摘要：
针对绝对式振动测量方法不易实现较低振动频率的测量问题，设计了磁悬浮振动测试系统。建立了磁悬浮振动测试系统振子的动力学方程，设计了磁悬浮振动测试系统的仿真模型。分析了磁悬浮振动测试系统的固有振动频率。对外加10 Hz和30 Hz的正弦信号情况下进行了仿真及功率谱分析；利用FFT变换和反变换，将被测振动信号和系统的固有信号进行了分离。实测了磁悬浮振动测试系统无振动情况下的固有频率，其结果与仿真结果相似。理论和实验分析表明，磁悬浮振动测试系统的测量灵敏度较高，易于实现较低频率的绝对式振动信号的测量。
关键词：磁悬浮振子；绝对式振动测量；仿真模型；功率谱；FFT变换
DOI：10.15938/j.emc.2017.10.014
中图分类号：TU 352.1
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2017）10-0102-06
绝对式振动测量方法是利用惯性质量块实现振动测量，由于绝对式振动测量没有可用的固定参考点，因此其测量较为困难，需要利用振子的惯性在被测信号振动频率较大时，振子因惯性相对不动可作为绝对参照点实现振动测量[1]。传统绝对式振动测量一般包含弹性部件，通过电磁感应得到振动的速度信息或通过压电效应得到振动的加速度信息[2-5]，对测量数据进行积分或二次积分运算获得振动的位移信号[6-8]。因为弹性部件的固有频率与被测低频振动信号相近难以区分，因此传统绝对式振动测量方法难以实现低频信号的测量[9-11]。另外由于摩擦系數大所以测量灵敏度降低。而采用磁悬浮绝对式振动测量方法可以避免传统振动测量方法存在的不足。磁悬浮振动测试系统中的振子固有频率较高，易于与被测低频振动信号分离[12-13]。因此可以大大降低振动信号测量频率的下限，提高了测量的灵敏度。
1磁悬浮振动测试系统框图及工作原理
磁悬浮振动测试系统工作框图见图1。
磁悬浮振动测试系统包括控制系统、驱动电路、电磁铁、悬浮振子、位移传感器、数据采集系统和计算机。位移传感器测量悬浮振子与电磁铁之间的距离，悬浮振子受到向下的重力作用，位移传感器检测到悬浮振子离开平衡点的位移，该信号输送至控制系统，输出信号通过驱动电路转换为电流信号，产生的磁力与向下重力相反，电流强度的增加使悬浮振子产生一个向上的运动；反之，当悬浮振子所受向上的磁力大于其重力，反馈系统输出的控制电流减小，使悬浮振子向下方的平衡点方向运动。由此保持悬浮振子在平衡点附近动态平衡。
测量振动时，将磁悬浮振动测试模型与被测振动体刚性固定在一起。当被测物体产生振动时，测试系统模型随被测体一起振动。由于悬浮振子的惯性，悬浮振子具有保持原来位置的趋势。这样，悬浮振子与振动测试系统模型之间将产生相对位移。根据振动测量理论，该相对位移的变化与被测振动体的振动幅值近似相等，相位相反。因此，位移传感器检测到的相对位移变化反映了被测振动体的振动。磁悬浮振动测试系统的阻尼由电子阻尼实现，若阻尼过大系统响应速度过慢系统可能失衡；若阻尼过小，振子振动剧烈使系统不稳定，因此需要正确设定阻尼参数。
磁悬浮振动测试系统的工作原理图，见图2。
位移传感器的安装位置与电磁铁距离较近时平衡电流小，系统稳定性好，但动态范围较小；距离较远时平衡电流大，平衡时振子的波动较大。
3信号分析及振动信号提取
由于在外加低频振动信号时，系统的固有频率保持在较高数值范围，就使被测振动信号和系统固有振动信号分离成为可能。
首先将悬浮振子的信号进行FFT变换，得到悬浮振子的功率谱，然后，通过MATLAB编程将120 Hz以上的频谱去掉，然后再通过FFT的反变换将被测的较低频率的被测振动信号分离出来。
当外加10 Hz的正弦振动信号时的信号提取过程见图9。
被测信号的分离过程和图9 相同。图10可见将较低频率30Hz的被测振动信号与振动测试系统的固有频率进行了分离。
4实验结果及分析
在无振动情况下，实测磁悬浮振动测试系统悬浮振子的位移信号及其功率谱见图11。
5结论
通过分析和实测得到，磁悬浮振动测量系统的固有振动频率为100 Hz以上，适于低频振动信号的测量。通过频谱分析方法易于实现系统固有振动频率与低频振动信号的分离。磁悬浮振动测量由于其测量方法的不同可以实现较低频率的绝对式振动测量。该方法为绝对式振动测量找到了一个全新的测量方法。
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（编辑：贾志超）