[发明专利]基于磁悬浮技术的转子模态频率及模态振型在线测试装置

权利要求书

1.一种基于磁悬浮技术的转子模态频率及模态振型在线测试装置，其特征在于：包括磁悬浮控制系统、磁悬浮转子、振动检测单元、磁悬浮系统框架、信号采集模块、信号分析处理模块以及人机交互模块；所述磁悬浮控制系统由电流环和位置环组成；电流环由电流环控制器、功率放大装置、电流检测单元和磁轴承线圈构成；位置环由磁轴承控制器、位置检测单元构成；转子模态可以在转子起伏瞬间被激起也可以在转子起伏后人工施加冲击力激起；信号分析处理模块由谱分析单元以及模态振型识别和绘制单元组成；磁悬浮机系统框架包含两个径向磁轴承，指定任意一个磁轴承所处的一端为A端，B端为另外一端；振动传感器感知转子振动信号后；经信号处理模块进行放大和滤波处理后，由数据采集卡进行数据采集和并由Labview对采集信号进行保存，并实时进行快速傅里叶变换，求得信号的频率密度谱函数值；经过模态识别将转子的各阶弹性模态频率以数字的形式显示到Labview前面板并将计算得到的频谱图和一阶模态阵型图显示到Labview前面板上；

该装置不仅仅能够识别出转子弹性模态频率更能识别出一阶弹性模态振型，通过16路加速度传感器分布到转子上，转子模态被激起后同时测量16路传感器振动信号并对16路信号同时进行数据采集，并通过fft分析出各阶模态后，识别出各振动传感器一阶模态频率，并经过模态的幅值识别，相位识别，再输入传感器位置信息，即可绘制出转子一阶模态振型图；

所述振动检测单元由振动传感器、调偏电路、放大电路和抗混叠滤波电路组成；振动传感器将磁悬浮系统转子的振动信息转换为电压信号，调偏电路和放大电路调整电压信号的范围以适合模数转换装置的输入范围，抗混叠滤波电路滤除调整后的电压信号的高频噪声，防止数模转换时的频谱混叠；振动传感器输出信号经调偏、放大和滤波处理，即可被数据采集卡识别，安全可靠，电路简单高效；

针对该装置传感器表贴位置，16路振动传感器进行两次分布测量，第一次进行均匀式分布，能大体估计出一阶模态振型节点，在第一次测量基础上，将16路传感器非均匀式地分布在转子上，主要分布在一阶模态节点量测，重复测量可得到精确的模态节点位置；在模态振型绘制时根据传感器振型分布方式进行绘制模式选择，能精确绘制出转子模态振型；

针对计算、分析和显示模块，采用Labview图形化编程，数据采集卡对传感器的采集信号进行采集，labview程序对数据进行计算和分析处理，配合人机交互界面，可方便快捷地输出转子模态频率值并绘制出频谱图和模态振型图；

数据处理模块基本流程如下：

将数据采集卡采集的数据放置x_(t)中，前面板选择的采集频率为f_s，采样时间为τ；首先对x_(t)进行低通滤波LPF，剔除异常采样值，然后将x_(t)进行FFT运算得到X_(k)，

有X_(k)＝FFT(x_(t))；令d_(k)＝X_(k)-X_(k-1)；k＞1

当d_(k)＞a；记

当d_(k)＜-a；记

将数组k_b(k)和k_e(k)按照k的大小排序得到k_n；剔除异常的k值；

求取Δk_n＝k_n-k_n-1；若Δk_n＞b；记录k_n值并保留在数组k_max中，根据k_max将k_n分段，求出每一段k_n中的maxX_(k)，并将其对应的k值记为k_f；

可得模态频率采样时间为τ；

在1至16路信号求得X_nmax后，根据模态振型绘制模式选择开关选择计算模式；

当开关为0时，将X_1max,X_2max,…,X_16max分成X_1max,X_2max,…,X_8max和X_9max,X_10max,…,X_16max两块，求取两部分Min(X_nmax)对应的k值，分别为k_min1和k_min2；

当k_min1＜k＜k_min2时，X_kmax反向；k＝1，2，…，16，构建出模态振型数组，并读取振动传感器位置信息，绘制出一阶模态振型图；

当开关为1时，求取X_nmax最小值对应的k值为k_min，当k_min＜k时，X_kmax反向；k＝1，2，…，16，构建出模态振型数组，并结合振动传感器位置信息，绘制出一阶模态振型图；

x_(t)：采样值；

X_(k)：fft后的频谱密度函数值；

a：差值限度；

该装置将磁轴承控制主要框架提取出来，能够在线测试转子模态频率和模态振型，模态节点的求取和模态振型的绘制；

该装置基于labview进行数据采集、计算和绘图，可实时改变根据测试情况改变采样频率和采样时间，保证测量快速高效，人机交互简单方便；

该装置在接近磁悬浮系统实际运行情况进行测试，提高了转子模态频率和振型的测量精度。