一種液壓阻尼器性能參數(shù)測試系統(tǒng)及測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液壓阻尼器性能參數(shù)測試系統(tǒng)及測試方法，系統(tǒng)包括正弦激振裝置、計算機、與計算機相連接的數(shù)據(jù)采集控制器、位移傳感器、速度傳感器和載荷傳感器。測試方法具體包括啟動正弦激振裝置；輸入待測液壓阻尼器的基礎信息；啟動連續(xù)采樣位移、速度和載荷，然后對位移、速度和載荷進行數(shù)字濾波；再進行高精度FFT運算，獲得信號的實際振動周期T；對截取到的每個周期的信號進行非線性擬合，得到剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)和速度指數(shù)，并利用數(shù)值積分計算得到該周期的耗能率；完成測試后，測試系統(tǒng)自動繪制相關曲線，并對測試結果進行顯示和保存。采用本發(fā)明的方法就能夠實時顯示參數(shù)擬合結果和相關曲線，提高了測試精度及測試效率。
【專利說明】一種液壓阻尼器性能參數(shù)測試系統(tǒng)及測試方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及液壓阻尼器性能測試【技術領域】，具體涉及一種液壓阻尼器性能參數(shù)測 試系統(tǒng)及測試方法。

【背景技術】
[0002] 液壓阻尼器是一種減振設備，廣泛應用于建筑結構、軍用及民用設備的支撐防護。 液壓阻尼器的設計制造要滿足使用對象的特定要求。當用于吸收沖擊時，液壓阻尼器主要 提供彈簧特性，如液壓緩沖器；當用于減少振動時，則主要提供阻尼特性，如耗能阻尼器。
[0003] 評價液壓阻尼器性能的參數(shù)包括剛度系數(shù)K、阻尼系數(shù)C、速度指數(shù)α、耗能率η 等。這些參數(shù)的實測值應當符合設計要求。一般可以假定液壓阻尼器提供的載荷F與位移 X和速度V之間的關系為F = K X+Sgn (V) CIV Γ (Sgn (V)表示速度的符號），顯然這是一個 非線性關系式，而且通常情況下K、C、α是振動頻率f的函數(shù)。
[0004] 液壓阻尼器在研制過程中，通常需要對其進行不同頻率下的振動測試，從測試得 到的大量的載荷、位移和速度數(shù)據(jù)中擬合出性能參數(shù)。目前生產(chǎn)現(xiàn)場還不存在全自動的液 壓阻尼器性能參數(shù)測試方法。通常技術人員首先必須從正弦激振裝置的測控計算機中導出 數(shù)據(jù)，然后使用各自的方法擬合出所需參數(shù)，繪制相關曲線。這一過程需要很多人工參與， 費時費力，而且容易出錯。顯然，這種半手工的性能參數(shù)測試方法不利于新產(chǎn)品的開發(fā)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種液壓阻尼器性能參數(shù)測試系統(tǒng) 及測試方法，只需獲得待測液壓阻尼器的位移、速度和載荷這三路模擬信號，采用本發(fā)明的 方法就能夠實時顯示參數(shù)擬合結果和相關曲線，不再需要人工導出數(shù)據(jù)、人工參與擬合數(shù) 據(jù)繪制曲線，提高了測試精度及測試效率。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術方案來實現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明的一種液壓阻尼器性能參數(shù)測試系統(tǒng)，包括安裝在待測液壓阻尼器上的位 移傳感器、速度傳感器及載荷傳感器、計算機、與計算機相連接的數(shù)據(jù)采集控制器和用于對 待測液壓阻尼器施加設定頻率下正弦位移控制激勵的正弦激振裝置；所述數(shù)據(jù)采集控制器 的三路模擬輸入端與位移傳感器、速度傳感器及載荷傳感器的電壓輸出端相連接。
[0008] 上述數(shù)據(jù)采集控制器包括一多通道十六位同步數(shù)據(jù)采集卡、屏蔽電纜和接線端子 盒。
[0009] 上述位移傳感器具體采用的是LVDT位移傳感器；所述速度傳感器具體采用的是 LVT磁電式直線速度傳感器；所述載荷傳感器具體采用的是輪輻式拉壓載荷傳感器。
[0010] 本發(fā)明的液壓阻尼器性能參數(shù)測試方法，具體包括以下幾個步驟：
[0011] (A)啟動所述正弦激振裝置；
[0012] (B)首先，開啟計算機，啟動測試程序，用戶在測試軟件界面上，按提示建立并進 入工程數(shù)據(jù)庫，所述工程數(shù)據(jù)庫用于儲存同一工程項目下的液壓阻尼器的基礎信息及測試 數(shù)據(jù)；然后，在所述測試軟件界面上輸入待測液壓阻尼器的基礎信息；最后，按下啟動測試 按鈕；
[0013] (C)所述數(shù)據(jù)采集控制器開始連續(xù)采樣位移信號、速度信號和載荷信號；
[0014] (D)查詢所述計算機判斷緩沖區(qū)是否已滿，如果未滿，則繼續(xù)查詢；如果已滿則讀 取緩沖區(qū)內(nèi)的位移信號、速度信號和載荷信號，然后對所述位移信號、速度信號和載荷信號 進行數(shù)字濾波；再進行高精度FFT運算，獲得位移信號的實際振動周期T，并對位移信號、速 度信號和載荷信號進行周期截?。?br> [0015] (E)對截取到的每個周期的位移信號、速度信號和載荷信號進行非線性擬合，得到 剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)和速度指數(shù)，并利用數(shù)值積分計算得到該周期的耗能率；
[0016] (F)完成測試后，測試系統(tǒng)自動繪制載荷一位移曲線、載荷一速度曲線和各參數(shù)一 頻率曲線，并對測試結果進行顯示和保存；然后，查詢是否按下停止測試按鈕，如果停止測 試，則結束采樣，測試系統(tǒng)自動生成試驗報告，如果不停止測試，則轉向步驟（D)。
[0017] 步驟（B)中，待測液壓阻尼器的基礎信息包括液壓阻尼器編號、液壓阻尼器型號 和額定載荷。
[0018] 步驟⑶中，所述高精度FFT運算具體包括以下幾個步驟：
[0019] (Ia)對信號進行普通FFT運算；
[0020] (2a)對FFT計算結果進行頻域加窗；
[0021] (3a)求頻譜主要峰值及相應頻率，將每個峰值及其左右共三個頻率成分代入插值 程序，求得精確的峰值及頻率。
[0022] 步驟（E)中，所述非線性擬合具體采用的是Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法。
[0023] 所述Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法具體包括以下幾個步驟：
[0024] 首先，將載荷F與位移X、速度V的關系式F = K X+Sgn(V)C|vr及其 對K，C和α三個參數(shù)的一階偏導數(shù)SF/ f K=X，f F/ 6c= Sgn(V)|V|°，和 cF/<? α = Sgn(V) C |V| ，Log|V| 表示成函數(shù)子程序供Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算 法調用；
[0025] 然后，設定參數(shù)初值啟動迭代。
[0026] 步驟（E)中，利用數(shù)值積分計算得到該周期的耗能率η的計算方法如下：
[0027] (1)求該周期內(nèi)的載荷極大值Fmax和極小值Fmin，位移極大值X max和極小值Xmin，計 算 A = (Fmax-Fmin) (Umin);
[0028] (2)求該周期內(nèi)載荷F與速度V乘積對時間T的數(shù)值積分S = / τ F V dt ;
[0029] (3)計算耗能率η = S/A。
[0030] 與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明基于非線性參數(shù)擬合技術、高精度數(shù)字譜分析、數(shù)據(jù)庫 原理和計算機測量顯示技術實現(xiàn)了液壓阻尼器參數(shù)測試過程的自動化，取代了半人工的參 數(shù)測試方式。一方面節(jié)約了時間、提高了測試效率，另一方面提高了測試參數(shù)的精確性，也 降低了對測試人員的技術要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的測試系統(tǒng)結構示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明的測試方法工作流程圖。

【具體實施方式】
[0033] 為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合

【具體實施方式】，進一步闡述本發(fā)明。
[0034] 要進行液壓阻尼器性能參數(shù)測試，用戶首先需要如圖1將計算機1與數(shù)據(jù)采集控 制器2連接，其中數(shù)據(jù)采集控制器2由十六位八通道同步數(shù)據(jù)采集卡NI PCI-6143、屏蔽電 纜SHC68-68-EPM和接線端子盒BNC-2110組成。將已安裝在阻尼器7上用于測量液壓阻尼 器性能的LVDT位移傳感器3、LVT磁電式直線速度傳感器4和安裝在阻尼器尾部的輪輻式 拉壓載荷傳感器5的電壓輸出與接線端子盒BNC-2110中的模擬輸入通道連接。啟動正弦 激振裝置6對阻尼器7施加一定頻率下的正弦位移控制激勵。
[0035] 然后開啟計算機1，啟動液壓阻尼器測試程序。用戶在測試軟件的界面上，按提 示建立并進入工程數(shù)據(jù)庫，所有同一工程的產(chǎn)品的基礎信息及測試數(shù)據(jù)均通過該數(shù)據(jù)庫進 行管理。輸入待測產(chǎn)品的基礎信息：產(chǎn)品編號、產(chǎn)品型號、額定載荷；然后再軟件界面按下 啟動測量按鈕。系統(tǒng)開始如圖2所示的測試流程。在該流程中，程序在查詢和讀取一批數(shù) 據(jù)后，依次進行頻率識別、阻尼器參數(shù)擬合和耗能率計算。軟件界面上包含一個三通道的虛 擬示波器，用藍色、綠色和紅色分別顯示實時的位移、速度和載荷波形；同時還有基于數(shù)據(jù) 庫的表格在記錄儲存每一個周期的參數(shù)測試結果。測試完成后，可以自動生成試驗報告供 打印。
[0036] 圖2中頻率識別的方法是對位移信號采用快速傅立葉變換（FFT)，找出位移頻譜 中的主要頻率成分作為識別結果。由于普通的FFT的精度受到泄漏、柵欄效應等因素的影 響，識別的頻率會產(chǎn)生較大誤差，因此本發(fā)明對普通FFT的變換結果引入了插值后處理，進 行頻域加窗并利用主頻率成分兩邊的頻率成分判斷真實頻率的位置和修正其大小。實踐證 明，這種高精度FFT算法得到的主頻率誤差極小，完全能滿足阻尼器后續(xù)參數(shù)識別的要求。
[0037] 圖2中的非線性擬合中所采用的是結合了最速下降法和牛頓法優(yōu)點的 Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法。這種算法首先需要將載荷與位移、速度的關系式F =K X+Sgn(V)C|vr(Sgn(V)表示速度的符號）及其對K，C和α三個參數(shù)的一階偏導數(shù) cWK=X，印/叱=Sgn(V)|V|a，和cF/c a = Sgn(V) C |V|° LoglVl 表示成函數(shù) 子程序供Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法調用，然后設定參數(shù)初值啟動迭代。這種非線 性擬合算法在參數(shù)較少的情況下收斂快速，很適合在這里使用。
[0038] 每個信號周期內(nèi)的耗能率η的計算方法如下：1)求該周期T內(nèi)的載荷極大值Fmax 和極小值Fmin，位移極大值Xmax和極小值Xmin，計算A= (Fmax-Fmin) (Xmax-Xmin) 2)求該周期內(nèi)載 荷與速度乘積對時間的數(shù)值積分S = / τ F V dt ;3)計算η = S/A。
[0039] 在各頻率下的所有實時測試完成后，可以命令程序自動生成K，C，α和η關于頻 率f的趨勢曲線。這樣就完成了液壓阻尼器的自動參數(shù)測試。
[0040] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術 人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
【權利要求】
1. 一種液壓阻尼器性能參數(shù)測試系統(tǒng)，其特征在于，包括安裝在待測液壓阻尼器上的 位移傳感器、速度傳感器及載荷傳感器、計算機、與計算機相連接的數(shù)據(jù)采集控制器和用于 對待測液壓阻尼器施加設定頻率下正弦位移控制激勵的正弦激振裝置； 所述數(shù)據(jù)采集控制器的三路模擬輸入端與位移傳感器、速度傳感器及載荷傳感器的電 壓輸出端相連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的液壓阻尼器性能參數(shù)測試系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集 控制器包括一多通道十六位同步數(shù)據(jù)采集卡、屏蔽電纜和接線端子盒。
3. 根據(jù)權利要求1所述的液壓阻尼器性能參數(shù)測試系統(tǒng)，其特征在于，所述位移傳感 器具體采用的是LVDT位移傳感器；所述速度傳感器具體采用的是LVT磁電式直線速度傳感 器；所述載荷傳感器具體采用的是輪輻式拉壓載荷傳感器。
4. 根據(jù)權利要求1至3任意一項所述的液壓阻尼器性能參數(shù)測試方法，其特征在于，具 體包括以下幾個步驟： (A) 啟動所述正弦激振裝置； (B) 首先，開啟計算機，啟動測試程序，用戶在測試軟件界面上，按提示建立并進入工 程數(shù)據(jù)庫，所述工程數(shù)據(jù)庫用于儲存同一工程項目下的液壓阻尼器的基礎信息及測試數(shù) 據(jù)；然后，在所述測試軟件界面上輸入待測液壓阻尼器的基礎信息；最后，按下啟動測試按 鈕； (C) 所述數(shù)據(jù)采集控制器開始連續(xù)采樣位移信號、速度信號和載荷信號； (D) 查詢所述計算機判斷緩沖區(qū)是否已滿，如果未滿，則繼續(xù)查詢；如果已滿則讀取緩 沖區(qū)內(nèi)的位移信號、速度信號和載荷信號，然后對所述位移信號、速度信號和載荷信號進行 數(shù)字濾波；再進行高精度FFT運算，獲得位移信號的實際振動周期T，并對位移信號、速度信 號和載荷信號進行周期截??； (E) 對截取到的每個周期的位移信號、速度信號和載荷信號進行非線性擬合，得到剛度 系數(shù)、阻尼系數(shù)和速度指數(shù)，并利用數(shù)值積分計算得到該周期的耗能率； (F) 完成測試后，測試系統(tǒng)自動繪制載荷一位移曲線、載荷一速度曲線和各參數(shù)一頻率 曲線，并對測試結果進行顯示和保存；然后，查詢是否按下停止測試按鈕，如果停止測試，則 結束采樣，測試系統(tǒng)自動生成試驗報告，如果不停止測試，則轉向步驟（D)。
5. 根據(jù)權利要求4所述的液壓阻尼器性能參數(shù)測試方法，其特征在于，步驟（B)中，待 測液壓阻尼器的基礎信息包括液壓阻尼器編號、液壓阻尼器型號和額定載荷。
6. 根據(jù)權利要求4所述的液壓阻尼器性能參數(shù)測試方法，其特征在于，步驟⑶中，所 述高精度FFT運算具體包括以下幾個步驟： (Ia)對信號進行普通FFT運算； (2a)對FFT計算結果進行頻域加窗； (3a)求頻譜主要峰值及相應頻率，將每個峰值及其左右共三個頻率成分代入插值程 序，求得精確的峰值及頻率。
7. 根據(jù)權利要求4所述的液壓阻尼器性能參數(shù)測試方法，其特征在于， 步驟（E)中，所述非線性擬合具體采用的是Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法。
8. 根據(jù)權利要求7所述的液壓阻尼器性能參數(shù)測試方法，其特征在于， 所述Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法具體包括以下幾個步驟： 首先，將載荷F與位移X、速度V的關系式F=KX+Sgn(V)CIVΓ及其對K，C和α三個 參數(shù)的一階偏導數(shù)？F/eK=X，eF/eC=Sgn(V)IνΓ，和 5F/C'a=Sgn(v) C |V|。， L〇g|V|表示成函數(shù)子程序供Levenberg-Marquardt最優(yōu)化算法調用； 然后，設定參數(shù)初值啟動迭代。
9.根據(jù)權利要求4所述的液壓阻尼器性能參數(shù)測試方法，其特征在于， 步驟（E)中，利用數(shù)值積分計算得到該周期的耗能率η的計算方法如下： (1) 求該周期內(nèi)的載荷極大值Fmax和極小值Fmin，位移極大值Xmax和極小值Xmin，計算A =巾_ρ ) (X -Y). \丄max丄min/ ^yvmax yvIiiin/， (2) 求該周期內(nèi)載荷F與速度V乘積對時間T的數(shù)值積分S= /TFVdt; (3) 計算耗能率η=S/A。
【文檔編號】G01M13/00GK104236893SQ201410529549
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權日:2014年10月9日
【發(fā)明者】湯炳新, 王占軍 申請人:河海大學常州校區(qū)