一种液压阻尼器性能参数测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种液压阻尼器性能参数测试系统及测试方法，系统包括正弦激振装置、计算机、与计算机相连接的数据采集控制器、位移传感器、速度传感器和载荷传感器。测试方法具体包括启动正弦激振装置；输入待测液压阻尼器的基础信息；启动连续采样位移、速度和载荷，然后对位移、速度和载荷进行数字滤波；再进行高精度FFT运算，获得信号的实际振动周期T；对截取到的每个周期的信号进行非线性拟合，得到刚度系数、阻尼系数和速度指数，并利用数值积分计算得到该周期的耗能率；完成测试后，测试系统自动绘制相关曲线，并对测试结果进行显示和保存。采用本发明的方法就能够实时显示参数拟合结果和相关曲线，提高了测试精度及测试效率。
【专利说明】一种液压阻尼器性能参数测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液压阻尼器性能测试【技术领域】，具体涉及一种液压阻尼器性能参数测 试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002] 液压阻尼器是一种减振设备，广泛应用于建筑结构、军用及民用设备的支撑防护。 液压阻尼器的设计制造要满足使用对象的特定要求。当用于吸收冲击时，液压阻尼器主要 提供弹簧特性，如液压缓冲器；当用于减少振动时，则主要提供阻尼特性，如耗能阻尼器。
[0003] 评价液压阻尼器性能的参数包括刚度系数K、阻尼系数C、速度指数α、耗能率η 等。这些参数的实测值应当符合设计要求。一般可以假定液压阻尼器提供的载荷F与位移 X和速度V之间的关系为F = K X+Sgn (V) CIV Γ (Sgn (V)表示速度的符号），显然这是一个 非线性关系式，而且通常情况下K、C、α是振动频率f的函数。
[0004] 液压阻尼器在研制过程中，通常需要对其进行不同频率下的振动测试，从测试得 到的大量的载荷、位移和速度数据中拟合出性能参数。目前生产现场还不存在全自动的液 压阻尼器性能参数测试方法。通常技术人员首先必须从正弦激振装置的测控计算机中导出 数据，然后使用各自的方法拟合出所需参数，绘制相关曲线。这一过程需要很多人工参与， 费时费力，而且容易出错。显然，这种半手工的性能参数测试方法不利于新产品的开发。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种液压阻尼器性能参数测试系统 及测试方法，只需获得待测液压阻尼器的位移、速度和载荷这三路模拟信号，采用本发明的 方法就能够实时显示参数拟合结果和相关曲线，不再需要人工导出数据、人工参与拟合数 据绘制曲线，提高了测试精度及测试效率。
[0006] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
[0007] 本发明的一种液压阻尼器性能参数测试系统，包括安装在待测液压阻尼器上的位 移传感器、速度传感器及载荷传感器、计算机、与计算机相连接的数据采集控制器和用于对 待测液压阻尼器施加设定频率下正弦位移控制激励的正弦激振装置；所述数据采集控制器 的三路模拟输入端与位移传感器、速度传感器及载荷传感器的电压输出端相连接。
[0008] 上述数据采集控制器包括一多通道十六位同步数据采集卡、屏蔽电缆和接线端子 盒。
[0009] 上述位移传感器具体采用的是LVDT位移传感器；所述速度传感器具体采用的是 LVT磁电式直线速度传感器；所述载荷传感器具体采用的是轮辐式拉压载荷传感器。
[0010] 本发明的液压阻尼器性能参数测试方法，具体包括以下几个步骤：
[0011] (A)启动所述正弦激振装置；
[0012] (B)首先，开启计算机，启动测试程序，用户在测试软件界面上，按提示建立并进 入工程数据库，所述工程数据库用于储存同一工程项目下的液压阻尼器的基础信息及测试 数据；然后，在所述测试软件界面上输入待测液压阻尼器的基础信息；最后，按下启动测试 按钮；
[0013] (C)所述数据采集控制器开始连续采样位移信号、速度信号和载荷信号；
[0014] (D)查询所述计算机判断缓冲区是否已满，如果未满，则继续查询；如果已满则读 取缓冲区内的位移信号、速度信号和载荷信号，然后对所述位移信号、速度信号和载荷信号 进行数字滤波；再进行高精度FFT运算，获得位移信号的实际振动周期T，并对位移信号、速 度信号和载荷信号进行周期截取；
[0015] (E)对截取到的每个周期的位移信号、速度信号和载荷信号进行非线性拟合，得到 刚度系数、阻尼系数和速度指数，并利用数值积分计算得到该周期的耗能率；
[0016] (F)完成测试后，测试系统自动绘制载荷一位移曲线、载荷一速度曲线和各参数一 频率曲线，并对测试结果进行显示和保存；然后，查询是否按下停止测试按钮，如果停止测 试，则结束采样，测试系统自动生成试验报告，如果不停止测试，则转向步骤（D)。
[0017] 步骤（B)中，待测液压阻尼器的基础信息包括液压阻尼器编号、液压阻尼器型号 和额定载荷。
[0018] 步骤⑶中，所述高精度FFT运算具体包括以下几个步骤：
[0019] (Ia)对信号进行普通FFT运算；
[0020] (2a)对FFT计算结果进行频域加窗；
[0021] (3a)求频谱主要峰值及相应频率，将每个峰值及其左右共三个频率成分代入插值 程序，求得精确的峰值及频率。
[0022] 步骤（E)中，所述非线性拟合具体采用的是Levenberg-Marquardt最优化算法。
[0023] 所述Levenberg-Marquardt最优化算法具体包括以下几个步骤：
[0024] 首先，将载荷F与位移X、速度V的关系式F = K X+Sgn(V)C|vr及其 对K，C和α三个参数的一阶偏导数SF/ f K=X，f F/ 6c= Sgn(V)|V|°，和 cF/<? α = Sgn(V) C |V| ，Log|V| 表示成函数子程序供Levenberg-Marquardt最优化算 法调用；
[0025] 然后，设定参数初值启动迭代。
[0026] 步骤（E)中，利用数值积分计算得到该周期的耗能率η的计算方法如下：
[0027] (1)求该周期内的载荷极大值Fmax和极小值Fmin，位移极大值X max和极小值Xmin，计 算 A = (Fmax-Fmin) (Umin);
[0028] (2)求该周期内载荷F与速度V乘积对时间T的数值积分S = / τ F V dt ;
[0029] (3)计算耗能率η = S/A。
[0030] 与现有的技术相比，本发明基于非线性参数拟合技术、高精度数字谱分析、数据库 原理和计算机测量显示技术实现了液压阻尼器参数测试过程的自动化，取代了半人工的参 数测试方式。一方面节约了时间、提高了测试效率，另一方面提高了测试参数的精确性，也 降低了对测试人员的技术要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为本发明的测试系统结构示意图；
[0032] 图2为本发明的测试方法工作流程图。
【具体实施方式】
[0033] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合
【具体实施方式】，进一步阐述本发明。
[0034] 要进行液压阻尼器性能参数测试，用户首先需要如图1将计算机1与数据采集控 制器2连接，其中数据采集控制器2由十六位八通道同步数据采集卡NI PCI-6143、屏蔽电 缆SHC68-68-EPM和接线端子盒BNC-2110组成。将已安装在阻尼器7上用于测量液压阻尼 器性能的LVDT位移传感器3、LVT磁电式直线速度传感器4和安装在阻尼器尾部的轮辐式 拉压载荷传感器5的电压输出与接线端子盒BNC-2110中的模拟输入通道连接。启动正弦 激振装置6对阻尼器7施加一定频率下的正弦位移控制激励。
[0035] 然后开启计算机1，启动液压阻尼器测试程序。用户在测试软件的界面上，按提 示建立并进入工程数据库，所有同一工程的产品的基础信息及测试数据均通过该数据库进 行管理。输入待测产品的基础信息：产品编号、产品型号、额定载荷；然后再软件界面按下 启动测量按钮。系统开始如图2所示的测试流程。在该流程中，程序在查询和读取一批数 据后，依次进行频率识别、阻尼器参数拟合和耗能率计算。软件界面上包含一个三通道的虚 拟示波器，用蓝色、绿色和红色分别显示实时的位移、速度和载荷波形；同时还有基于数据 库的表格在记录储存每一个周期的参数测试结果。测试完成后，可以自动生成试验报告供 打印。
[0036] 图2中频率识别的方法是对位移信号采用快速傅立叶变换（FFT)，找出位移频谱 中的主要频率成分作为识别结果。由于普通的FFT的精度受到泄漏、栅栏效应等因素的影 响，识别的频率会产生较大误差，因此本发明对普通FFT的变换结果引入了插值后处理，进 行频域加窗并利用主频率成分两边的频率成分判断真实频率的位置和修正其大小。实践证 明，这种高精度FFT算法得到的主频率误差极小，完全能满足阻尼器后续参数识别的要求。
[0037] 图2中的非线性拟合中所采用的是结合了最速下降法和牛顿法优点的 Levenberg-Marquardt最优化算法。这种算法首先需要将载荷与位移、速度的关系式F =K X+Sgn(V)C|vr(Sgn(V)表示速度的符号）及其对K，C和α三个参数的一阶偏导数 cWK=X，印/叱=Sgn(V)|V|a，和cF/c a = Sgn(V) C |V|° LoglVl 表示成函数 子程序供Levenberg-Marquardt最优化算法调用，然后设定参数初值启动迭代。这种非线 性拟合算法在参数较少的情况下收敛快速，很适合在这里使用。
[0038] 每个信号周期内的耗能率η的计算方法如下：1)求该周期T内的载荷极大值Fmax 和极小值Fmin，位移极大值Xmax和极小值Xmin，计算A= (Fmax-Fmin) (Xmax-Xmin) 2)求该周期内载 荷与速度乘积对时间的数值积分S = / τ F V dt ;3)计算η = S/A。
[0039] 在各频率下的所有实时测试完成后，可以命令程序自动生成K，C，α和η关于频 率f的趋势曲线。这样就完成了液压阻尼器的自动参数测试。
[0040] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【权利要求】
1. 一种液压阻尼器性能参数测试系统，其特征在于，包括安装在待测液压阻尼器上的 位移传感器、速度传感器及载荷传感器、计算机、与计算机相连接的数据采集控制器和用于 对待测液压阻尼器施加设定频率下正弦位移控制激励的正弦激振装置； 所述数据采集控制器的三路模拟输入端与位移传感器、速度传感器及载荷传感器的电 压输出端相连接。
2. 根据权利要求1所述的液压阻尼器性能参数测试系统，其特征在于，所述数据采集 控制器包括一多通道十六位同步数据采集卡、屏蔽电缆和接线端子盒。
3. 根据权利要求1所述的液压阻尼器性能参数测试系统，其特征在于，所述位移传感 器具体采用的是LVDT位移传感器；所述速度传感器具体采用的是LVT磁电式直线速度传感 器；所述载荷传感器具体采用的是轮辐式拉压载荷传感器。
4. 根据权利要求1至3任意一项所述的液压阻尼器性能参数测试方法，其特征在于，具 体包括以下几个步骤： (A) 启动所述正弦激振装置； (B) 首先，开启计算机，启动测试程序，用户在测试软件界面上，按提示建立并进入工 程数据库，所述工程数据库用于储存同一工程项目下的液压阻尼器的基础信息及测试数 据；然后，在所述测试软件界面上输入待测液压阻尼器的基础信息；最后，按下启动测试按 钮； (C) 所述数据采集控制器开始连续采样位移信号、速度信号和载荷信号； (D) 查询所述计算机判断缓冲区是否已满，如果未满，则继续查询；如果已满则读取缓 冲区内的位移信号、速度信号和载荷信号，然后对所述位移信号、速度信号和载荷信号进行 数字滤波；再进行高精度FFT运算，获得位移信号的实际振动周期T，并对位移信号、速度信 号和载荷信号进行周期截取； (E) 对截取到的每个周期的位移信号、速度信号和载荷信号进行非线性拟合，得到刚度 系数、阻尼系数和速度指数，并利用数值积分计算得到该周期的耗能率； (F) 完成测试后，测试系统自动绘制载荷一位移曲线、载荷一速度曲线和各参数一频率 曲线，并对测试结果进行显示和保存；然后，查询是否按下停止测试按钮，如果停止测试，则 结束采样，测试系统自动生成试验报告，如果不停止测试，则转向步骤（D)。
5. 根据权利要求4所述的液压阻尼器性能参数测试方法，其特征在于，步骤（B)中，待 测液压阻尼器的基础信息包括液压阻尼器编号、液压阻尼器型号和额定载荷。
6. 根据权利要求4所述的液压阻尼器性能参数测试方法，其特征在于，步骤⑶中，所 述高精度FFT运算具体包括以下几个步骤： (Ia)对信号进行普通FFT运算； (2a)对FFT计算结果进行频域加窗； (3a)求频谱主要峰值及相应频率，将每个峰值及其左右共三个频率成分代入插值程 序，求得精确的峰值及频率。
7. 根据权利要求4所述的液压阻尼器性能参数测试方法，其特征在于， 步骤（E)中，所述非线性拟合具体采用的是Levenberg-Marquardt最优化算法。
8. 根据权利要求7所述的液压阻尼器性能参数测试方法，其特征在于， 所述Levenberg-Marquardt最优化算法具体包括以下几个步骤： 首先，将载荷F与位移X、速度V的关系式F=KX+Sgn(V)CIVΓ及其对K，C和α三个 参数的一阶偏导数？F/eK=X，eF/eC=Sgn(V)IνΓ，和 5F/C'a=Sgn(v) C |V|。， L〇g|V|表示成函数子程序供Levenberg-Marquardt最优化算法调用； 然后，设定参数初值启动迭代。
9.根据权利要求4所述的液压阻尼器性能参数测试方法，其特征在于， 步骤（E)中，利用数值积分计算得到该周期的耗能率η的计算方法如下： (1) 求该周期内的载荷极大值Fmax和极小值Fmin，位移极大值Xmax和极小值Xmin，计算A =巾_ρ ) (X -Y). \丄max丄min/ ^yvmax yvIiiin/， (2) 求该周期内载荷F与速度V乘积对时间T的数值积分S= /TFVdt; (3) 计算耗能率η=S/A。
【文档编号】G01M13/00GK104236893SQ201410529549
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】汤炳新, 王占军 申请人:河海大学常州校区