步振動(dòng)速度信號(hào)，進(jìn)行消除趨勢項(xiàng)處理，即可得到可用的速度信號(hào)。

3.2.2振動(dòng)速度信號(hào)的處理由于激光振動(dòng)測量儀所輸出的信號(hào)即為速度信號(hào)，無需再進(jìn)行其他處理，可直接應(yīng)用。

3.2.3振動(dòng)烈度計(jì)算振動(dòng)烈度是反應(yīng)機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)的簡明特征量，在以上數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行振動(dòng)烈度的時(shí)域和頻域計(jì)算。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)測試的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測試方法及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了介紹。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以綜合性的掌握機(jī)械振動(dòng)的機(jī)理、振動(dòng)測試的原理、信號(hào)采集的方法以及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識(shí)。

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作者：王立標(biāo) 單位：臺(tái)州學(xué)院