振动测试系统及方法与流程

背景技术：

本发明涉及振动测试系统，该振动测试系统包括用于表示振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的显示器。本发明的另一方面涉及确定并显示振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的对应方法。

振动测试系统通常包括在用于诸如工业装备、元件及部件的工程产品的振动测试的工业中采用的振动测试装置(有时被称为振动器)。这种振动测试的目的是使得工业装备或部件暴露于工业装备在正常使用时可暴露至的频率和振幅的明确的机械振动。进行该振动测试以测试装备对机械振动的响应，并检测装备在没有故障的情况下承受机械振动的可靠性及能力。工业装备或部件可具有大范围尺寸和重量。大的振动测试系统可能能够对比如卫星的非常重且大的物体进行振动测试。

振动测试装置通常包括电动震动器(vibrator)或振动器(shaker)、功率放大器、控制系统、冷却系统以及互连这些部件的适当的电力和信号电缆。

当电动振动器操作时，振动测试装置的移动元件(诸如电枢线圈)及其框架和轴承以及辊(引导系统)经受磨损、撕破及疲惫。然而，磨损和撕裂的量在很大程度上取决于由电动振动器上的有效载荷所产生的力，使得即使有效载荷的少量增加也导致振动器的磨损和撕裂的显著增加以及振动测试装置的剩余的服务寿命的对应降低。振动测试装置的电动振动器被设计为可修理/彻底检查，并且通过具有固定服务间隔的计划服务的预编程系统保持为可操作条件。通常从振动测试装置的类型/模型以及正在讨论的客户的预期使用图案来评估该服务间隔的长度。

目前，已基于正在讨论的振动测试系统的行为的反应观察由服务制度实现了剩余的服务寿命的确定以及这种振动测试系统(VTS)的可用性。反应观察的制度指的是当电动振动器的功能中的诸如听觉、触觉或视觉异常现象的明显错误显而易见时，仅通过操作者或用户检测并报告出现在计划服务间隔中间的振动测试系统的故障或错误。

固定或预编程服务间隔导致对于现有振动测试装置和系统的最佳使用和开发的若干问题。这些问题中的一个是改变振动测试装置的使用图案，该使用图案偏离被采用以确定服务间隔的长度的使用图案。例如，客户可向振动测试装置的电动振动器施加高于预期的有效载荷，因为新的装备或改良的装备需要进行振动测试。由于装备生产的增加或更精密振动测试协议的引入，客户也可在长于预期的时间段内操作电动振动器。因为振动测试装置的可移动部件(具体地，电动振动器)上的磨损和撕裂的量在很大程度上取决于电枢力，所以与预期使用图案的这些类型的偏差可一方面导致短于预期的服务寿命，并且因此导致振动测试装置在使用过程中的服务间隔中间的故障。另一方面，如果振动器负载及伴随的电枢力小于预期，则计划服务间隔之间的时间将不必要地变短并且浪费与振动测试系统和装置的操作有关的用户资源和成本。

因此，将极度期望向振动测试系统和装置的用户提供能够评估并向各种类型的相关人员通知振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的机制。用户可包括服务人员和系统操作者。

振动测试系统和装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的信息的可用性将通过防止意外磨损和撕裂所引起的故障来改进生产计划，并且可排除不必要的和浪费的服务或维护活动。

有利地，可在相关个人(诸如服务人员、操作者等)容易访问的显示器/屏幕上显示剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命信息。当然，该显示器可附接至振动测试装置的壳体或位于分离的便携式设备上，例如集成在智能手机或平板电脑中，并且因此从振动测试装置远程可读。

也将有利地，以直接且易于理解的格式(诸如仪表图或柱状图)来表示剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命信息，例如，类似显示器的图形用户界面的汽车燃油表/燃油量表。

技术实现要素：

本发明的第一方面涉及包括振动测试装置的振动测试系统。该振动测试装置包括能操作地耦合至电动振动器的功率放大器，其中，该振动器包括机械耦合至有效载荷支撑结构的能振动电枢。数据记录器被配置为测量并记录在有效载荷的机械激发过程中，电动振动器的一个或多个操作参数随时间的相应值。振动测试系统的处理器或控制器被配置为读取并处理一个或多个操作参数的记入值，并且基于一个或多个操作参数的记录值，确定电枢力循环的累积数量。处理器进一步被配置为基于电枢力循环的累积数量以及振动测试装置的预定的服务寿命来计算电动振动器的剩余的服务寿命或消耗的服务寿命。处理器被配置为在振动测试系统的显示器上表示振动测试装置的剩余的服务寿命或消耗的服务寿命。

本振动测试系统的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的显示向相关人员提供用于准确评价或评估服务何时到期的有利机制。该服务寿命信息的可用性能够通过防止振动测试装置在计划服务间隔中间的意外磨损和撕裂所引起的故障，来改进提高生产计划。服务寿命信息的显示也能够在振动器负载(并且因此，电枢力循环的数量)小于计划服务间隔时所预期的负载的情形下，排除振动测试装置上的不必要的和浪费的服务或维护活动。

技术人员将理解，处理器和显示器可被配置为示出剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命是取决于显示器的如同尺寸、方位和布置及其周围环境的因素的许多不同格式。根据本发明的优选实施方式，通过测量表表示剩余的服务寿命或消耗的服务寿命，或者将剩余的服务寿命或消耗的服务寿命表示为数值。例如，测量表可包括柱状图，或者示出从例如，0％至100％的消耗的服务寿命的弧形刻度。数值可以是消耗的服务寿命的百分比或剩余的服务寿命的百分比或者这两者的直接数值读出。因此，剩余的服务寿命或消耗的服务寿命的表示可类似于汽车油量表或油位表等的表示。该特征使得服务寿命表示对宽范围的相关人员直观可理解。

在振动器的操作过程中在能振动电枢上的时变力必须以适当时间间隔进行取样，以准确确定电枢力循环的累积数量。多久一次必须对能振动电枢上的时变力进行取样将取决于力快速变化的程度。可从振动测试装置的某些操作参数的某些测量值以及某些预存储系统参数来间接确定能振动电枢上的力。在一个这种实施方式中，结合电枢线圈在其中振动或振荡的空气间隙中的磁场强度的知识，从测量的能振动电枢的移动线圈(即，电枢线圈)中的交流电流来间接确定电枢力。可经由合适的电流传感器在驱动振动器的功率放大器中测量电枢线圈中的交流电流。因此，优选地，在这些实施方式中，电动振动器的一个或多个操作参数包括以下中的至少一个：电动振动器的操作时间和日期；能振动电枢的移动线圈的交流电流；振动器的场线圈的直流电流或直流电压。

振动测试装置的预存储系统参数可存储在处理器能访问并保持表示如下一个或多个的技术装置数据的系统参考数据库或表中：振动测试装置的预定的服务寿命；电枢空气间隙中的磁通量密度或磁场强度与场线圈电流；能振动电枢的移动线圈的导体长度。

以下参考附图更详细地说明基于测量的操作参数和预存储系统参数的该间接电枢力确定。

在替代方案中，可通过在能振动电枢结构的合适位置(多个位置)上放置一个或多个加速计来执行振动电枢上的时变力的直接测量。因此，在该实施方式中，电动振动器的操作参数中的至少一个包括如由安装在其上的加速计(多个加速计)测量的电枢的加速度。

振动测试系统的显示器可物理上布置在振动测试装置中或振动测试装置上的不同位置处或者布置在与振动测试装置的远程位置中，例如，在相同建筑的另一空间中或另一建筑中。在一个实施方式中，显示器安装至振动测试装置的外壳或框架结构，例如安装在功率放大器的外壳或框架结构上。在系统的其他实施方式中，显示器与振动测试装置远程布置并且经由有线或无线数据通信链路连接至处理器或控制器，用于接收表示电动振动器的剩余的服务寿命、消耗的服务寿命或者这两者的数据。数据通信链路可从{Wi-Fi、LAN、WLAN、GSM、GRPS、蓝牙}的组中选择。在后者实施方式中，显示器可安装在从振动测试装置的处理器无线接收表示剩余的服务寿命或消耗的服务寿命的数据的便携式计算设备(诸如智能电话、平板电脑或膝上型电脑)上或便携式计算设备中。

优选地，振动测试装置的处理器或控制器布置在振动测试装置的外壳内部，以提供在不访问外部计算资源的情况下能够操作的独立设备。优选地，处理器或控制器包括软件可编程微处理器，例如可编程数字信号处理器，并且后者设备可形成安装在振动测试装置的外壳内部或外壳中的嵌入式计算系统的部件。

然而，在振动测试系统的替代实施方式中，处理器或控制器与振动测试装置远程布置，例如布置在因特网连接的计算机服务器中。在这种实施方式中，振动测试装置的数据记录器可通过有线或无线数据通信链路(例如包括TCP/IP通信信道)连接至计算机服务器，用于向服务器计算机传输一个或多个操作参数。因特网连接的计算机服务器可放置在云计算中心中。计算机服务器的处理器(多个处理器)被配置为通过执行合适的程序例程来进行一个或多个操作参数的记入值的读取和处理，以确定电枢力循环的累积数量。服务器处理器也被配置为计算电动振动器的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命。计算机服务器的处理器(多个处理器)可最终经由TCP/IP通信信道或任意其他合适的数据通信通道向显示器传输剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命。

振动测试系统的处理器可进一步被配置为：基于一个或多个操作参数的记录值而定期计算振动器的参考行为，其中，参考行为包括振动器的诸如基础谐振频率的频率响应特性。处理器可被适配为以规则时间间隔在显示器上表示计算的参考行为。该实施方式可用作额外工具以监控振动器在服务间隔之间的性能，并且有可能通过检测参考行为的变化而发布关于振动器的即将到来的磨损和撕裂故障的早期警告。

一个或多个操作参数(诸如，电枢线圈中的交流电流或交流电压)的记入值可用于确定振动器的某些频率响应特性随时间的改变。例如，频率响应特性可包括基础谐振频率或能振动电枢的悬置的顺从度或电阻。一个或多个振动器频率响应的异常或意外改变、电枢基础谐振频率以及悬置的顺从度可表示振动器需要维护或修理。

本发明的第二方面涉及确定并显示振动测试装置的剩余的服务寿命或消耗的服务寿命的方法。该方法包括如下步骤：

a)在有效载荷的振动激发过程中，测量并记录电动振动器的一个或多个操作参数随时间的相应值，

b)基于一个或多个操作参数的记录值，确定电动振动器的能振动电枢上的电枢力循环的累积数量，

c)基于电枢力循环的累积数量以及振动测试装置的预定的服务寿命来计算电动振动器的剩余的服务寿命或消耗的服务寿命，

d)在操作者可读的显示器上表示振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命。

优选地，振动测试装置的预定的服务寿命存储在先前讨论的系统参考数据库或表中，例如表示为天、月或小时的时间段，振动器上的对应于该预定的服务寿命的最大电枢力循环或电枢力循环总量也存储在系统参考数据库或表中。由此，可通过从电枢力循环的最大数量中减去电枢力循环的累积数量以首先确定力循环的剩余数量并且随后将后者数量转换为对应剩余的服务寿命，来计算电动振动器的剩余的服务寿命。

优选地，计算的剩余的服务寿命或计算的消耗的服务寿命通过合适表或数值以时间段或百分比值表示在如上所述的显示器上。

附图说明

将结合附图更详细地描述本发明的优选实施方式，其中：

图1示出根据本发明的第一实施方式的振动测试装置和系统的简化示意图；以及

图2示出用于评估和显示振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的应用程序的程序步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施方式的形成振动测试系统100的部件的振动测试装置的简化示意图。振动测试装置包括功率放大器108，该功率放大器安装在分离外壳或壳体中且经由信号和电力电缆121可操作地耦合至电动振动器104。电动振动器104包括能振动电枢105，该能振动电枢机械耦合至有效载荷支撑结构107。有效载荷支撑结构在振动测试中保持作为装备或部件的有效载荷106。在本发明的本实施方式中，振动测试装置包括安装至功率放大器108的地面立式外壳或框架的显示器113。显示器113可包括系统100的其他实施方式中的分离且远程布置的显示器，以及远程显示器与安装在功率放大器108的地面立式外壳或框架上的显示器的组合。数据记录器(未示出)安装在功率放大器108的外壳内部，并且被配置为在其操作过程中(即，在有效载荷106的机械激发的过程中)测量并记录电动振动器104的若干操作参数随时间的相应值。优选地，操作参数包括电动振动器104的操作时间和日期以允许计算由于最后服务/彻底检查的累积可操作时间。此外，在操作时间段的过程中，也记录/记入在能振动电枢105的移动线圈(未示出)中流动的电流的RMS电流值和峰值电流值。此外，如果电动振动器104包括场线圈，则也测量并记录电动振动器104的这种场线圈(未示出)的DC电流值和/或DC电压值。可通过安装在功率放大器108内部的合适的电流传感器或安装在电动振动器104中的电流传感器来直接或间接测量这些RMS电流值和峰值电流值。为了诸如霍尔效应元件和感应交流电流传感器该的目的，可利用各种公知类型的电流传感器。

技术人员将理解，电枢线圈和场线圈中的电流随着时间的相应测量值和记入允许计算能振动电枢105上的电枢力。场线圈中的电流确定电枢可移动悬置的磁场的磁场强度。因此，由电动振动器104的电枢105产生的力与电枢线圈内流动的电流，电枢线圈导体的长度以及电枢线圈在其内移动的磁场的强度直接成比例。

优选地，由振动测试装置的软件可编程微处理器(例如，数字信号处理器)执行电枢力随着时间的计算。微处理器可形成安装在功率放大器108的外壳内部的嵌入式计算板或子系统的部件。微处理器可被配置为执行读取并处理上述操作参数的记入值的应用程序或软件部件。应用程序或软件部件包括一组微处理器可执行程序指令。应用程序被配置为基于记录的移动线圈电流的RMS电流值和峰值电流值以及记录的场线圈电流的DC电流值，确定能振动电枢105随着时间的电枢力。如以下结合图2说明的，应用程序进一步记录或记入电枢的对应振动频率，并且随后基于记入的操作参数值，确定电枢力循环的积累数量。以下结合图2说明的，电枢力循环的累积数量用作用于计算振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的基础。

一旦应用程序已计算出振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命，微处理器可使这些值以数值格式或图形格式(例如，饼状图、柱状图等)显示在附接至或集成在功率放大器108的外壳中的显示器113上。此外或替换地，剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命可显示在分离的屏幕或显示器(诸如现场服务PC 112的显示器或便携式终端或设备的显示器)上，例如集成在智能手机或平板电脑中。

在另一个实施方式中，振动测试装置的计算的剩余的服务寿命和/或计算的消耗的服务寿命经由数据通信链路119传输至因特网连接的计算机服务器116。计算机服务器可驻留在基于云的计算中心中。数据通信链路119可利用通信信道中的TCP/IP协议。以此方式，可经由适当配置的基于因特网的数据通信服务和信道117，从很多地理位置访问包括振动测试装置和系统的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的服务寿命数据。当然，剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命可以以规则时间间隔(诸如1秒与10分钟之间的时间间隔)更新，例如，大约每10秒。因此，能够远程监控振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命。也能够观察剩余的服务寿命改变的速率。例如，剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命可通过因特网连接的计算机服务器116传输至客户或服务技术人员的电子邮件地址和计算机114。替换地或此外，剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命可传输至预定移动电话号码(作为文本或SMS消息)。该实施方式具有如下优势：可以以有效且便利的方式，向与振动测试系统100的操作有关的各种类型的人员通知振动测试装置的服务寿命和/或消耗的服务寿命。

在本振动测试装置和系统的又一个实施方式中，例如，在因特网连接的计算机服务器116中，先前讨论的系统100的微处理器/DSP与振动测试装置远程布置。在该实施方式中，振动测试装置的数据记录器通过数据通信链路119(例如，包括TCP/IP通信信道)连接至计算机服务器，用于向计算机服务器116传输先前讨论的操作参数的记录值。如以下概述的，计算机服务器116基于与电动振动器104的能振动电枢105上的力有关的操作参数的记录值，来执行被配置为计算振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的合适的应用程序或软件部件。

可选地，因特网连接的计算机服务器116可被配置为仅存储先前讨论的操作参数的记录值，而不执行以上描述的振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的计算。例如，操作参数的记录值可存储在在因特网连接的计算机服务器116上运行的合适数据库中。可经由基于因特网的数据通信服务和信道127从服务计算机122访问操作参数的记录值。服务计算机可包括执行以上描述的振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的计算的微处理器。剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命可通过在服务计算机122上运行的合适软件部件120而显示在服务计算机122的显示器上。

技术人员将理解，就向振动测试装置和系统的操作参数和/或剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的记录值的地理灵活性及近即时访问而言，本振动测试系统100中的可选因特网连接的计算机服务器116的存在可提供很多优势。因特网连接的计算机服务器116的另一优势是：因特网连接的计算机服务器可例如，在合适数据库中存储多个振动测试系统的操作参数的记录值，使得来自不同振动测试装置的操作参数之间的相关性分析的各种形式可被开发以改进或验证用于评估装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的公式。

图2示出在用于评估和显示振动测试装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的微处理器上执行的先前讨论的应用程序或软件例程的程序步骤的流程图200。应用程序访问系统参考数据库220，该系统参考数据库保持关于振动测试装置的包括振动测试装置的预定的服务寿命的特性的各种类型的有用技术数据。系统参考数据库220可在物理上位于不同位置处，诸如在振动测试装置的外壳内部的存储器中或者在先前讨论的因特网连接的计算机服务器116的存储器中。

技术数据还包括将累积数量的电枢力循环映射至消耗的服务寿命的系统寿命表。保持在该系统寿命表中的数据可衍生自与原位振动测试装置中的一个相同或相似的振动器的实验性操作，以确定电枢力如何影响电枢力循环数的累积，并且因此确定横跨宽范围的真实电枢力水平和振动频率的服务寿命的消耗。

此外，技术数据可包括关于电枢空气间隙中的磁通量密度与场线圈电流的信息，例如，作为查询表。此外，技术数据可包括关于电枢线圈的导体长度的信息。

在步骤202中，数据记录器在其操作过程中测量并记录先前讨论的操作参数随着时间的相应值，诸如电动振动器104的电枢的振动的电枢线圈电流和频率。

在步骤204中，基于测量的电枢电流、以上提及的来自系统参考数据库220的技术数据结合公知方程，以规则或可变时间间隔计算电枢上的力：

F(t)＝B*L*i(t)

其中，B＝电枢空气间隙中的磁通量密度；L＝电枢导体的长度；i＝电枢线圈内的电流。

优选地，也例如通过傅立叶分析电枢线圈电流，确定电枢的振动频率以及电枢电流的测量值以显现其频谱。因此，在振动器的操作过程中，电枢力以及电枢振动频率随时间的相干数据对被记入至数据记录器。

在步骤206中，通过参考描述特定电枢力和振动频率如何消耗电枢力循环的系统寿命表的数据，随着时间求和记入的电枢力和电枢振动频率的相干对，来计算电枢力循环的累积数量。因此，电枢力循环的累积数量的计算通过参考表而考虑到由相对短的时间段引起的加速服务寿命消耗，或者具有异常高的电枢力的几个电枢循环。因此，由于最后服务或修理操作，所以计算的电枢力循环的累积数量表示通过其操作在振动器上引起的磨损和撕裂的量的精确测量。

在步骤208中，通过比较电枢力循环的累积数量与对应于在先前讨论的系统参考数据库220的系统寿命表中保持的预定的服务寿命的电枢力循环的最大数量，来计算电动振动器的消耗的服务寿命。

在步骤210中，通过从电枢力循环的最大数量减去电枢力循环的累积数量以首先计算力循环的剩余数量，来计算电动振动器的剩余的服务寿命。随后，可基于预定服务的已知值通过将力循环的剩余数量转换为时间段，确定剩余的服务寿命。例如，如果预定的服务寿命被设为12个月并且这对应于10000次电枢力循环，则7500累积电枢力循环的计数将对应于9个月的消耗的服务寿命以及3个月的剩余的服务寿命。

在步骤212中，如以下以另外细节描述的，将剩余的服务寿命的计算值存储在可用于各种分析目的的可选结果数据库中。此外，剩余的服务寿命传输至振动测试系统的显示器或多个分离显示器。

在步骤214中，如上所述，剩余的服务寿命可数字化或图形化显示，例如显示为绝对时间段，例如，以上实例中的3个月，或者显示为预定的服务寿命值的百分比，例如，25％。在后者的情形中，振动器操作者可通过预定的服务寿命(例如，12个月)的知识而将百分比值转换为对应剩余的服务寿命。如上所述，可选结果数据库212可驻留在振动测试装置或者可驻留在先前讨论的远程基于云的计算中心(图1的项116)内，这允许授权个人从很多地理位置访问振动测试装置的消耗的服务寿命数据和剩余的服务寿命数据。如之前也提及的，在因特网连接的计算机服务器上运行的软件部件可具有记录的很多振动测试系统的操作参数的相应值。如通过步骤216示意性示出的，软件部件可执行来自很多振动测试系统的记录的操作参数之间的各种类型的有用的相关性分析，以限定或验证用于评估电枢力循环的累积数量并计算装置的剩余的服务寿命和/或消耗的服务寿命的公式及表数据。在步骤218中，这些相关性评估的结果可存储在先前讨论的在因特网连接的计算机服务器上运行的数据库中。