车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统的制作方法

专利名称：车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统的制作方法
车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统
技术领域：
本发明涉及一种测控系统，具体是指车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统。背景技术：
各种交通车辆由于工作环境中振源较多，造成多种危害，如零部件损坏、坚固件松 弛，并产生严重的噪音和浪费能源。某些车辆因为共振等现象产生的噪声污染更加严重。 其振动控制问题是当今的各大企业间竞争的关键问题之一。对这些振动现象进行控制就是 使之产生较弱的振动，但某些情况下，如路面不平度、发动机燃烧的不稳定性等都是不可控 的。理论上某些情况下的振动是可以消除的，但是却要消费较高的成本，会使制造企业的产 品成本增加。所以，设计者应在保证制造成本的前提下，把振动控制在一个合理的范围内。 减振产品主要有弹簧、油液减振器、橡胶减振器。橡胶减振器作为一种物美价廉的产品，其具有多方向减振、制造工艺简单、安装方 便等优点，在车辆工程中得到广泛的应用。但其工作环境是复杂的动态工况，大多数橡胶减 振器的规范标准却只有静态或准静态设计参数，对橡胶胶减振器的动态参数系统的关系分 析更是缺乏，这使得其应用只能根据静态设计参数加以推理，进行经验设计，由此，国内车 辆设计时会尽量避免使用这种设计。利用橡胶减振器的动态参数系统的特性进行机械结 构、车辆工程等进行工程动态设计是生产企业获得自主知识，发展工业设计优良产品的必 然需求。目前对车辆橡胶减振器的测试专用设备一般也只有静态或准静态设备，不能快速 准确地对橡胶减振器进行动态多参数系统测试和动态数据关系分析，不能够提供设计车辆 橡胶减振器所必须的多种设计参考。

发明内容本发明所要解决的技术问题在于提供一种车辆橡胶减振器专用动态性能测控系 统，根据具体工况环境进行橡胶减振器多参数的动态性能试验研究，获得动态特性和关系 系统分析，实现车辆橡胶胶减振器合理化设计。本发明采用以下技术方案解决上述技术问题车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统，包括传感器、信号调理电路、动力或信号 发生控制系统、伺服控制放大器、多功能数据采集卡、主控计算机；所述传感器与所述动力或信号发生控制系统连接到实验装置主体；所述传感器还 连接所述信号调量电路，所述动力或信号发生控制系统还连接所述伺服控制放大器；所述信号调理电路和所述伺服控制放大器连接到所述多功能数据采集卡；所述多 功能数据采集卡连接到所述主控计算机；所述主控计算机设计有动态性能测试软件，通过所述多功能数据采集卡对实验装 置主体进行测控，信号通过适当处理转化为调整指令发送到所述伺服控制放大器；实验装 置主体动作指令由所述主控计算机发出，通过所述多功能数据采集卡的D/A接口进入所述伺服控制放大器进行信号放大和调节；输出电流信号，使实验装置主体沿要求的方向和速 度运动，同时带动减振器运动，并分别通过与实验装置主体固连的传感器测量信号，信号通 过所述信号调理电路进行适当的调理，分别进入所述多功能数据采集卡的三路A/D接口 ； 所述主控计算机通过数据处理得到要求的减振器特性曲线。所述传感器包括位移传感器、速度传感器、阻尼力传感器。所述动态性能测试软件包括主界面模块、数据采集模块、数据分析模块；所述主界面模块完成虚拟仪器面板的设计，美观、大方、实用，并设计用户菜单和 使用面板旋钮，使用户能够方便的使用操纵仪器工作；所述数据采集模块模拟量的采集和开关量的采集；在测试平台中做出是多个示 波器，将信号实时的显示出来；数据从通道内读出后，将数据及时完整的保存下来，保证数 据不能丢失；所述数据分析模块通过读取数据存盘文件，将数据波形显示出来；对采集来的 信号进行带通滤波，消除干扰信号，从中分离出有用的信息；用LabVIEW中信号分析函数， 对存盘文件中的数据进行信号分析包括功率谱、自相关函数、互相关分析，以得到信号的频 域和时域特性。本发明的优点在于设计了一种非线性粘弹性减振器动态性能测试系统，较完整 地研究和分析了被测试对象的动态性能组成和测试数据间动态关系及显示方案，进行了各 种动态关系分析，选择了测试系统的硬件构成，分析了系统的工作原理和测试流程，并设计 出了动态性能测试软件，软件开发是该虚拟测试系统的核心，采用波形输入调试软件，运行 结果表明该虚拟测控系统是可行的。动态性能测试系统的动态特性参数构成和关系分析是 目前该类设备中较全面的系统。

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。图1是本发明系统硬件组成框图。图2是本发明中循环采样示意图。图3是本发明中两个通道同步采样的示意图。图4是本发明间隔扫描示意图。图5是本发明中动态性能测试软件结构框架图。图6是本发明程序总体工作流程图。图7是本发明中读取波形文件并将四路信号分离框图。图8是本发明中用户界面图(局部图形)。图9是本发明中波形显示面板(局部图形)。
具体实施方式车辆橡胶减振器动态性能计算机测控系统包括硬件设计与软件设计。硬件设计 如图1所示，主要包括传感器、信号调理电路、动力或信号发生控制系统、伺服控制放大器、 多功能数据采集卡、主控计算机；所述传感器与所述动力或信号发生控制系统连接到实验 装置主体；所述传感器还连接所述信号调理电路，所述动力或信号发生控制系统还连接所
4述伺服控制放大器；所述信号调理电路和所述伺服控制放大器连接到所述多功能数据采集 卡；所述多功能数据采集卡连接到所述主控计算机。所述传感器包括位移传感器、速度传感 器、阻尼力传感器。随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向。本 测试系统软件采用虚拟仪器图形化编程语言Lab VIEW来编写。软件采用了自上而下的模 块化程序设计思想，用户可以在计算机上实现对激励信号的输出、振动信号的采集、分析处 理以及信号的显示与存取等操作。用户可根据测试的具体要求设定激励信号的频率，幅值 等参数。软件的分析功能主要有测试件减振性能分析，信号相关性分析、信号功率谱分析。 一般的工作过程为输出激励信号，采集信号，保存信号，取出信号，数字滤波，信号分析。用 户操作面板主要由信号显示部分与参数设定部分组成，其中参数设定部分包括数据采集参 数设定与数据分析参数设定及结果显示。非线性减振器动态性能测控系统主要是由计算机和外围输入和输出通道组成。输 入通道接受和采集来自各种传感器和有关环节送来的各种信号和信息，经过计算机的分 析、判断、计算和处理，然后通过输出通道发出各种控制信号和命令、以完成预定的测控任 务，包括对各种测控系统硬件的驱动、诊断和对被测数据进行处理以后的数字、图标、图像、 图形和文件的形式显示、记录和打印，对受控过程或试验对象以某种规律或控制算法进行 控制，上述这些任务需要驱动、诊断和处理软件以及算法软件来完成。这些软件是运行在计 算机上的测控系统软件。下面详细描述硬件部分A、主测控机为IBM-PC微机，通过数据采集卡对实验系统进行测控，系统采用位置 反馈控制，因此位移信号通过适当处理转化为调整指令发送到伺服控制器。实验装置主体 动作指令由微机发出，通过数据采集卡的D/A接口进入控制放大器进行信号放大和调节； 输出电流信号，使实验装置主体沿要求的方向和位移运动，同时带动减振器运动，并分别通 过与实验装置主体固连的位移传感器和速度传感器测量位移和速度，通过主机调整螺杆上 固定的力传感器测量阻尼力，检测得到位移信号，速度信号和阻尼力信号通过适当的调理， 分别进入数据采集卡的三路A/D接口 ；计算机通过数据处理得到要求的减振器特性曲线。B、位移传感器主要用来测量活塞缸的位移大小及方向。选用WYW-20D型差动变压 器式位移传感器。表1位移传感器主要参数为
参数类型量程线性度动态频率灵敏度直流电压数值0 +2 Omm0. 3%0 □ 200HZ2 OmVAnmIOVC、速度传感器速度传感器主要用来测量活塞缸的速度大小及方向。选用SD-100型线速度传感
ο表2速度传感器主要参数为参数类型旦壬口 里fe负载阻抗灵敏度线性精度数值0 4m/ s100K ΩIOOOmV/(m/s)1%D、压力传感器压力传感器主要用来测量减振器的阻尼力。选用Y-YD-7044型压电式压力传感
ο表3压力传感器主要参数为
参数类型量程范围灵敏度固有频率上升时间抗冲击信号输出数值IOOMPa20pC/MP> 40KHz< 10μ s< 2000gL5E、数据采集卡的选择及主要参数采用NI公司的PCI-6251数据采集卡，是一款高速M系列多功能DAQ板卡，在 高采样率下也能保持高精度。总线类型为PCI总线；测量类型为电压，正交编码器；支持 LabView。16位，250kS/s，16路模拟输入，2路16位模拟输出(833kS/s)；高达24路数字I/ 0 ；32位计数器；数字触发，NI-DAQmx测量服务使配置和测量更简单。表4模拟输入输出详细参数
模拟输入模拟输出通道数16 SE/8 DI通道数2釆样率250 kS/s更新率833 kS/s分辨率16 bits分辨率16 bits同步釆样否最大电压范围-10..10 V最大电压范围-10..10 V精度范围3230 μV精度范围3100 μν敏感度范围3230 μV敏感度范围97.6 μν最小电压范围-10..10 V最小电压范围-200..200 mV精度范围13230 μV精度范围1112 μν敏感度范围13230 μV敏感度范围15.2 μν电流驱动(通道/ 总计)5 mA量程数4板上存储量4095样本
F、采样方式循环采样、同步采样和间隔扫描三种方式选择。当通道间的时间关系很重要时，就需要用到同步采样方式。支持这种方式的数据 采集卡每个通道使用独立的放大器和S/H电路，经过一个多路开关分别将不同的通道接入 A/D进行转换。图2是循环采样示意图。图3给出两个通道同步采样的示意图。图4是间 隔扫描示意图。还有一种数据采集卡，每个通道各有一个独立的A/D，这种数据采集卡的同 步性能更好。但是成本显然更高。下面详细描述软件部分测控系统软件开发采用虚拟仪器编程语言LabVivew软件。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界 和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于 应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。图形化的 程序语言，又称为“G”语言。LabVIEW是一个面向最终用户的工具。利用LabVIEW，可产生 独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提 供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。软件结构框架图如图5所示。(a)软件设计总体规划本系统用PCI-6251多功能DAQ板卡来对位移，速度，阻尼 力三路模拟信号来进行数据采集，并且从通过板卡输出位移激励信号。(b)数据采集模块功能模拟量的采集和开关量的采集。在测试平台中做出是多 个示波器，将信号实时的显示出来。数据从通道内读出后，将数据及时，完整的保存下来，保 证数据不能丢失。激励信号输出模块可以发出一个正弦波信号为激振器的激励信号，并使 得它的频率以一定的步长从0递增到60HZ(或更高)。此激励信号输出到功率放大器再传 送到伺服阀，通过驱动主机系统的动力源产生振动。(c)数据分析模块可以实现通过读取数据存盘文件，将数据波形显示出来；对采 集来的信号进行带通滤波，消除干扰信号，从中分离出有用的信息；用LabVIEff中信号分析 函数，对存盘文件中的数据进行信号分析包括功率谱、自相关函数、互相关分析，以得到信 号的频域和时域特性。分析测试件的示功特性。分析测试件的阻尼特性。(d)主界面模块特点和功能完成虚拟仪器面板的设计，美观、大方、实用，并设计 用户菜单和使用面板旋钮，使用户能够方便的使用操纵仪器工作。LabView中有相应的报表 vi，生成的报表可以以html格式存储在硬盘上或者将数据直接存盘到写字板中。数据打印 也分为报表的打印和数据波形的打印。报表的打印可以直接在写字板中打出。波形的打印 主要是数据回放的波形打印。具体工作过程如图6所示(a)程序运行后首先进行相关参数的初始化，包括数据采集卡的初始设置，激励信 号的幅度，相位，频率初始值的设置，滤波器的滤波范围设置，频率的控制方式，选项卡的状 态选择，开关量的初始状态等。相关参数进行初始设定是对后面程序正确有序的运行做准 备。等待开始子程序是程序运行后，程序循环查询工作条件是否满足，一旦满足结束循环， 按照指定的工作方式进行工作。若选择数据分析的工作方式，则程序要检查的项包括分析 文件路径和分析的相关参数是否正确；若选择数据采集的工作方式，则程序要检查的项包 括文件保存路径和采集的相关参数是否正确。
(b)数据采集模块的设计这里的缓冲指的是PC内存的一个区域(不是数据采集 卡上的FIFO缓冲)，它用来临时存放数据。为了避免混叠(alias)和出现的混频偏差(alias frequency)在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率 的信号成分滤去。用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。软件触发可以直 接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。也可以用硬件触发让板卡上的 电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。(c)数据分析模块的设计，列出该模块的读取波形文件并将四路信号分离框图，如 图7所示。从波形文件中读出信号并从中分离出四路信号即激励信号，位移信号，速度信 号，阻尼力信号。位移信号，速度信号，阻尼力信号经过滤波后进行显示与分析。(d)数字滤波功能及设计由于在硬件上采用了低通滤波器等抗干扰措施，大幅 度削弱了高频干扰，但是还不能满足系统对信号的要求，所以在运算前再进行数字滤波，将 软件抗干扰措施和硬件抗干扰措施结合起来，进一步消除扰动的影响。本系统采用算术平 均滤波法进行带通滤波，带通滤波中的最高截止频率与最低截止频率由用户自己设定。(e)信号特性分析功能与显示部分，分别研究和设计了 自相关分析，如果信号中 有周期成分，其自相关函数在τ很大时都不衰减，并具有明显的周期性。不含周期成分的 随机信号在τ稍大时自相关函数就趋近于零。在本系统中用自相关分析位移、速度、阻尼 力信号，以获得信号中的周期成分。自相关函数的一个重要应用是检验信号中是否含有周 期成分。若x(t)为随机信号，当时移τ很大时，x(t)与x(t+τ)之间就不存在内在联系了， 彼此无关。如果对某个线性系统(例如某个部件、结构或某台机床)激振，那么所得到的振 动信号中常常含有大量的噪声干扰。根据线性系统的频率保持特性，只有和激振频率相同 的成分才可能是由于激振而引起的响应，其他成分均是干扰。因此只要将激振信号和响应 信号进行互相关处理，就可以得到由激振引起的响应幅值和相位差。这样，就可以得到所研 究的对象在该激振频率下从激振点到测量点间的幅、相传输特性。如果改变激振频率，就可 以得到相应的频率响应函数。本系统中主要用互相关函数分析位移激励信号与采集信号， 互相关函数在工程中有重要的应用，它是在噪声背景下提取有用信息的一个非常有效的手 段。本系统使用的是直接FFT变换法求得。这种方法计算量少、简便和比较快的直接方法。 但是这种方法使信号原来集中在小范围的功率，扩散到较大的频带内，即所谓的泄漏功率， 它使谱估计与真值之间的误差加大。为此，采取窗处理的办法。在时域加窗相当于促使频域 收敛得快一些，其物理含义是对功率谱给予平滑滤波，减少功率泄漏。示功特性与阻尼特性 分析示功图反映了液压阻尼、摩擦阻力和弹性阻力的综合作用，弹性力使示功图产生倾斜; 静摩擦力使示功图两端产生突变；阻尼特性表现出非线性特征和迟滞特性，特别是压缩行 程迟滞特性显著。(f)用户界面设计用户界面主要包括三个主要部分波形显示部分，数据采集操 作面板，数据分析操作面板。设计的整体效果如图8和图9所示。(g)橡胶减振器测控系统软件的调试运行于验证采用了计算机虚拟测控系统仿 真调试运行验证.本次调试运行验证采用了位移激励，由测控系统的输入端作为模拟信号 输入，运行结论如图7和图8所示，得到了满意的结论，验证了该车辆橡胶减振器动态性能 测控系统的测试和数据处理分析系统的正确性产品的使用过程或方式
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(a)本测试系统软件采用了自上而下的模块化程序设计思想，用户可以在计算机 上实现对激励信号的输出、振动信号的采集、分析处理以及信号的显示与存取等操作。用户 可根据测试的具体要求设定激励信号的频率，幅值等参数。软件的分析功能主要有试件减 振器性能分析，系统稳定性分析，信号相关性分析、信号功率谱分析。一般的工作过程为输 出激励信号，采集信号，保存信号，取出信号，数字滤波，信号分析。用户操作面板主要由信 号显示部分与参数设定部分组成，其中参数设定部分包括数据采集参数设定与数据分析参 数设定及结果显示。(b)具体使用步骤是程序运行后首先进行相关参数的初始化，包括数据采集卡 的初始设置，激励信号的幅度，相位，频率。初始值的设置，滤波器的滤波范围设置，频率的 控制方式，选项卡的状态选择，开关量的初始状态等。相关参数进行初始设定是对后面程序 正确有序的运行做准备。按照橡胶减振器的工况变形和振动要求，设计其装夹位置和方向， 夹好试件后，开始测试。获得全部动态性能参数的波形文件，进行相应的参数特性分析，获 得需要的动态系统性能和关联数据。另外该套设备也可将实验室外的工况环境下获得的波 形文件，作为输入，研究其实际的动态性能及关系。在数据分析时应先回放激励信号与滤波前后的位移信号、滤波前后的阻尼力信 号、回放滤波前后的速度信号。其中基频显示各路信号的基本频率；当想要显示某个信号， 将信号图中的某信号复选框打钩。按下调整按钮可调整图形坐标轴的标尺，以便完整合理 的显示波形。进行数据采集时，选择数据采集。首先进行采集相关的参数设置，激励信号的 参数设定，采集数据保存路径，需采集的信号参数设定。采集开关是用来控制数据采集开始 与结束。控制激励信号频率的方式有手动与自动。其中自动控制方式中频率是按照固定变 化规律自动变化，并自动停止采集。在手动控制中还可以设定采集的时间。数据分析操作 可以在工作状态选项中选择数据分析。分析前需选择待分析的文件。要设置的参数主要有 滤波器的截止频率。分析开关可以控制分析开始与结束的开关。分析时间可以显示分析已 进行的时间。右边是信号的相关性分析，功率谱分析，减振性能分析。分析的结果都以图形 的形式显示出来。数据采集报表主要记录激励信号与采集信号的频率，幅度，初相的信息及 其随时间的变化情况。还包含采集的开始时间，结束时间，持续时间，频率控制方式等。在 计算机的操作面板中，直接点击数据报表，即可显示报表内容，也可以打印出数据报表。本产品的用途本套设备可以测试多个动态性能参数，并能够进行较复杂的后处理分析。运动参 数的可控性好，诸如频率在IOHz以上橡胶减振器的动态性能试验，在随机激扰下的试验， 与不同的动力和主体系统配合，还可扩充耐久性试验等，即系统的可扩充性好。测出的这些 参数，可以为橡胶胶减振器的性能研究及其车辆动力学分析与设计提供可靠的依据。用于 车辆橡胶减振器的动态性能测试和分析，为车辆系统减振设计和指导车辆橡胶减振器生产 提供动态设计参考。该软件可以测试和显示的项目有基频，滤波前信号，滤波后信号，阻尼力_时间关 系，加载速度-时间关系，橡胶减振器示功图，阻尼特性图，功率谱分析，相关性分析，数据 采集报表主要记录激励信号与采集信号的频率，幅度，初相的信息及其随时间的变化情况。 还包含采集的开始时间，结束时间，持续时间，频率控制方式等信息。在此控制系统的基础 上还可以进一步完善和开发更多参数的闭环控制系统，通过均衡迭代处理，在线报警等，实现在线高精度控制。本产品的优点在于(a)本测控系统的开发详尽完成了总体设计，各个硬件测控设备的设计选型；(b)进行了参数初始化程序，等待开始程序，相关参数初始化程序，数据采集总体 程序，数据分析总体程序的流程设计；(c)进行了参数初始化程序，等待开始程序，相关参数初始化程序，数据采集总体 程序，数据分析总体程序的框图设计；(d)利用计算机模拟仿真设计，验证了该虚拟测控系统运行是可行的；(e)设计出了软件测控系统的测控操作面板。
权利要求
车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统，其特征在于包括传感器、信号调理电路、动力或信号发生控制系统、伺服控制放大器、多功能数据采集卡、主控计算机、操控系统软件和测试分析系统软件；所述传感器与所述动力或信号发生控制系统连接到实验装置主体；所述传感器还连接所述信号调量电路，所述动力或信号发生控制系统还连接所述伺服控制放大器；所述信号调理电路和所述伺服控制放大器连接到所述多功能数据采集卡；所述多功能数据采集卡连接到所述主控计算机；所述主控计算机设计有动态性能测控软件，该软件通过所述多功能数据采集卡对实验装置主体进行测控，信号通过适当处理转化为调整指令发送到所述伺服控制放大器；实验装置主体动作指令由所述主控计算机发出，通过所述多功能数据采集卡的D/A接口进入所述伺服控制放大器进行信号放大和调节；输出电流信号，使实验装置主体沿要求的方向和位移运动，同时带动减振器运动，并分别通过与实验装置主体固连的传感器测量信号，信号通过所述信号调理电路进行适当的调理，分别进入所述多功能数据采集卡的三路A/D接口；所述主控计算机通过数据处理得到要求的减振器特性曲线。
2.如权利要求1所述的车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统，其特征在于所述传 感器包括位移传感器、速度传感器、阻尼力传感器。
3.如权利要求1所述的车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统，其特征在于所述动 态性能测试软件包括主界面模块、数据采集模块、数据分析模块；所述主界面模块完成虚拟仪器面板的设计，并设计用户菜单和使用面板旋钮，使用户 能够方便的使用操纵仪器工作；所述数据采集模块模拟量的采集和开关量的采集；在测试平台中做出是多个示波 器，将信号实时的显示出来；数据从通道内读出后，将数据及时完整的保存下来，保证数据 不能丢失；所述数据分析模块通过读取数据存盘文件，将数据波形显示出来；对采集来的信号 进行带通滤波，消除干扰信号，从中分离出有用的信息；用LabVIEW中信号分析函数，对存 盘文件中的数据进行动态信号分析包括功率谱、自相关分析、互相关分析等，以得到信号的 频域和时域特性。
全文摘要
车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统，包括传感器、信号调理电路、动力或信号发生控制系统、伺服控制放大器、多功能数据采集卡、主控计算机；所述传感器与所述动力或信号发生控制系统连接到实验装置主体；所述传感器还连接所述信号调理电路，所述动力或信号发生控制系统还连接所述伺服控制放大器；所述信号调理电路和所述伺服控制放大器连接到所述多功能数据采集卡；所述多功能数据采集卡连接到所述主控计算机；本发明提供一种车辆橡胶减振器专用动态性能测控系统，根据具体工况环境进行橡胶减振器多参数的动态性能试验研究，获得其动态特性及其关系较完整的系统分析，实现车辆橡胶减振器合理化设计。
文档编号G01M17/04GK101963547SQ20101029910
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者丁志刚, 余罗兼, 刘彬斌, 巫盛涛, 张福江, 朱聪玲, 李丽娜, 池德汝, 肖雪青, 苏发, 薛永生, 贵文胜 申请人:福建工程学院