倪守龍，王曉龍，龐爾軍

（華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系，河北 保定 071003）

1 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的簡(jiǎn)支梁振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)［1］，其硬件構(gòu)成如圖1所示。其中，9101加速度傳感器電荷靈敏度為30PC／g，頻率范圍為0.2kHz～10kHz，諧振頻率為27kHz。DHF－10放大器頻率范圍為0.3kHz～100kHz，增益為0dB～40dB，輸出電壓為±10V。LC1301型力錘質(zhì)量為0.35kg，靈敏度為1mV／N，量程為5 000N。YE5852放大器增益為0.01mV／pC～1 000mV／pC，精度為±1%，輸出電壓為±10V。NI9234采集卡有4個(gè)輸入和1個(gè)輸出通道，精度均為24位，并且增益可由軟件控制，采樣速率最高達(dá)51.2kS／s，輸入電壓信號(hào)范圍在±5V之間。

圖1 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2 振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)采用LabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)化特征，整個(gè)系統(tǒng)程序分為信號(hào)采集、信號(hào)分析、界面管理3部分。

前面板包括圖形顯示、數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置3部分。在前面板中可以通過(guò)點(diǎn)擊列表和旋鈕來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的采樣點(diǎn)數(shù)、頻率、電壓和數(shù)據(jù)保存路徑。點(diǎn)擊分析列表標(biāo)簽可以切換不同圖形顯示控件，包括激勵(lì)信號(hào)、原始信號(hào)、濾波信號(hào)、相關(guān)性分析、功率譜分析、FFT變換、頻響分析等。

程序框圖是完成程序功能的圖形化原代碼，通過(guò)在程序框圖中對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)輸入、輸出的指定，完成信號(hào)采集、分析處理功能的操作與控制。程序框圖中包括前面板上控件的連線端子以及連線編寫(xiě)程序。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 激勵(lì)方式

用力錘進(jìn)行脈沖激振是一種使用較多的瞬態(tài)激勵(lì)方法，不需要信號(hào)發(fā)生器、激振器、功率放大器等設(shè)備，其測(cè)試時(shí)間短，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并且對(duì)被測(cè)物件無(wú)附加質(zhì)量和剛度約束，是比較常用的激勵(lì)方法［2］。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及原理

3.3 數(shù)據(jù)分析

在等強(qiáng)度簡(jiǎn)支梁上將傳感器固定于一點(diǎn)，保持其位置不變，用大小適合的力多次錘擊測(cè)點(diǎn)，多次測(cè)量，波形回放后根據(jù)所顯示的頻響函數(shù)曲線和響應(yīng)信號(hào)曲線，剔除不理想的測(cè)試數(shù)據(jù)，最后選取一組頻響函數(shù)曲線較為平滑理想的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并保存所測(cè)的各階固有頻率值。測(cè)得的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)如圖2所示。

測(cè)量一個(gè)激勵(lì)與對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，將激勵(lì)和響應(yīng)轉(zhuǎn)換到頻域，然后計(jì)算兩個(gè)頻譜之比，就可以得出頻率響應(yīng)函數(shù)的結(jié)果［3］。在頻域中定義輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值比與相位差分別為測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，總稱(chēng)為測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，表達(dá)式為：

其中：X0為輸入信號(hào)幅值；Y0為輸出信號(hào)幅值；φx為輸入信號(hào)相位；φy為輸出信號(hào)相位。測(cè)得的幅值比曲線和相位差曲線如圖3所示。

測(cè)量結(jié)果顯示簡(jiǎn)支梁前3階固有頻率分別為85.39Hz、326.75Hz、730.14Hz，由于傳感器需被固定在簡(jiǎn)支梁上，附加的質(zhì)量會(huì)使簡(jiǎn)支梁的固有頻率發(fā)生變化，運(yùn)用公式（其中，m、f0分別為簡(jiǎn)支梁的質(zhì)量和附加質(zhì)量后的固有頻率，mt為傳感器的質(zhì)量）對(duì)簡(jiǎn)支梁的固有頻率f進(jìn)行計(jì)算［4］。簡(jiǎn)支梁的質(zhì)量為1.54kg，用天平稱(chēng)得傳感器質(zhì)量為100g。經(jīng)計(jì)算，排除傳感器質(zhì)量干擾后的等強(qiáng)度簡(jiǎn)支梁的一階固有頻率為88.12Hz，二階固有頻率為337.19Hz，三階固有頻率為753.47Hz。

圖2 力錘激勵(lì)信號(hào)和簡(jiǎn)支梁振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)

簡(jiǎn)支梁角頻率的理論計(jì)算公式為：

其中：r為階數(shù)；E為簡(jiǎn)支梁彈性模量，E＝200GPa；I為簡(jiǎn)支梁根部截面慣性矩，I＝ab3／12，簡(jiǎn)支梁寬度a＝0.05m，簡(jiǎn)支梁厚度b＝0.008m；l為簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度，l＝0.55m。由式（4）計(jì)算得出：一階固有頻率為86.43Hz，二階固有頻率為345.72Hz，三階固有頻率為777.87Hz。

3.4 數(shù)據(jù)比較

表1為簡(jiǎn)支梁固有頻率實(shí)測(cè)值與理論值的比較。

4 結(jié)語(yǔ)

由于支撐結(jié)構(gòu)和理論條件有一定差異，簡(jiǎn)支梁彈性模量取值也不精確，所以存在一定誤差，但從比較結(jié)果來(lái)看，測(cè)試分析系統(tǒng)所測(cè)量的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。

圖3 幅值比曲線和相位差曲線

表1 簡(jiǎn)支梁固有頻率實(shí)測(cè)值與理論值的比較

［1］戴新.虛擬儀器在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.測(cè)試測(cè)量技術(shù)，2008，11（12）：11－12.

［2］唐貴基，楊將新，楊世錫.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］安靜賢，莫愁云，王震.虛擬儀器技術(shù)在振動(dòng)測(cè)試中的應(yīng)用［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（2）：67－68.

［4］劉權(quán)，郭迎福，肖釗.基于LabVIEW的等強(qiáng)度懸臂梁固有頻率測(cè)試技術(shù)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（8）：592－595.