测试信号处理与分析.

2013—2014学年第二学期

《测试信号处理与分析》

实训报告

学院：机械与汽车工程学院

专业：测控技术与仪器

班级：11级测控二班

姓名：

学号：

指导教师

【摘要】：现代信号分析处理技术发展的非常迅速，各种信号专业处理软件也出现在了人们的视野中，这些软件给人们带来了极大方便。本次实训，我们主要学习了INV1612型软件以及DASP信号分析处理系统，切实的感受到了方便。本次实训为期两周，包括在实验室做简支梁的振动信号测试及柔性转子的共振试验，在创新实验室测铣床的振动信号，和在圆楼三楼的AutoCAD机房对铣床的振动信号进行分析等等。在此过程中要基本掌握简支梁的震动信号的测试方法和数据分析，INV1612型多功能柔性转子测试系统、INV1601型振动与控制教学实验系统及MATLAB软件对信号的采集和处理的方法，同时在试验中遇到的问题及我们一起解决的过程。在本次实训中，充分要求了动手能力，实训中的每一项数据都要求自己动手去采集处理，从中我学会了很多知识与方法。

【关键词】：测试信号实训软件知识方法

一、简支梁

1、简支梁的概念

一种简易的支架，包括两个在一平面上可交叉扣合的条形支架，所述每个条形支架的两端为一端高一端低的结构，所述低的一端为钩状结构，钩状体与条形支架主体之间可伸缩的连接，使得每个支架针对不同大小的支撑物在长度方向上可调，且本支架结构简单，节省材料。简支梁就是承载两端竖向荷载，而不提供扭矩的支撑结构。只有两端支撑在柱子上的梁，主要承受正弯矩，一般为静定结构。体系温变、混凝土收缩徐变、张拉预应力、支座移动等都不会在梁中产生附加内力，受力简单，简支梁为力学简化模型。对于简支梁来说，梁的两端搭在两个支撑物上，两端铰接，现实看是只有两端支撑在柱子上的梁，主要承受弯距的单跨结构.一般为静定结构。

2、用“双踪示波比较法”测量简谐振动的频率

用“双踪示波比较法”测量简谐振动的频率，实验仪器有：INV1601B 型振动教学实验仪、INV1601T 型振动教学实验台、速度传感器、调速电机及调压器。

软件：INV1601型DASP 双通道软件。

3、振动测试注意事项：

在工程实际振动测试中，应根据测试目的确定测试用的仪器、方法和手段，研究测点的布置和仪器的安装方法，对可能发生的问题和测试中的注意事项，事先应周密考虑，达到进行有意义的测试。对于建立测试方案，确定使用的测量系统和安排操作程序，步骤如下：

1、估计需要测量的振动类型和振级，判别是周期性振动，随机振动还是冲击型或瞬变型振动。

2、仔细确定安装测振传感器的位置，选定能代表被测对象特征的安装位置，并考虑是否会产生传感器附加质量荷载的影响。

3 、根据研究需要，确定测量参数和记录分析方式。

4、考虑环境条件，如电磁场、温度、湿度和声场等各种因素，选择合适的振动换能器的类型和传感器种类。

5、选择仪器的可测频率范围，注意频率的上限和下限。对传感器，放大器和记录装置的频率特性和相位特性进行认真地考虑和选择。

6、考虑需测振级和仪器的动态范围，即：可测量程的上限和下限，了解仪器的最低可测振动量级。注意在可测频率范围内的量程是常数还是变数，(因为有的仪器量程随频率增加而增大，有的仪器量程随频率增加而减小)。注意避免使仪器在测试过程中过载和饱和。

7、标定和检验，包括传感器，放大器和记录装置全套测试系统的特性标定，定出标定值。

8、画出测量系统的工作方框图，以及仪器连接草图，标出所用仪器的型号和序号，以便于测试系统的安装和查校。

9、在选定了振级，频率范围，解决了绝缘及接地回路等问题后，要确定测振传感器最合理的安装方法，以及安装固定件的结构及估计可能出现的寄生振动。

10、在被测构件上做好测试前的准备，把测振仪器配套连线，传感器安装固定，并记下各个仪器控制旋钮的位置。

11、对测试环境条件做详细记录，以便供数据处理时参考，并可以查对一些偶然因素。

12、在测试过程中应经常检查测振系统的“背景噪声”(即“基底噪声”)。把测振传感器装在一个非振动体上，并测量这个装置的“视在”振级，在数据分析处理时，可去掉这部分误差因素。在实际振动测量中，为了获得适当的精度，“视在”振动最少应小于所测振动的1/3。也就是说测量系统的基底噪声至少应低于所测振级10分贝。

4、实验步骤：

（1）开机进入INV1601 型DASP 软件的主界面，选择“双通道”。进入双通道示波状态进行波形示波。

（2）安装偏心激振电机，偏心激振电机的电源线接到调压器的输出端，电源线接到调压器的输入端（黄绿线为地线），一定要小心防止接错，要注意调压器的输入和输出端，防止接反。把调速电机安装在简支梁中部，对简支梁产生一个频率未知的激振力，电机转速（强迫振动频率）可用调压器来改变，把调压器放在“60”档左右，具体调节以信号方便观察为准，注意调压器电压不可调的过高，以免烧坏电机。调好后在实验的过程中不要再改变电机转速。

（3）将INV1601B 实验仪的内部信号源输出接到采集仪的第一通道（速度）。将速度传感器布置在激振电机附近，速度传感器测得的信号接到INV1601B实验仪的第二通道速度传感器输入口上。

（4）INV1601B 实验仪功能选择设置旋钮置第二通道速度输入“速度”档。（5）软件中“纵坐标尺度调整”选择“自动”档，一边观察波形；“两通道光标移动”选择“自动”，可以分别对两路波形进行相关操作。

（6）采样频率可以使用“虚拟仪器库”内的“自动SF 装置”设置。

（7）调节INV1601B实验仪信号源频率，振动稳定后，按鼠标左键，停下来

读数，把光标移到第一通道一个波峰处读取最大值所对应的点号NC 值，记作N’1，向右移到相邻的峰值处读取相应的点号NC 值，记作N2”，第一通道正弦信号的一个周期内的点数N1= N’1—N1”（移动过程中可使用“动光标”悬浮窗中的图标来选取波峰点）。

（8）把光标移到第一通道一个波峰处，参考幅值在右窗口中读取最大值所对应的点号N值，记作N2’，向右移到相邻的峰值处读取相应的点号N值，记作N2"，第二通道正弦信号的一个周期内的点数N2= N’2—N2”。

（9）改变参考信号频率，重复以上步骤，再做两次并记录实验数据。（10）按公式计算简谐振动的频率fx。

（11）改变电机转速重复以上实验步骤。

4、实验结果：

测试的图像如下：

二柔性转子振动测试

测量和分析参数:

通道数: 4 ; 采样频率: 4096Hz ; dt: 0.244141ms

数字跟踪滤波设置：不滤波

通道参数

表1: 通道参数

结果图形:

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报告人: 审核: 批准:

单位: 报告日期:2006年06月18日转子一支撑系统是大型旋转机械的关键部分，而由于滑动轴承的轴颈油膜力具有较强的非线性，因此对于转子一支撑系统的研究，必须以非线性动力学为基础。近年来，由于非线性学科和计算机数值计算的发展，对转子一支撑系统的研究已从过去的传统转子动力学转到了非线性动力学的研究范畴，对于转子一支撑系统的研究也越来越深入。由于非线性问题求解的复杂性，对于转子一支撑系统的研究很多都简化为刚性转子，而实际工作的系统中转子大多为柔性转子。本文将在柔性转子的基础上，对此问题进行求解，因此其结论更接近实际系统。对于支撑系统，本文采用非线性的弹性支撑作为假设，并以三次方模型为依据，对其动力学问题进行求解。本文还对于系统的混沌、分叉等行为进行了研究，发现了某些参数对系统非线性行为的影响。对于在实际系统中常见的轴承支撑松动的问题，进行了一些理论上的讨论和分析。

轴承- 转子系统在运行时受到缸内气体压力、电机组件离心惯性力、曲轴不平衡惯性力、电磁力等动载荷的共同作用。在这种高负荷的交变载荷作用下，很容易造成轴承内部润滑失效，导致润滑表面发生直接接触，使曲轴与轴承表面擦伤磨损，增加摩擦损失功，大大降低机械效率。

在周期性载荷的作用下，电机曲轴在运转过程中产生扭转、弯曲和轴向振动。从机体表面辐射出噪声，是电机的主要噪声源。近年来，随着电机向高强化与低能耗比方向发展，对电机轴承- 转子系统性能提出了越来越高的要求。由于电机轴承- 转子系统的动力学行为与摩擦学特性两者之间并不是独立存在，而是相互影响，存在着较强的耦合关系。为了适应未来电机技术的发展，保障电机在复杂多变的工况下能长期可靠地正常运转，对轴承-转子系统摩擦学与动力学行为的研究已成为科研工作人员长期关注的热点。因此，开展电机轴承- 转子系统摩擦学和动力学耦合性能的研究，在电机结构设计中具有非常重要的理论研究价值和现实意义。

本文采用的转子一轴承系统模型是柔性转子被两个参数相同的润滑油膜轴承支撑，轴承座落在具有非线性弹性和线性阻尼的基础上。其中轴承的几何中心为O1；转子的几何中心为O2；轴颈的几何中心为O3；转轴的刚度为K1；K2，K3为支撑基础的非线性刚度系数；c1，c2分别为各自的阻尼系数。转子与转轴总质量为m；轴承质量为m0。为了便于分析计算，对于上述模型进行以下假设:

a)转子质量和轴承质量都集中于中点，

b)不平衡质量集中在转子中部圆盘上，其偏心距为e，

c)不考虑轴向和扭转振动，

d)油膜力满足雷诺方程，流体为不可压，轴承模型采用短轴承模型(L／D<<1)。

根据以上假设可列运动方程，考虑转子中心02的运动，其方程如下

考虑轴颈o。的运动，由于忽略轴颈质量，因此考虑力学平衡，可列如下方程：

轴承支持在非线性支撑上，其运动方程如下：

为确保试验设备和装机试验件的安全，卡箍在用于动力涡轮转子高速动平衡试验前必须在模拟轴上进行验证试验，以全面考核卡箍的平衡性能及对模拟轴临界转速和振动特性的影响，平衡卡箍的存在是否对平衡好的或没有平衡的振动响应带来实质性的影响，在卡箍上加临时重量达到的平衡与去掉卡箍而进行的永久性校正所达到的平衡是否一致。考核试验分两步进行：首先在模拟轴上进行，然后在动力涡轮模拟实心轴上进行。

模拟轴的安装及测试示意图见图1(图中：A1，A2为加速度传感器；D1，D2为进口位移传感器；D3，D4为天瑞国产位移传感器；符号“=”表示水平方向；符号“”表示垂直方向)。平衡前在3号和4号平衡凸台o。位置分别装上1号和2号平衡卡箍，平衡测试仪为VP一30振动分析仪，平衡过程数据见表3，高速动平衡前和高速动平衡后由D。传感器测得的O～10000 r／min转速范围内的振动幅值一转速曲线见图2。综合表3和图2，可以得到平衡卡箍对模拟轴的平衡效果，见表4。从表4可知，平衡卡箍对模拟轴的高速动平衡效果高达77．46％～

91．43％，说明卡箍的平衡性能良好。

动力涡轮模拟实心轴的材料为GH4169，与装机动力涡轮传动轴相比，除了轴不是空心以外，材料、外部尺寸和形状与装机件完全相同，只有个别地方略作修改，此前没有对模拟实心轴进行低速动平衡，动力涡轮模拟实心轴的安装及测试示意图见图3(图中：A1，A2为加速度传感器；D1，D2为进口位移传感器；D3，D4为天瑞国产位移传感器；符号“=”表示水平方向；符号“”表示垂直方向)。平衡前在模拟实心轴的1号和2号平衡凸台o。位置分别装上1号和2号平衡卡箍，平衡测试仪为VP一30振动分析仪，平衡过程数据见表5，高速动平衡前和高速动平衡后由D3传感器测得的振动幅值一转速曲线见图4。通过表5可以得到在平衡转速下卡箍对动力涡轮模拟实心轴的平衡效果，见表6。

综合图4和表7可知，平衡前的模拟实心轴由于没有进行低速动平衡而具有较大的初始不平衡量，不能安全越过第一阶弯曲临界转速，平衡后的模拟轴不但能十分平稳地越过第一阶弯曲临界转速，而且其最大振动幅值比高速动平衡前下降了86．62％(忽略转速的差别)，再一次证明了平衡卡箍具有很强的平衡能力。

两个模拟轴上的考核试验结果表明：平衡卡箍的使用性能和平衡性能良好，对模拟轴的临界转速和振动特性没有造成任何实质性的影响。在卡箍上加临时重量所达到的平衡与去掉卡箍而在轴上进行永久性校正所达到的平衡非常一致，是涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡试验的理想工装。

为了更准确研究系统在某些参数下存在的混沌运动，通过Poincare映射可以看出系统运动的混沌特性。从a=1．84的Poincre相图上，可以看出系统具有明显的混沌系统的特征。为了进一步认识系统的运动，采用welch方法，进行了功率谱计算，从图10的功率谱图中可以看出，当出现混沌运动时具有较宽的频谱特征。从实际转子的系统中，在基础松动时，可以测得类似的频谱图，可以说明在发生松动故障时，其轴承振动中含有低频和高频分量。

通过数值仿真计算，从图11的分叉图中可以看出，系统的运动变化趋势与上面讨论的图9有显著不同。系统只在较小的低速范围维持周期运动，在较大的范围内会出现拟周期和混沌运动，而这些运动都会产生较大的振幅，对实际机组造成损害。因此，在设计这类高速轻载轴承时，应尽量使其工作在稳定的范围内。对于发生基础松动的机组，应及时调整轴承转子系统的参数，或改变工作转速，使其工作在安全的范围，避免进一步施工扩大。

通常建立的转子轴承系统，两端的轴承座是不运动的。现在假设轴承座是固定在一个大质量的刚体基础上，基础与地面为弹性连接，有一定的位移和转动，形成一个转子-轴承-基础系统。由于工程实际中基础位移在水平方向远小于垂直方向，因此本文仅考虑基础垂直方向的振动。图:表示的是转子9轴承9基础系统在oyz（垂直面）和oxz（水平面）平面上的投影，AB为柔性轴，圆盘位于轴的O点，由于O点不处于AB的中点，而具有陀螺力矩作用。CD为基础，轴与基础通过在AB两点的滑动轴承油膜力相互作用，基础在垂直方向Y上考虑位移和转动，将其视作平面内的刚体运动，假设具有位移和转角，在水平方向X上位移和转动一般较Y方向小得多而忽略。