转动惯量测试系统

　2008年　第10期

仪表技术与传感器

Instrument　Technique　and　Sensor2008　

No110　

基于LabVIEW的转动惯量测试系统

丛培田,张宗媛,韩　辉,隋　昆

1

1

1

2

(1.沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳　110168;2.沈阳中钞信达金融设备有限公司,辽宁沈阳　110044)

　　摘要:将虚拟仪器技术引入到工程测试领域,提供了一套基于LabVIEW软件平台的转动惯量测试系统的解决方案。测量时被测工件安装在定轴测试系统上,采用加速度传感器检测系统的自由摆动信号,通过信号调理模块处理,经

USB2821采集卡采集到计算机,应用LabVIEW软件测试系统的固有频率,并依此计算工件的转动惯量。文中给出了计算

机设计流程图。最后应用实验的方法验证了系统的可行性。关键词:转动惯量;LabVIEW软件;固有频率

中图分类号:TH113　　　文献标识码:A　　　文章编号:1002-1841(2008)10-0014-03

ResearchonMomentofInertiaTestingSystemBasedonLabVIEW

CONGPei2tian,ZHANGZong2yuan,HANHui,SUIKun

1

1

1

2

(1.FacultyofMechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China;

2.ShenyangCBPMXINDABankingEquipmentCo.,Ltd.,Shenyangina)

Abstract:VirtualinstrumentationwasintroducedintothefieldtheofthemomentofinertiatestsystembasedonLabVIEWsoftwareplatformwasprovided.Theinthefixedaxistestingsys2tem.Theaccelerationsensorwasusedtodetectthesystesignalconditioningmoduleprocesses,theUSB2821acquisitioncardwasusedtoto.VIEWsoftwarewasusedtocalculatethesystemnatu2ralfrequency,andcalculatetheπsof.Thispaperpresentedthecomputerdesignflawchart.Finally,theexperimentprovesm.

Keywords:momentLabVIEWsoftware;naturalfrequency0　引言

在雷达等自动控制系统中,被控对象的转动惯量是一个重要参量。而被控对象往往是由许多光学、机械零部件、电气元部件组成。由于其复杂的几何形状,很难准确地计算出转动惯量,工程中常需要用测量的方法确定其转动惯量。

文中介绍一种装置,采用扭摆法产生振动信号,用A/D卡采集振动信号,应用LabVIEW虚拟仪器软件计算振动系统的阻尼比和固有频率,进而准确计算转动惯量,将计算结果显示在计算机界面上。

1　测试系统的原理图

图1　扭摆转动惯量测试装置

转动惯量测试系统主要包括测试系统机械装置、传感器、模拟信号处理电路、A/D采集卡和上位PC机。如图1所示,在垂直轴上装有2根紧固在轴上的螺旋形弹簧,用来产生弹性恢复力矩。在轴的上方应用通用夹具安装各种待测物体。垂直轴与支座之间装有角接触球轴承,可以使摩擦力矩尽可能降低。

将待测物体在水平面内转过一定角度θ后,在弹簧恢复力矩的作用下,物体开始绕垂直轴做往复扭转运动,通过加速度传感器和信号调理模块将扭摆振动转换为电压信号,由12位

A/D采集卡和计算机对信号进行模数转换并存入内存;应用LabVIEW软件对信号数据进行处理,最后直接计算出转动惯

2　硬件系统主要环节设计211　传感器和模拟信号处理电路

测试系统选用了YD-12压电加速度传感器,将其固定在摆杆上。压电加速度传感器将振动加速度信号转变为电荷量信号。

模拟信号处理电路原理图如图2所示。模拟信号处理电路包括电荷放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路。电荷放大电路是模拟检测部分的核心,它是具有深度负反馈的高增益电荷放大电路,将传感器产生的电荷信号转化为电压信号。图2的电荷放大电路部分,将压电加速度传感器YD-12产生的电荷量信号放大到-5～+5V.放大后的模拟信号通过低通滤波电路除去信号中的噪声信号,再通过高通滤波电路除去信号中的直流漂移,经过两级滤波后的模拟信号送给

A/D采集卡。

量,显示在计算机屏幕上

。

收稿日期:2008-06-09　收修改稿日期:2008-06-19

　　　第10期

丛培田等:基于LabVIEW的转动惯量测试系统

　　15

图2　模拟信号处理电路原理图

212　A/D采集卡件计算的方法进行求解。处理步骤如下:

(1)首先根据各特征系数的定义,应用xn的振动信号采集

测试系统采用12位USB2821型号采集卡。采集卡的转换器采用ADS774JP,采样频率范围为3Hz～100kHz,采用单端

32通道、双端16通道的物理通道,采集卡内部设置深度为8K

数据进行初步估计。寻找第1,并且作为信号的开始点x0,取A0=x0,

(ln1-n/(n-Tdα;

,

字、宽度为16位的FIFO存储器,系统的测量精度可以达到

011%。由于测试系统测试信号频率为5～10Hz,因此在设计

中采集卡A/D模拟量输入量程设置为5V,采样速度设5kHz,通道设置为连续单通道,选择0通道。3　(7)进行计算,求得差方和最小的参数值,并且作为替换此参数的修正值;

(3)按上述方法依次对另外3个参数进行计算和估计;(4)将2、3步骤反复循环3～5次,所得到的结果接近式(7)最小条件真值A0、ωd、α

系统的运动方程为

θIθ=Mkθ

角度;M为系统的扭矩。

系统的传递函数为

ω2θ/k

H(s)=2

ζωn+ω2S+2n

系统的固有频率为

ωn=

经过计算可得

ωnI=kθ/

出固有频率,即可依据式(4)计算出转动惯量。

转动惯量测试系统是二阶系统,可以用式(1)、式(2)表述,阶跃激励下的扭摆振动信号符合二阶衰减函数。可以表示为

x(t)=A0e

-αt

2

・・・

(1)

式中:I为转动惯量;k为转过的θ为弹簧刚度;C为系统阻尼;θ

其算法的软件流程图如图3所示。

4　基于LabVIEW平台的系统软件设计

系统采用模块化的编程方法,即将每个功能模块单独封装

(2)

成独立的可重用的子模块,上层可以独立地调用这些功能子模块,实现各种功能测试。

测试系统子模块包括系统标定模块、工件测量模块、打印报表模块以及帮助信息模块。每个测试任务都分为若干个测试单元,每个测试单元都完成一项测试功能,并取得测试结果以及对结果进行处理。这样就可以编写一个子程序完成对一个测试单元的测试,集成后即可完成整个系统的测试。软件设计的核心是编写调用采集卡采集数据函数模块,针对所用的采集卡,编写调用库函数程序,将采集到的数据进行处理。处理数据的程序与采集数据程序相对独立,这样当应用不同的采集卡对信号进行采集时,只要改变采集数据的相应程序即可实现对数据的处理。

转动惯量测试系统的用户界面如图4所示。当操作者按下测量按钮时,系统开始对振动信号进行测量,对测量的数据进行分析处理,最后在人机交互界面上显示待测工件的频率和测量后的转动惯量。软件的后面板程序框图如图5所示。

kθ/I(3)

(4)

因此转动惯量与系统的固有频率成线性关系,只要准确地测量

sin(ωdt+

将x(t)进行离散得

Δt)=A0e-x(n・

α・n・Δt

Δt+

实际测试时,被测振动信号通过A/D采集卡采样信号为:

xn(n=0,1,2,…,N-1),信号中含有噪声。

两信号的差方和为

Δt)-xn]2Mx=∑[x(n・

n=0N-1

(7)

5　实验结果分析

αωd、一组使差方和Mx最小的特征系数A0、、

启动转动惯量测量系统,进入系统标定界面,载物台空载时测量系统的频率f0和衰减指数α0;测量完毕,载物台放上

　　　16　

InstrumentTechniqueandSensor

Oct12008

图3　软件流程图

图5　采集数据程序图

频率fx和衰减指数αx以及测量所得的转动惯量Ix,最后通过

图4　工件测量界面

误差的计算公式计算系统的误差Δ.系统测试数据如表1所示。通过反复实验可知:该转动惯量测量系统可以达到精度要求,其测量相对误差小于015%。在测量过程中,阻尼变化对转动惯量测试结果不会产生影响,避免了阻尼产生的误差。

标准件ΔI时,测量系统的频率f1和衰减指数α1;测量完毕,输入标准件ΔI后,进行标定,可以计算出系统空载时的转动惯量

I0;在标定好的系统下,载物台上放上被测工件Ix,

测量系统的

表1　转动惯量测试系统测试数据

测量状态空载标准试件被测试件

自由振荡频率/Hz

f0=81217945f1=61333903fx=71601204

衰减指数α0=01511865α1=01468515αx=01487567

计算的固有频率/(rad・s-1)　　　　转动惯量/(kg・cm-2)

ω0=51163741ω1=39179984ωx=47176226

　　　　I0=17411898ΔI=1191027(计算)　　　　

　　　　Ix=2914121

　　注:计算的转动惯量Ix0=3012515,测量相对误差Δ=(Ix0-Ix)/(Ix0-I0)×100%=01286%.

6　结束语

[3]　吴斌,张波,许苏海.导弹质量特性测量装置设计.上海航天,2001

(3):41-44.

[4]　陈永华.扭摆法测转动惯量实验系统的智能化改进.实验科学与

该转动惯量测试系统减小了干扰噪声对测试结果的影响。利用该方法对系统阻尼比进行测试,计算结果排除了阻尼比变化对转动惯量结果产生的影响。系统人机界面操作简单。该测试系统是一种比较理想的测量转动惯量测试系统。参考文献:

[1]　杨辉,洪嘉振,于征跃.测量单轴气浮台转动惯量的新方法.振动

技术,2007(2):29-32.

[5]　李凡.复杂形体转动惯量复摆等效识别.机械工程师,1999(2):38

-39.

[6]　雷振山.LabVIEW7ExpressS使用技术教程.北京:中国铁道出版

与冲击,2001,20(2):32-35.

[2]　李化义,张迎春,李葆华,等.高精度转动惯量测试仪器分析与设

社,2005.

作者简介:丛培田(1960—),教授,硕士,主要研究领域为机械检测及

信号处理、故障检测与诊断。E2mail:congpei@263.net

计.计量学报,2004,25(3):60-63.

　2008年　第10期

仪表技术与传感器

Instrument　Technique　and　Sensor2008　

No110　

基于LabVIEW的转动惯量测试系统

丛培田,张宗媛,韩　辉,隋　昆

1

1

1

2

(1.沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳　110168;2.沈阳中钞信达金融设备有限公司,辽宁沈阳　110044)

　　摘要:将虚拟仪器技术引入到工程测试领域,提供了一套基于LabVIEW软件平台的转动惯量测试系统的解决方案。测量时被测工件安装在定轴测试系统上,采用加速度传感器检测系统的自由摆动信号,通过信号调理模块处理,经

USB2821采集卡采集到计算机,应用LabVIEW软件测试系统的固有频率,并依此计算工件的转动惯量。文中给出了计算

机设计流程图。最后应用实验的方法验证了系统的可行性。关键词:转动惯量;LabVIEW软件;固有频率

中图分类号:TH113　　　文献标识码:A　　　文章编号:1002-1841(2008)10-0014-03

ResearchonMomentofInertiaTestingSystemBasedonLabVIEW

CONGPei2tian,ZHANGZong2yuan,HANHui,SUIKun

1

1

1

2

(1.FacultyofMechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China;

2.ShenyangCBPMXINDABankingEquipmentCo.,Ltd.,Shenyangina)

Abstract:VirtualinstrumentationwasintroducedintothefieldtheofthemomentofinertiatestsystembasedonLabVIEWsoftwareplatformwasprovided.Theinthefixedaxistestingsys2tem.Theaccelerationsensorwasusedtodetectthesystesignalconditioningmoduleprocesses,theUSB2821acquisitioncardwasusedtoto.VIEWsoftwarewasusedtocalculatethesystemnatu2ralfrequency,andcalculatetheπsof.Thispaperpresentedthecomputerdesignflawchart.Finally,theexperimentprovesm.

Keywords:momentLabVIEWsoftware;naturalfrequency0　引言

在雷达等自动控制系统中,被控对象的转动惯量是一个重要参量。而被控对象往往是由许多光学、机械零部件、电气元部件组成。由于其复杂的几何形状,很难准确地计算出转动惯量,工程中常需要用测量的方法确定其转动惯量。

文中介绍一种装置,采用扭摆法产生振动信号,用A/D卡采集振动信号,应用LabVIEW虚拟仪器软件计算振动系统的阻尼比和固有频率,进而准确计算转动惯量,将计算结果显示在计算机界面上。

1　测试系统的原理图

图1　扭摆转动惯量测试装置

转动惯量测试系统主要包括测试系统机械装置、传感器、模拟信号处理电路、A/D采集卡和上位PC机。如图1所示,在垂直轴上装有2根紧固在轴上的螺旋形弹簧,用来产生弹性恢复力矩。在轴的上方应用通用夹具安装各种待测物体。垂直轴与支座之间装有角接触球轴承,可以使摩擦力矩尽可能降低。

将待测物体在水平面内转过一定角度θ后,在弹簧恢复力矩的作用下,物体开始绕垂直轴做往复扭转运动,通过加速度传感器和信号调理模块将扭摆振动转换为电压信号,由12位

A/D采集卡和计算机对信号进行模数转换并存入内存;应用LabVIEW软件对信号数据进行处理,最后直接计算出转动惯

2　硬件系统主要环节设计211　传感器和模拟信号处理电路

测试系统选用了YD-12压电加速度传感器,将其固定在摆杆上。压电加速度传感器将振动加速度信号转变为电荷量信号。

模拟信号处理电路原理图如图2所示。模拟信号处理电路包括电荷放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路。电荷放大电路是模拟检测部分的核心,它是具有深度负反馈的高增益电荷放大电路,将传感器产生的电荷信号转化为电压信号。图2的电荷放大电路部分,将压电加速度传感器YD-12产生的电荷量信号放大到-5～+5V.放大后的模拟信号通过低通滤波电路除去信号中的噪声信号,再通过高通滤波电路除去信号中的直流漂移,经过两级滤波后的模拟信号送给

A/D采集卡。

量,显示在计算机屏幕上

。

收稿日期:2008-06-09　收修改稿日期:2008-06-19

　　　第10期

丛培田等:基于LabVIEW的转动惯量测试系统

　　15

图2　模拟信号处理电路原理图

212　A/D采集卡件计算的方法进行求解。处理步骤如下:

(1)首先根据各特征系数的定义,应用xn的振动信号采集

测试系统采用12位USB2821型号采集卡。采集卡的转换器采用ADS774JP,采样频率范围为3Hz～100kHz,采用单端

32通道、双端16通道的物理通道,采集卡内部设置深度为8K

数据进行初步估计。寻找第1,并且作为信号的开始点x0,取A0=x0,

(ln1-n/(n-Tdα;

,

字、宽度为16位的FIFO存储器,系统的测量精度可以达到

011%。由于测试系统测试信号频率为5～10Hz,因此在设计

中采集卡A/D模拟量输入量程设置为5V,采样速度设5kHz,通道设置为连续单通道,选择0通道。3　(7)进行计算,求得差方和最小的参数值,并且作为替换此参数的修正值;

(3)按上述方法依次对另外3个参数进行计算和估计;(4)将2、3步骤反复循环3～5次,所得到的结果接近式(7)最小条件真值A0、ωd、α

系统的运动方程为

θIθ=Mkθ

角度;M为系统的扭矩。

系统的传递函数为

ω2θ/k

H(s)=2

ζωn+ω2S+2n

系统的固有频率为

ωn=

经过计算可得

ωnI=kθ/

出固有频率,即可依据式(4)计算出转动惯量。

转动惯量测试系统是二阶系统,可以用式(1)、式(2)表述,阶跃激励下的扭摆振动信号符合二阶衰减函数。可以表示为

x(t)=A0e

-αt

2

・・・

(1)

式中:I为转动惯量;k为转过的θ为弹簧刚度;C为系统阻尼;θ

其算法的软件流程图如图3所示。

4　基于LabVIEW平台的系统软件设计

系统采用模块化的编程方法,即将每个功能模块单独封装

(2)

成独立的可重用的子模块,上层可以独立地调用这些功能子模块,实现各种功能测试。

测试系统子模块包括系统标定模块、工件测量模块、打印报表模块以及帮助信息模块。每个测试任务都分为若干个测试单元,每个测试单元都完成一项测试功能,并取得测试结果以及对结果进行处理。这样就可以编写一个子程序完成对一个测试单元的测试,集成后即可完成整个系统的测试。软件设计的核心是编写调用采集卡采集数据函数模块,针对所用的采集卡,编写调用库函数程序,将采集到的数据进行处理。处理数据的程序与采集数据程序相对独立,这样当应用不同的采集卡对信号进行采集时,只要改变采集数据的相应程序即可实现对数据的处理。

转动惯量测试系统的用户界面如图4所示。当操作者按下测量按钮时,系统开始对振动信号进行测量,对测量的数据进行分析处理,最后在人机交互界面上显示待测工件的频率和测量后的转动惯量。软件的后面板程序框图如图5所示。

kθ/I(3)

(4)

因此转动惯量与系统的固有频率成线性关系,只要准确地测量

sin(ωdt+

将x(t)进行离散得

Δt)=A0e-x(n・

α・n・Δt

Δt+

实际测试时,被测振动信号通过A/D采集卡采样信号为:

xn(n=0,1,2,…,N-1),信号中含有噪声。

两信号的差方和为

Δt)-xn]2Mx=∑[x(n・

n=0N-1

(7)

5　实验结果分析

αωd、一组使差方和Mx最小的特征系数A0、、

启动转动惯量测量系统,进入系统标定界面,载物台空载时测量系统的频率f0和衰减指数α0;测量完毕,载物台放上

　　　16　

InstrumentTechniqueandSensor

Oct12008

图3　软件流程图

图5　采集数据程序图

频率fx和衰减指数αx以及测量所得的转动惯量Ix,最后通过

图4　工件测量界面

误差的计算公式计算系统的误差Δ.系统测试数据如表1所示。通过反复实验可知:该转动惯量测量系统可以达到精度要求,其测量相对误差小于015%。在测量过程中,阻尼变化对转动惯量测试结果不会产生影响,避免了阻尼产生的误差。

标准件ΔI时,测量系统的频率f1和衰减指数α1;测量完毕,输入标准件ΔI后,进行标定,可以计算出系统空载时的转动惯量

I0;在标定好的系统下,载物台上放上被测工件Ix,

测量系统的

表1　转动惯量测试系统测试数据

测量状态空载标准试件被测试件

自由振荡频率/Hz

f0=81217945f1=61333903fx=71601204

衰减指数α0=01511865α1=01468515αx=01487567

计算的固有频率/(rad・s-1)　　　　转动惯量/(kg・cm-2)

ω0=51163741ω1=39179984ωx=47176226

　　　　I0=17411898ΔI=1191027(计算)　　　　

　　　　Ix=2914121

　　注:计算的转动惯量Ix0=3012515,测量相对误差Δ=(Ix0-Ix)/(Ix0-I0)×100%=01286%.

6　结束语

[3]　吴斌,张波,许苏海.导弹质量特性测量装置设计.上海航天,2001

(3):41-44.

[4]　陈永华.扭摆法测转动惯量实验系统的智能化改进.实验科学与

该转动惯量测试系统减小了干扰噪声对测试结果的影响。利用该方法对系统阻尼比进行测试,计算结果排除了阻尼比变化对转动惯量结果产生的影响。系统人机界面操作简单。该测试系统是一种比较理想的测量转动惯量测试系统。参考文献:

[1]　杨辉,洪嘉振,于征跃.测量单轴气浮台转动惯量的新方法.振动

技术,2007(2):29-32.

[5]　李凡.复杂形体转动惯量复摆等效识别.机械工程师,1999(2):38

-39.

[6]　雷振山.LabVIEW7ExpressS使用技术教程.北京:中国铁道出版

与冲击,2001,20(2):32-35.

[2]　李化义,张迎春,李葆华,等.高精度转动惯量测试仪器分析与设

社,2005.

作者简介:丛培田(1960—),教授,硕士,主要研究领域为机械检测及

信号处理、故障检测与诊断。E2mail:congpei@263.net

计.计量学报,2004,25(3):60-63.