CN201047798Y - 一种虚拟振动台检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及虚拟振动台检测设备领域，其目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种集成度高，适用于虚拟仪器的虚拟振动台检测设备。结构包括加速度传感器、信号调理设备、数据采集卡和计算机，上述设备依次连接，所述信号调理设备和数据采集卡安装在独立的壳体中形成外挂式数据采集装置，通过USB接口与计算机连接。采用外挂式数据采集装置，其具有数据吞吐量大，价格便宜，方便携带等优点，采用该类型的数据采集装置既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数需求，这种方案不但实用，而且具有很高的性价比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器配置方案。

Description

一种虚拟振动台检测设备

技术领域

本实用新型涉及虚拟振动台检测设备领域，更具体的说是一种使用简单方便，适用于虚拟振动台信号处理方法的虚拟振动台检测设备。

技术背景

在以往的参数测量中，由于测量的参数多、测量现场的分布面广，因此需要多种分离式测量仪器如电荷放大器、电压表、频率计、失真度测量仪等，给测量带了极大的不便。后来采用了数字化的频率计、动态信号分析仪，但这些仪器主要依赖于进口，加工工艺复杂，对制造水平要求高，而且购买这些仪器所用的费用较高，仪器的通道少，使用受到了限制。目前应用最多的主要是B&K的PULSE振动测试***，虽然其具有功能多，分析精度高等优点，但是其昂贵的价格，再加上英文操作界面限制了这类仪器在国内的推广与使用，而且对于某些测试项目仍然采用人工计算的方式，自动化程度不高。

所谓的虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)，就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义设计仪器的测试功能，使得使用者在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器的出现，打破了传统仪器有厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的的仪器***，在测试***和仪器设计中尽可能用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试***与仪器的功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，最本质的概括。

计量定义为“实现单位统一、量值准确可靠的活动”，其具有准确性，统一性，溯源性，法制性特点。计量活动可看作是验证性质的测试过程，目的是确保仪器的测试数据具有必要的准确度和可靠性，以满足测试的需求。

对于传统仪器，其计量测试相对容易，计量人员可以根据国家、部门或地方颁布的计量技术法规开展具体的计量工作。而在基于虚拟仪器技术的国家计量基标准装置和计量测试***中，尽管使用计算机、应用软件和仪器模块化能够大幅度提高装置和***的集成化、自动化和智能化程度，但与此同时带来了以下问题。

传统计量标准装置各仪器的准确度或测量不确定度可以通过周期检定来确定，并通过分析各类误差源对被测量不确定度贡献的大小进行评估。对于使用虚拟仪器技术集成化程度很高的测量***，数据采集的准确度是虚拟测试***的基础，软件模块的准确度是虚拟测试***的灵魂。对于硬件模块在由传感器传送到计算机的A/D转化环节和信号调理环节对***的准确度影响较大；而在虚拟仪器软件编程中使用的数据算法带来的不确定分量以及出现的任何一个小的纰漏都可能对校准结果产生影响，因此很难评估和测量各误差源对被测量值影响的大小，所以无法再按照传统的方法进行不确定度的评估。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种集成度高，适用于虚拟仪器的虚拟振动台检测设备。

本实用新型通过以下技术方案实现其目的。

本实用新型所设计的虚拟振动台检测设备，结构包括加速度传感器、信号调理设备、数据采集卡和计算机，上述设备依次连接，所述信号调理设备和数据采集卡安装在独立的壳体中形成外挂式数据采集装置，通过USB接口与计算机连接。采用外挂式数据采集装置，其具有数据吞吐量大，价格便宜，方便携带等优点，采用该类型的数据采集装置既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数需求，这种方案不但实用，而且具有很高的性价比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器配置方案。

所述加速度传感器包括一个三向加速度传感器和至少四个单向加速度传感器。其中在振动台的中心点位置安装一个单向加速度传感器用于测试失真度，在中心点位置安装一个三向加速度传感器用于测试纵横比，在振动台上刚性的连接不少于三支单向加速度传感器用于测试均匀度。

本实用新型的加速度传感器采用压电式加速度传感器，压电式加速度传感器是一种安装方便，使用广泛的振动检测传感器，它具有体积小、重量轻、机构简单、工作可靠、信噪比高、安装方便等优点。

本设计的信号调理设备采用电荷放大器，同时为了避免信号混叠的出现，调理器应含有抗混滤波模块。

计算机通过串口与信号调理设备连接，可以通过计算机串口实现对信号调理设备的程控。

鉴于当前振动台测试仪器所面临的不足，针对市场对于低价位、高性能振动台参数检测装置的需求，本实用新型采用了先进的信号处理技术和基于USB接口的便携式数据采集装置，大大降低了测试成本，同时融入了数据的自动化处理，在保证测试精度和可靠性的前提下，提高了测试效率。

附图说明

图1为本实用新型***结构示意图；

图2位本实用新型的***模块图；

图3为加速度传感器在振动台上安装位置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步的说明。

振动台是一种模拟各种振动环境来考察产品工作可靠性的装置，按照结构原理可以分为电动式振动试验台和机械式振动试验台。通常为了确保振动台的运行状况符合国家相应技术规范的要求，针对各式振动台要进行相应的参数测试，其中频率、加速度、速度、位移、纵横比、失真度、均匀性七个参数的测试指标是衡量振动台好坏的关键，因此振动台综合参数测试也就是针对上述七个参数的测试。

振动台综合参数测试首先要将加速度传感器安装在被测振动台4上，具体如图3所示：对于频率(f)、加速度(a)、速度(V)、位移(D)，失真度(S)的测试，只需在中心点位置安装一个单向加速度传感器1，然后选择不同的频率点分别进行测试；对于纵横比的测试要求在中心点位置安装一个三向加速度传感器2，按照倍频程选取多个频率值，并在给定振幅下进行振动，从测振仪上依次取三个方向的加速度幅值，并按照下式计算出纵横比T：

$T=\frac{\sqrt{{a_x}^2+{a_y}^2}}{a_z}\×100\%$

式中：a_x，a_y-垂直与主振方向的两个互相垂直的加速度幅值的分量，m/s²

a_z-为主振方向的加速度幅值，m/s²

而对于均匀性测试则需要再将四支单向加速度传感器3刚性的连接如图所示，然后依次测出各个位置的加速度幅值，并按照下式测出其均匀度N。

$N=\frac{\left|\mathrm{\Δa}\right|}{a}\×100\%$

式中：a-同次测量中，中心点的加速度幅值，m/s²

|Δa|-同次测量中，各点加度度与中心点加速度的最大偏差(绝对值)，m/s²

依据JJG 189-97、JJG 190-97、JJG298-2005等有关技术标准要求，其最大应测特征参数含有：振动位移D、振动速度V、振动加速度a、振动频率f、振动波形失真度S、振动加速度均匀性N，振动台横向加速度T，要求***满足被测参数技术指标如下：

①测试频率范围5HZ-4KHz，要求频率测量精度优于±0.1％

②测试加速度范围0.1-2000m/s²，加速度幅值精度优于±3％，位移优于±5％

同时要求***具有振动数据采集、分析、存储、显示、打印报表功能，而且便于携带。

虚拟仪器按照不同的分类形式构成了不同的体系结构，经过了几十年的发展，虚拟仪器形成了以下几种重要的体系结构：GPIB，PXI，VXI，PC-DAQ。下面就各种体系结构的优缺点做以比较，并结合本实用新型要求，选择一种适宜的体系结构。

GPIB(HP-IB或IEEE488)-通用串口总线，是计算机与传统仪器的接口。通过GPIB总线可以将包含有GPIB接口的各种仪器连接起来，从而可以实现基于传统仪器的自动测试。其优点就是利用传统仪器，可以降低了***的搭建费用，但是，由于总线本身的吞吐数据能力有限(1Mb/s)，而且其积木式搭建方式使得测试***本身比较庞大，难以满足现场测试的需要，因此使用受到了一定的限制。

VXI(VME Extension for Instrumentation)。它的结构形式是将信号采集、信号调理等各种标准模块装入标准机箱，机箱通过***计算机的卡或嵌入式控制器与计算机通讯。VXI遵守VPP联盟所规定的软件规范和VXI联盟相应的硬件规范，***具有很高的的可靠性，兼容性和集成度，但是由于VXI的价格过高，主要应用于航空、航天等尖端测试领域。

PXI(PCI Extension for Instrumentation)。PXI是PCI总线的仪器扩展。它的结构形式与VXI基本相同，区别在于总线不同(传输率达到132Mb/s)和价格更容易接受，目前NI公司力推PXI总线的产品，其具有广阔的应用前景，但是价格仍然比较高。

PC-DAQ体系结构是虚拟仪器体系结构中最简单易用的一种，其实现方式有如下两种。一种是在通用的PC机插槽内直接***通用的数据采集卡(又称为内插式数据采集卡)，通过软件编程控制数据采集卡来完成测试***的功能。它的优点是***构建成本最低，便于在实验室中使用，缺点是***噪声较大，不便于携带，电磁兼容性和***可靠性较差。另外一种是利用计算机的USB的外挂式数据采集装置，其具有数据吞吐量大，价格便宜，方便携带等优点，采用该类型的数据采集装置既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数需求，这种方案不但实用，而且具有很高的性价比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器配置方案。

如图1所示所述信号调理设备和数据采集卡安装在独立的壳体中形成外挂式数据采集装置8，通过USB接口与计算机7连接，输入用于采集振动台4上加速度传感器的信号。

振动信号检测由传感器实现，通常最常用的加速度传感器有以下几种：压电式加速度传感器，ICP(Integrated Circuits Piezoelectric)式加速度传感器，电容式加速度传感器和压阻式加速度计，其中电容式加速度传感器多用于振动冲击测试，压阻式传感器多用于测量长时冲击脉冲信号，ICP传感器也普遍应用于振动测试领域，但就目前应用的广度来看，采用已有的压电式加速度传感器还是主流。压电加速度传感器是一种安装方便，使用广泛的振动检测传感器，它具有体积小、重量轻、机构简单、工作可靠、信噪比高、安装方便等优点综合考虑各种因素，本文选用压电加速度传感器作为振动检测传感器。

来自于传感器的电荷信号还不能用数据采集设备来测量，最主要的问题是电荷参数未达到计算机处理的要求，且极易受到噪声的影响，而有些信号还可能存在很高的尖峰值，因此在将它们转换为数字量之前要进行放大，滤波等预处理，并且要求信号调理模块具有抗干扰能力。另外本实用新型摒弃传统电荷放大器手动控制的缺点，要求电荷放大器包含有程控接口(如RS232)。为此选用扬州无线电二厂生产的YE5864多功能前置信号调理设备5，可以电荷、电压、ICP等多种输入方式输入(方便以后的升级)，同时设置了双积分电路，档位可调的抗混滤波器，该信号调理设备5可以通过计算机7串口实现对信号调理设备5的程控，如图所示。

按照上述步骤选配设备然后组合***如图2所示，加速度传感器1、2、3采集振动台4的振动信号，经信号调理设备5的调理后进入数据采集卡6，数据采集卡6完成相应的A/D转化后将数据通过USB总线传给计算机，计算机7负责对数据的进行离散傅立叶变换和数字信号频域滤波，通过频域滤波后的信号进行预处理，然后通过一次积分输出速度分量，两次积分输出位移分量。同时计算机7可以通过RS232口设置信号调理设备5的参数，实现对调理设备5的控制。

以下为本实用新型设备与Audio Precision公司生产的动态信号分析仪ATS的测试值做以比较。

测试结果比对表

由上表可以计算出***的幅频测试误差如下：

测试误差比对表

从表中我们可以看出，***测试频率的精度完全可以满足＜0.1％的目标，其频率测试精度优于ATS***测试精度，幅值误差也优于1％。

积分效果测试

由于加速度、速度和位移之间存在积分关系，所以速度和位移信号的计算精度取决于加速度信号的精度(幅频精度)。在上述测试中已经给出了加速度信号的幅频精度，故可以设定加速信号的幅频为参考值，并通过理论计算给出标准值，然后分别采用时域积分法和频域积分法给出测量值。通常位移测试多用于低频振动的场合，因此在测试中只取了频率小于200Hz的信号，其测试数据如下：

积分测试结果比对表

通过上表可以发现采用软件积分法得到的数据和理论值比较接近，而且频域积分法的精度略高于时域积分法，在信号的处理过程中，也避免了基线修正的问题，因此在本实用新型中，最终的积分算法还是选用了频域积分法。

失真度测试

失真度用来考察被测***引入非线性失真的大小，在计算中需要得到***引入谐波幅值的大小。谐波失真是谐波分量的幅值和基波幅值的比值。谐波失真度的计算公式如下

$\mathrm{THD}=\frac{\sqrt{{A_2}^2+{A_3}^2+\·\·\·+{A_n}^2}}{A_1}$

其中A₁是基波的幅值，A₂...A_n代表n次谐波的幅值。下面我们通过测试来说明测试的有效性。

信号频率	标准失真度(％)	本实用新型***测试值(％)	ATS***测试值
				20	0.36	0.38	0.376
80	0.36	0.38	0.376
				160	0.36	0.37	0.377
400	0.36	0.38	0.378

Claims (5)

1.一种虚拟振动台检测设备，其特征在于包括加速度传感器、信号调理设备、数据采集卡和计算机，上述设备依次连接，所述信号调理设备和数据采集卡安装在独立的壳体中形成外挂式数据采集装置，通过USB接口与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的虚拟振动台检测设备，其特征在于所述加速度传感器包括一个三向加速度传感器和至少四个单向加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的虚拟振动台检测设备，其特征在于所述加速度传感器为压电式加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的虚拟振动台检测设备，其特征在于所述信号调理设备采用电荷放大器且含有抗混滤波模块。

5.根据权利要求1所述的虚拟振动台检测设备，其特征在于计算机通过串口与信号调理设备连接。

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