振動測試的教學實驗設計分析論文
摘要：本文設計了一種振動測試的教學實驗，通過實驗學生可以了解機械振動的機理，掌握振動測試的原理，掌握信號采集的方法，并了解數據處理的相關知識。
關鍵詞：機械振動；信號采集；測試系統；數據處理
0引言
振動，是機械設備所具有的基本特性，也是評判機械設備運行狀況的綜合性指標。設備的磨損量隨著運行時間的增長而不斷增加，不斷增加的運行間隙使得設備的振動烈度持續增大，根據振動測試便可得知設備運行的狀態。而在高校機械類專業的教學過程中，教學實驗是學生最直觀地了解知識的過程，也是學生最直接地運用所學知識去解決問題的過程，對于提升教學效果有著十分重要的作用。
1實驗目的及實驗內容
1.1實驗目的
（1）觀察機械設備的振動現象，掌握機械設備發生振動的機理，了解振動測試對于診斷機械設備故障的意義。（2）學習機械設備振動測試的方法，掌握振動測試系統的組成，了解振動信號測量的基本原理。（3）了解信號采集的基本知識，掌握一種信號采集的技能，學習振動測試數據的處理方法。（4）學習壓電式傳感器、電荷放大器、數據采集卡、數據采集軟件、激光振動測量儀的使用方法，了解壓電式傳感器、激光振動測量儀的基本原理。
1.2實驗內容
（1）根據實驗目的，教師進行相關知識的拓展講解，使學生掌握本實驗應具備的相關知識，講解內容如下：a機械振動的相關知識：通過講解，學生可以了解機械設備發生振動的機理，了解振動對于判斷機械設備運行狀態的.意義。b振動測試的相關知識：通過講解，學生可以了解振動測試的方法，掌握測試指標的選擇原則，了解振動信號測量的基本原理。c信號采集的相關知識：通過講解，學生可以了解信號采集的基本原理，學習信號采集的相關理論，掌握信號采集系統的基本構成和采集方法。d數據處理的相關知識：通過講解，學生可以了解振動信號數據處理的相關方法，掌握數據處理的基本流程。e電動機使用注意事項：通過講解，學生可以了解基本的安全用電常識，掌握電動機使用的相關注意事項，在自我保護的同時保護教學設備的安全。f壓電式傳感器的知識：通過講解，學生可以了解壓電式傳感器的組成、工作原理，掌握傳感器的使用方法，了解其應用領域。g電荷放大器相關知識：通過講解，學生可以了解電荷放大器的作用，掌握其使用方法。h數據采集卡相關知識：通過講解，學生可以了解數據采集卡的工作原理，掌握其使用方法。（2）為了提高學生的動手實踐能力，培養其工程素養，將學生分為幾個小組，給出小組討論時間，讓其自主的討論、學習實驗儀器的使用。具體包括。a壓電式傳感器的接線與布置，電荷放大器的具體操作，數據采集卡的接線操作，數據采集軟件以及激光振動測量儀的具體使用。b練習振動測試系統的搭建。（3）在實驗教師的指導下，學生搭建正式的實驗系統，并啟動電動機，完成振動信號的采集工作。（4）振動測試工作完畢后，在實驗教師的指導下，學生完成振動測試系統的拆除工作，將相應儀器設備做好保養后放置于指定位置。
2實驗原理及實驗系統
2.1實驗原理
機械設備所包含的一切活動，包括沖擊運動、往復運動、回轉運動，均可作為激勵源。設備在激勵源的作用下產生振動現象，振動沿著設備從內部向外部傳播。待到達設備表面時，機械振動擾動空氣產生聲波。采集并分析這些聲音信號及振動信號，就能對機械設備及其運行狀況作出相應的評判。激勵源是機械設備產生振動的根本。在主動式測量中應采用激振器對被測試設備進行施振，由于施振特性是已知的，便可據此分析被測試設備的振動狀態。而對于大型設備（例如大型柴油機），不便于對被測設備施加主動式測量，則可以針對設備自身工作時所產生的振動進行測試，從而分析被測試設備的振動特性、判斷其運行狀態。相關研究表明，機械設備的振動頻率范圍一般為10Hz~10000Hz，因此可將振動速度作為被測指標。但是，以現階段的技術水平難以進行速度量的直接測量，通常以振動加速度作為被測指標，通過對測量數據進行積分從而得到速度、位移量。
2.2實驗系統實驗系統
由電動機、壓電式加速度傳感器、電荷放大器、NI數據采集卡、筆記本電腦等組成。
2.2.1壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器由壓電材料以及敏感元件構成，其特性為遭受外力后會在表面產生電荷。
2.2.2電荷放大器本實驗系統采用KD5018型雙積分電荷放大器，可以將輸入的電荷量轉換為相應的電壓量進行輸出。該型電荷放大器與壓電式加速度傳感器配合時，可以對機械振動中的加速度量進行測量，在機械、化工、航天等領域有著十分廣泛的應用。
2.2.3數據采集卡本實驗系統采用NI公司生產的9205采集卡。
2.2.4激光振動測量儀本實驗系統采用的激光振動測量儀，可以直接測量并輸出振動速度量。
3測試方法及數據處理
3.1測試方法
3.1.1振動速度的間接測量方法本實驗中，振動速度的間接測量方法為加速度一次積分測量法。加速度一次積分測量法，是當前振動測試領域較為成熟的一種方法。其測試系統的性價比較高，對測試環境的要求較低，系統的搭建、使用十分簡便，測試數據后期的處理方法也十分成熟。
3.1.2振動速度的直接測量方法本實驗中，振動速度可以由激光振動測量儀直接測出。
3.2數據處理
3.2.1振動加速度信號的處理實驗過程中所測得的振動加速度信號，應先對其進行A/D轉換并消除直流分量。消除直流分量之后的信號還應進行濾波處理，濾波的方法有兩種：數字頻域濾波、時域濾波。本實驗中采用數字頻域濾波。a消除直流分量濾波之前，首先要消除加速度信號中所包含的直流分量，消除直流分量的方法：先求出N個采樣數據的平均值，然后將各采樣值進行減去平均值的處理，所得數據即為消除直流分量之后的值。b數字頻域濾波在積分之前，還要對消除直流分量之后的振動信號進行濾波處理，本實驗中采用基于FFT變換的頻域濾波。c進行數字積分對加速度信號進行直接數字積分，得到初步的振動速度信號。數字積分的方法有很多，常用的有梯形法和辛普森法。d需消除趨勢項振動測試過程中，受到外界環境溫度變化以及其他干擾的影響，傳感器會產生零漂、低頻性能不穩定等現象。振動測試數據因而往往發生偏離基線的現象，并且偏離基線的程度還會隨時間發生變化，這種現象就是趨勢項。趨勢項是干擾量，需要消除，常用的方法為最小二乘法。對所得到的初步振動速度信號，進行消除趨勢項處理，即可得到可用的速度信號。
3.2.2振動速度信號的處理由于激光振動測量儀所輸出的信號即為速度信號，無需再進行其他處理，可直接應用。
3.2.3振動烈度計算振動烈度是反應機械設備工作狀態的簡明特征量，在以上數據處理的基礎上，指導學生進行振動烈度的時域和頻域計算。
4結論
本文設計了一種振動測試的教學實驗，對實驗目的、實驗內容、實驗原理、實驗設備、測試方法及數據處理方法進行了介紹。通過本實驗，學生可以綜合性的掌握機械振動的機理、振動測試的原理、信號采集的方法以及數據處理的相關知識。
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