機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 開(kāi)題依據(jù)
1.1 選題背景
用試驗(yàn)方法測(cè)量機(jī)械的振動(dòng)量（如位移、速度和加速度等）和系統(tǒng)特征參數(shù)(如固有頻率、阻尼、振型等)，以及振動(dòng)環(huán)境的模擬等，都屬于振動(dòng)測(cè)試。研究機(jī)械振動(dòng)時(shí)通常采用理論分析和測(cè)試兩種手段。通過(guò)測(cè)試可驗(yàn)證理論分析計(jì)算的正確性，提供所需的修正依據(jù)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，振動(dòng)測(cè)試儀器有了顯著的進(jìn)步，如傳遞函數(shù)分析儀、實(shí)時(shí)頻率分析儀和快速傅里葉分析儀的相繼應(yīng)用，并與電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，為振動(dòng)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果的分析處理提供了方便的條件，從而也進(jìn)一步推動(dòng)了振動(dòng)理論的研究和發(fā)展。系統(tǒng)的振動(dòng)特性也可以應(yīng)用激光全息照相法拍下實(shí)物或模型在振動(dòng)時(shí)的全息照片，根據(jù)全息照片中的干涉條紋圖案來(lái)分析。
1.2 本課題意義
對(duì)于機(jī)械振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)目前大多數(shù)的廠家還不具備先進(jìn)的技術(shù)，裝置大多從國(guó)外引進(jìn)，從而設(shè)備成本較高。為了滿足生產(chǎn)需要而又不需要投資太多的資金，我們需要不斷學(xué)習(xí)國(guó)外的技術(shù)并不斷地創(chuàng)新，研制出自己的產(chǎn)品。因此，我選擇這個(gè)課題，對(duì)我來(lái)講，意義非常深刻，也是一次不錯(cuò)的學(xué)習(xí)及自我能力提高的機(jī)會(huì)。
2 文獻(xiàn)綜述
2.1調(diào)研
針對(duì)這次機(jī)械振動(dòng)測(cè)試的題目，我特別到工廠進(jìn)行調(diào)研。
我了解到的機(jī)械振動(dòng)測(cè)試的主要原理，方法和基本的過(guò)程，機(jī)械振動(dòng)的研究可歸結(jié)為機(jī)械系統(tǒng)的激勵(lì)、響應(yīng)和振動(dòng)特性三個(gè)方面的問(wèn)題。統(tǒng)稱為機(jī)械阻抗曲線。在已知其中兩個(gè)方面的情況下可求第三方面的問(wèn)題。測(cè)得的機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)通常以幅頻特性曲線和相頻特性曲線、實(shí)部和虛部頻率特性曲線或幅相頻率特性曲線(Nyquist圖)3種形式表達(dá)，與之相對(duì)應(yīng)，振動(dòng)測(cè)試的基本內(nèi)容包括：①已知激勵(lì)和系統(tǒng)的振動(dòng)特性情況下求響應(yīng)，即振動(dòng)量的測(cè)量；②已知激勵(lì)和響應(yīng)的情況下求系統(tǒng)的振動(dòng)特性，即系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)定，也稱參數(shù)識(shí)別；③已知系統(tǒng)的振動(dòng)特性和響應(yīng)的情況下求激勵(lì)，即環(huán)境預(yù)測(cè)，即用時(shí)域描述的振動(dòng)量時(shí)，這種測(cè)試稱為振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)。
3.振動(dòng)測(cè)試方案
3.1 振動(dòng)測(cè)試方案1的提出和組成原理圖
振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程是：首先按圖1所示的流程圖布置好振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器的硬件系統(tǒng)；然后，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件；最后，振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試與模態(tài)識(shí)別的全過(guò)程，都是在個(gè)人計(jì)算機(jī)上通過(guò)軟面板對(duì)話框和適當(dāng)?shù)目刂瓢粹o來(lái)完成。
信號(hào)發(fā)生器
被測(cè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)
輸入
輸出
個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)特性測(cè)試分析軟 件
X（n）
振動(dòng)
傳感
器及
信號(hào)
調(diào)理
電路
Y1（n）
被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的
模態(tài)參數(shù)和數(shù)學(xué)模型的輸出
激
振
器
振動(dòng)
傳感
器及
信號(hào)
調(diào)理
電路
數(shù)據(jù)采集卡DAQ，包含：
多路開(kāi)關(guān)
放大器
采樣保持器S/H
A/D轉(zhuǎn)換器
YN（n）
……
圖1 振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器原理圖
3.2 激振方式、激振器和振動(dòng)傳感器的布置
激振方式可分為正弦穩(wěn)態(tài)掃頻和寬頻帶激振兩大類。通常采用“正弦穩(wěn)態(tài)掃頻激振”，其優(yōu)點(diǎn)是激振能量集中，信噪比高，對(duì)于線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試具有很高的測(cè)量精度。
首先，根據(jù)測(cè)試分析要求及振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定激振點(diǎn)的位置和測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量N及各測(cè)量點(diǎn)的位置。對(duì)于空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，往往需要測(cè)量1個(gè)點(diǎn)的3個(gè)方向，這時(shí)應(yīng)選用三軸振動(dòng)傳感器。安裝激振器時(shí)，必須注意激振力的正確施加。在安裝測(cè)振傳感器時(shí)，應(yīng)保證傳感器能正確感受被測(cè)體的振動(dòng)。小型振動(dòng)系統(tǒng)必須選用微型傳感器，以避免傳感器附加質(zhì)量影響振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。
3.3 振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試應(yīng)用軟件的總體研究
根據(jù)對(duì)前面振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器原理圖的分析可知，振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)流程分為如下步驟：
(1)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制“信號(hào)發(fā)生器”產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，再通過(guò)“激振器”施加于被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)。激勵(lì)信號(hào)的數(shù)字序列為X(n)。
(2) 等待被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定一定時(shí)間，然后計(jì)算機(jī)再發(fā)出指令同步采集數(shù)據(jù)序列X(n)和Y1(n)，Y2(n)，… ，YN(n) 。采樣時(shí)間間隔或采樣頻率應(yīng)符合采樣定理及頻率分辨率的要求。
(3)利用按本原理設(shè)計(jì)的專用軟件分析處理X(n)和Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)， 就可得出被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。
顯然，整套應(yīng)用軟件應(yīng)包括兩大部分，即操作控制部分和數(shù)據(jù)處理部分。由于目前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，已足以解決此應(yīng)用軟件中的操作控制部分，且鑒于篇幅有限，所以筆者對(duì)應(yīng)用軟件的操作控制部分不再作進(jìn)一步討論，下面重點(diǎn)研究應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)處理部分。
3.4 數(shù)據(jù)處理專用軟件的設(shè)計(jì)原理
3.4.1 濾波方法
由于數(shù)據(jù)序列在采集過(guò)程中難免會(huì)受到各種干擾， 所以必須采取有效的濾波算法對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)序列Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)進(jìn)行修正。通常應(yīng)采用相關(guān)濾波算法，因?yàn)橄嚓P(guān)濾波可以有效地把真正由X(n)通過(guò)振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)從Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)中分離出來(lái)。將經(jīng)過(guò)濾波算法處理后的數(shù)據(jù)序列記為YN1(n)，YN2(n)，…，YNN(n) ，n=1,2, …,D 。D為采樣點(diǎn)數(shù)量。
3.4.2 頻率響應(yīng)函數(shù)的確定
將確定性信號(hào)看成隨機(jī)信號(hào)，采用離散數(shù)字隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)譜分析原理。
XK(k) = FFT [X(n)] YK(k) = FFT [YN(n)]
SX(k) = ∣XK(k)∣2 /D SY(k) = ∣YK(k)∣2 /D
SXY(k) = XK*(k)YK(k) /D XK*(K)為XK(k)的共軛復(fù)數(shù)。
為減少數(shù)據(jù)處理誤差，要對(duì)SX(k)，SY(k)，SXY(k)采取平滑處理算法。分段時(shí)，相鄰兩段重疊50℅的效果最佳，即將記錄段X(n)，YN(n)分成多個(gè)樣本，分別進(jìn)行上述運(yùn)算后再求平均值。
VXY2(k) =∣ SXY(k)∣2 / [SX(k) SY(k)]， 相干系數(shù)VXY越接近1效果越好。
H(k) =SXY(k) / SX(k)， 由變量代換關(guān)系“k/(DTS) =f（TS為采樣時(shí)間間隔）”可得到測(cè)試出的頻率響應(yīng)函數(shù)H(f) 。
對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)序列Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)均用上述方法處理，就可以得到測(cè)試出來(lái)的N個(gè)頻率響應(yīng)函數(shù)H1(f)，H2(f)，…，HN(f) 。
3.4.3 擬合求解模態(tài)參數(shù)
機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別，又稱為曲線擬合，即采用最小二乘法將測(cè)試所得的頻率響應(yīng)值與系統(tǒng)模型值進(jìn)行曲線擬合。優(yōu)化準(zhǔn)則就是使實(shí)測(cè)的頻率響應(yīng)值與理論數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)值的總均方誤差E極小。最小二乘曲線擬合過(guò)程中存在的有關(guān)問(wèn)題，如方程組的病態(tài)問(wèn)題，可根據(jù)數(shù)值分析理論，采用正交多項(xiàng)式的方法加以解決。通常機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的“理論數(shù)學(xué)模型”可用有理分式形式的傳遞函數(shù)來(lái)表示，即
H(s) = N(s)/D(s) = [a0sm+a1sm-1+…+am-1s+am]/ [sn+b1sn-1+…+bn-1s+bn]
上式中，m
對(duì)模擬量可直接分析處理，振動(dòng)量測(cè)量按振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)換方式可分為電測(cè)法、光測(cè)法和機(jī)械測(cè)振法，其中以電測(cè)法應(yīng)用最為廣泛。圖1為一個(gè)較完整的振動(dòng)量電測(cè)系統(tǒng)。測(cè)振傳感器（拾振器）將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為與它成比例的電量。
測(cè)試結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)處理 測(cè)試結(jié)果所獲得的原始數(shù)據(jù)有兩種表現(xiàn)形式：一種是模擬量，常用的測(cè)振傳感器有發(fā)電型(如壓電式、電動(dòng)式和磁電式等)和電參數(shù)變化型(如電感式、電容式、電阻式和渦流式等)兩類。以保證輸出電信號(hào)的幅值和相位均不失真。不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測(cè)量變換裝置（圖2）。最基本的要求是：在其工作頻率范圍內(nèi)的幅頻特性平坦、相頻特性呈線性關(guān)系，中間測(cè)量變換裝置對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行前置變換(電阻抗變換)、微積分運(yùn)算、放大、調(diào)制和解調(diào)等，以便驅(qū)動(dòng)后接的分析或顯示、記錄設(shè)備。分析設(shè)備完成對(duì)信號(hào)的頻率分析。顯示、記錄設(shè)備給出振動(dòng)信號(hào)（經(jīng)過(guò)分析的或未經(jīng)過(guò)分析的）的波形，并用數(shù)字或模擬方式指示出測(cè)量結(jié)果，應(yīng)校準(zhǔn)溫度的影響等。以便于儲(chǔ)存、分析信號(hào)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
?
系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)定? 主要是應(yīng)用機(jī)械阻抗測(cè)試技術(shù)，以獲得機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)（有時(shí)亦稱頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)），從而得到系統(tǒng)的特征參數(shù)如固有頻率、阻尼、剛度、質(zhì)量和振型等；還可通過(guò)模態(tài)分析求取系統(tǒng)在各階模態(tài)下的特征參數(shù)，既模態(tài)參數(shù)。這一測(cè)試過(guò)程稱為模態(tài)參數(shù)識(shí)別。這種測(cè)定通常在機(jī)械系統(tǒng)的非工作狀態(tài)或模型試驗(yàn)情況下進(jìn)行，以求全面了解其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。尤其是測(cè)振傳感器必須進(jìn)行定期校準(zhǔn)和定度。若在工作狀態(tài)下進(jìn)行，則常稱為在線識(shí)別。在機(jī)械阻抗測(cè)試技術(shù)中，施加的激勵(lì)有簡(jiǎn)諧、瞬態(tài)和隨機(jī)3種類型，試驗(yàn)根據(jù)不同試驗(yàn)對(duì)象按相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，故機(jī)械阻抗測(cè)試也相應(yīng)地分3類。
振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)? 研究或考核試驗(yàn)對(duì)象在強(qiáng)度、壽命和功能方面的抗振性。簡(jiǎn)諧激勵(lì)又有單點(diǎn)激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)兩種形式。這種模擬試驗(yàn)分為周期性振動(dòng)試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn) 3種。周期性振動(dòng)試驗(yàn)一般采用耐共振、耐掃頻和耐預(yù)定頻率試驗(yàn) 3種形式。在進(jìn)行振動(dòng)壽命試驗(yàn)時(shí)，為了縮短試驗(yàn)時(shí)間常采用提高振動(dòng)量級(jí)的辦法，即幅頻特性;測(cè)定振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)間的相位差隨激勵(lì)頻率變化的關(guān)系，即強(qiáng)化試驗(yàn)。提高的程度，即強(qiáng)化系數(shù)，
簡(jiǎn)諧激勵(lì)機(jī)械阻抗的測(cè)試 以簡(jiǎn)諧力作為激勵(lì)并保持其幅值恒定，應(yīng)根據(jù)試件的振動(dòng)響應(yīng)特性和疲勞強(qiáng)度分析來(lái)考慮。試驗(yàn)根據(jù)不同試驗(yàn)對(duì)象按相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，并用模擬振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)和定度? 為了保證測(cè)試結(jié)果的可靠性和測(cè)試精度，對(duì)所使用的儀器，尤其是測(cè)振傳感器必須進(jìn)行定期校準(zhǔn)和定度。以求全面了解其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在進(jìn)行重要的或特殊的試驗(yàn)前，這種測(cè)定通常在機(jī)械系統(tǒng)的非工作狀態(tài)或模型試驗(yàn)情況下進(jìn)行，常直接對(duì)整套測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和定度。測(cè)試系統(tǒng)最基本的校準(zhǔn)項(xiàng)目包括靈敏度、頻率響應(yīng)和線性度。既模態(tài)參數(shù)。此外，從而得到系統(tǒng)的特征參數(shù)如固有頻率、阻尼、剛度、質(zhì)量和振型等；還可通過(guò)模態(tài)分析求取系統(tǒng)在各階模態(tài)下的特征參數(shù)，根據(jù)需要還可進(jìn)行某些特殊的校準(zhǔn)，如所測(cè)振級(jí)變化范圍大時(shí)，應(yīng)校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)線性范圍；高溫下測(cè)試時(shí)，以便于儲(chǔ)存、分析信號(hào)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。應(yīng)校準(zhǔn)溫度的影響等。測(cè)振傳感器的校準(zhǔn)在測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)中具有特別重要的意義。校準(zhǔn)方法主要有兩種：一是絕對(duì)校準(zhǔn)法，分析設(shè)備完成對(duì)信號(hào)的頻率分析。二是比較校準(zhǔn)法。無(wú)論是對(duì)測(cè)振傳感器或?qū)M成測(cè)試系統(tǒng)的儀器和對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)，最基本的要求是：在其工作頻率范圍內(nèi)的幅頻特性平坦、相頻特性呈線性關(guān)系，不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測(cè)量變換裝置（圖2）。以保證輸出電信號(hào)的幅值和相位均不失真。
測(cè)試結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)處理? 測(cè)試結(jié)果所獲得的原始數(shù)據(jù)有兩種表現(xiàn)形式：一種是模擬量，如電壓和電流等；一種是數(shù)字量。對(duì)不同的數(shù)據(jù)形式，其中以電測(cè)法應(yīng)用最為廣泛。分析處理方法也不相同。
對(duì)模擬量可直接分析處理，也可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后分析處理。前者設(shè)備較簡(jiǎn)單，后者精度和速度較高。
當(dāng)模擬量是振動(dòng)的時(shí)間歷程，即用時(shí)域描述的振動(dòng)量時(shí)，即環(huán)境預(yù)測(cè)，分析處理的主要內(nèi)容就是進(jìn)行各種頻譜分析，以了解測(cè)試對(duì)象在頻率域內(nèi)的振動(dòng)特性。即系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)定，常用的頻譜分析儀有恒定百分比帶寬式、恒定帶寬式、采用壓縮時(shí)間歷程的實(shí)時(shí)分析儀和具有并聯(lián)濾波器的實(shí)時(shí)分析儀等。當(dāng)模擬量是頻率響應(yīng)時(shí)，可歸結(jié)為對(duì)機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)的分析處理。測(cè)得的機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)通常以幅頻特性曲線和相頻特性曲線、實(shí)部和虛部頻率特性曲線或幅相頻率特性曲線(Nyquist圖)3種形式表達(dá)，統(tǒng)稱為機(jī)械阻抗曲線。因此分析處理的主要內(nèi)容是：根據(jù)機(jī)械阻抗曲線，通過(guò)模態(tài)分析，系統(tǒng)的振動(dòng)特性也可以應(yīng)用激光全息照相法拍下實(shí)物或模型在振動(dòng)時(shí)的全息照片，識(shí)別測(cè)試對(duì)象在選定頻率范圍內(nèi)的各階模態(tài)參數(shù)和建立它的數(shù)字模型。
模擬量的數(shù)字分析處理是將測(cè)得的振動(dòng)模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字量，并與電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，然后輸入數(shù)據(jù)處理機(jī)進(jìn)行各種必要的分析。當(dāng)測(cè)試結(jié)果直接以數(shù)字量表示時(shí)，則可利用軟件在電子計(jì)算機(jī)上分析處理。20世紀(jì)80年代以來(lái)，
4 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容
4.1 原理圖的設(shè)計(jì)
測(cè)振傳感器（拾振器）將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為與它成比例的電量。常用的測(cè)振傳感器有發(fā)電型(如壓電式、電動(dòng)式和磁電式等)和電參數(shù)變化型(如電感式、電容式、電阻式和渦流式等)兩類。不同類型的傳感器需要配接不同類型的中間測(cè)量變換裝置中間測(cè)量變換裝置對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行前置變換(電阻抗變換)、微積分運(yùn)算、放大、調(diào)制和解調(diào)等，以便驅(qū)動(dòng)后接的分析或顯示、記錄設(shè)備。分析設(shè)備完成對(duì)信號(hào)的頻率分析。顯示、記錄設(shè)備給出振動(dòng)信號(hào)（經(jīng)過(guò)分析的或未經(jīng)過(guò)分析的）的波形，并用數(shù)字或模擬方式指示出測(cè)量結(jié)果，以便于儲(chǔ)存、分析信號(hào)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
4.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.3 控制設(shè)計(jì)
硬件實(shí)現(xiàn)
硬件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠快速跟蹤信號(hào)頻率變化的倍頻電路。利用鎖相環(huán)的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)跟蹤輸入信號(hào)頻率的這一特點(diǎn)，將VCO的輸出信號(hào)經(jīng)一分頻器后送入相位比較器，則鎖定時(shí)VCO輸出信號(hào)的頻率將等于K倍的輸入信號(hào)的頻率，即Kfi，適當(dāng)?shù)剡x擇分頻系數(shù)K就可以得到所需要的倍頻信號(hào)的輸出。本文所選的鎖相環(huán)芯片為CD4046，使用中無(wú)需解調(diào)信號(hào)輸出。比較器PC2用于比較兩輸入波形前沿或后沿相位的上跳或下跳（本電路采用上跳邊沿觸發(fā)方式）。
如圖所示，該電路主要由輸入信號(hào)、隔直電容、平移、整形、鎖相環(huán)組成。首先取鍵相位信號(hào)CIR作為測(cè)頻輸入，通過(guò)10μF電容濾去太高的直流電壓，送入MAX903比較放大器調(diào)節(jié)平移，輸出的脈沖由74HCT14進(jìn)一步整形后作為鎖相環(huán)的輸入信號(hào)；由鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)倍頻。為了實(shí)現(xiàn)FFT分析，在一個(gè)周期內(nèi)采集2 n個(gè)數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中n取為6，也即是在一個(gè)周期內(nèi)采集64個(gè)數(shù)據(jù)。分頻器的輸出信號(hào)CLK_64由CPLD產(chǎn)生。鎖相環(huán)的輸出信號(hào)CLK64實(shí)現(xiàn)A／D的采樣控制。本電路可以保證在有鍵相位的情況下，信號(hào)采集的第一起點(diǎn)在以鍵相位為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)360°／64點(diǎn)的位置上（因系統(tǒng)每周期采樣64點(diǎn)）。
軟件實(shí)現(xiàn)
圖是本系統(tǒng)通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)整周期采樣的波形仿真圖。實(shí)驗(yàn)中A／D選用MAX1292，F(xiàn)IF0選用IDT7202。根據(jù)MAX1292的采樣時(shí)序和FIFO的寫(xiě)時(shí)序，在CPLD中采用MOORE有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序的控制。RE－SET為系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)，CLK64為轉(zhuǎn)速信號(hào)的64倍頻；GLOBAL_CLK為CPLD的時(shí)鐘信號(hào)；FF為FIFO的滿標(biāo)志位；AD_DATA為寫(xiě)入A／D中的控制字節(jié)；AD INT、AD_WR、AD_RD、AD_HBEN、AD_CS為A／D的相關(guān)控制信號(hào)：AD_START為啟動(dòng)A／D采集信號(hào)，由MCU發(fā)出。AD_CHANNEL為A／D的通道選擇控制字，硬件電路上用兩位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)單通道、雙通道及四通道的采集。圖中為四通道采集。EF、HF、FIFOINT為FIF0單元控制模塊。CLK 64、CLK 1000為分頻器模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)整周期采樣和自適應(yīng)抗混疊濾波。
實(shí)現(xiàn)A／D整周期采樣的過(guò)程描述如下：首先，CPLD在接收到CLK64信號(hào)的上升沿后，開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MAX1292按照時(shí)序依次將四個(gè)通道的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。其中，在每個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，都要判斷AD INT信號(hào)是否為低，若為低則表示轉(zhuǎn)換完成，可以進(jìn)行讀操作。此時(shí)，再去判斷FIFO的FF標(biāo)志，若為1則表明FIFO未滿，可以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO中。當(dāng)四個(gè)通道都完成如上操作后，再繼續(xù)判斷CLK64信號(hào)，循環(huán)執(zhí)行，完成在一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)周期內(nèi)對(duì)各路信號(hào)采集64次。本裝置中，被測(cè)的最大轉(zhuǎn)速信號(hào)為1kHz，GLOBAL_CLK的信號(hào)頻率為7MHz。
畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度
二月份：開(kāi)題報(bào)告
三月份：英文翻譯1萬(wàn)字（10頁(yè)）1-2個(gè)星期
完成緒論，第一章
拿出一個(gè)方案
四月份：（理論設(shè)計(jì)）
第二章 方案比較
具體設(shè)計(jì)
建立數(shù)學(xué)模型
五月份：第三章 理論
實(shí)驗(yàn)仿真
設(shè)計(jì)圖紙
六月初：中英文摘要
打印圖紙，整理論文
參考文獻(xiàn)
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目 錄
1 概述
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1振動(dòng)測(cè)試?yán)碚?
2.2 振動(dòng)測(cè)試技術(shù)
2.3 測(cè)試問(wèn)題的提出
2.4 問(wèn)題的解決和研究?jī)?nèi)容
2.5 方案1的設(shè)計(jì)
2.6 方案2的設(shè)計(jì)
3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2 實(shí)驗(yàn)裝置的選型
3.3 振動(dòng)測(cè)試的激勵(lì)
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
4.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟
4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
參考文獻(xiàn)
振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器的研究
摘要:通過(guò)把振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析理論與數(shù)字信號(hào)處理方法相結(jié)合，提出并系統(tǒng)地論述了振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器的開(kāi)發(fā)原理。
1 引言
隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所謂虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)上增加一組軟件和相關(guān)硬件，使使用者在操縱這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，而軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便地調(diào)整儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器技術(shù)給用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己才能及想象力的空間，用戶(而不是儀器廠家)可以根據(jù)自己的需求隨心所欲地設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。因此有‘軟件就是儀器’的說(shuō)法。
本文正是根據(jù)數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的思想，從簡(jiǎn)單實(shí)用的角度出發(fā)，把振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)碚摵蛿?shù)字信號(hào)處理方法相結(jié)合，提出并系統(tǒng)地論述了振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器的開(kāi)發(fā)原理。
2 動(dòng)態(tài)測(cè)試的基本概念
工程中大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)均用線性系統(tǒng)來(lái)描述，而線性系統(tǒng)的輸入輸出之間存在著簡(jiǎn)單的因果關(guān)系。因此，可以通過(guò)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)輸入輸出物理量的測(cè)量和分析來(lái)確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，這就是動(dòng)態(tài)測(cè)試。動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型有多種形式：時(shí)域中常用的有微分方程、差分方程和狀態(tài)方程；復(fù)數(shù)域中有傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖；頻域中有頻率響應(yīng)函數(shù)等。
對(duì)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性辨識(shí)的主要目的是得到系統(tǒng)的頻域特性或傳遞函數(shù)，并進(jìn)一步獲得機(jī)械振動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。頻率響應(yīng)函數(shù)用頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)和曲線來(lái)表示，可以把頻率響應(yīng)函數(shù)看成是描述線性系統(tǒng)的非參數(shù)模型。對(duì)于機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性常用“固有頻率、阻尼比和振型”等所謂的模態(tài)參數(shù)來(lái)描述。在頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)參數(shù)識(shí)別的方法，即試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析來(lái)建立機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。
動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的主要內(nèi)容就是對(duì)被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析，由輸入和輸出確定機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性?？梢?jiàn)，動(dòng)態(tài)測(cè)試分為兩大部分：頻率響應(yīng)函數(shù)的測(cè)繪和模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析的重點(diǎn)是，如何利用測(cè)試分析所得的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，通過(guò)模態(tài)識(shí)別的方法，求解出表征機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)識(shí)別可分為單模態(tài)識(shí)別和多模態(tài)識(shí)別，單模態(tài)識(shí)別是建立在小阻尼、弱耦合假設(shè)的基礎(chǔ)上。對(duì)于模態(tài)密集的復(fù)雜結(jié)構(gòu)或大阻尼情況，則需采用多模態(tài)分析。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展，現(xiàn)代模態(tài)參數(shù)識(shí)別大都采用多模態(tài)識(shí)別。
3 振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器的設(shè)計(jì)
3.1 虛擬儀器的提出和組成原理圖
虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠共享計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)的硬件資源和輸入輸出接口軟件，用戶只需設(shè)計(jì)有關(guān)的應(yīng)用軟件便可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測(cè)試分析功能。這樣不僅節(jié)約成本，而且還具有“實(shí)用性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，效價(jià)比良，靈活性好，全自動(dòng)化”的特點(diǎn)?；跀?shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)把機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理方法相結(jié)合，提出了一種構(gòu)建“振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器”的原理和方法。
振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程是：首先按流程圖布置好振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器的硬件系統(tǒng)；然后，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件；最后，振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試與模態(tài)識(shí)別的全過(guò)程，都是在個(gè)人計(jì)算機(jī)上通過(guò)軟面板對(duì)話框和適當(dāng)?shù)目刂瓢粹o來(lái)完成。
3.2 激振方式、激振器和振動(dòng)傳感器的布置
激振方式可分為正弦穩(wěn)態(tài)掃頻和寬頻帶激振兩大類。通常采用“正弦穩(wěn)態(tài)掃頻激振”，其優(yōu)點(diǎn)是激振能量集中，信噪比高，對(duì)于線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試具有很高的測(cè)量精度。
首先，根據(jù)測(cè)試分析要求及振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定激振點(diǎn)的位置和測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量N及各測(cè)量點(diǎn)的位置。對(duì)于空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，往往需要測(cè)量1個(gè)點(diǎn)的3個(gè)方向，這時(shí)應(yīng)選用三軸振動(dòng)傳感器。安裝激振器時(shí)，必須注意激振力的正確施加。在安裝測(cè)振傳感器時(shí)，應(yīng)保證傳感器能正確感受被測(cè)體的振動(dòng)。小型振動(dòng)系統(tǒng)必須選用微型傳感器，以避免傳感器附加質(zhì)量影響振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。
3.3 振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試應(yīng)用軟件的總體研究
根據(jù)對(duì)前面振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試虛擬儀器原理圖的分析可知，振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)流程分為如下步驟：
(1)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制“信號(hào)發(fā)生器”產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，再通過(guò)“激振器”施加于被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)。激勵(lì)信號(hào)的數(shù)字序列為X(n)。
(2) 等待被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定一定時(shí)間，然后計(jì)算機(jī)再發(fā)出指令同步采集數(shù)據(jù)序列X(n)和Y1(n)，Y2(n)，… ，YN(n) 。采樣時(shí)間間隔或采樣頻率應(yīng)符合采樣定理及頻率分辨率的要求。
(3)利用按本原理設(shè)計(jì)的專用軟件分析處理X(n)和Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)， 就可得出被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。
顯然，整套應(yīng)用軟件應(yīng)包括兩大部分，即操作控制部分和數(shù)據(jù)處理部分。由于目前計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，已足以解決此應(yīng)用軟件中的操作控制部分，且鑒于篇幅有限，所以筆者對(duì)應(yīng)用軟件的操作控制部分不再作進(jìn)一步討論，下面重點(diǎn)研究應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)處理部分。
3.4 數(shù)據(jù)處理專用軟件的設(shè)計(jì)原理
3.4.1 濾波方法
由于數(shù)據(jù)序列在采集過(guò)程中難免會(huì)受到各種干擾， 所以必須采取有效的濾波算法對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)序列Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)進(jìn)行修正。通常應(yīng)采用相關(guān)濾波算法，因?yàn)橄嚓P(guān)濾波可以有效地把真正由X(n)通過(guò)振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)從Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)中分離出來(lái)。將經(jīng)過(guò)濾波算法處理后的數(shù)據(jù)序列記為YN1(n)，YN2(n)，…，YNN(n) ，n=1,2, …,D 。D為采樣點(diǎn)數(shù)量。
3.4.2 頻率響應(yīng)函數(shù)的確定
將確定性信號(hào)看成隨機(jī)信號(hào)，采用離散數(shù)字隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)譜分析原理。
XK(k) = FFT [X(n)] YK(k) = FFT [YN(n)]
SX(k) = ∣XK(k)∣2 /D SY(k) = ∣YK(k)∣2 /D
SXY(k) = XK*(k)YK(k) /D XK*(K)為XK(k)的共軛復(fù)數(shù)。
為減少數(shù)據(jù)處理誤差，要對(duì)SX(k)，SY(k)，SXY(k)采取平滑處理算法。分段時(shí)，相鄰兩段重疊50℅的效果最佳，即將記錄段X(n)，YN(n)分成多個(gè)樣本，分別進(jìn)行上述運(yùn)算后再求平均值。
VXY2(k) =∣ SXY(k)∣2 / [SX(k) SY(k)]， 相干系數(shù)VXY越接近1效果越好。
H(k) =SXY(k) / SX(k)， 由變量代換關(guān)系“k/(DTS) =f（TS為采樣時(shí)間間隔）”可得到測(cè)試出的頻率響應(yīng)函數(shù)H(f) 。
對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)序列Y1(n)，Y2(n)，…，YN(n)均用上述方法處理，就可以得到測(cè)試出來(lái)的N個(gè)頻率響應(yīng)函數(shù)H1(f)，H2(f)，…，HN(f) 。
3.4.3 擬合求解模態(tài)參數(shù)
機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別，又稱為曲線擬合，即采用最小二乘法將測(cè)試所得的頻率響應(yīng)值與系統(tǒng)模型值進(jìn)行曲線擬合。優(yōu)化準(zhǔn)則就是使實(shí)測(cè)的頻率響應(yīng)值與理論數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)值的總均方誤差E極小。最小二乘曲線擬合過(guò)程中存在的有關(guān)問(wèn)題，如方程組的病態(tài)問(wèn)題，可根據(jù)數(shù)值分析理論，采用正交多項(xiàng)式的方法加以解決。通常機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的“理論數(shù)學(xué)模型”可用有理分式形式的傳遞函數(shù)來(lái)表示，即
H(s) = N(s)/D(s) = [a0sm+a1sm-1+…+am-1s+am]/ [sn+b1sn-1+…+bn-1s+bn]
上式中，m
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