第三章：磁流變減振實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1、(3.1)圖3.1動(dòng)力系統(tǒng)模型Fig3.1 The dyn amic system mode第三章磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)3.1磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)思想為了檢測(cè)磁流變橡膠減振器的各個(gè)性能參數(shù)，必須設(shè)計(jì)一套與之相配套的振動(dòng) 測(cè)試裝置，由于磁流變橡膠減振器只能在一個(gè)方向上工作，屬于一維減振器，所以 振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)只需考慮上下方向的運(yùn)動(dòng)就可以，課通過齒輪機(jī)構(gòu)和兩個(gè)偏心塊的結(jié) 構(gòu)來實(shí)現(xiàn)只有上下振動(dòng)消除水平方向的力。在檢測(cè)磁流變橡膠減振器的性能參數(shù)時(shí),由于要考慮到不同的工況，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮激振力和振動(dòng)頻率可調(diào)。對(duì) 于激振力的調(diào)整可以考慮選用可調(diào)偏心激振裝置，對(duì)于振動(dòng)

2、頻率的調(diào)節(jié)只要選擇調(diào) 節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)。3.1.2磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型本文所設(shè)計(jì)的磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)屬于單自由度振動(dòng)系統(tǒng)， 圖3.1為振動(dòng)測(cè)試臺(tái)動(dòng) 力系統(tǒng)模型，m為起振質(zhì)量，k分為減振器的剛度，c為阻尼系數(shù)，F(xiàn) sint為激振 力。其動(dòng)力學(xué)方程如下：mX cX kx 二 F si n t引入描述單自由度阻尼振動(dòng)的特性參數(shù)系統(tǒng)固有頻率：叫= m臨界阻尼系數(shù)：c.km阻尼因子：.=£Cc則式3.1可寫為：X 2 nX Jx = Fsin t（3.2）m由式3.1可得到起振部位移x對(duì)激振力F sin，'t的傳遞函數(shù)為:G(s) 2( 3.3)ms +cs+ k3.1.3

3、磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)主要由基座、振動(dòng)臺(tái)、可調(diào)偏心塊、異步電動(dòng)機(jī)、被測(cè)減振 裝置以及一些附屬裝置所組成，通過改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和偏心塊的偏心距來調(diào) 節(jié)振動(dòng)臺(tái)的激振力，從而達(dá)到模擬振動(dòng)壓路機(jī)工況的目的。磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的實(shí) 物圖如圖3.2所示。其傳動(dòng)路線如下：電源=變頻器=異步電動(dòng)機(jī)=皮帶輪=一對(duì) 參數(shù)相同的嚙合齒輪兩個(gè)齒輪軸兩個(gè)可調(diào)偏心塊，通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，通過手輪調(diào)節(jié)偏心塊的偏心距，從而實(shí)現(xiàn)改變振動(dòng)臺(tái)激振力的目的。偏心機(jī)構(gòu)圖3.2磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)Fig 3.2 MR vibrati on test device3.1.4磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的各主要零件1. 振動(dòng)支

4、架由于此振動(dòng)測(cè)試臺(tái)是模擬振動(dòng)壓路機(jī)的工況，在其振動(dòng)過程中的所需的激振力 比較大，所以在設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)支架過程中，要考慮振動(dòng)支架的強(qiáng)度。在振動(dòng)支 架的組焊過程中，要采取防焊接變形措施。2. 可調(diào)偏心激振裝置的裝配可調(diào)偏心激振裝置是振動(dòng)測(cè)試臺(tái)中最重要的部件之一， 裝配的合適與否直接 關(guān)系到振動(dòng)臺(tái)的工作性能。圖3.3為振動(dòng)臺(tái)的可調(diào)偏心激振裝置?？烧{(diào)偏心激振裝置的工作原理：偏心塊的兩臂分別與兩個(gè)擋板固定，兩個(gè)擋板 通過左右旋螺紋分別與中間的左右旋螺紋軸聯(lián)接，通過手輪旋轉(zhuǎn)中間的左右旋螺紋 軸，使固定偏心塊的兩個(gè)擋板向相反方向移動(dòng)，從而改變偏心塊的偏心距，達(dá)到調(diào) 整振動(dòng)臺(tái)激振力的目的。根據(jù)其工作過程，在

5、安裝可調(diào)偏心激振裝置的過程中，一定要保證安裝偏心塊 的兩個(gè)花鍵軸的平行度，以及兩個(gè)偏心塊在自由狀態(tài)下保持相同的方向，以便能夠 產(chǎn)生豎直方向的激振力。圖3.3可調(diào)偏心激振裝置Fig3.3 The adjustable ecce ntric device for excit ing force3.2振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的搭建3.2.1振動(dòng)測(cè)試原理磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)主要由基座、振動(dòng)臺(tái)、可調(diào)偏心塊、異步電動(dòng)機(jī)、被測(cè)減振 裝置組成，通過改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和偏心塊的偏心距來調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)的激振力， 從而達(dá)到模擬振動(dòng)壓路機(jī)工況的目的；振動(dòng)臺(tái)工作原理圖如圖3.4所示，x方向?yàn)檎駝?dòng)臺(tái)的振動(dòng)方向，通過改變偏心輪的偏心距或轉(zhuǎn)速

6、來調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)的激振力，運(yùn)用加 速度和位移傳感器可以檢測(cè)振動(dòng)臺(tái)豎直方向的位移和加速度，從而實(shí)現(xiàn)間接測(cè)量磁流變減振器的振幅和加速度的目的圖3.4振動(dòng)臺(tái)工作原理Fig 3.4 The operating principle of vibration table圖3.5振動(dòng)臺(tái)測(cè)試原理圖Fig 3.5 The testing principium of vibration table圖3.5是振動(dòng)臺(tái)測(cè)試原理圖，通過傳感器采集振動(dòng)工作臺(tái)的位移和加速度等模擬 信號(hào)，采集的信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行放大、濾波、隔離后輸入到數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng) 模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過LabVIEW程序進(jìn)行分析計(jì)算，然后通過控制電源對(duì)阻尼器線圈

7、輸 入合適的激勵(lì)電流，以此改變振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼參數(shù)，達(dá)到所預(yù)期減振效果。3.2.2振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)程序的編寫1. 虛擬儀器與LabVIEW 11虛擬儀器(Virtual Instruments)是測(cè)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的革命性產(chǎn)物, 美國(guó)NI公司于1986年首先提出虛擬儀器的概念，即用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)儀器的 部分或全部功能進(jìn)行軟件化，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，通過靈活的虛擬儀器軟件包、儀器 軟面板更好地實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)控能力，從而擴(kuò)展系統(tǒng)的功能和靈活性。一個(gè)完整的虛擬儀器系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，具體地說是由計(jì)算機(jī)、功能化模塊硬件、專用軟件及電纜組成。計(jì)算機(jī)可以是臺(tái)式機(jī)、工控機(jī)、便攜式電腦和各種類 型的嵌入式P

8、C機(jī)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編程，同時(shí)計(jì)算機(jī)提供與主板通信的插槽；功能化模塊硬件有各種插卡式或外置式的信號(hào)調(diào)理板、數(shù)據(jù)采集卡和控制卡、輸入/輸出卡、GPIB卡，還有各種帶計(jì)算機(jī)接口的測(cè)量?jī)x器，如電荷放大器、抗混濾波器、傳 感器等；專用軟件包括由系統(tǒng)集成廠商開發(fā)的軟件如LabVIEW、LabWindows/CVI等以及用戶為實(shí)現(xiàn)各種測(cè)控功能設(shè)計(jì)的程序，主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、控制、處理、 結(jié)果輸出等功能；電纜是信號(hào)的通道。虛擬儀器可由用戶按自己要求自行設(shè)計(jì)、自 行定義，變換非常靈活。虛擬儀器的功能主要通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)、修改和擴(kuò)充。 虛擬儀器不僅能執(zhí)行傳統(tǒng)儀器的功能，而且，還能執(zhí)行傳統(tǒng)儀器所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多

9、功能。采用虛擬儀器思想設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x器代表著測(cè)量?jī)x器發(fā)展的方向，應(yīng)用領(lǐng)域比 傳統(tǒng)儀器更加廣泛，具有用途多、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)擴(kuò)展和聯(lián) 網(wǎng)容易等優(yōu)點(diǎn)。虛擬儀器的核心和關(guān)鍵部分是軟件，本系統(tǒng)選擇NI公司推出的，被稱為是工程師和科學(xué)家開發(fā)語(yǔ)言的LabVIEW作為開發(fā)開具，LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成 環(huán)境（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的簡(jiǎn)稱，是一種多功能的圖 形化編程語(yǔ)言，它采用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，利用工程師和 科學(xué)家所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖表、概念來說明程序的具體行為。LabVIEW具有功能強(qiáng)

10、大、 精度高、速度快、實(shí)時(shí)性好，且簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)等特點(diǎn)，此外在LabVIEW的附加軟件包中還有網(wǎng)絡(luò)工具包，對(duì)于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控有一定的優(yōu)勢(shì)。LabVIEW為工程技術(shù)人員構(gòu)建所需的測(cè)控系統(tǒng)提供了很好的開發(fā)平臺(tái)。2. 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集軟件的編寫根據(jù)本實(shí)驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)測(cè)試原理，利用LabVIEW軟件對(duì)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行 編程，采用多通道差分連續(xù)采集模式來實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。la號(hào)DBufferH "圖3.6數(shù)據(jù)采集流程結(jié)構(gòu)圖Fig 3.6 The flow chart of data acquisiti ons圖3.7差分測(cè)量系統(tǒng)Fig 3.7 The system of differ

11、e ntial measurme nntDAQ板卡進(jìn)行初圖3.6為數(shù)據(jù)采集流程結(jié)構(gòu)圖。在數(shù)據(jù)采集之前，程序首先對(duì) 始化，板卡和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。圖3.7為8通道差分測(cè)量系統(tǒng)11。在差分測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)輸入端的正負(fù)極分別 與兩個(gè)不同的模擬輸入端口相連接，并通過多路開關(guān)（MUX ）分別連接到儀用放大器（In strume ntation Amplifier）的正負(fù)極上，其中儀用放大器通過多路開關(guān)進(jìn)行通道 的轉(zhuǎn)換標(biāo)有AIGND （模擬輸入地）的引腳就是測(cè)量系統(tǒng)的地。采用差分接線方式能夠盡可能消除共模電壓的影響，抑制噪聲以及溫度漂移Fig 3.8 The model of

12、con ti nuum data acquisiti ons圖3.8是采用LabVIEW進(jìn)行連續(xù)采集的一般模型68。即通過傳感器采集信號(hào)依次通過 AI Config、AI Start、AI Read、Data Process AI Clear 幾個(gè)子模塊。 在循環(huán)采樣過程中，AI Config、AI Start、AI Clear子模塊只執(zhí)行一次，放在循環(huán)體的外面，而循環(huán)體內(nèi)只做 AI Read和必要的數(shù)據(jù)處理磁流變振動(dòng)測(cè)試臺(tái)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)PIsue:JODtlkfiFF-l-T字-irarffir圖3.9振動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)采集程序前面板Fig 3.9 The DAQ program 'front p

13、anel of vibrant table41-“T 3虹舟.mff IM ；22阿|IX儷舊1一.週¥果刪T制卜|J"11 M-J卜網(wǎng)翟1固圖3.10振動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)采集程序后面板Fig 3.10 The DAQ program 'real panel of vibrant table圖3.9和圖3.10是根據(jù)測(cè)試要求所編寫的數(shù)據(jù)采集程序前面板和后面板。在AIConfig子模塊里面設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道號(hào)、設(shè)備號(hào)以及緩存區(qū)大小，在AI Start子模塊里面設(shè)置掃描速度和連續(xù)采集模式，在AI Read子模塊里面設(shè)置從緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)的 速度。然后將采集得到的兩路信號(hào)分離，分別進(jìn)行

14、相應(yīng)的運(yùn)算處理并進(jìn)行保存，最 后用AI Clear來清除模擬輸入操作和緩存區(qū)，釋放 DAQ板卡的資源12。在數(shù)據(jù)采集之前首先要進(jìn)行一些相關(guān)參數(shù)的配置：采樣頻率是一個(gè)非常重要的 參數(shù)。采樣定理13是選取采樣頻率的理論基礎(chǔ)，理論上采樣頻率設(shè)置為被采集信號(hào) 最高頻率的2倍就可以，而實(shí)際常選用510倍11，有時(shí)為了更好地還原信號(hào)波形， 可以適當(dāng)?shù)剡x用更高的采樣頻率。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，取采樣頻率為信號(hào)最 高頻率的20倍。根據(jù)采樣頻率設(shè)置緩存區(qū)的大小和讀取速度，本文將緩存區(qū)的大 小設(shè)置為掃描速度的兩倍，將讀取速度設(shè)置為緩存區(qū)的一半。只要可以保證在進(jìn)行 數(shù)據(jù)的連續(xù)采集時(shí)，緩存區(qū)的數(shù)據(jù)不會(huì)溢出導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟

15、失就可以。3.2.3相關(guān)振動(dòng)測(cè)試儀器的介紹1.數(shù)據(jù)采集卡：本測(cè)試系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡為 PCI-6014。它的技術(shù)特性為： 16位精度，16路單端或8路差分模擬輸入，2路16位模擬輸出。最高采樣率是200kS/s圖3.11信號(hào)調(diào)理器Fig 3.11 The picture of SCXI2信號(hào)調(diào)理器：本測(cè)試系統(tǒng)采用的信號(hào)調(diào)理器是由 SCXI-1000機(jī)箱和16通道隔 離多路服用器模塊SCXI-1122組成的。它能將采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行放大、 濾波、 隔離后輸入到數(shù)據(jù)采集卡PCI-6014。圖3.11是信號(hào)調(diào)理器的實(shí)物圖，其中 SCXI-1122為各種需要信號(hào)隔離功能的傳 感器和信號(hào)輸入而設(shè)計(jì)

16、。它為每路通道提供了單獨(dú)的隔離放大器、過濾器和激勵(lì)源。SCXI-1122具有至少250 Vrms,工作隔離并可采集應(yīng)變、RTD、熱電偶、毫伏、伏 特、250V、0到20mA以及4到20mA電流輸入信號(hào)。該模塊的所有通道都可以被 DAQ設(shè)備的某一路通道采集，也可以進(jìn)行擴(kuò)展以增加通道數(shù)。3. 傳感器傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào) 在本測(cè)試系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求采用了位移傳感器和加速度傳感器。ST-1型非接觸式位移振動(dòng)傳感器 ST-1型非接觸式位移振動(dòng)傳感器屬于電渦流 式傳感器，它是根據(jù)楞次定律將傳感器線圈與被測(cè)金屬導(dǎo)體之間距離的變化轉(zhuǎn)換成 線圈品質(zhì)因數(shù)、等效阻抗和

17、等效電感三個(gè)參數(shù)的變化，再通過測(cè)量、檢波、校正等 電路轉(zhuǎn)化為線形電壓（電流）的變化。本實(shí)驗(yàn)采用的是ST-1-25型非接觸式電渦流位移傳感器。其主要技術(shù)指標(biāo)：線形量程：12mm；線形區(qū)電壓：-2V2V ;中點(diǎn)電壓：-6V ;靈敏度：0.8mv/削 分辨率:1.5卩溫度漂移：0.5%/cC ;穩(wěn)定度：0.05% ;線形度：2.0%;互換性誤差：2.5%。LC0104型內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器LC0104系列內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器 是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器。它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放 大器集于一體，能直接與記錄和顯示儀器連接，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試精度 和可靠性。其主要技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：100mv/g;量程：50g；頻率范圍：0.59000Hz(