一種山地果園雙軌運輸機振動測試系統及其測試方法與流程
2023-10-10 09:15:04
本發明涉及農用運輸機和信號採集的技術領域，尤其涉及一種用於山地果園雙軌運輸機的振動測試系統及其測試方法。
背景技術：
山地果園雙軌運輸機的研發與推廣有利於推動山地果園的發展，可降低勞動強度，提高生產效率，節約勞動成本，提高經濟效益。國內目前有部分丘陵地區已應用運輸機進行果蔬的運輸，但在運輸過程中，考慮到運輸效率以及對水果果品的保證，需要對運輸機的振動性能進行檢測並及時調整運輸機的運輸速率，提高運輸效率。國內的山地果園雙軌運輸機的研發大部分停留在機械研發部分，比如防側翻等設計等，目前國內暫無相關的山地果園運輸機振動測試系統的研究。本發明研究運輸機運輸過程中載重與速度，載重與頻率之間的關係，得出運輸過程中與運輸機振動主要相關的頻率，從而得到最合適的載重與運輸頻率之間的關係，降低水果因振動而產生的損壞率，並且能延長運輸機的使用年限，改善運輸機系統性能，提高運輸機的運輸效率。
技術實現要素：
本發明的目的在於一種山地果園雙軌運輸機振動測試系統，通過對運輸過程中系統軌道、運輸機運動時等產生的振動進行分析，在保證運輸安全以及果品質量的範圍內，分析系統振動頻率的主要分布，有效提升運輸機的運輸效率，系統的用戶界面可實現對運輸系統的速度等運行中的參數進行監控，可提升系統的安全性能。
為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種山地果園雙軌運輸機振動測試系統，包括計算機、信號採集模塊和傳感器，其特徵在於：所述計算機安裝有利用LabVIEW軟體編寫的人機界面，所述信號採集模塊包括振動信號採集模塊、速度信號採集模塊及具有數據採集功能的機箱，所述傳感器包括振動加速度傳感器、光電編碼器，振動加速度傳感器與振動信號採集模塊連接，光電編碼器與速度信號採集模塊連接，其中振動加速度傳感器用於測試輪的振動狀態，光電編碼器用於測試輪的轉速，振動信號採集模塊和速度信號採集模塊嵌入在機箱中且機箱與計算機相連。
所述振動信號採集模塊採用NI 9234振動信號採集模塊。
所述速度信號採集模塊採用NI 9361速度信號採集模塊。
所述信號採集模塊工作溫度範圍為-40至70℃，且具備50g抗震、5g防振動的功能，保證採集過程穩定進行。
所述振動加速度傳感器採用PCB加速度傳感器。
所述機箱為具有USB數據採集功能的NI 9174 CompactDAQ 4槽USB機箱。
一種山地果園雙軌運輸機振動測試系統的測試方法，其特徵在於，包括如下步驟：
1)啟動計算機進行系統初始化，其中測試設備包括信號採集模塊和傳感器；2)初始化完成後，計算機系統發送採集指令，測試設備接收採集指令後進行數據採集；3)數據採集完成後，測試設備發送數據並進行數據處理，計算機進行數據分析並輸出分析結果；4)數據分析完成後，進行下一輪的數據採集和分析工作。
所述步驟1)中，計算機進行初始化的方式為：設定控制系統的工作參數，如系統數據採集模塊的採樣數、採樣頻率設置，重點是採集函數的物理通道、輸入接線配置、最大值和最小值等變量，同時設置好文件保存路徑，將輸入輸出通道進行初始化，在濾波器設置上面則有切比雪夫、Butterworth、反切比雪夫等濾波選項，根據不同的濾波器還能另外設置調節截止頻率、採樣率、濾波器類型、階數和波紋條件，同時在波形放大選項裡有100、1000、10000、100000選擇。
所述步驟1)中，測試設備的NI 9234和NI 9361進行初始化的方式為：
NI 9234振動信號採集模塊的啟動：通過NI 9234的開始通道配置FPGAI/O節點，將設置為TRUE的布爾常量連線至FPGA I/O節點的開始輸入，發送同步脈衝至振動信號採集模塊，模塊將以配置的數據速率開始採集數據，當模塊開始採集數據時，使用FPGAI/O節點從模塊讀取數據，FPGA I/O節點的AI輸出能連線到不同函數類型，由於NI 9234內部以特定速率採集數據，FPGAI/O節點將會在模塊採集到新數據後才會返回數據，如果當FPGA I/O節點在等待模塊數據時NI 9234沒有開始採集數據或停止採集數據，FPGAI/O節點將返回超時錯誤。
NI 9361速度信號採集模塊的啟動：首先將NI 9361的開始通道啟動，該通道控制計數器開始監測其輸入接線端的時間，如寫入TRUE至開始通道，則NI 9361計數器進行重置、準備就緒並開始監測其輸入接線端，從而執行當前配置的測量(如邊沿計數)，NI 9361計數器準備就緒後，就可執行CTRx和Dix I/0節點讀取計數器數據，計數器就緒前無法執行任何NI 9361I/O方法或屬性節點，如需取消計數器的就緒狀態，則使用停止通道，如將FALSE寫入開始通道，將不會執行任何操作。
所述步驟3)中，測試設備將數據輸入端到計算機處理，計算機將數據進行相應的時域和頻域的分析處理，將數據分析結果進行界面顯示，並將數據保存至指定文件夾中。
所述步驟3)中，計算機的人機界面顯示中，信號分析界面包括振動信號採集輸入配置、速度輸入採集配置、波形顯示、濾波器設置選擇、波形放大和讀取文件設置項。
所述步驟3)中，計算機採用正弦波信號發生函數以及方波發生函數和高斯噪聲發生器進行混合作為模擬輸入波形進行檢測，並將輸入濾波前與輸入濾波後的波形進行顯示。
所述步驟3)中，計算機數據的存取通過寫入電子表格VI和讀取電子表格VI實現，通過寫入電子表格VI即可將數據寫入目標文件，實現數據的存儲，從而隨時查看振動運輸機此前運行的狀態。
系統主要通過定時/計數器實現對系統速度的測量。啟動系統的同時，測試設備系統控制晶片將晶片自帶的定時/計數器設定為計數器模式，將計數器映射的I/O口設定為輸入模式。接著系統啟用定時/計數器進行時間的計算，並設定定時中斷，每毫秒進一次中斷並計算輸入脈衝的個數。完成計算後將數據打包將數據傳送至接收端模塊。
總的說來，本發明具有如下優點：
1、本發明的整個測控系統安裝便捷，結構簡易，實現模塊化安裝，維修方便，不會出現某部件損壞就導致整個系統要更換的風險。
2、本發明採用人性化的分析處理界面，可以根據用戶的需求增減功能模塊的數量。
3、可通過計算機分析處理信號界面，實時監控山地果園雙軌運輸機的振動情況以及速度情況。
4、提取山地果園雙軌運輸機振動信號的特徵。系統振動的測量過程中混雜多種噪聲，在本系統中，對採集信號進行濾波處理後，利用FFT濾波後，主要對振動信號進行幅值與頻率的特徵提取；簡化了在測試設備硬體預處理濾波分析的步驟，使系統給用戶更多改進的空間。
附圖說明
圖1是本發明山地果園雙軌運輸機振動測試系統的流程示意圖；
圖2是本發明山地果園雙軌運輸機振動測試系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明：
如圖1所示，一種用於山地果園雙軌運輸機的振動測試系統，包括計算機和測試設備，計算機主要是電腦平臺，計算機具有負責信號分析的人機界面；測試設備包括振動加速度傳感器、光電編碼器、NI 9234振動信號採集模塊、NI 9361速度信號採集模塊和具有USB數據採集功能的NI 9174 CompactDAQ 4槽USB機箱。
具體的，上述的山地果園雙軌運輸機振動測試系統，適用運輸機的車速變化範圍為0～15km/h，包括振動加速度傳感器，信號採集模塊和計算機界面；其中振動加速度傳感器採用PCB352C33單軸加速度傳感器，振動加速度傳感器用螺栓固定在運輸機垂直正對輪子的車架上。NI9234動態信號採集模塊負責將振動加速度傳感器的模擬信號採集回來傳輸到具有USB數據採集功能的NI 9174 CompactDAQ 4槽USB機箱，採用NI 9174CompactDAQ 4槽USB機箱，無需LabVIEW Real-Time模塊就能訪問基於Windows的系統的C系列I/O；NI 9174 CompactDAQ 4槽USB機箱還有診斷及自動配置功能，便於安裝、使用與維護，機箱應該具備網絡故障防護功能，因而能在連接中斷時，檢查網絡的狀態，且能和遠程主機系統通信，同時把I/0處於安全狀態；採用計算機控制顯示，人性化的界面便於操作和根據不同用戶的需要增減功能；
測試設備包括信號採集模塊和傳感器，當測試設備接收到計算機LabVIEW控制系統的信號時，需將測試設備的NI 9234和NI 9361進行初始化：
1)NI 9234振動信號採集模塊的啟動：通過NI 9234的開始通道可以配置FPGAI/O節點。將設置為TRUE的布爾常量連線至FPGA I/O節點的開始輸入，可以發送同步脈衝至模塊，模塊將以配置的數據速率開始採集數據。當模塊開始採集數據時，可以使用FPGAI/O節點從模塊讀取數據。FPGA I/O節點的AI輸出可以連線到不同函數類型。由於NI 9234內部以特定速率採集數據，FPGA I/O節點將會在模塊採集到新數據後才會返回數據。如果當FPGAI/O節點在等待模塊數據時NI 9234沒有開始採集數據或停止採集數據，FPGAI/O節點將返回超時錯誤。
2)NI9361速度信號採集模塊的啟動：首先將NI9361啟動，該通道控制計數器開始監測其輸入接線端的時間。如寫入TRUE至開始通道，則NI 9361計數器進行重置、準備就緒並開始監測其輸入接線端，從而執行當前配置的測量(如邊沿計數)。NI 9361計數器準備就緒後，就可執行CTRx和Dix I/0節點讀取計數器數據。計數器就緒時無法執行任何NI 9361 I/O方法或屬性節點。如需取消計數器的就緒狀態，可使用停止通道。如將FALSE寫入開始通道，將不會執行任何操作。
本發明的振動測試系統主要通過定時/計數器實現對系統速度的測量。啟動測試系統的同時，測試系統的控制晶片將晶片自帶的定時/計數器設定為計數器模式，將計數器映射的I/O口設定為輸入模式。接著系統啟用定時/計數器進行時間的計算，並設定定時中斷，每毫秒進一次中斷並計算輸入脈衝的個數。完成計算後將數據打包將數據傳送至接收端模塊。
所述測試系統振動加速度測試探頭，加速度傳感器安裝到運輸車正上方車架部分；計算機實時顯示山地果園運輸機振動信號的時域波形，採集信號實時將信號送到計算機，計算機通過LabVIEW界面顯示振動的時域波形。
如圖2所示，信號分析界面包括振動信號採集輸入配置、速度輸入採集配置、波形顯示、濾波器設置選擇、波形放大和讀取文件設置項。
當系統啟動時，計算機需要設定系統工作的參數，如系統數據採集模塊的採樣數，採樣頻率設置，文件保存路徑，輸入輸出通道初始化等，設定完成後，系統即進入數據採集階段，將數據通過模擬輸入端到計算機處理，而計算機界面顯示，並將數據進行相應的時域和頻域的分析處理，將數據保存至指定文件夾中。在系統中，主要需要設置的是採集函數的如下幾個變量，即物理通道，輸入接線配置，最大值和最小值，配置完成後配合採樣時鐘，即可進行電壓採樣。
在濾波器設置上面有切比雪夫、Butterworth、反切比雪夫等濾波選項，不同的濾波器上還能另外調節截止頻率、採樣率、濾波器類型、階數和波紋條件；在波形放大選項裡有100、1000、10000、100000選擇；採集到原波形和分析處理後的波形會在人機界面上顯示。
本發明的振動測試系統適用於對山地軌道運輸機的振動進行檢測、分析，通過分析山地軌道運輸機的振動參數及其影響因素，從而對山地軌道運輸機的運行的平順性、安全性狀況進行實時監控，從而可以保證運水果輸途中的產品品質及生產安全。系統以LabVEW為計算機軟體開發環境。LabVIEW軟體提供豐富的封裝函數，可有效快速地開發出所需要的系統監控界面，用戶僅需要通過編寫的界面設定相應參數後，通過計算機的USB口，連接美國國家儀器公司NI的振動信號採集模塊，利用振動信號採集模塊對振動信號進行採集，並將採集信號進行採集，顯示以及數據的存儲等操作。計算機系統通過已經編寫好的信號處理程序將採集到的信號進行時域和頻率的分析與處理。測試設備控制子系統的主要功能是採集運輸機的速度，並且將採集到的數據傳送到計算機系統。其中子系統主要由速度測量部分，發送部分和接收部分組成。其中，發送部分主要由振動傳感器以及外圍電路組成。接收部分主要由外圍電路構成，系統通過分析採集的數據，得到系統振動因素與振動頻率的關係，從而為後續系統的研究打下基礎。
上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理和最佳實施例，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。