| 基于PC机的便携式低频振动测量分析仪 |
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| 2001-01-19 |
1、引 言
在低频振动测量中，传统的振动传感器不能拾取零点几到几赫兹的超低频信号，采用任何相对位移测量方法都存在着一定困难，因此一直缺乏理想的测量仪器。基于PC机所研制的一种便携式低频绝对振动测量分析仪，具有基本的振动信号测量分析、传感器参数的在线估计和传感器频率特性的数字补偿三项功能，能很好地完成低频振动的测量和分析工作。
2、磁电式速度传感器低频频响扩展原理
实现一个低频绝对振动的测量仪器，首先要解决传感器的问题。新研制的低频振动传感器用低频扩展网络对磁电式速度传感器的频率特性进行补偿和修正，扩展了低频测量范围。传感器原理如图1所示。
式中：K1为灵敏度系数；ω0为质量弹簧系统的固有频率；ξ0为阻尼比。
如果要求良好的幅频和相频特性，磁电式速度传感器可测频率范围就应选择在固有频率ω0的3-5倍以上。显然，满足不了低频振动测量的要求。
一种理想的实现途径是在磁电式速度传感器输出端串接一个低频扩展（校正）电路。若校正电路的传递函数为
则经校正后，系统的传递函数为
它等效为一个固有频率为ω1，阻尼比为ξ1的系统，而ω1和ξ1均由电路参数确定，当ω1<ξ1时，系统可测量的低频范围得到扩展。
低频振动传感器将磁电式速度传感器与放大及校正电路进行集成，使传感器既保持了原磁电式速度传感器适于工程应用的特点，又具有测量低频振动的优越性能。若磁电式速度传感器后接放大电路，便是振动速度传感器；若磁电式速度传感器后接积分放大电路，则构成振动位移传感器。
在中国计量院标定时，所用磁电式速度传感器的固有频率为3.7Hz，阻尼比为0.8，速度灵敏为320mV/mm.s-1，用校正电路补偿后，传感器的等效固有频率低于0.7Hz，在此基础上，再用数字补偿方法补偿传感器的相位非线性和幅频特性不平滑的情况，可使传感器的输出特性完全类似于一个固有频率为0.2-0.5Hz的传感器。
3、仪器的硬件结构
便携式低频振动测量仪的硬件结构如图2所示。
3.1估计传感器参数
估计传感器参数，需测量传感器的复阻抗特性。仪器是通过控制继电器，改变传感器的连接方式，以选择正常测量或参数估计功能的。进行传感器参数估计时，由D/A产生正弦扫频信号，通过采集D/A和传感器的输出电压，可求出传感器的复阻抗特性。
3.2使用PC机的时钟中断
用D/A产生正弦波，对振动信号作等时距采样，都需可变时间间隔的脉冲序列产生硬中断，形成时间基准和采样信号。 PC机内定时计数器的零号硬中断IRQO用于产生时钟信号，正常工作时，其频率为18.2Hz，用软件接管此中断后，可改变频率，用作等时距采祥和产生扫频的中断信号。需要注意的是，磁盘操作时，这个中断被用作寻道操作的等待时间基准，因此，当接管和改变了此中断频率时，不能再进行磁盘操作。用完这个中断之后，应该复原。
3.3专用键盘接口
本仪器使用8279重新设计了一个仪器专用键盘，占用PC机的中断IRQ2。
3.4小型显示器
为减轻重量，仪器中用177.8mm小屏幕的高分辨率显像管取代PC机单色显示器（MDA）上的大显像管。替换后，需要调整高压和阴极电压。替换后的显示器，电路没有改变，仍然符合MDA规范，可使用支持MDA的高级语言编程。
4、仪器的软件设计
振动测量分析软件功能如图3所示。
仪器软件系统主要由主程序和采样控制、采样方式选择、分析通道选择、数据记录、时域分析、频域分析、参数识别等子程序组成，采用C语言和宏汇编语言混合编程实现。
4.1主程序
主程序主要完成仪器状态初始化，设置键盘中断服务程序，显示仪器状态、参数、坐标、边框，再根据操作者选择，调用其它功能子程序。主程序流程见图4所示。
 4.2三个重要子程序完成的主要功能
4.2.1时域分析子程序
根据选择的分析时长和抽样间隔，既能计算振动信号的峰峰值、均方根值和绝对均值，又能实时显示振动信号的时域波形。
4.2.2参数识别子程序
为提高仪器测量精度，使用扫频搜索方法对振动传感器参数进行在线识别。估计出由于环境温度、永磁材料磁性衰退等因素影响，导致传感器传递函数与校正电路失配产生的误差后，采用递归数字滤波方法对输出特性进行补偿，以消除传感器参数变化对系统频率特性的影响。
4.3数字显示的实现
设计软件时，先从汉字字库中选择所用汉字字模并建立小字库和编码。仪器作汉字显示时，由程序调用小字库编码字模直接写显示缓冲区实现，显示速度很快。
5、结论
基于PC机的便携式低频振动测量仪具有如下特点：
（1）系统通用性好，数据存储容量大，支持软件丰富，分析功能强。
（2）体积小，重量轻，携带方便，适合生产现场低频振动信号的测量与分析。
（3）使用展宽低频范围的新型振动传感器并采用在线估计和数字补偿方法，仪器的测量精度高。
使用此仪器对长江葛洲坝水电站的水轮发电机组和北京环形实验铁路的桥梁做了测振实验，均取得满意的效果。实验证明，仪器配用0.5Hz的等效固有频率的低频振动传感器，能满足水轮发电机组振动测量要求。而作铁路桥梁振动测量时，需用0.2Hz固有频率的传感器，但即使用0.5Hz的传感器，也能测出别的传感器测不出来的低频振动分量。 |
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