机械振动测试仪设计

2万 · 2019-5-5 13:33

设计一种能对振动信号进行采集、处理以及分析的机械振动测试仪器。
测试的实验结构是一个简支梁，对简支梁进行模拟振动激励，AD模块采集传感器的振
动信号，并通过SPI串行通信协议与CPU通信，把采集到的振动信号传递给CPUoCPU
把接收的数据通过串口上传到上位机，并在上位机进行数据分析处理。
AD模块采用8路18位的AD7609采集芯片进行数据采集，通过意法半导体公司的
STM32F103VET6芯片进行控制，并把采集的数据上传到虚拟仪器LabVIEW。在
LabVIEW软件中完成简支梁振动数据采集的实时显示、并对其进行时域、频域分析和
数据存储等功能，很好地完成了对简支梁振动测试实时分析。最后采用ANSYS有限元
分析软件对实验设备进行模态分析，得出实验结构的前三阶固有频率及相关振型图。此
设计采用STM32处理器和LabVIEW技术综合应用在振动测试领域节约了硬件成本，使
系统的维护、改进和功能扩展十分方便。系统采集数据的精度高、速度快，并可以对振
动数据进行多路采集。

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振动是宇宙普遍存在的一种现象，总体分为宏观振动(如地震、海啸)和微观振动
(基本粒子的热运动、布朗运动)。机械振动则是物体或质点在其平衡位置附近所作的
往复运动。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。
在产品加工制造、产品运输以及产品储存过程中都会存在振动，振动是不可避免的。随
着科学技术和经济建设事业的不断发展，许多工程振动问题不断出现，如铁路、桥梁、
房屋建筑工程、爆破、采矿、抗震等许多部门经常需要进行结构动力特性，减振等的研
究，必须进行大量的振动测试和分析工作。有些采用振动原理而设计的机械装置，需要
确定振动条件(振幅，频率和持续时间)【’]。因此振动测试和分析的课题在科研、设计
和生产实践中日益处于重要的地位。振动分类方法很多，按振动产生的原因可以分成以
下三种。
(1)自由振动:即给系统一定的初始能量后所产生的振动。若系统无阻尼，则系统
将会保持等幅度振动;若系统有阻尼，则系统为自由衰减振动。
(2)受迫振动:即物体由于自身受到周期变化的力而产生的振动[}z}0
(3)自励振动:即指在没有外力作用下，由于系统自身原因所产生的机理引起的振
动，如旋转机械的油膜震荡、喘振等。

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振动现象随时可见，在机械工业中，绝大多数振动现象被认为是消极因素，对机械
设备具有不利的影响。振动会降低机器的使用寿命，严重时会直接导致机器报废。对于
加工设备，振动会降低加工精度和光洁度，并加剧构件的疲劳和磨损，从而缩短机器和
结构物的使用寿命[3];振动会产生共振现象，共振会引起结构破坏;飞机机翼的颤振、
机轮的抖振都有可能导致飞机发生事故。在生产实践中，常常因为振动导致机器发生破
坏，因此振动测试对机器而言显得至关重要，可以提前检测机器是否会出现故障。每年
全球的机器因为振动而产生的破坏不计其数，其中产生的损失巨大。如果能在机器振动
破坏之前及时检测出来，就能减少相应机器的破坏，以此来减少效益的损失。对于一些
振动的物体，采集其振动信号数据，并对采集的振动数据进行进一步的分析，是常规的
振动分析过程。许多机器的机械故障信息常在其振动状态中表现出来，因此在工业应用
中最常采用的方法是基于机械振动信号的状态监测[4-6]。对机器做振动测试可以更好地
提高产品的精度以及产品的生产效率，由此产生的效益巨大，它己经成为工厂中对机器
进行常规检查的一项基本工作I7) o
随着多媒体技术、仿真技术、测试技术及网络技术的快速发展，从而使得机器故障
能够快速得到判断[f8)。正是因为振动的普遍性和广泛性使得各行各业都在用不同的方式
去研究它，其中振动测试就是较全面的一种对振动参数进行检测的方法，因此振动测试
在各行业中都显得尤其重要。在机械振动测试方面有很多种测试方法，其中一种是需要
加载动力载荷，即结构动态测试，目前被广泛应用于结构测试领域。本设计把虚拟仪器
和嵌入式很好的融为一体，设计了一个比较简单灵活的机械振动测试仪，并能够进行多
路同时采集，采集速度快、精度高。
由于虚拟技术的飞速发展，把虚拟技术应用到振动测试中，并通过虚拟仪器查看振
动信号的各种参数，既方便又清晰。在LabVIEW中采集数据并实时绘制图像，可以使
人一目了然，根据对振动测试中所产生的问题，进行解决。此设计的振动测试仪器是供
学校实验使用的一个实验设备，主要优点是成本低廉、精度高以及采集速度快等优点，
并能满足学校实验教学使用。

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振动对机械可靠性的影响是显著依赖振动的各种参数f}l，在很早之前国外就己经对
振动测试进行了大量研究，并设计了用于振动测试的各种分析仪器，以欧、美、日等发
达国家为主，他们的技术比较先进。而我国起步较晚，但在最近几十年里发展速度较快，
被越来越多的得到重视。随着现代工业的迅速发展，越来越多的工作都被机器所替代，
机器由于振动所引起的破坏也逐年增加。由于近几年里计算机以及电子行业的迅速发展，
机械振动测试技术越来越成熟，相继出现了各种各样的测量仪器【t o}，大体可以分成以下
四类。
模拟类仪器:此类仪器出现在20世纪50年代以前，功能比较单一，并且没有数据
存储功能。
数字化仪器:主要出现在20世纪50年代，随着集成电路的广泛化，使得各种模数
转换(A/D转换)模块迅速发展，它可以把采集的模拟信号转化成数字信号。这种把采
集的模拟信号转变成数字信号，并且以数字的形式显示的仪器叫做数字化仪器[qty0
智能仪器:主要出现在20世纪70年代，智能仪器一般带有微型处理系统，它通过
典型的电子电路把测量数据进行相应的转换，测量的数据不需要人工来进行计算、比对，
并可以把测量的结果进行储存、计算、逻辑判断等，此仪器的测量精度和速度比较高。
虚拟仪器:近几年随着计算机技术的不断进步，使得以计算机为基础的相关技术取
得飞速发展，虚拟仪器技术就是其中之一[12J。虚拟仪器在计算机基础上，添加相应软件
以及模块化硬件构成。它的出现使得产品研发效率大大提高，具有可视化的界面，使测
量结构非常直观的展现在人们眼前。

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目前，振动监测诊断仪器从总体上可分成简易诊断仪器和精密诊断仪器两大类
y3-tai。一类是经过简单的测量后把采集的数据简单的记录下来，这类叫做简易诊断仪器。
另一类是把采集的数据做一定的处理和分析，比如把采集的数据绘制成时域图、频域图
以及各类图谱，这类叫做精密诊断仪器。目前振动测试仪器主要有测振仪、频谱分析仪
和综合分析仪等。测振仪:可以检测振动物体的位移、速度以及加速度等参数，对振动
物体进行检测时，直接把该检测仪器放在要检测的位置即可，操作简单方便，如日本理
音公司的VM-63A:频谱分析仪:可以进行FFT频谱分析、倍频程分析、时域分析、相
位分析、功率谱、互功率谱、传递函数、相干分析等。测量数据能保存在大容量存储卡
上，并传送到计算机，该仪器配有功能强大的分析软件。如日本理音公司的双通道SA78
分析仪:综合分析仪:这种分析仪具有多种功能，如KMbalacner II是一款全功能、高
效能的双通道FFT振动分析及现场动平衡仪。振动分析及现场动平衡仪可以采集各种现
场数据，如振动值，轴承状态，频谱图和时域波形等，并可以通过数据采集分析软件进
一步整合分析设备故障。
国产的振动测试仪器多种多样，功能各不相同。例如航天智控研究院的AIC1230
分体式测振仪，此测振仪可以检测加速度、速度以及位移等，频率范围在I K}I SKHz
之间:北京时代龙城科技有限责任公司的LC-6000振动分析仪，它既可以显示加速度、
速度、位移等参数，也可以进行时域分析、频域分析等，也可直接观察频率以及幅值的
大小;国内的这些设备精度一般都比较低，使用范围有限，功能有限，但价格较便宜。
国外的有日本理音公司的VM-63A振动计，此振动计可以检测加速度、速度、位移
等，且精度较高ys}。此外该公司的多通道分析仪SA-78可以检测时间波形、功率谱、互
功率谱、互功率谱(相位)、传递函数等:美国Benstone Fieldpaq分析仪器，可以对FFT
频谱分析、在线转子动平衡校正、3通道基本路径数据收集器以及倍频分析等。其中以
日本理音公司的产品性能优良成为其中的佼佼者。国外的类似产品一般精度较高，使用
范围比较广，功能较多，并且抗干扰能力强，但是价格较昂贵。

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本文从工作原理，测试系统的组成模块，实现方法，数据采集分析等几个方面论述
了机械振动测试仪的设计方案。此测试系统由被测对象、数据采集模块、数据处理和分
析、显示输出软件组成，上位机读取数据并对数据分析处理，利用LabVIEW软件实现信
号的实时采集，并实时显示时域图以及频域图等。当使用一路读取时，振动参数频率范
围理论可分析OHz到14kHz以内，完全可以满足学校实验设备的测试范围。
本文主要工作包括:
(1)首先介绍了选题的来源以及意义，并对课题目前的发展状况及研究状态做了简
要介绍。
(2)根据振动特性选取适当的传感器，并用SolidWorks软件对被测试件简支梁进行
三维仿真建模。
(3)根据需要对AD芯片以及CPU进行选型，并对选取的AD模块以及STM32控
制模块进行电路图设计以及PCB板的制作。
(})按照要实现的功能对AD采集模块以及STM32控制模块的程序进行编写，并采
用SPI通信协议进行两个模块之间的连接。在上位机LabVIEW软件里面进行程序编写，
使上位机和下位机进行数据通信，可以实现多路控制，并对零点误差修正程序以及振动
截取程序进行相应编写。对采集数据进行实时显示、时域图绘制、时域典型参数显示、
频域图绘制以及振动数据存储等工作。
(5)振动系统实验与结果进行分析，采用ANSYS软件分析被测试件简支梁的固有频
率以及相应振型，最后对误差进行相应分析。

2万 · 2019-5-5 13:40

图2-1是该系统结构总体框图，框图从被测对象、传感器、AD模块、STM32控制
模块到LabVIEW上位机的整体流程做了简单示意。上位机利用虚拟仪器LabVIEW软
件实现信号实时完整显示.简化了软件开发周期，方便直观的对梁信号实时波形以及频
率等振动参数进行分析处理。

2万 · 2019-5-5 13:40

振动测试系统的搭建如图2-2所示，从测试件、传感器、控制元件以及上位机进行
简单示意描述。

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对于一个振动测试的实验来讲，只做好分析的过程是远远不够的，要想得到一个比较好的实验结果，实验设备也是至关重要的一部分。图2-3是此次实验装置简支梁的三维图。

2万 · 2019-5-5 13:42

、振动测试实验装置的支撑方式
在振动测试的试验中，对实验装置进行支撑的方式大体有三种，分别为自由支撑
式、固定支撑方式以及原装支撑方式[16]0
(1)自由支撑:表示结构处在一个自由的状态下，无任何约束。在实际中会受外界
因素影响，因此要想达到这种状态非常困难。这一类型在实际的模型试验中，为了来模
拟结构的自由支撑，一般都会用柔度很大的橡皮条或是比较软的垫子。
(2)固定支撑:固定支撑和自由支撑的区别在于，自由支撑所有的自由度都是自由
的，而对于固定支撑，则是约束的固定端的约束，固定支撑是最容易实现的一种方式。
(3)原装支撑:在实际运用中，为了满足实际的运用情况所安装的结构，这种结构
可以理解为原装支撑。这种支撑方式比以上两种支撑方式运用广泛，此类结构自身的支
撑系统己经做到了相当好的模拟实际边界条件。
该振动测试实验的简支梁，它所采用的支撑方式就是最广泛采用的一种原装支撑的
情况。

2万 · 2019-5-5 13:42

2、振动测试实验装置的激励方式
(1)单点激励:该激励方式只对被测物体在一个点上，一次只施加一个方向上的激
励，其它方向上不再施加任何激励。由于这种激励方式操作简单方便，所以在实际运用
中使用较多。
(2)多点激励:随着测试产品的多样化和复杂化的出现，单点激励的实验方式有时
不能满足振动测试的实际要求。在实际的测试中，振动激励有时并不是单纯的一点激励
方式，而是多个激励点同时发生在被测机器上，此时单点激励的实验方法就无法模拟出
实际的振动过程。由此会使得振动试验的环境不准确，使测试所得到的数据和性能与实
际的相比会产生误差。此时单点激励就不符合实际要求，由此便出现了多点激励的激励
方式。
(3)单点分区激励:当采用多点激励时，激励设备较复杂，实现起来比较困难，这
种测试方法在许多情祝下不具备。单点分区激励的出现解决了这种难题，此激励方式是
将被测结构分成几个区域，在这几个区域上分别进行单点激励。并把相应的频响函数进
行联合，通过这种测试方法可以检测出结构整体的模态振型。
该振动测试实验的简支梁，它所采用的激励方式是最广泛采用的一种单点激励的方
式。

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激励装置就是使实验装置产生激励的装置，常用的激励装置主要有三种，
振器系统、冲击锤、阶跃激励装置
(1)激振器系统:它是由信号发生器、功率放大器和激振器三部分构成。
分别为激振器系统、冲击锤、阶跃激励装置
这三部分是相互联系的，由信号发生器发出的信号太小不能直接驱动激振器，此时就会用到功率
放大器，信号放大后再去驱动激振器。
(2)冲击锤:这种非接触式的激励方式较简单，对振动测试的分析结果影响比较小，
可以适应各种各样的复杂环境，且设备简单，价格低廉，非常适合在现场测试中使用，
因此是测试中优先选取的一种测试方式。
(3)阶跃激励装置:它是给系统提供一种瞬态信号，这种激励方式很适合一些大型
重型的结构做模态分析，用此种激励装置产生的激励信号，在激励中高频成分很少，低
频成分较多。在此次振动测试试验中，采用冲击锤敲击被测试件，使其产生激励。

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传感器被广泛的运用在各行各业中，振动检测中必然少不了传感器。传感器可以把
振动信号转换成方便采集的信号进行输出，它的种类非常多，不同的传感器工作原理也
不同，所以在不同的场合所选用的传感器也不同。这就要根据工作需求来选取传感器的
型号，这个过程是一个重要的环节。
传感器在信息处理技术的发展过程中起着重要作用，它是信息采集系统的前端部件，
它把采集的物理量或生物量转化成电信号，然后转化成了方便测量的信号。传感器实际
上和人类的各种感觉器官的功能很像，比如人类有触觉、味觉、嗅觉、听觉以及视觉，
在传感器中都对应有类似功能的传感器。传感器在各系统中的功能就如同人类的各器官
在身体中的作用一样，都是必不可少的器件。测量振动所使用的传感器，主要有位移式、
速度式和加速度式三种。

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(1)量程:指传感器测量范围的大小，它表示灵敏度随测量变化量不超过给定误差
限的输入机械量的幅值范围。传感器的量程必须超过要测量的物理量变化范围，否则在
使用时会对传感器造成破坏，所以选取传感器的时候，一定要根据测量范围去选取合适
的传感器。
(2)精度:此参数是判定传感器性能的主要参数，精度的高低和传感器的价格成正
比。在实际运用中，选择传感器时，精度满足要求即可，不需要选过高的精度，这样会
增加成本。
(3)稳定性:指仪器的计量特性随时间不变化的能力，设备的稳定性越高越好。稳
定性越高则会使其测量结果越精确，且适应范围越广，所以对传感器来说稳定性是至关
重要的一部分。
(4)灵敏度:指传感器在正常工作的情况下，输出量变化和输入量变化的比值
在选择传感器时，提高灵敏度可得到较高的测量精度，但高灵敏度的传感器在测量时受
外界的干扰越明显。因此在灵敏度提高的同时，还要提高传感器的信噪比。
(5)频率响应特性:在振动测试的过程中，频率构成特性是一个重要的振动参数，
由振动产生的频率范围可以从OHz到无穷大，只有频率响应特性好的传感器才能有很大
的频响范围。在选取传感器之前，要对需要测量的频率有所了解，实际测量的频率范围
要在选取的传感器测量范围内。

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AD7609芯片是一个18位电荷再分配逐次逼近型模数转换器((ADC)，此芯片共有8
路输入，每一路由18位组成，采用差分输入。每一路均以200kSPS的吞吐速率采样，
具有士IOV,土SV的两种模拟输入范围，采用SV单电源供电。AD7609芯片的引脚一共
有64引脚，封装形式为LQFP形式，接口形式为串行和并行两种。为了确保芯片可以
进行多通道信号的同时采集，AD7609芯片在每一个通道上都有一个采样保持器，这样
可以使多通道同时从采样状态切换到保持状态，并对每个通道进行分时转换[22-2310
AD7609部分性质简介如下:
(1)模拟输入
AD7609芯片具有两种模拟输入范围，一种是士SV范围，另一种是到OV范围，这两
种模拟输入范围的选取完全由AD7609芯片上的RANGE模拟输入范围选择引脚来控制。
当这个引脚接低电平时，芯片的模拟输入范围为士SV:引脚接高电平时，芯片的模拟输
入范围为士lOV。当确定模拟输入范围后，在数据的转换期间，对模拟输入范围不要再次
进行更改。

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