利用LMS的接触疲劳试验机振动信号处理方法

　　1 引言

　　表面工程是随着航空航天技术、汽车工业、新材料及先进制造技术的发展而兴起的一门新学科，各种构件的失效(接触疲劳、磨损、腐蚀、疲劳断裂等)一般都首发于其表面。因此，深入研究构件的失效机理及失效的准确判断，对于提高构件表面体系的技术指标、可靠性、寿命等具有重要意义。

　　2 试验机工作原理

　　为提高构件的可靠性、延长其使用寿命，研制出接触疲劳试验机，其原理框图如图 1 所示。

　　试验机中要测量的信号包括：加速度、扭矩、温度和转速，这 4 路传感器的输出信号，首先要经过电压变换，即把非电压信号或者非线性关系的电压信号,转换为与传感器输入成线性关系的电压信号。经相应的滤波、放大后，进入 A/D 电路。A/D 电路把与传感器检测量成正比的模拟电压转换为数字量，经串行通信接口，送至计算机，之后对所采集的数据进行处理、显示、打印及存档。该试验机采用试件相对运动表面摩擦力增量测控原理，借助凸轮急停机构制动试件相对运动，冻结试件表面的损伤状态，为进一步分析损伤机理提供原始准确的数据模态。

　　3振动信号的采集

　　在图 1 中，被测试件的振动信号通过杠杆放大传递给加速度传感器(加速度传感器安装在加载杠杆加载端的上部)，然后对传感器的输出信号进行放大、滤波，经 A/D 转换后送入计算机，实现对振动加速度及其变化的在线精确测量和记录。

　　振动信号检测和变换电路如图 2 所示。

　　加速度传感器采用 YD 系列低频电荷式传感器，其输出为电荷变化。为得到与传感器输出电荷量成线性关系的电压信号，采用电压式放大电路。这种电路要求第一级运放的输入阻抗大、共模抑制比高。为此采用 INA111 仪用运算放大器，其输入阻抗在 300M以上，共模抑制比在 100dB 以上，可以很好的满足这种应用。加入调零电压，用于调整输出电压的线性偏移量。采用 R2、C1、INA111、R3、R4 和 R8 构成一阶低通有源滤波器，用以滤除工频 50Hz 的耦合电压干扰，R1 用于减小 C1 引起的运放零漂，保证开机电容零状态，避免电容在工作中因干扰引起的状态变化。第一级放大器的放大倍数是 1+50K/ (R3+R4)，第二级放大电路的放大倍数是 1+R6/R7。通过调节 R3，可以得到 0~+5V 的有效信号。R5、C2、OP27、R7、R6 构成一阶有源滤波器，滤除其它的干扰信号。

　　4振动信号的处理方法

　　试验机在运行过程中，对外界环境的干扰十分敏感。尤其是在振动信号测量过程中，微弱的环境振动会导致加速度传感器输出信号的波形十分杂乱，甚至失真，很难保证预期的测量精度。