專利名稱：：一種虛擬振動臺檢測設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及虛擬振動臺檢測設(shè)備領(lǐng)域，更具體的說是一種使用簡單方便，適用于虛擬振動臺信號處理方法的虛擬振動臺檢測設(shè)備。技術(shù)背景在以往的參數(shù)測量中，由于測量的參數(shù)多、測量現(xiàn)場的分布面廣，因此需要多種分離式測量儀器如電荷放大器、電壓表、頻率計、失真度測量儀等，給測量帶了極大的不便。后來采用了數(shù)字化的頻率計、動態(tài)信號分析儀，但這些儀器主要依賴于進(jìn)口，加工工藝復(fù)雜，對制造水平要求高，而且購買這些儀器所用的費(fèi)用較高，儀器的通道少，使用受到了限制。目前應(yīng)用最多的主要是B&K的PULSE振動測試系統(tǒng)，雖然其具有功能多，分析精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是其昂貴的價格，再加上英文操作界面限制了這類儀器在國內(nèi)的推廣與使用，而且對于某些測試項目仍然采用人工計算的方式，自動化程度不高。所謂的虛擬儀器(VirtualInstrument,簡稱VI),就是用戶在通用計算機(jī)平臺上，根據(jù)需求定義設(shè)計儀器的測試功能，使得使用者在搡作一臺他自己設(shè)計的測試^l器一樣。虛擬4義器的出現(xiàn)，打^^了傳統(tǒng)儀器有廠家定義，用戶無法改變的工作模式，使得用戶可以根據(jù)自己的需求，設(shè)計自己的的儀器系統(tǒng)，在測試系統(tǒng)和儀器設(shè)計中盡可能用軟件代替硬件，充分利用計算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能。"軟件就是儀器"是虛擬儀器概念最簡單，最本質(zhì)的概括。計量定義為"實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動"，其具有準(zhǔn)確性，統(tǒng)一性，溯源性，法制性特點(diǎn)。計量活動可看作是驗證性質(zhì)的測試過程，目的是確保儀器的測試數(shù)據(jù)具有必要的準(zhǔn)確度和可靠性，以滿足測試的需求。對于傳統(tǒng)儀器，其計量測試相對容易，計量人員可以根據(jù)國家、部門或地方頒布的計量技術(shù)法規(guī)開展具體的計量工作。而在基于虛擬儀器技術(shù)的國家計量基標(biāo)準(zhǔn)裝置和計量測試系統(tǒng)中，盡管使用計算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器模塊化能夠大幅度提高裝置和系統(tǒng)的集成化、自動化和智能化程度，但與此同時帶來了以下問題。傳統(tǒng)計量標(biāo)準(zhǔn)裝置各儀器的準(zhǔn)確度或測量不確定度可以通過周期檢定來確定，并通過分析各類誤差源對被測量不確定度貢獻(xiàn)的大小進(jìn)行評估。對于使用虛擬儀器技術(shù)集成化程度很高的測量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度是虛擬測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件模塊的準(zhǔn)確度是虛擬測試系統(tǒng)的靈魂。對于硬件模塊在由傳感器傳送到計算機(jī)的A/D轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)和信號調(diào)理環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的準(zhǔn)確度影響較大；而在虛擬儀器軟件編程中使用的數(shù)據(jù)算法帶來的不確定分量以及出現(xiàn)的任何一個小的紕漏都可能對校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此很難評估和測量各誤差源對被測量值影響的大小，所以無法再按照傳統(tǒng)的方法進(jìn)行不確定度的評估。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，設(shè)計一種集成度高，適用于虛擬儀器的虛擬振動臺檢測設(shè)備。本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)其目的。本實(shí)用新型所設(shè)計的虛擬振動臺檢測設(shè)備，結(jié)構(gòu)包括加速度傳感器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)，上述設(shè)備依次連接，所述信號調(diào)理設(shè)備和數(shù)據(jù)采集卡安裝在獨(dú)立的殼體中形成外掛式數(shù)據(jù)采集裝置，通過USB接口與計算機(jī)連接。采用外掛式數(shù)據(jù)采集裝置，其具有數(shù)據(jù)吞吐量大，價格便宜，方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，采用該類型的數(shù)據(jù)采集裝置既具有高檔儀器的測量品質(zhì)，又能滿足測量需求的多樣性。對大多數(shù)需求，這種方案不但實(shí)用，而且具有很高的性價比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器配置方案。所述加速度傳感器包括一個三向加速度傳感器和至少四個單向加速度傳感器。其中在振動臺的中心點(diǎn)位置安裝一個單向加速度傳感器用于測試失真度，在中心點(diǎn)位置安裝一個三向加速度傳感器用于測試縱橫比，在振動臺上剛性的連接不少于三支單向加速度傳感器用于測試均勻度。本實(shí)用新型的加速度傳感器采用壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器是一種安裝方便，使用廣泛的振動檢測傳感器，它具有體積小、重量輕、機(jī)構(gòu)簡單、工作可靠、信噪比高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計的信號調(diào)理設(shè)備采用電荷放大器，同時為了避免信號混疊的出現(xiàn)，調(diào)理器應(yīng)含有抗混濾波;漠塊。計算機(jī)通過串口與信號調(diào)理設(shè)備連接，可以通過計算機(jī)串口實(shí)現(xiàn)對信號調(diào)理設(shè)備的程控。鑒于當(dāng)前振動臺測試儀器所面臨的不足，針對市場對于低價位、高性能振動臺參數(shù)檢測裝置的需求，本實(shí)用新型采用了先進(jìn)的信號處理技術(shù)和基于USB接口的便攜式數(shù)據(jù)采集裝置，大大降低了測試成本，同時融入了數(shù)據(jù)的自動化處理，在保證測試精度和可靠性的前提下，提高了測試效率。圖1為本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2位本實(shí)用新型的系統(tǒng)模塊圖；圖3為加速度傳感器在振動臺上安裝位置的示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明。振動臺是一種模擬各種振動環(huán)境來考察產(chǎn)品工作可靠性的裝置，按照結(jié)構(gòu)原理可以分為電動式振動試驗臺和機(jī)械式振動試驗臺。通常為了確保振動臺的運(yùn)行狀況符合國家相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的要求，針對各式振動臺要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)測試，其中頻率、加速度、速度、位移、縱橫比、失真度、均勻性七個參數(shù)的測試指標(biāo)是衡量振動臺好壞的關(guān)鍵，因此振動臺綜合參數(shù)測試也就是針對上述七個參數(shù)的測試。振動臺綜合參數(shù)測試首先要將加速度傳感器安裝在被測振動臺4上，具體如圖3所示對于頻率(f)、加速度(a)、速度(V)、位移(D)，失真度(S)的測試，只需在中心點(diǎn)位置安裝一個單向加速度傳感器1,然后選擇不同的頻率點(diǎn)分別進(jìn)行測試；對于縱橫比的測試要求在中心點(diǎn)位置安裝一個三向加速度傳感器2，按照倍頻程選取多個頻率值，并在給定振幅下進(jìn)行振動，從測振儀上依次取三個方向的加速度幅值，并按照下式計算出縱橫比T:式中"w一垂直與主振方向的兩個互相垂直的加速度幅值的分量，m/s2a:—為主振方向的加速度幅值，m/s2而對于均勻性測試則需要再將四支單向加速度傳感器3剛性的連接如圖所示，然后依次測出各個位置的加速度幅值，并按照下式測出其均勻度N。|Aa|N="式中"一同次測量中，中心點(diǎn)的加速度幅值，m/s2lAfll—同次測量中，各點(diǎn)加度度與中心點(diǎn)加速度的最大偏差(絕對值)，m/s2依據(jù)JJG189-97、JJG190-97、JJG298-2005等有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其最大應(yīng)測特征參數(shù)含有振動位移D、振動速度V、振動加速度a、振動頻率f、振動波形失真度S、振動加速度均勻性N，振動臺橫向加速度T,要求系統(tǒng)滿足被測參數(shù)技術(shù)指標(biāo)如下①測試頻率范圍5HZ-4KHz，要求頻率測量精度優(yōu)于±0.1%②測試加速度范圍0.1-2000m/s^加速度幅值精度優(yōu)于土3呢，位移優(yōu)于±5%同時要求系統(tǒng)具有振動數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、顯示、打印報表功能，而且便于攜帶。虛擬儀器按照不同的分類形式構(gòu)成了不同的體系結(jié)構(gòu)，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，虛擬儀器形成了以下幾種重要的體系結(jié)構(gòu)GPIB，PXI，VXI，PC-DAQ。下面就各種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)做以比較，并結(jié)合本實(shí)用新型要求，選擇一種適宜的體系結(jié)構(gòu)。GPIB(HP-IB或IEEE488)-通用串口總線，是計算機(jī)與傳統(tǒng)儀器的接口。通過GPIB總線可以將包含有GPIB接口的各種儀器連接起來，從而可以實(shí)現(xiàn)基于傳統(tǒng)儀器的自動測試。其優(yōu)點(diǎn)就是利用傳統(tǒng)儀器，可以降低了系統(tǒng)的搭建費(fèi)用，但是，由于總線本身的吞吐數(shù)據(jù)能力有限(1Mb/s)，而且其積木式搭建方式使得測試系統(tǒng)本身比較龐大，難以滿足現(xiàn)場測試的需要，因此使用受到了一定的限制。VXI(VMEExtensionforInstrumentation)。它的結(jié)構(gòu)形式是將信號采集、信號調(diào)理等各種標(biāo)準(zhǔn)模塊裝入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)箱通過插入計算機(jī)的卡或嵌入式控制器與計算機(jī)通訊。VXI遵守VPP聯(lián)盟所規(guī)定的軟件規(guī)范和VXI聯(lián)盟相應(yīng)的硬件規(guī)范，系統(tǒng)具有很高的的可靠性，兼容性和集成度，但是由于VXI的價格過高，主要應(yīng)用于#<空、航天等尖端測試領(lǐng)域。PXI(PCIExtensionforInstrumentation)。PXI是PCI總線的儀器擴(kuò)展。它的結(jié)構(gòu)形式與VXI基本相同，區(qū)別在于總線不同(傳輸率達(dá)到132Mb/s)和價格更容易接受，目前NI公司力推PXI總線的產(chǎn)品，其具有廣闊的應(yīng)用前景，但是價格仍然比較高。PC-DAQ體系結(jié)構(gòu)是虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)中最簡單易用的一種，其實(shí)現(xiàn)方式有如下兩種。一種是在通用的PC機(jī)插槽內(nèi)直接插入通用的數(shù)據(jù)采集卡(又稱為內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡)，通過軟件編程控制數(shù)據(jù)采集卡來完成測試系統(tǒng)的功能。它的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)建成本最低，便于在實(shí)驗室中使用，缺點(diǎn)是系統(tǒng)噪聲較大，不便于攜帶，電磁兼容性和系統(tǒng)可靠性較差。另外一種是利用計算機(jī)的USB的外掛式數(shù)據(jù)采集裝置，其具有數(shù)據(jù)吞吐量大，價格便宜，方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，采用該類型的數(shù)據(jù)采集裝置既具有高檔儀器的測量品質(zhì)，又能滿足測量需求的多樣性。對大多數(shù)需求，這種方案不但實(shí)用，而且具有很高的性價比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器配置方案。如圖1所示所述信號調(diào)理i殳備和凄丈據(jù)采集卡安裝在獨(dú)立的殼體中形成外掛式數(shù)據(jù)采集裝置8，通過USB接口與計算機(jī)7連接，輸入用于采集振動臺4上加速度傳感器的信號。振動信號檢測由傳感器實(shí)現(xiàn)，通常最常用的加速度傳感器有以下幾種壓電式加速度傳感器，ICP(IntegratedCircuitsPiezoelectric)式加速度傳感器，電容式加速度傳感器和壓阻式加速度計，其中電容式加速度傳感器多用于振動沖擊測試，壓阻式傳感器多用于測量長時沖擊脈沖信號，ICP傳感器也普遍應(yīng)用于振動測試領(lǐng)域，但就目前應(yīng)用的廣度來看，采用已有的壓電式加速度傳感器還是主流。壓電加速度傳感器是一種安裝方便，使用廣泛的振動檢測傳感器，它具有體積小、重量輕、機(jī)構(gòu)簡單、工作可靠、信噪比高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)綜合考慮各種因素，本文選用壓電加速度傳感器作為振動檢測傳感器。來自于傳感器的電荷信號還不能用數(shù)據(jù)采集設(shè)備來測量，最主要的問題是電荷參凄t未達(dá)到計算機(jī)處理的要求，且極易受到噪聲的影響，而有些信號還可能存在很高的尖峰值，因此在將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之前要進(jìn)行放大，濾波等預(yù)處理，并且要求信號調(diào)理模塊具有抗干擾能力。另外本實(shí)用新型摒棄傳統(tǒng)電荷放大器手動控制的缺點(diǎn)，要求電荷放大器包含有程控接口(如RS232)。為此選用揚(yáng)州無線電二廠生產(chǎn)的YE5864多功能前置信號調(diào)理設(shè)備5，可以電荷、電壓、ICP等多種輸入方式輸入(方便以后的升級)，同時設(shè)置了雙積分電^各，檔位可調(diào)的抗混濾波器，該信號調(diào)理設(shè)備5可以通過計算機(jī)7串口實(shí)現(xiàn)對信號調(diào)理設(shè)備5的程控，如圖所示。按照上述步驟選配設(shè)備然后組合系統(tǒng)如圖2所示，加速度傳感器1、2、3采集振動臺4的振動信號，經(jīng)信號調(diào)理設(shè)備5的調(diào)理后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡6，數(shù)據(jù)采集卡6完成相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)化后將數(shù)據(jù)通過USB總線傳給計算機(jī)，計算機(jī)7負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的進(jìn)行離散傅立葉變換和數(shù)字信號頻域濾波，通過頻域濾波后的信號進(jìn)行預(yù)處理，然后通過一次積分輸出速度分量，兩次積分輸出位移分量。同時計算機(jī)7可以通過RS232口設(shè)置信號調(diào)理設(shè)備5的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對調(diào)理設(shè)備5的控制。以下為本實(shí)用新型i殳備與AudioPrecision公司生產(chǎn)的動態(tài)信號分析儀ATS的測試值做以比爭文。測試結(jié)果比對表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>以上測試標(biāo)稱值電壓幅值為1.000V由上表可以計算出系統(tǒng)的幅頻測試誤差如下:測試誤差比對表幅值1.004頻率(Hz)調(diào)理后信號測值誤差本實(shí)用新型系統(tǒng)測值誤差A(yù)TS系統(tǒng)測值誤差幅值誤差(%)頻率誤差(%)幅值誤差(%)頻率誤差(%)幅值誤差(%)頻率誤差(%)20.00.20細(xì)0.30.000-0.7%-O德25.00.20細(xì)0.30.000-0.7%掘1240.00.2o細(xì)0.3-0.003-0.7%aoio訓(xùn)0.2o細(xì)0.3-0.003-0.7%■0.008100.00.2o扁0.3-0.002-0.7%-o攝2,0.3o細(xì)0.4-0.005-0.7%■0.010概00.2o細(xì)0.3-0.003-0.7%-o細(xì)IK0.2o細(xì)0.3■0.002-0.7%-0.0102K0.2o擺0.30働-0.7%-0.005i4K0.30.0000.40.000-0.7%-0.005從表中我們可以看出，系統(tǒng)測試頻率的精度完全可以滿足<0.1%的目標(biāo)，其頻率測試精度優(yōu)于ATS系統(tǒng)測試精度，幅值誤差也優(yōu)于1%。積分效果測試由于加速度、速度和位移之間存在積分關(guān)系，所以速度和位移信號的計算精度取決于加速度信號的精度(幅頻精度)。在上述測試中已經(jīng)給出了加速度信號的幅頻精度，故可以設(shè)定加速信號的幅頻為參考值，并通過理論計算給出標(biāo)準(zhǔn)值，然后分別采用時域積分法和頻域積分法給出測量值。通常位移測試多用于低頻振動的場合，因此在測試中只取了頻率小于200Hz的信號，其測試數(shù)據(jù)如下積分測試結(jié)果比對表被測加速信號速度值(乘以系數(shù)iooo)位移值(乘以系數(shù)1000000)幅值(V)頻率(Hz)理論值時域積分頻域積分理論值時域積分頻域積分l.瞧19.9977.9677.9657.96663.40863.39263.399l纖39.9773.9853.9843.98515.86515.86415.8651.00279.9691.9941.9931.9933.9693.9663.967l駕199.9150.8000細(xì)0.8010.6360.6380.638通過上表可以發(fā)現(xiàn)采用軟件積分法得到的數(shù)據(jù)和理論值比較接近，而且頻域積分法的精度略高于時域積分法，在信號的處理過程中，也避免了基線修正的問題，因此在本實(shí)用新型中，最終的積分算法還是選用了頻域積分法。失真度測試失真度用來考察被測系統(tǒng)引入非線性失真的大小，在計算中需要得到系統(tǒng)引入諧波幅值的大小。諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的比值。諧波失真度的計算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中Ai是基波的幅值，A,...An代表n次諧波的幅值。下面我們通過測試來iJt明測試的有效性。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1.一種虛擬振動臺檢測設(shè)備，其特征在于包括加速度傳感器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)，上述設(shè)備依次連接，所述信號調(diào)理設(shè)備和數(shù)據(jù)采集卡安裝在獨(dú)立的殼體中形成外掛式數(shù)據(jù)采集裝置，通過USB接口與計算機(jī)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬振動臺檢測設(shè)備，其特征在于所迷加速度傳感器包括一個三向加速度傳感器和至少四個單向加速度傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬振動臺檢測設(shè)備，其特征在于所述加速度傳感器為壓電式加速度傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬振動臺檢測設(shè)備，其特征在于所述信號調(diào)理設(shè)備采用電荷放大器且含有抗混濾波模塊。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬振動臺檢測設(shè)備，其特征在于計算機(jī)通過串口與信號調(diào)理設(shè)備連接。專利摘要本實(shí)用新型涉及虛擬振動臺檢測設(shè)備領(lǐng)域，其目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，設(shè)計一種集成度高，適用于虛擬儀器的虛擬振動臺檢測設(shè)備。結(jié)構(gòu)包括加速度傳感器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)，上述設(shè)備依次連接，所述信號調(diào)理設(shè)備和數(shù)據(jù)采集卡安裝在獨(dú)立的殼體中形成外掛式數(shù)據(jù)采集裝置，通過USB接口與計算機(jī)連接。采用外掛式數(shù)據(jù)采集裝置，其具有數(shù)據(jù)吞吐量大，價格便宜，方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，采用該類型的數(shù)據(jù)采集裝置既具有高檔儀器的測量品質(zhì)，又能滿足測量需求的多樣性。對大多數(shù)需求，這種方案不但實(shí)用，而且具有很高的性價比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器配置方案。文檔編號G01M7/02GK201047798SQ20072005442公開日2008年4月16日申請日期2007年7月20日優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日發(fā)明者周倫彬,黃吉淘申請人:廣州市計量檢測技術(shù)研究院