扭转振动测试的实验研究

第23卷　第1期 昆　明　理　工　大　学　学　报 Vol.23No.1 1998年2月　JOURNAL OF KUNMIN G UN IV ERSIT Y OF SCIENCE AND TECHNOLO GY　Feb.1998

扭转振动测试的实验研究Ξ

张建勋　罗德扬

(昆明理工大学建筑工程及力学系,昆明　650093)

摘要　扭转振动可以看作是匀速轴转动的相位调制.如果可能从回转轴上取出回

转编码信号,在一定条件下,此信号的相位解调就表示轴的扭转振动.进行相位

解调的有效方法是使用FF T分析仪将实信号变为解析信号,而后将其幅值和相

位调制分量分解出来.

利用希尔伯特变换技术进行幅、相解调,这在通讯领域应用较为广泛.而将其用于扭转振动的检测和分析,目前来说还不多见.为此,我们设计了一套实验

装置,利用相应的设备和开发软件进行了一系列实验,得到了一些数据和结果.

由于整个解调过程是数字化的.因而具有精度高、应用范围广、适应性强等一系

列传统模拟方法所不可比拟的优点,并摒弃了复杂、昂贵而精度有限的扭振传感

器.

关键词　希尔伯特变换;扭转振动;相位调制;相位解调;编码信号;扭振传感

器

中图分类号　TG50619

1　扭转振动分析原理和方法

图1显示实现相位解调和扭振分析的测试分析系统.分析系统主要由双通道信号分析仪B K2034和286微机组成,二者间由GPIB通用接口总线联结,并由开发的通讯软件B KU TIL支持.此程序使计算机能监测,控制B K2034的运行和数据输入输出等.

根据扭振分析的理论,实际分析过程可用图2表示.图中,双边框的过程由B K2034实现,单边框内的过程由计算机完成.

从光电编码器输入的被扭振调制的编码脉冲,被输入B K2034,在转速同步脉冲和外部采样脉冲的控制下进行时域同步平均,达到排除与转速频率无关的噪声的干扰.转速脉冲作为同步平均的触发信号,外部采样则保证了频率跟踪.在达到给定的平均次数后, B K2034自动对平均信号用FF T进行谱分析.并显示同步平均谱.带通滤波是由程序控制以人机对话方式进行的,在定了适当的中心频率和带宽后,仅只有带宽内的数据被读入计算机从而实现带通滤波.程序按频移原理及离散付里叶变换的周期特性将滤波谱进行重新排列,完成谱不移并生成数据文件.该数据文件被输入B K2034调用其FF T功能进行付里叶变换.变换后的数据又写入计算机后,由程序控制组成了复信号,并算出它的包络和

Ξ收稿日期:1997-10-15

相位.计算结果经标定后输入2034显示分析结果,并可打印出硬拷贝

.

图1　

扭振分析系统

图2　扭振分析流程图

回转轴的扭转振动,无论是伴随着回转的周期性振动,还是每转重复发生的瞬态振动,都是以轴的回转频率的整数倍(包括相等)频率为基频的周期振动.理论上扭振编码信号的频谱应为离散状,所有谱线包括谐波谱线和边带谱线都位于回转频率的整数位置上.由于整个分析过程是数字过程,主要运算为付里叶正逆变换,其间还对频谱进行矩形截断以实现带通滤波.为保证数字化分析的可靠性,必须对扭振信号进行整周期截取,以避免泄漏和栅栏效应.

实现整周期截取的关键是采用频率跟踪技术,使A/D 变换中的采样频率自动跟踪轴的频率始终为回转频率的整倍数(称为乘法因子,本例中为1024),而不是由A/D 内部时钟控制.当轴的转速变化时,仍能保证对每一转的编码信号有相同的采样点,而形成一个完整的数据块.在B K2034进行数据采取时,就是用脉冲发生器产生的采样脉冲来实现频率跟踪的.而转速脉冲用来触发A/D 变换器保证每一个数据块的起始点位于编码信号(即扭振信号)的某固定相位上,保证了同步平均的可靠.

B K2034在进行运算分析时,每个数据块是2048点,而脉冲发生器每转发出的是1024个采样脉冲,所以一个数据块包含了两转的编码和扭振信号.理论分析证明,在频谱图上,编码脉冲及调制边带的谱线应当位于分析仪的偶数谱线上,奇数谱线实为干扰噪声.根据这一分析,在进行带通滤波时,程序将通带内所有奇数谱线置零,消除噪声以提

・96・第1期 张建勋等:扭转振动测试的实验研究

高分析精度.

图3　调幅调相信号及频谱由计算机完成频谱平移和数据组合

后,需进行付里叶逆变换.这是调用

B K2034的FF T 功能来完成的.数据的

实部和反号后的虚部(取共轭)分别视

为两路时间信号输入B K2034作付里叶

正变换.得到各自的变换后实虚部共4

组数据,程序将这些值重新组合成一复

时间信号,该信号的模就是编码脉冲的

包络,幅角除以修正因子(与每转编码

脉冲数及通带滤波中心频率有关)就得

到了扭转动的角位移时间历程.

实现上述信号分析过程的应用程序软件是解调程序APDM (幅相解调).程序既控制调用B K2034相关功能又完成灵活的数据传输、转换、存储和各种运算.考虑使用的一般性和通用性,程序是在B K2034完成时域同步平均和谱分析并显示出编码频谱的基础上运算的.

a 包络信号

b 相位信号图4　APDM 解调的结果

APDM 程度具有很高的可靠

性和准确性,用B KU TIL 程序向

B K2034写入一系列专门生成的数

据文件,模拟各种情况下的调幅调

相波及频谱,而后用APDM 进行

解调,均得到十分满意的结果.图

3表示了一个幅相均被调制的周期

信号及其频谱,在这个最一般的例

子中载波、调幅波调相波均是有两

个谐波(基频和二次谐波)的一般

周期信号.图4表示了由APDM

解调出的结果.图4a 为包络,图4b

图5　扭振试验装置简图

为相位.分析结果完全符合数

据文件的设定参数.2　扭转振动试验装置

扭转试验装置用来产生频

率和幅值大小可以调节的扭转

振动,输出扭转编码信号,并

能同时产生用于频率跟踪的采

样脉冲和同步触发用的转速脉

冲.

211　试验装置的构成・07・昆　明　理　工　大　学　学　报 1998年