便携式振动信号测试系统的设计及振动信号分析

论文摘要

为了给压电发电能量回收系统的结构优化提供依据,需要了解在现实环境中压电换能结构的输入振动信号,因此设计了一个便携式振动信号测试与分析系统对南京长江大桥的振动加速度信号进行采集和分析,并将分析得出的振动位移信号作为输入对压电换能结构的能量输出和能量转换效率进行了分析。便携式振动信号测试与分析系统分为振动信号测试终端和振动信号软件处理中心两部分。振动信号测试终端采用ICP压电加速度传感器将大桥振动的加速度信号转换为电压信号,通过信号滤波和放大电路将电压信号传输到笔记本电脑,信号传输可以采用无线数传模块通过无线的方式进行传输,也可以利用数据采集卡通过USB接口进行传输。采用虚拟仪器技术搭建信号测试平台,Labview与Matlab混合编程的方式实现对信号的频谱分析、小波变换以及信号的频域积分。结合第一类压电方程对压电双晶片悬臂梁式换能结构的能量转换效率进行分析,将采集到的振动位移信号作为系统输入激励对换能结构的输出电能进行了分析。得出压电换能结构在不同压电片厚度和压电振子长度下,能量转换效率随着压电振子长度的增加而增加并受压电材料厚度的影响的规律,为压电换能结构的优化提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 便携式振动测试分析仪器的国内外研究现状
• 1.2.2 虚拟仪器技术国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容
• 第二章 便携式振动测试系统总体设计
• 2.1 振动信号测试
• 2.2 振动测量系统总体框架
• 2.2.1 振动信号测试系统
• 2.2.2 振动信号的分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 便携式振动信号测试系统的硬件实现
• 3.1 振动测量传感器
• 3.1.1 压电传感器工作原理
• 3.1.2 压电传感器等效模型
• 3.1.3 传统压电加速度传感器的测量电路
• 3.1.4 ICP 加速度传感器及其电路设计
• 3.2 信号调理电路设计
• 3.2.1 滤波电路
• 3.2.2 信号放大电路
• 3.3 数据采集卡
• 3.4 微控制器及其外围电路
• 3.4.1 MSP430F149 微控制器
• 3.4.2 A/D 转换的实现
• 3.5 无线传输系统的构建
• 3.5.1 无线收发芯片选型
• 3.5.2 STR-30 微功率无线数传模块
• 3.5.3 STR-30 电路连接与参数配置
• 3.5.4 RS232 参数设置
• 3.6 本章小结
• 第四章 振动信号的分析
• 4.1 Labview 虚拟仪器设计
• 4.1.1 Labview 虚拟仪器
• 4.1.2 Labview 的运行机制
• 4.1.3 虚拟仪器信号测试系统的软件框架
• 4.2 现场振动信号测试及信号分析
• 4.2.1 数据采集卡接口驱动程序编写
• 4.2.2 数据采集软件
• 4.2.3 现场振动信号采集
• 4.3 对典型振动信号的分析处理
• 4.3.1 数字滤波
• 4.3.2 傅里叶频谱分析
• 4.3.3 小波变换
• 4.3.4 信号积分
• 4.4 信号处理结果及其分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 实测振动波形输入压电换能结构的能量转换效率分析
• 5.1 压电方程
• 5.2 压电换能结构输出电能计算方法
• 5.3 压电双晶片悬臂梁的理论模型
• 5.4 压电双晶片悬臂梁自由端挠度计算
• 5.5 基于压电换能结构的能量转换效率分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步研究内容
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文