基于VENZO880振动控制器的传感器瞬态捕捉测试

1、毕业设计（论文）题目： 基于VENZO880振动控制器的传感器瞬态捕捉测试 系（部）： 专业班级： 机电11-1班 姓 名： 学 号： 指导教师： 2014年5月27日摘 要 本次毕业设计进行的是基于VENZO880振动控制器的传感器瞬态捕捉测试。振动控制器的瞬态捕捉功能用于捕捉和分析瞬态加速度信号，比如跌落信号、碰撞信号或者冲击波。通过VENZO880振动控制器采集传感器跌落或者碰撞得到的信号，再对捕捉到的瞬态冲击信号进行SRS分析，可立即评估该瞬态事件将造成的潜在损伤。该振动控制器能够捕捉一系列的冲击波，采集的信号可以以指定的数据格式保存在电脑中用于后续详细分析。关键词振动控制器；传感器；

2、瞬态捕捉；SRS分析ABSTRACTThis graduation design is based on the transient vibration controller sensor VENZO880 capture test. Vibration controller transient capture function to capture and analyze transient acceleration signals, such as dropping the signal, the signal collision or shock. By VENZO880 vibrati

3、on controller drop or crash sensor signal acquisition obtained, and then on to capture the transient signal SRS impact analysis to assess the potential damage that can be caused by transient events immediately. The vibration controller is able to capture a series of shock waves; signal acquisition c

4、an be saved in the specified data format for subsequent detailed analysis on the computer.Key Words：Vibration Controller；Sensors；Transient Capture; SRS Analysis目 录1引言11.1课题背景及意义11.2课题的现状11.3课题主要研究内容22对VENZO880振动控制仪的认识22.1硬件认知22.2硬件连接42.3软件认知53传感器的选型63.1测振原理73.2传感器的参数74试验参数设置84.1系统配置84.2通道编辑84.3试验编辑9

5、4.4分析功能105瞬态信号的采集及分析115.1瞬态信号的采集115.2瞬态信号的分析125.3瞬态捕捉试验报告146总结16致谢18参考文献191 引言1.1 课题背景及意义振动试验主要通过对产品施加国标、军标所规定的振动，以检验产品耐振动的能力，考核产品在振动环境应力下的性能及表现，发现他们的设计缺陷，从而可以改进设计，提高性能和质量。振动环境试验技术的主要应用可以分为两方面：其一，产品的质量检验、加速老化试验以及结构的动态设计试验等；其二，产品的振动测试，将产品置于模拟的振动环境下，实现对其结构强度可靠性及操作可靠性的测试。振动试验和控制技术在航空航天、军事和民用等领域有着广泛地应用，

6、例如火箭、导弹发射后的振动，地震引起的建筑物振动、汽车和工业设备的实验室振动试验等等，可以提供有效的先进的试验方法，提高效率，缩短产品研制周期，创造极大的经济效益。因此，有必要尽快发展我国自己的振动试验控制技术，以满足国防科研和经济发展的需要。本次论文着重论述振动控制系统中的瞬态捕捉功能。我国对于振动控制设备的研究起步较晚，从八十年代开始，我国才开始正式研究数字振动控制系统。1985年华中理工大学研制了以APPLE-微机为基础的振动信号在线分析与检测系统，能够实时地对振动瞬态捕捉，存储显示等多种处理功能，尽管还不能对振动系统进行实时控制，但是也说明我国振动测试也朝着数字式的方向发展。航空航天部

7、623所研制的SKF-1、SKF-2随机振动数字式控制系统为数字式标准振动控制系统的研究提供了借鉴。到了90年代，苏州试验仪器总厂研制成功的数字式标准振动控制仪：SDVC系列正弦和RDVC振动控制仪。同时，苏州东菱振动仪器有限公司也成功研制了SVC、RVC系列基于单板机的振动控制仪。这时国内的数字控制系统的一般特点是：以单板机作为系统的主控机负责系统的管理、数据传送、科学计算和实时控制；用微机作为系统的图形显示和数据存储设备，完成人机对话等。因此存在运行速度慢，功能单一，使用不方便等缺点，系统的安全可靠性、性能指标等均与当前的国际水平有很大的差距。本项目设计在深入分析国内外市场环境，全方位考察

8、现有产品特点，充分考虑客户需求的情况下产生。本项目设计通过振动控制器进行瞬态捕捉测试分析，对捕捉到的瞬态冲击信号进行分析可使用户立即评估该瞬态事件将造成的潜在损伤。1.2 课题的现状目前，世界各国都在关注振动试验的研究，振动试验是信号处理技术、自动控制技术、电力电子技术相结合的高科技学科。从上世纪60年代至今，振动试验的控制技术得到了飞速发展，已经从原来的模拟控制器发展到了数字控制器，并且随着控制理论、微电子技术和计算机技术的发展，性能在逐步提高。一般情况下，瞬态捕捉是对采集到的瞬态加速度信号进行SRS（Shock Response Specture）冲击响应谱分析，对这些分析数据进行评估，可

9、预知该瞬态事件将造成的潜在损伤。1.3 课题主要研究内容针对目前市场上客户的需求，对捕捉到的瞬态冲击信号进行SRS分析可使用户立即评估该瞬态事件将造成的潜在损伤。本论文以VENZO880振动控制仪为模型，进行传感器的瞬态捕捉功能分析。瞬态捕捉功能用于捕捉和分析瞬态加速度信号，比如跌落信号、碰撞信号或者冲击波。主要将针对以下内容进行研究：（1） 传感器的跌落瞬态信号的捕捉；（2） 传感器的碰撞瞬态信号的捕捉；（3） 对瞬态信号进行SRS分析研究。2 对VENZO880振动控制仪的认识2.1 硬件认知VENZO880振动控制器外观见图2-1所示，后面板见图2-2所示。VENZO880振动控制器前面

10、板上有一个红色的急停按钮（Abort）、三个指标灯（Power、Ready和Control）和仪器型号等信息。图2-1 振动控制器前面板仪器的后面板上有BNC输入接口，每个输入接口都支持DC、AC、ICP、电荷及TEDS的耦合方式。驱动端口（Drive）用于驱动功放或液压伺服控制器。AUX通道通常用作正弦试验中的频率参考信号，也可用于驱动第二套功放设备。VENZO880振动控制器通过网络接口与计算机连接，网络连接可避免一些干扰信号进入振动控制系统。后面板上还有一个数字I/O接口，可用于数据采集和驱动其它辅助设备，比如在振动、温度、湿度控制系统中，当振动系统因为某一原因停机后，可通过数字I/O接

11、口设备控制温度、湿度控制系统停止工作。图2-2 振动控制器后面板各部分名称及用途描述见图2-3及表2-1。图2-3 振动控制器结构图表2-1 振动控制器各部分名称及用途描述序号名称用途与说明1急停按钮如遇紧急情况，需要立即停止仪器工作，可使用急停按钮。2型号标签仪器的型号。3运行指示灯若仪器正常工作时，一直处于闪烁状态。4网络指示灯若网络连接正常，则常亮。5电源指示灯仪器电源连接正常后，电源指示灯显示为绿色。6电源开关开启/关闭仪器电源。7电源插孔用于连接电源线。8输入通道信号的输入。9Drive输出驱动信号输出。10AUX输出AUX信号输出11网络连接口用于与PC机相连。12外部急停接口可外

12、接中断信号，方便操作人员设置在一定条件下自动中断试验。13接地柱接地柱。14DIO用于数字信号的输入/输出。15ID标签记录产品硬件编号。2.2 硬件连接（1）由于本试验是对传感器进行瞬态捕捉测试，所以无需连接功率放大器和振动台，只需连接传感器。如图2-4所示。图2-4 传感器与振动控制器连接图（2）连接好振动控制仪的电源线。（3）将振动控制器与PC机用供应商提供的专用网络连接线连接好。（4）开启电源开关，见表2-1中的7所示，电源指标灯（Power）即显示为绿色，这时即表明仪器电源线已经连接好。网络指示灯（Ready）开始闪烁，则网络连接线已经连接妥当。2.3 软件认知在起始页中，选择所需的

13、试验，即可进入试验，图2-5所示。进入试验软件后，设置试验参数，才能开始运行试验。图2-5 振动控制软件开始界面图选择“瞬态捕捉”试验点击，进入瞬态捕捉试验界面，进行参数设置。瞬态捕捉界面如图2-6所示.图2-6 瞬态捕捉功能实验界面在这一软件界面中，默认的显示窗口分为上、下两部分。默认窗口的上部分显示理想波形和所有输入通道的信息。其中：脉冲：显示信号的幅值和宽度（持续时间）。积分区间：信号速度的积分区间以及变形分析的计算区间。速度变化量：信号的速度变化量。低通滤波：低通滤波的截止频率。最大值：信号的幅值最大值。最小值：信号的幅值最小值。下部为时域显示窗格，显示理想波形、高中断、低中断和输入通

14、道的时域信号。3 传感器的选型振动是工程中普遍存在的现象。振动测试通常用于寻找振源、振动强度、可靠性和舒适性等问题的分析，近年来更是成功用于重要设备本身的监测、状态识别、故障诊断等方面。目前，大型成套设备本身的结构及其运行的机制通常相当复杂，利用振动响应和系统动态特征的变化来进行故障监测、预报是设备故障诊断重要研究手段之一。振动测量中，常需测量位移、速度和加速度三个基本量，而位移、速度和加速度三者之中只需测出其一，其余两个量就可以通过相应的微积分运算电路计算得到。在各类振动测量传感器中，压电式加速度计因其具有体积小、重量轻、频响范围宽（0.1Hz20Hz）、加速度测量范围大、测量精度高、抗干扰

15、能力强，可在常温和高温下测量等优点，从而在加速度测量系统中广为应用。因此，本试验选用压电式IEPE加速度计，产品型号为122A50，传感器的典型幅频特性，如图3-1所示。图3-1 压电式IEPE加速度计幅频特性3.1 测振原理压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。其实现原理如图1所示，当与被测物固定在一起的加速度传感器受到振动时，压电元件在受被测物惯性力的作用下，产生相应的加速度，即F=ma。其中，F为被测物产生的惯性力；m为被测物的质量；a为加速度。同时，惯性力F作用于传感器上，

16、其内部的压电元件表面产生的电荷Q正比于作用力F，亦即与试件的加速度成正比，因此有： （式1）其中：d为压电元件的压电常数压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等待点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。3.2 传感器的参数160Hz，30ms-2压电式IEPE加速度计传感器的参数如表3-1所示。表3-1 压电式IEPE加速度计参数参考灵敏度50.6 mV/g 或 5.16 mV/ms-2横向灵敏度比5%幅值非线性1%测量范围100g抗冲击3000g频率范围0.58000Hz直流偏置电压111V DC供电电源电压+18+

17、28V DC电源恒流源210 mA输出阻抗100欧姆工作温度-40+120重量21g安装螺栓M5安装平面直度3m安装扭矩3N.m4 试验参数设置进行瞬态捕捉试验，需要设置的选项通常有传感器灵敏度、工程单位和输入通道设置等。进行试验之前，先检查并设置好菜单中各个选项中的设置，包括：（1）系统配置：主要用于设置振动试验系统相关参数。在系统配置中设置项目信息；试验参数所使用的单位。（2）通道编辑：设置输入通道信息，包括输入模式和传感器灵敏度。（3）试验编辑：设置试验触发、理想波形和冲击响应谱等。4.1 系统配置打开“系统配置”对话框，由于本次试验的要求，只需设置工程单位即可，如图4-1所示。图4-1

18、 瞬态捕捉系统配置设置4.2 通道编辑打开“通道编辑”选项，在输入通道这里设置输入通道有关参数，如图4-2所示。图4-2 瞬态捕捉通道编辑设置4.3 试验编辑打开“试验编辑”，由于我们所做试验为触发类，所以选择触发选项，设置如图4-3所示。图4-3 瞬态捕捉实验编辑设置4.4 分析功能力变形分析设置冲击速度、跌落高度以及试件质量，如图4-4所示。图4-4 力变形分析冲击响应谱分析功能主要是对阻尼比进行更改，阻尼是指使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用。阻尼比是指阻尼系数与临界阻尼系数之比，表达结构体标准化的阻尼大小。瞬态捕捉的冲击响应谱的分析，如图4-5所示。图4-5 冲击响应谱分析5 瞬态

19、信号的采集及分析5.1 瞬态信号的采集跌落信号与碰撞信号都属于冲击信号。冲击试验技术可以分为两类试验：其中一种是采用经典波形控制试验，此方法主要是利用跌落式冲击，产生简单的冲击脉冲如半正弦波、后峰锯齿波、梯形波等。如图5-1所示。这种模拟方法相对简单而且可重复性好。本论文由于材料上的局限性，无法使用振动台模拟真实环境的冲击响应，所以采用经典波形控制试验，只针对传感器的跌落式冲击试验。半正弦波后峰锯齿波梯形波图5-1 冲击响应控制波形图将传感器跌落在鼠标垫上，得到的波形，如图5-2所示。将传感器与鼠标垫碰撞，得到波形，如图5-3所示。图5-2 跌落信号图5-3 碰撞信号5.2 瞬态信号的分析在这

20、次试验中，碰撞信号相当于低高度的跌落信号。因此，我们只选跌落信号进行计算分析。图5-4 瞬态信号SRS分析其中、为SR1-1000Hz波形的峰值点。由图可知，此波形为半正弦波，正弦函数： （式2）加半正弦波： （式3）其中：T为半正弦波持续时间，f：为半正弦波频率。半正弦波频率与持续时间存在如下关系： （式4）这一半正弦波的末端速度和位移均为零，无需进行补偿。传统的冲击试验，主要以简单脉冲产生的冲击效果来模拟实际的冲击环境，冲击响应谱是冲击作用在一个系统上，系统上产生的响应，响应的大小和系统的固有频率和阻尼有关，因此以横坐标为系统的固有频率，纵坐标为响应的最大峰值，画出的曲线就是冲击响应谱。简

21、单的说，冲击响应谱是指一系列单自由度质量阻尼系统，当基础受到冲击激励时各单自由度系统在不同的固有频率下的响应峰值。如图5-5所示，为冲击响应谱分析的3D显示图。图5-5 冲击响应分析3D演示图单自由度系统在冲击振动过程中，当激振频率接近于系统的固有频率时，其振动幅值会急剧增大。根据所用的测试手段和所得记录，采用了总幅值法。总幅值法又称最大幅值法。振动系统的幅频特征曲线上某一峰值对应的频率就等于固有频率。利用=/2wn求阻尼比。对某一阶共振模态，当阻尼比0.1，w的求法如图5-6所示。在振动峰值附近做一条纵坐标为A（wr）/2，即0.7倍峰值的水平直线，该直线与幅频曲线相交于a、b两点，两点间的

22、频宽即w。图5-6 求阻尼比利用冲击响应谱对冲击试验进行分析，就是将产品承受的实际冲击转换为冲击响应谱，并将其作用在产品上进行试验，判定产品对此冲击响应谱的承受能力。5.3 瞬态捕捉试验报告图5-7 瞬态捕捉SRS分析图表5-1 瞬态捕捉通道1的各测量值输入通道幅值（g）脉冲宽度（ms）积分区间（ms）速度变化量（m/s）低通滤波（Hz）最大值（g）最小值（g）188.193.5218.46 23.731.4688.19-1.056图5-8 瞬态捕捉力分析图表5-2 瞬态捕捉力分析值输入通道力峰值（N）变形峰值（mm）冲击速度（m/s）跌落高度（mm）试件质量（kg）118161.6020.3

23、14.431000.0021.00理论能量（J）输入能量（J）损耗能量（J）吸收能量（J）反弹能量（J）效率（%）113.41255.47113.410.0030.74图5-9 瞬态捕捉冲击响应三维图表5-3 触发参数触发通道1触发量级10 g斜率双沿预触发40 %捕捉时间50 ms采样频率20480 Hz默认分析方式半正弦波表5-4 中断点参数频率（Hz）左斜率（dB/Oct）加速度（g）右斜率（dB/Oct）低中断（dB）高中断（dB）1095.97087-66455.97087400-662000040-666 总结从刚开始的开题报告到现在的论文定稿，对振动控制器的认识，也从初步认知到慢

24、慢熟悉。这一过程，不仅仅是对振动控制器的熟悉，对这个控制测量领域也有了一定的认知。首先要了解可靠性试验的定义，才能对振动控制器有一个初步的概念。振动控制器振动试验是可靠性试验的重要组成部分，随着航空、航天、军事装备以及各民用行业对产品性能以及可靠性要求的不断提高，对环境振动试验的要求越来越高。振动试验在航空航天、军事、汽车、航海和建筑等领域有着广阔的应用前景，然而目前国内使用的振动控制器产品主要依靠国外进口，在这种背景下，开展技术的研究是十分必要和迫切的，研究开发振动控制设备成为十分紧迫的课题。使用压电式加速度传感器进行瞬态捕捉测试的振动测量，具有其他传感器测振不可比拟的优点。只有明确其测振原

25、理、熟悉技术性能指标、掌握选用原则和使用的方法技巧，才能够较好的进行瞬态捕捉测试的测量和分析。本文以VENZO880为基础设备，进行传感器的瞬态捕捉研究，在理论和模拟上都做了一些研究和探索，主要工作和成果包括以下几个方面：（1）在大概分析振动控制系统功能与结构的基础上，完成了系统的方案初步的连接及了解。根据系统功能的要求，提出传感器的瞬态捕捉试验。（2）通过对传感器的特点分析比较，采用了压电式加速度传感器与VENZO880振动控制器直接连接，使用方便。（3）完成了对传感器冲击以及碰撞的瞬态信号进行捕捉，经过多次的冲击碰撞，从中选取信号，对此信号进行分析。（4）研究了SRS的分析方法。本论文采用

26、SRS分析法对捕捉到的模拟瞬态信号进行分析，计算了冲击及碰撞信号，从而得出一个结论。冲击是指一个结构系统受到瞬态载荷，能激起瞬态扰动的力、位移、速度或加速度的突然变化，并在很小的空间内释放出相当大的能量。由于冲击运动会给设备带来的一定的损伤和破坏，故我们需要研究设备所处的冲击环境，并通过模拟环境来检查其耐冲击能力。对于论文中提到的对传感器冲击进行的力分析，主要作用是对试验的数据进行一个详细具体的记录。传统的冲击试验采用的是典型的冲击脉冲源，不能完全模拟真实的冲击环境，冲击响应谱通过冲击引起的响应大小来衡量冲击的破坏力，将传统试验方法中对冲击环境的模拟转变为对冲击损伤的模拟，从而使冲击试验具有对

27、实际冲击环境更加真实的模拟效果。冲击响应谱有效的解决了在试验室环境下很难模拟实际冲击环境时域特征的问题，改变了传统的冲击试验仅考虑冲击波形的不足，将结构对冲击的响应和冲击波形进行综合分析，从而使冲击试验具有对实际冲击环境更加真实的模拟效果。随着航天事业的发展，冲击响应谱试验已经是卫星、飞船上各种部件不可缺少的力学试验，随着对冲击响应谱试验技术的研究，冲击响应谱也将逐步应用到地面设备中。瞬态捕捉功能和分析瞬态加速度信号，比如跌落信号、碰撞信号或者冲击波。当外部输入信号满足了所设定的触发条件触发量级、触发沿和预触发百分比等。VENZO 880 将被触发并捕捉到瞬态信号，同时将捕捉到的信号显示出来。

28、对捕捉到的瞬态冲击信号进行SRS分析可使用户立即评估该瞬态事件将造成的潜在损伤。一系列的冲击波形都能够被捕捉到并可以以指定的数据格式保存在电脑硬盘中，这些保存的数据可用于后续的详细分析。随着振动控制器在市场上的需求量和要求越来越高，一些功能也慢慢的更多的被挖掘。本文对基于VENZO880振动控制仪的传感器瞬态捕捉试验进行了冲击及碰撞信号的分析研究，取得了一定的成果，但由于时间和知识的限制，还存在一些不足的地方，后期的研究工作可以进行以下方面的研究：（1）瞬态捕捉功能的分析程序的开发和完善，随着对信号分析功能的增加，该部分内容有很大的提升空间。（2）研究基于一种传感器的瞬态捕捉信号。瞬态捕捉是信

29、号分析的一种信号处理方法，它在信号处理中有优越的特性。SRS分析在时域和冲击响应谱中的分析作用具有良好的作用。在瞬态捕捉模块中，可以通过不同的分析方法及不同的测试模式来研究瞬态捕捉功能的更多性能。致谢在大学的这三年是我人生中虽然不是最重要的阶段，但是一定是经历最多的阶段。对于我的以后的发展方向和目标的确立有着极其重要的作用。经过这三年的经历沉淀，我从一个对所有事情都是懵懵懂懂的不成熟的小孩，成长为一个可以让别人很放心，可以让人信任的较成熟的小大人。大学三年，使我们成熟，让我们成长。虽然大学生活即将结束，但我仍然会继续努力、继续学习，活到老学到老。毕业设计期间，特别感谢王红梅老师对我的指导和帮助。经过这几个月的忙碌和学习，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个工科生对新接触的振动控制仪的毕业设计，由于经验和知识的匮乏，有许多考虑不周