CN103335854A - 基于加速度反馈信息驱动的橡胶减振器测控*** - Google Patents

Abstract

基于加速度反馈信息驱动的橡胶减振器测控***，包括橡胶减振器被动隔振主体机械装置、传感器、电液驱动***、D/A转换及信号放大器、信号调理电路、多功能采集卡、主控计算机、动态性能测控软件；车辆橡胶减振器被动隔振主体机械装置分别连接传感器、电液驱动***；电液驱动***连接D/A转换及信号放大器；传感器连接信号调理电路；信号调理电路连接多功能数据采集卡；多功能数据采集卡与D/A转换及信号放大器分别连接到主控计算机。本发明根据具体工况环境进行减振器多参数的动态性能试验研究，获得动态特性及其关系分析，以实现橡胶减振器的更合理化测试、分析和优化设计。

Description

基于加速度反馈信息驱动的橡胶减振器测控***

【技术领域】

本发明涉及一种测控***，具体涉及一种基于加速度反馈信息驱动的橡胶减振器测控***。

【背景技术】

在车辆***中，来自于动力源、地面以及工作装置等方位的振源较多，某些振动具有力幅大和频率范围宽等特点，对车辆***造成多种危害。特別是车辆因共振、亚谐共振和超谐共振等现象的发生，会产生更严重的噪声。例如各种工程机械工况环境下的振动问题。其振动控制问题不仅仅影响到人机工作环境，也必将影响企业产品的销售市场。

为了实现在动态环境下的车辆振动控制，长期以来，进行了大量的研发工作，已经形成了一些较成熟的技术，如线性模态实验技术，一些减振产品的线性静态和部分动态性能的实验测试等。一台车辆上就有多个减振器，经常使用的减振器产品主要有金属弹簧，金属橡胶复合弹簧，空气弹簧，油液减振器和橡胶减振器，以及电磁流变减振器，金属橡胶减振器等。而橡胶减振器作为一种物美价廉的产品，其具有多方向减振、制造工艺简单、安装方便等优点，在车辆工程中得到广泛的应用。但其工作环境是复杂的动态工况，大多数减振器的规范标准却只有静态或准静态设计参数，对减振器的动态参数***的关系分析更是缺乏，这使得其应用只能根据静态设计参数加以推理，进行经验设计。因此，在国内车辆设计时会尽量避免使用这种设计。利用减振器的动态参数***进行机械结构、车辆工程***等等产品的工程动态设计是生产企业获得自主知识产权，发展工业设计优良产品的必然需求。

目前对橡胶减振器的测试专用设备一般也只有静态或准静态设备，不能快速准确地对减振器进行动态多参数***测试和动态数据关系分析，不能够提供设计橡胶减振器所必须的多种设计参考。而对于车辆橡胶减振器在生产过程中，由于减振橡胶高分子材料在配方、混炼工艺以及高温硫化成型工艺等复杂的制备工艺过程中，会造成其性能的不确定性变化，往往在产品成型后，需要通过实验快速准确地确定其多种性能参数，特别是要根据具体的工况环境来确定其动态性能，是实现其优化设计和应用的必要前提条件。这种动态实验设备的开发是实现精确振动控制的前提。

有鉴于此，本发明人针对现有技术的缺陷深入研究，并有本案产生。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于加速度反馈信息驱动的橡胶减振器测控***，根据具体工况环境进行减振器多参数的动态性能试验研究，获得动态特性及其关系分析，以实现橡胶减振器的更合理化测试、分析和优化设计。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于加速度反馈信息驱动的橡胶减振器测控***，包括橡胶减振器被动隔振主体机械装置、传感器、电液驱动***、D/A转换及信号放大器、信号调理电路、多功能采集卡、主控计算机、动态性能测控软件；

所述车辆橡胶减振器被动隔振主体机械装置分别连接所述传感器、所述电液驱动***；所述电液驱动***连接所述D/A转换及信号放大器；所述传感器连接所述信号调理电路；所述信号调理电路连接所述多功能数据采集卡；所述多功能数据采集卡与所述D/A转换及信号放大器分别连接到所述主控计算机；

所述传感器包括位移传感器、加速度传感器、力传感器；

所述主控计算机设计有所述动态性能测控软件，该软件通过从所述数据采集卡采集获得的加速度曲线、位移曲线和力曲线三路模拟信号进行采集信号的数据回放，基频分析，数据滤波，功率谱分析，相关性分析，阻尼特性分析，示功特性分析，并从测试信号中提取状态量，用于电液伺服控制***的比较运算，实现振动平台基于加速度驱动的控制。

所述动态性能测控软件包括主界面模块、数据采集模块、数据分析模块；数据报表输出及显示模块；

所述主界面模块：该模块设计时采用了人机交互界面设计的基本原则，用于该工程测试的交互界面直观、简洁、美观、适用、易操作。用于连接数据采集模块、数据分析模块和数据报表打印模块等任务。该虚拟仪器模块的面板设计了测试相关的用户主菜单和使用面板旋钮，使用户能够方便的使用操纵仪器工作。

所述数据采集模块：用于采集设备上传感器测量得到的模拟量和开关量，主要包括采集加速度信号、力信号和位移信号等，并在该测试平台中做出示波器，具有信号实时的显示功能，并将数据及时完整的保存起来。

所述数据分析模块：将采集信号的相关数据波形显示出来，并将其进行进行滤波处理。对存盘文件中的数据进行动态信号分析，包括功率谱、自相关分析、互相关分析等，以得到信号的频域和时域特性。

所述数据报表输出及显示模块：用于将分析后得到的信息进行报表或表格显示、打印和输出功能。该模块的报表显示主要显示激励信号、初始频率信号、终止频率信号、采集时间显示等，表格显示主要显示激励信号、位移幅度、加速度幅值、采集时间等表格信息。

本发明的优点在于：1、设计了该测控***的加载装置和整体结构，并设计和加工了该设备的工装夹具。该测控***采用了基于加速度信息作为闭环反馈控制比较信号，这样设计的特点是可以完成更宽频带测试范围的测控任务。2、实现了橡胶减振器正弦轴向加载，通过电液伺服***加载，并且通过均衡处理可以实现随机试验谱加载等多种载荷实验。配合测试设备电子软硬件***，可以实现动态环境下测试难度较高的测试任务。3、较完整地研究和分析了被测试对象的动态性能组成和测试数据间动态关系及显示方案，进行了各种动态关系分析，选择了测试***的硬件构成，分析了***的工作原理和测试流程。4、设计出了动态性能测试软件，软件开发是该虚拟测试***的核心，编写了测试设备的软件***，编写了测试分析后处理***的软件程序，实现了橡胶减振器力学静动态性能参数***测试设备的软件部分的设计目标。5、采用波形输入调试软件,并进行现场测试运行，运行结果表明该虚拟测试***是可行的。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明***硬件组成框图。

图2是本发明中橡胶减振器被动隔振主体机械装置结构框图。

图3是本发明中软件总体规划设计结构框图。

图4是本发明中程序总体工作流程设计图。

图5是本发明中数据分析流程图。

图6是本发明中***中主要用互相关函数分析图。

图7是本发明中信号的功率谱分析图。

图8是本发明中阻尼特性图。

图9是本发明中数据报表模块中的信息示意图。

图10是本发明中数据分析操作面板和操作主界面效果图。

图11是本发明中波形显示部分图。

图12是本发明中的数据采集面板图。

【具体实施方式】

基于加速度信息的橡胶减振器动态性能测控***包括硬件设计与软件设计。硬件设计如图1所示，主要包括车辆橡胶减振器被动隔振主体机械装置、传感器、电液驱动***、D/A转换及信号放大器、信号调理电路、多功能采集卡、主控计算机。

所述车辆橡胶减振器被动隔振主体机械装置分别连接所述传感器、所述电液驱动***；所述电液驱动***连接所述D/A转换及信号放大器；所述传感器连接所述信号调理电路；所述信号调理电路连接所述多功能数据采集卡；所述多功能数据采集卡与所述D/A转换及信号放大器分别连接到所述主控计算机；

所述传感器包括位移传感器、加速度传感器、力传感器。

测试过程是首先测试加速度、位移和力信号，这些信号是从传感器测量得到的弱电模拟信号，需要经过信号放大器和模数转换器而换转为数字信号。再利用Labview编制的数据采集和分析应用软件，通过多功能数据采集卡，直接在计算机上对实验数据进行采集和后处理。对电液伺服控制***的电液伺服阀的控制则是通过数据分析的结果调整控制信号。控制指令通过数模转换器和信号调理器转化为模拟信号，作为电液伺服控制***反溃信号，用于实现闭环控制的比较信息，再经过均衡叠代处理，实现控制目标。

橡胶减振器被动隔振主体机械装置如图2所示，其工作原理是测试件利用上、下工装夹具装夹在试验台主机振动台上，电液伺服阀控制液压缸作为激振器，安装在主机振动平台下面，并与主机振动平台相互连接。计算机控制***通过控制电液伺服阀控制液压缸的加速度和位移量。

对该计算机测控***的部分关键设备的选型作简单介绍。

位移传感器采用液压缸外置式安装方式，用于测量活塞缸的位移大小及方向。由于振动平台和夹具均具有刚度大的特征，因此测试的位移就是减振器的位移，该位移传感器选用了WYW-20D型差动变压器式位移传感器。这种传感器具有测试精度高，线性度好，测试位移量大和性能稳定的特点，在测控领域得到较广泛的应用。

加速度传感器采用了金属拉压力传感器，该压力传感器的承压量程可以达到30KN，可以承受压力，同时也可以进行拉力测量。在测量前均需要进行标定处理，为了使得标定准确，测试前最好进行现场标定。而加速传感器选用了Y-YD-7044型压电式压力传感器。该加速传感器具有较高的灵敏度，特别适用于测量低频动态环境下的加速度测试。

数据采集卡选用了NI公司的PCI-6251多功能DAQ板卡。

下面详细描述软件部分：

计算机测控***的软件设计是整套设备设计的最关键部分，合理的软件设计要有合理的软件总体规划，本软件的总体规划设计主要包括以下几个模块：数据采集模块设计；数据分析模块设计；数据报表模块设计。每个部分又含有分支模块。该应用软件的开发是基于图形化编程语言Labview进行设计，该语言是美国国家仪器公司经过多年设计和使用，证明了编程语言Labview使用方便快捷，兼容性强，性能稳定可靠，测试精度高，并具有高级编程语言的多种优势，尤其适合进行车辆橡胶减振器测控***的应用软件开发。

本套设备由于采用了NI公司生产的PCI-6251板卡进行数据采集，所以更适合采用编程语言Labview进行设计，本套测控***的测试软件设计出了多种示波器，具有良好的人机交互界面，优化的层次结构，较全面的车辆橡胶减振器的力学行为和特性的测试分析及显示功能。设计的出发点从数据采集卡采集获得的加速度曲线、位移曲线和力曲线三路模拟信号开始进行，进行采集信号的数据回放，基频分析，数据滤波，功率谱分析，相关性分析，阻尼特性分析，示功特性分析等分析功能。并从测试信号中提取加速度状态量，用于电液伺服控制***的比较运算，以实现振动平台基于加速度驱动的控制策略。该套软件总体规划设计结构框图如图3所示。

程序运行首先应进行相关参数的初始化，主要包括数据采集卡的初始设置，激励信号的幅度设置，激励信号的相位和激励信号的频率初始值的设置，滤波器滤波范围的设置等。程序总体工作流程设计如图4所示。

数据分析模块：首先从波形文件中读出信号并从中分离出四路信号，包括位移信号，加速度信号，与阻尼相关的信号。位移信号，加速度信号，力信号经过滤波后进行显示与分析，数据分析流程图见图5。

本测控***采用算术平均滤波器进行测试信号滤波，其计算公式如表达式（1）所示:

$y\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x(k-i)---\left(1\right)$

如果设x(t)是某各态历经过程的一个记录样本，x(t+τ)是x(t)时移τ后的样本。x(t)的自相关函数如表达式（2）：

$R_x=\underset{T\→\∞}{\lim }\left(\frac{1}{2T}\right){\∫}_{-T}^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(2\right)$

设计的自相关函数的一个用来检验信号中是否含有周期成分。x(t)为随机信号，当时移τ很大时，x(t)与x(t+τ)之间彼此无关。信号中有周期成分，其自相关函数在τ很大时都不衰减，并具有明显的周期性。不含周期成分的随机信号在τ稍大时自相关函数就趋近于零。在本***中用自相关分析位移、加速度、阻尼力信号，以获得信号中的周期成分。

设两个随机信号x(t)和y(t)的互相关函数R_xy(τ)如表达式（3）定义为：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{x\→\∞}{\lim }\left(\frac{1}{2T}\right){\∫}_{-T}^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(3\right)$

互相关函数用来在噪声背景下提取有用信息的一个非常有效的手段。如果对某个线性***激振，那么所得到的振动信号中常常含有大量的噪声干扰。根据线性***的频率保持特性，只有和激振频率相同的成分才可能是由于激振而引起的响应，其他成分均是干扰。本***中主要用互相关函数分析如图6，位移激励信号与采集信号的互相关函数分析。

设平稳随机信号x(t)的相关函数为R_x(τ)，且R_x(τ→∞)=0，则该信号的自功率谱密度函数式（4）为

$S_x\left(f\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{R}_x\left(\mathrm{\τ}\right)e^{-j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(4\right)$

信号的功率谱分析如图7，表明了橡胶减振器的能量损耗和能量存储的综合性能。阻尼特性图如图8，反映的是车辆橡胶减振器的非线性特征和迟滞特性。

数据报表模块：主要记录了信号的频率、幅度和初相的信息，采集的开始时间和结束时间，频率控制方式等信息如图9。用户界面主要包括三个主要部分：波形显示部分，数据采集面板，数据分析操作面板和操作主界面效果如图10。波形显示部分如图11。

数据采集模块操作时，点击工作状态上的数据采集按扭，就可以得到如图12所表示的数据采集面板图。可以设置数据采集的开始时间，结束时间，以及采集总时间，通过设置开关可以进行采集程序的起停。

对采集的数据进行分析，主要包括采集信号的相关性分析、功率谱分析和减振性能分析。分析的结果都以图形的形式显示出来。

对上述全部程序进行调试运行研究，可以通过LABVIEW自带的调试运行仿真器，检测所编制程序的可运行的性能，以及出现的错误情况，进行及时修改，修改后继续进行程序，进行台架实验现场测试，验证程序的可执行性能。运行的部分结果在以上几个操控面板上可以看到。

当***是对车辆橡胶减振器的液压伺服测控设备时，经过对供油压力分析，伺服阀容量分析和液压缸面积变化等动力机构输出特性的分析，如果确定了加速度的最大振幅为2g，减振器的位移振幅为15mm，振动频率是1～50Hz，可以利用经验公式计算得到伺服液压缸的活塞杆的直径取为50mm，可以利用计算得到液压缸面积和伺服液压缸的活塞杆运动速度，利用他们和伺服阀的额定流量的经验公式来确定和选择伺服阀的额定流量为400L/min，额定压力为21MPa等参数。经过对测控***传递函数的建模和测算，并进行仿真分析，证明了这种理论分析和***参数选择的正确性。如果是对具有其他各种加速度、位移振幅以及振动频率区间要求的橡胶减振器进行分析研究，利用上述同样的研究方法，来确定和调整液压伺服测控设备的参数尺寸。

以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范图。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于加速度反馈信息驱动的橡胶减振器测控***，其特征在于：包括橡胶减振器被动隔振主体机械装置、传感器、电液驱动***、D/A转换及信号放大器、信号调理电路、多功能采集卡、主控计算机、动态性能测控软件；

所述车辆橡胶减振器被动隔振主体机械装置分别连接所述传感器、所述电液驱动***；所述电液驱动***连接所述D/A转换及信号放大器；所述传感器连接所述信号调理电路；所述信号调理电路连接所述多功能数据采集卡；所述多功能数据采集卡与所述D/A转换及信号放大器分别连接到所述主控计算机；

所述传感器包括位移传感器、加速度传感器、力传感器；

所述主控计算机设计有所述动态性能测控软件，该软件通过从所述数据采集卡采集获得的加速度曲线、位移曲线和力曲线三路模拟信号进行采集信号的数据回放，基频分析，数据滤波，功率谱分析，相关性分析，阻尼特性分析，示功特性分析，并从测试信号中提取状态量，用于电液伺服控制***的比较运算，实现振动平台基于加速度驱动的控制。

2.如权利要求1所述的基于加速度反馈信息驱动的橡胶减振器测控***，其特征在于：所述动态性能测控软件包括主界面模块、数据采集模块、数据分析模块；数据报表输出及显示模块；

所述主界面模块：该模块设计时采用了人机交互界面设计的基本原则，用于该工程测试的交互界面直观、简洁、美观、适用、易操作。用于连接数据采集模块、数据分析模块和数据报表打印模块等任务。该虚拟仪器模块的面板设计了测试相关的用户主菜单和使用面板旋钮，使用户能够方便的使用操纵仪器工作。

所述数据采集模块：用于采集设备上传感器测量得到的模拟量和开关量，主要包括采集加速度信号、力信号和位移信号等，并在该测试平台中做出示波器，具有信号实时的显示功能，并将数据及时完整的保存起来。

所述数据分析模块：将采集信号的相关数据波形显示出来，并将其进行进行滤波处理。对存盘文件中的数据进行动态信号分析，包括功率谱、自相关分析、互相关分析等，以得到信号的频域和时域特性。

所述数据报表输出及显示模块：用于将分析后得到的信息进行报表或表格显示、打印和输出功能。该模块的报表显示主要显示激励信号、初始频率信号、终止频率信号、采集时间显示等，表格显示主要显示激励信号、位移幅度、加速度幅值、采集时间等表格信息。

Images