测试空气弹簧振动特性的设备及使用该设备测试的方法 【技术领域】
本发明涉及一种振动特性测试仪器及其测试方法，特别涉及一种测试空气弹簧振动特性的设备及使用该设备测试的方法。
背景技术
目前的材料测试试验台已经产业化，同时配套测试系统也比较完善，国内外生产弹性试验机的厂家和科研单位也有几十家。其原理图如图1所示。
到目前位置，空气弹簧检测试验激振方式主要包括：机械振动方式、电液振动方式、电动振动方式。
电动式振动是根据电磁感应原理设计的，当通电导体处在恒定磁场中将受到力的作用，当导体中通以交变电流时将产生振动。振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的空隙中，当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形。电动振动台频率宽、加速度大，易于实现随机控制，可以实现大位移、大推力，因而在国防科技、航空航天技术、武器装备研制以及汽车、电子、建筑等民用工业上得到了广泛应用。电动振动方式是目前市场上运用最广泛的一种振动方式。它的频率范围宽，工作频率范围约为2Hz～2KHz，易于实现自动和手动控制，加速度波形好，适合产生随机波，可得到很大的加速度。目前电动振动可以提供1～40000kg的激振力。
现有的各种测试装置的激振器是通过支架安装于地面上，激振器在振动过程中，激励力一定会传递到激振器的安装基础上。为了避免基础的振动对激振器的影响，基础必须具有相当大的反作用质量和刚度。另一方面，为了避免基础的振动传递到房屋建筑结构上，这种安装基础必须是抗震地基，而且只能测试面积不大于工作台面的材料。如图3所示，该测试仪包括通过调整螺杆02安装在横梁01上的传感器03，前述各部件通过立柱04安装于工作台05上，工作台05位于机体总成08上，工作台05下部安装有伺服测振装置07和位移传感器06。
参见图2所示，是江苏汽车与交通工程学院的袁春元，周孔亢等人发表在2008年3月第三期第24卷的农业工程学报上的一片文章--《车用空气弹簧力学性能仿真及试验研究》，文章中给出的试验的测试原理图。现有的各种测试装置中的，试验在振动过程中无法防止偏心加载并且在试验前都不可以进行实验参数的标定。试验测试系统的精确性与试验中各个传感器的精度有相当大的关系，选择高精度传感器可以提高试验精度，除此以外，传感器的标定系数也是决定传感器精度的主要因素，因此，试验前都要对试验中使用的传感器进行标定，以保证该次试验的有效性和准确性。
仪器的准确性与试验结果的有效性密切相关，试验系统中的设备在试验前都要进行相关的测试来标定，以确保本次试验用到的仪器参数是有效可行的，否则试验数据处理中由于仪器标定系数而带来误差。
另外，通常的试验设备一般不标定，由厂家直接给出设备的精度，但仪器不可能是不变的，因此，如果需要标定需要用一个高精度的传感器来做试验。
【发明内容】
本发明的第一个目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种工作频率和激振力范围宽、测试场所的选择方便灵活，并且可以在实验前预先标定参数的测试空气弹簧振动特性的设备。本发明的第二个目的在于提供一种使用该测试空气弹簧振动特性的设备进行测试的测试方法。
本发明的第一个目的通过以下技术方案予以实现：
测试空气弹簧振动特性地设备，包括激振器和与所述激振器刚性固定连接的质量块，所述激振器与质量块之间设置有力传感器，所述质量块上设置有位移传感器；信号发生器和功率放大器依次与所述激振器通过电讯号连接；所述力传感器和位移传感器将其信号传递到电荷放大器进行信号放大，然后储存于计算机；所述激振器为电动式激振器，所述刚性固定连接的质量块和电动式激振器悬空设置；所述位移传感器为激光位移传感器。
所述所述质量块上还增设有加速度传感器。
所述所述质量块上还增设有位移感应板。
所述激光位移传感器、加速度传感器和力传感器以及位移感应板皆为两个且对称设置。
所述设备增设数据采集系统与所述计算机进行通讯连接。
本发明的第二个目的通过以下技术方案予以实现。
一种使用上述测试空气弹簧振动特性的设备的测试方法，它包含以下步骤：
1)传感器的标定，包括静态标定和动态标定；
静态标定
安装完所述测试空气弹簧振动特性的设备后，将质量块安装在空气弹簧装置上，测量出此时静态条件下传感器的信号，并让信号持续一段时间，根据加载在上方的质量块可以计算出加载力F，并通过采集系统采集到传感器的电压信号，持续的信号可以判断传感器是否稳定，对于稳定的信号，可以读出其压力信号的电压值V，则传感器的静态标定系数为：
β=FV;]]>
动态标定
给质量块m一激励，然后释放，测量隔振系统在自由振动下的加速度信号则力传感器上加载的力为：
力传感器的电压信号V，则可以计算出力传感器的动态标定系数：
2)预压
预压通过上方的质量块来实现，通过调整上面的质量块实现预压的不同大小值；
3)平衡调节
试验中采用两个加速度传感器和两个激光位移计，通过两个测量信号的比较可以了解到试验装置是否偏心。
4)材料的动态特性试验
将电动式激振器加载质量块上，通过信号发射器、功率放大器进行信号控制，并进行加载，频率范围从2Hz～2KHz连续可调，激振力从1～40000kg连续可调。
本发明的有益效果为：
1、振动方式采用最新的电动式激振器进行加载，频率范围从2Hz～2KHz连续可调，激振力从1～40000kg连续可调。
2、本发明将电动式激振器悬于上方，可以避免由于激振器传递到基础，造成对试验振动测试的影响；而且测试场所的选择方便灵活，并可对无限大的待测物进行测试。
3、整套试验的费用2～3万元，较市场上的设备比起来便宜很多，目前此类设备还处于行业垄断状态下，加之其制造成本也较高。
4、标定对于试验的成败是关键，本试验系统在试验前都可以进行标定，且方便、有效。
5、对于加载是否存在偏心，本试验系统在试验系统中对称地加入了两个激光位移传感器和两个加速度传感器，两个加速度传感器测量信号和激光位移传感器测量的信号进行比较相互验证，并可以防止偏心加载。
6、本发明的试验仪器只需要直接在上面加一重物即可以静态标定，或者给其一个冲量载荷让重物自由振动，即可以动态标定。
【附图说明】
下面结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步说明。
图1是背景技术中常用的振动试验台振动特性试验原理图；
图2是背景技术中另一现有技术振动特性试验原理图；
图3是背景技术中测试装置简图；
图4是本发明工作原理图；
图5是本发明测试设备简图；
图6是静态标定结果曲线图；
图7是动态标定结果曲线图；
图8是两个激光位移传感器信号比较图；
图9是两个加速度传感器信号比较图；
图10是激光位移传感器部分数据测量结果及其局部放大图；
图11是加速度传感器部分数据测量结果及其局部放大图；
图12是橡胶空气弹簧的迟滞回线图。
附图标识：1、进气口2、橡胶空气弹簧3、激光位移传感器4、加速度传感器5、力传感器6、电动式激振器7、质量块8、位移感应板01、横梁02、调整螺杆03、传感器04、立柱05、工作台06、位移传感器07、伺服测振装置08、机体总成
【具体实施方式】
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图5所示，测试空气弹簧振动特性的设备，包括激振器和与所述激振器刚性固定连接的质量块7，所述激振器与质量块7之间设置有力传感器7，所述质量块7上设置有位移传感器；信号发生器和功率放大器依次与所述激振器通过电讯号连接；所述力传感器5和位移传感器将其信号传递到电荷放大器进行信号放大，然后储存于计算机；所述激振器为电动式激振器6，所述刚性固定连接的质量块7和电动式激振器6悬空设置；所述位移传感器为激光位移传感器3；所述质量块7上还设有加速度传感器4和位移感应板8；所述设备增设数据采集系统与所述计算机进行通讯连接；所述激光位移传感器3、加速度传感器4和力传感器5以及位移感应板8皆为两个且对称设置。
参见图4，信号发生器和功率放大器依次与所述电动式激振器通过电讯号连接；所述激光位移传感器3、加速度传感器4和力传感器5将其信号传递到电荷放大器进行信号放大后，然后储存于计算机；所述电荷放大器的信号先进入所述数据采集系统，再经所述数据采集系统进入所述计算机。
将上述设备安装好后，用来对橡胶空气弹簧2进行的试验，试验条件：空气弹簧为两个曲囊，压力0.6MPa，压力通过进气口1加入；频率2Hz，步骤如下：
1、传感器的标定
静态标定
安装完试验装置后，将质量块7安装在橡胶空气弹簧2上，测量出此时静态条件下传感器的信号，并让信号持续一段时间，根据加载在上方的质量块可以计算出加载力F，并通过采集系统采集到传感器的电压信号，持续的信号可以判断传感器是否稳定，对于稳定的信号，可以读出其压力信号的电压值V，则传感器的静态标定系数为：
β=FV,]]>其静态标定结果曲线图如图6所示。
从图6的曲线分析，可以得出整个静力加载与卸载过程中，传感器标定结果是稳定的，只有在起始阶段(受力＜20N)，传感器是不稳定的，之后为一稳定值，其中间部分的抖动是由于增加和减少静载载荷造成的，但很快稳定。
动态标定
给质量块m一激励，然后释放，测量隔振系统在自由振动下的加速度信号位移信号，则力传感器上加载的力为
力传感器的电压信号为V，则可以计算出力传感器的动态标定系数
其动态标定结果曲线图如图7所示。
从图7的曲线分析，可以得出整个动力加载过程中，传感器标定系数不是一个稳定的值，其系数随着载荷的增加而略有升高，在卸载过程中其系数随着载荷的减小而略有减小。
2、预压
在对橡胶空气弹簧2的试验中，预压通过其上方的质量块7来实现，通过调整上面的质量块7实现预压的不同大小值。
3、平衡调节
本试验方法是适用于测量材料轴向的动态特性试验，对于轴向加载有一定的要求，因此试验中采用了两个加速度传感器和两个激光位移计，通过两个测量信号的比较可以了解到试验装置是否偏心。图8和图9分别示出了两个激光位移传感器信号比较图和两个加速度传感器信号比较图。图10和图11分别示出了激光位移传感器部分数据测量结果及其局部放大图和加速度传感器部分数据测量结果及其局部放大图。
从图8的曲线分析，可以得出两个激光位移传感器测量两个对称位置的位移，从图上数据对比可以看出，两个数据吻合的较好，表明试验系统是轴向加载，避免由于偏心加载而造成的误差。且两个数据取平均可以减小测量误差。
从图9的曲线分析，可以得出两个对称放置的位移传感器测量的数据吻合较好，再次表明试验系统是轴向加载，且两个数据取平均可以减小测量误差。
从图10和图11的曲线分析，可以得出本试验系统测量的位移与加速度数据稳定有效。
4、材料的动态特性试验
将电动式激振器5加载到质量块7上，通过信号发射器、功率放大器进行信号控制，并进行加载，获得测量结果，通过计算得到橡胶空气弹簧2的迟滞回线如图12所示。
从图12的曲线分析，可以得出通过本发明提出的测试仪器与测试方法，将其应用于空气弹簧隔振装置中，测出了其动态下的力学性能，为下一步隔振器模型的建立与参数识别奠定了基础。