振动测试的教学实验设计分析

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摘要：本文设计了一种振动测试的教学实验，通过实验学生可以了解机械振动的机理，掌握振动测试的原理，掌握信号采集的方法，并了解数据处理的相关知识。

关键词：机械振动；信号采集；测试系统；数据处理

0引言

振动，是机械设备所具有的基本特性，也是评判机械设备运行状况的综合性指标。设备的磨损量随着运行时间的增长而不断增加，不断增加的运行间隙使得设备的振动烈度持续增大，根据振动测试便可得知设备运行的状态。而在高校机械类专业的教学过程中，教学实验是学生最直观地了解知识的过程，也是学生最直接地运用所学知识去解决问题的过程，对于提升教学效果有着十分重要的作用。

1实验目的及实验内容

1.1实验目的

（1）观察机械设备的振动现象，掌握机械设备发生振动的机理，了解振动测试对于诊断机械设备故障的意义。（2）学习机械设备振动测试的方法，掌握振动测试系统的组成，了解振动信号测量的基本原理。（3）了解信号采集的基本知识，掌握一种信号采集的技能，学习振动测试数据的处理方法。（4）学习压电式传感器、电荷放大器、数据采集卡、数据采集软件、激光振动测量仪的使用方法，了解压电式传感器、激光振动测量仪的基本原理。

1.2实验内容

（1）根据实验目的，教师进行相关知识的拓展讲解，使学生掌握本实验应具备的相关知识，讲解内容如下：a机械振动的相关知识：通过讲解，学生可以了解机械设备发生振动的机理，了解振动对于判断机械设备运行状态的意义。b振动测试的相关知识：通过讲解，学生可以了解振动测试的方法，掌握测试指标的选择原则，了解振动信号测量的基本原理。c信号采集的相关知识：通过讲解，学生可以了解信号采集的基本原理，学习信号采集的相关理论，掌握信号采集系统的基本构成和采集方法。d数据处理的相关知识：通过讲解，学生可以了解振动信号数据处理的相关方法，掌握数据处理的基本流程。e电动机使用注意事项：通过讲解，学生可以了解基本的安全用电常识，掌握电动机使用的相关注意事项，在自我保护的同时保护教学设备的安全。f压电式传感器的知识：通过讲解，学生可以了解压电式传感器的组成、工作原理，掌握传感器的使用方法，了解其应用领域。g电荷放大器相关知识：通过讲解，学生可以了解电荷放大器的作用，掌握其使用方法。h数据采集卡相关知识：通过讲解，学生可以了解数据采集卡的工作原理，掌握其使用方法。（2）为了提高学生的动手实践能力，培养其工程素养，将学生分为几个小组，给出小组讨论时间，让其自主的讨论、学习实验仪器的使用。具体包括。a压电式传感器的接线与布置，电荷放大器的具体操作，数据采集卡的接线操作，数据采集软件以及激光振动测量仪的具体使用。b练习振动测试系统的搭建。（3）在实验教师的指导下，学生搭建正式的实验系统，并启动电动机，完成振动信号的采集工作。（4）振动测试工作完毕后，在实验教师的指导下，学生完成振动测试系统的拆除工作，将相应仪器设备做好保养后放置于指定位置。

2实验原理及实验系统

2.1实验原理

机械设备所包含的一切活动，包括冲击运动、往复运动、回转运动，均可作为激励源。设备在激励源的作用下产生振动现象，振动沿着设备从内部向外部传播。待到达设备表面时，机械振动扰动空气产生声波。采集并分析这些声音信号及振动信号，就能对机械设备及其运行状况作出相应的评判。激励源是机械设备产生振动的根本。在主动式测量中应采用激振器对被测试设备进行施振，由于施振特性是已知的，便可据此分析被测试设备的振动状态。而对于大型设备（例如大型柴油机），不便于对被测设备施加主动式测量，则可以针对设备自身工作时所产生的振动进行测试，从而分析被测试设备的振动特性、判断其运行状态。相关研究表明，机械设备的振动频率范围一般为10Hz~10000Hz，因此可将振动速度作为被测指标。但是，以现阶段的技术水平难以进行速度量的直接测量，通常以振动加速度作为被测指标，通过对测量数据进行积分从而得到速度、位移量。

2.2实验系统实验系统

由电动机、压电式加速度传感器、电荷放大器、NI数据采集卡、笔记本电脑等组成。

2.2.1压电式加速度传感器压电式加速度传感器由压电材料以及敏感元件构成，其特性为遭受外力后会在表面产生电荷。

2.2.2电荷放大器本实验系统采用KD5018型双积分电荷放大器，可以将输入的电荷量转换为相应的电压量进行输出。该型电荷放大器与压电式加速度传感器配合时，可以对机械振动中的加速度量进行测量，在机械、化工、航天等领域有着十分广泛的应用。

2.2.3数据采集卡本实验系统采用NI公司生产的9205采集卡。

2.2.4激光振动测量仪本实验系统采用的激光振动测量仪，可以直接测量并输出振动速度量。

3测试方法及数据处理

3.1测试方法

3.1.1振动速度的间接测量方法本实验中，振动速度的间接测量方法为加速度一次积分测量法。加速度一次积分测量法，是当前振动测试领域较为成熟的一种方法。其测试系统的性价比较高，对测试环境的要求较低，系统的搭建、使用十分简便，测试数据后期的处理方法也十分成熟。

3.1.2振动速度的直接测量方法本实验中，振动速度可以由激光振动测量仪直接测出。

3.2数据处理

3.2.1振动加速度信号的处理实验过程中所测得的振动加速度信号，应先对其进行A/D转换并消除直流分量。消除直流分量之后的信号还应进行滤波处理，滤波的方法有两种：数字频域滤波、时域滤波。本实验中采用数字频域滤波。a消除直流分量滤波之前，首先要消除加速度信号中所包含的直流分量，消除直流分量的方法：先求出N个采样数据的平均值，然后将各采样值进行减去平均值的处理，所得数据即为消除直流分量之后的值。b数字频域滤波在积分之前，还要对消除直流分量之后的振动信号进行滤波处理，本实验中采用基于FFT变换的频域滤波。c进行数字积分对加速度信号进行直接数字积分，得到初步的振动速度信号。数字积分的方法有很多，常用的有梯形法和辛普森法。d需消除趋势项振动测试过程中，受到外界环境温度变化以及其他干扰的影响，传感器会产生零漂、低频性能不稳定等现象。振动测试数据因而往往发生偏离基线的现象，并且偏离基线的程度还会随时间发生变化，这种现象就是趋势项。趋势项是干扰量，需要消除，常用的方法为最小二乘法。对所得到的初步振动速度信号，进行消除趋势项处理，即可得到可用的速度信号。

3.2.2振动速度信号的处理由于激光振动测量仪所输出的信号即为速度信号，无需再进行其他处理，可直接应用。

3.2.3振动烈度计算振动烈度是反应机械设备工作状态的简明特征量，在以上数据处理的基础上，指导学生进行振动烈度的时域和频域计算。

4结论

本文设计了一种振动测试的教学实验，对实验目的、实验内容、实验原理、实验设备、测试方法及数据处理方法进行了介绍。通过本实验，学生可以综合性的掌握机械振动的机理、振动测试的原理、信号采集的方法以及数据处理的相关知识。

参考文献

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[3]贺妍，马维金，刘迎各，张纪平.基于时频特征提取与神经网络的齿轮箱故障诊断[J].机电信息.2016（12）：68

作者：王立标 单位：台州学院