摘要:回转机构 振动测量及谱分析 一、 实验目的 1) 掌握压电加速度传感器的性能与使用方法， 2) 了解并掌握机械振动信号测量的基本方法， 3) 掌握测试信号的频率域分析方法， 4) 了解虚拟仪器的使用方法 , 5) 掌握快速傅里叶变换（ FFT ）的参数选择， 6 ）掌握数据采集的
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回转机构振动测量及谱分析
一、 实验目的
1)掌握压电加速度传感器的性能与使用方法， 2)了解并掌握机械振动信号测量的基本方法， 3)掌握测试信号的频率域分析方法， 4)了解虚拟仪器的使用方法, 5) 掌握快速傅里叶变换（FFT）的参数选择，
6）掌握数据采集的正确使用方法，
7）了解回转机构的频谱特点。
二、 实验内容
测试振动实验台的加速度，用虚拟仪器LabVIEW分析振动实验台的振动 频率特性，正确选择实验过程中的各种参数。 三、实验原理
回转机械，由于回转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。
振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。
振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。
幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。
本实验振动实验台简化如图所示：
    （1） 振动实验台简图 （2） 弹簧质量系统
由于偏心质量，实验台受到一周期离心力的作用，大小为
 ，实验测的是y方向的振动，y方向的分力为 。由上可知，该力与电动机转速有关。该力相当于作用在如图（2） 所示的弹簧质量系统上，该系统的微分方程为 。可知，测出实验台的振动加速度 信号，通过信号分析就可以确定  的各参数。如频率大小，进而可以确定电机的 、即转速。对于
 的一阶系统，根据频率不变性。输出信号的频率与输入力的频率相等。虽然输出信号有各种频率成分（如噪声，实验台不是单自由振动系统，有各种振动信号等），但占主导地位的是质量不平衡所引起的周期转动信号，该周期信号的振动最强烈，通过对加速度信号的频域分析，最大峰值所对应的频率就是该信号的频率。四、实验仪器和设备
1. 计算机 1台 2. LabVIEW 虚拟仪器平台 1套 3. 数据采集卡 1张 4．接线板 1张 5. 加速度传感器 1个 6．信号调理设备 1台 7. 振动、转速、噪声实验台 1台 8．开关电源 1台 五、传感器的选择
该实验测的是振动加速度，选择压电式加速度传感器，型号是（LC0152T内装IC压电加速度传感器），其使用频率范围为0.2到2000Hz。由于实验台的转动信号的频率范围大约为5~200Hz。（该值为了实验仪器的安全，根据实际情况而定的），所以该仪器适用，其灵敏度k=100mV/g .
该传感器的主要参数如下：
型号：LC0152T
灵敏度（mV/g）：100 量程（g）：50 频率范围（Hz（±10%））：0.2-10000 安装谐振点（kHz）：30 分辨率（g）：0.0002 质量（gm）：17 安装螺纹（mm）：M5 用途：通用测振 该传感器的突出特点如下：
(1) 低阻抗输出，抗干扰，噪声小; (2) 性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量; (3) 稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体. 六、实验步骤
1）振动测量实验结构如图 1 所示，将加速度传感器用M5螺纹安装在振动实验台上，然后将其输出端和信号调理设备的输入端相连，信号调理器的输出端通过一根带五芯的航空插头的电缆和接线板连接。并且，将接线板通过插线与计算机上的数据采集卡（ A ／ D 卡）相连接。
 2）打开计算机，启动计算机上的“振动测试及谱分析 .vi ”。
3）在振动实验台的电机转子上添加试重，启动电机，调整到一个稳定的转速。
4）根椐接线板选择信号输入的通道号，并且选择适当的采样频率和采样点数以及硬件增益。点击 LabVIEW 上的运行按钮（ Run ）观察振动信号的波形和频谱。 5）参考“振动频率”的显示值，选择合适的“数字滤波截止频率”，按下“启动数字滤波器”按钮，观察滤波前后振动信号的波形和频谱的变化情况并记录实验结果。 6）尝试输入不同的滤波截止频率，观察振动信号的波形和频谱的变化。 7）尝试输入不同的采样频率和采样点数以及增益，观察振动信号的波形变化。 8）根椐最合适的参数选择，显示最佳的结果。然后按下“结束按钮，完成信号采集。 9）在信号频谱中移动游标，测出振动的峰值，以及振动最大处的频率。并将之与右上角的振动频率相比较，分析原因。（注意读出的峰值应除以相应的增益） 10）调节电机的转速，记录8~10组在电机不同转速下的信号的波形，观察和分析所得到的振动信号和波形和频谱。 11）用U盘拷回所得到的实验波形，回来处理。 七、实验程序流程框图
 八、1）虚拟仪器程序框图（见程序）
 2）程序控制前面板如下： 九、现在对上面的程序解释如下：
 这部分是数据采集部分的程序，用于驱动数据采集卡数据。这里有两个参数要确定：采样频率和采样点数。由于采样信号的截止频率大约为200Hz，根据采样定理
 ，取采样频率为 =512Hz。该电机的最低转速也有5r/s即5Hz。该加速度信号是周期信号，根据周期信号的傅立叶变换幅值谱，幅值间隔为信号的基频f。=5Hz。要能分辨出频域的峰值，最大采样频率 间隔等于信号的基频f。，即  =f。=5Hz。本实验中为了减少误差，取 =1Hz。对于基于2型的FFT，采样点数取为2的整数次方，所以采样点数N取为 点 。以上决定的采样频率与采样点数，使信号采集后不出现频混现象。还有一个通道选择，由于本实验只有一路信号，所以不需要选择。 这是用于去掉直流分量，因为直流分量是由电路混进去的，是干扰信号，所以应去掉。 这一部分是数字滤波程序，本实验中采用数字滤波而不采用 模拟滤波，减少了模拟滤波器，简化了实验装置。该滤波的目的是滤掉高频噪声等各种干扰信号。滤波的截止频率根据信号的截止频率定为200Hz，滤波级数选择3阶。
 是电路的增益。 这一部分是加窗部分。加窗部分是为了适应计算机的数字处理而对信号的截断。本实验对信号的主峰幅值要求较高，选择汉宁窗，该窗旁辫较小，有抑制泄露的作用，但频率分辨率较低。若选择矩形窗，泄露较大。对主峰峰值影响较大。
 这一部分是求振动加速度的强度的程序。对机械振动量的强度，一般要减去直流分量，因为直流分量是由电路等混进去的，信号的强度为用均方值来度量。数学表示为
 ，其中 为信号的均值。用这个子程序就可以求出振动加速度信号的强度。其中0.1是加速度的灵敏度K。 这部分是信号频域幅值单位转换部分。信号流程如下：
 （K为传感器的灵敏度）
从传感器出来的信号一般都是电信号。
要把实验信号转换为加速度信号，要除以灵敏度K，即
 ，这部分程序就可以完成这个功能，从而把幅值谱转换为加速度单位 。 这部分是求信号的自功率谱，显示信号的频域信息，自功率谱为
 , 自功率谱相当于对幅值的平方，更容易分辨出信号的主峰，主峰所对应的频率即为离心力的频率。在自功率谱程序中，还可以显示出频率间隔df。十、数据处理
1、调用子程序：信号的均方值
 ， 求出在各个频率下加速度的强度（均方值）填入下表中。
以f为横坐标，
为纵坐标绘出起坐标图如下 ：从上图可以看出振动强度随着频率的提高越来越强，曲线的畸形主要是用力按着实验台时，用的力度不同而引起，但总的趋势是不变的。当输入力的频率达到实验台的固有频率
 时，振动强度最大。之后随着频率的继续增加，振动又越来越弱，当  时，几乎为不振动。根据这个结论，当要避免振动危害时，应使输入量的频率尽量避开系统的固有频率。该结论也用于指导减振设计。2、调用子程序，信号的自功率谱，显示信号的频域信息，其频域信息图如下：（三个图的电机转速逐渐增加）
   由以上三个图可知：随着电机转速的提高，频谱图的主峰逐渐右移。可知质量不平衡引起的周期信号占主导地位，当这个周期信号频率改变时，信号的主要频率成分必改变。
3、在某个频率下的频域信息图如下：
 如图所示，十字光标所捕捉到的
 =37.90 就是周期力的频率，则电动机的转速为： =2274(r/min)4、测试电机不同转速中加速度信号的主峰幅值（m/s^2），其动挠度图如下：
 可见其变化规律就是信号强度的变化规律。
十一、误差：
1、由于实验台要用手按着才能做实验，而每次按的力度都不同， 这引起实验的主要误差；
2、当采用的采样频率间隔
不同时，也有误差。本实验中用了三种采样频率和采样点数的组合，从三种不同的组合中可以看出采样间隔对测量结果的影响。当采样间隔大于允许的最小采样间隔时，引起的误差将是成60倍的误差。3、数据采集卡的位数引起的量化误差也对实验结果有影响。由于实验装置条件的限制，本次实验主要是正确地测量振动信号和怎样分析信号的信息，对实验结果没有很高的要求。
十二、 思考题
1. 为什么要采用加速度传感器来测量振动信号？
答：选择测振传感器主要考虑被测量的参数(位移、速度或加速度)、测量范围、量程等问题。
还有只有在测振传感器的质量远小于被测物质量时，被测物固有频率受测振传感器质量的影响才较小，而加速度传感器可以做得很小，质量一般在20g以下，故选用加速度传感器来测量振动信号。
2. 还可以采用那些方式来测量振动信号？
答：还可以用位移计和速度计来测量振动信号。
十三、体会:
本实验上开放性实验,与以前的实验根本不同.以前的实验都是一步一步按着书本或者老师的指导去做,而这次实验的各个参数都要自己去选择,实验报告要自己来确定格式.这对以后的课程设计,毕业设计以及以后的工作都有很大的帮助.
一走进实验室,我就产生一种兴趣.我并不想测完参数,就离开实验室,而是想尽量在实验室里久留一下.做完实验,我和几个同学还留下请教了康老师关于Labview知识.我还在实验室的电脑拷了一些测试程序回来,如噪声测试程序等.
在这次实验中我看到了虚拟一起的用处之大.在程序中用数据滤波器滤波,避免了模拟滤波器,还有加窗等部分,都是用软件来完成.减少了硬件,简化了整个测系统.这不但减少了实验装置的成本,还可以减少信号之间的干扰,提高了实验的准确性.在现在的各种工程测试中,很多都是在一天计算机上完成的.工程人员可以在环境优逸的办公室里工作,改善了他们的工作环境,随着虚拟一起的发展，这种情况将越来越普遍。
在实验中，我学会了怎样测试振动量，对获得振动信号进行了时域、频域分析的方法。能正确选择快速傅立叶的各参数，加深了对理论知识的理解。只有自己动手做一遍，才能更深刻更透彻理解书本的知识。该实验的振动测量与以后的工程测量有一定的联系，对以后的工作有很大帮助。
初步了解了振动信号的形态，为了完成本实验查阅了许多资料，看了几个振动测量的例子，如相干分析测量船速、用频率方法分析查找振源、故障诊断等。加深了信号处理方面知识的理解，扩大了知识面。在没做实验之前，学课本上的理论知识好像感觉不到它的真正用途，教师上课时也结合实际工程方面讲了很多例子，但是还是不能真正体会到它的用处之大。在做完实验之后，特别是实验过程中查阅了相当多的资料，才真正体会到它的用处。 (责任编辑：仪器仪表热成像专家)
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