磁悬浮效应及其在三维振动测量中的应用研究

Based on an existing absolute vibration measurement method, this project innovatively designed a vibration measurement system with a maglev ball as the inertia mass to measure the 3D vibration. Firstly, we plan to theoretically verify the kinetic equation of the system's maglev ball is the same as that of the traditional absolute vibration measurement(mass-spring system) with an inertia mass, i.e., both equations are two order differential equations with constant coefficients. Secondly, we plan to verify the consistency of the waveforms tested by the system, by testing the standard waveforms from the vibration source via this system, to further confirm the feasibility of the system measuring 3D vibration. Lastly, we plan to quantitatively measure the system's operating characteristics and technical indicators, to lay down the foundation technically for its real application. This project is an innovation to the vibration measurement method. Since the measurement is conducted with no contact, the motion of the inertia mass is not restricted. The system is alike in all directions, with no inter-stage coupling, no mechanical abrasions or erosions, no mechanical interval errors, which effectively the delay that cannot be overcome by the contact measurements. In conclusion, this research project not only is valuable theoretically for further studying the maglev effects, but also has a strong application future in 3D vibration measurements.

将磁悬浮技术应用于三维振动测量。磁悬浮球作为三维振动测量的惯性质量块，当被测振动达到一定频率时，磁悬浮球相对不动，这就相当于创造了一个绝对参照点，测得磁悬浮球相对于壳体的位移即可实现绝对振动测试的目的。基于磁悬浮效应的三维振动测量方法是一种全新的绝对式振动测试方法。磁悬浮球的动力学方程与传统的绝对式振动测试方法（质量-弹簧系统）的惯性质量块的动力学方程进行比较从理论上证实该方法的可行。通过磁悬浮模型及控制系统，外加实振信号即可从实验角度证实该方法的正确性。与传统的三维振动测试方法相比，该方法只有一个磁悬浮球作为惯性质量块，使系统结构大大简化；安装、测试容易；不与任何外界物体相接触，实现了非接触测量；由于惯性质量块不与其它物体相接触，运动不受限制；具有各向同性的性质；消除了级间耦合；消除了机械摩擦和机械磨损，消除了机械间隙误差，有效地消除了接触式测量方法无法克服的迟滞特性。

与传统振动测量方法不同的是磁悬浮振动测量中振子处于悬浮状态。测量时将磁悬浮振动测量模型与被测振动体固接在一起，测量模型随被测振动体一起振动，振子的振幅与被测振动近似成正比，实现振动测量。.通过理论和实验推导得出了磁力与位移和电流的关系，推导得出振子的动力学方程。方程为常系数线性非齐次微分方程，与传统的振动测量方程相同，因此从理论上证明了磁悬浮振动测量方法是可行的。.建立了磁悬浮振动测量系统的仿真模型，通过仿真和实验对自由振动和外加振动仿真研究再次验证了磁悬浮振动测量方法的可行性。.对磁悬浮振动测量系统的混沌特性进行了研究。研究得出：系统处于混沌状态时具有单、双两种吸引子，由不稳定到稳定状态经历了双吸引子、单吸引子、准周期吸引子和快速收敛吸引子几个过程，得出了系统产生混沌的边界条件。.对磁悬浮振动测量系统的阻尼特性进行了研究。推导出阻尼力、电阻和电容的函数关系，获得了最佳阻尼状态下的系统参数。.对磁悬浮振动测量系统三维振动测量进行了研究。.对磁悬浮振动测量系统的被测振动信号和控制信号的分离进行了研究。得出测量系统的固有频率为130Hz左右。通过FFT变换获得振子位移信号的功率谱，滤波处理将高于100Hz的频率滤掉，再通过FFT反变换即可获得被测振动信号。.进行了实测验证：公路平整度测量；地铁运行振动测量；人行天桥振动测量；电梯的三维振动测量；重型基建设备在施工中对周围建筑物产生的振动测量。.主要技术指标：.光电位移传感器线性工作区最大相对误差：1.64%.测量加速度：0.0005m/s2～0.001 m/s2.测量频率：0.001Hz～10Hz.振子线性区： 21.5～27.5mm.振动加速度灵敏度：SI=300mV/m·s-2.最大加速度： am=526.38m/s2≈52.6g.振动测量系统精度： 0.43％.最小工作电流：20mA.与传统方法相比较磁悬浮振动测量方法主要优点：适合于绝对振动测量，振子为无接触式工作状态，适于多维振动测量，测量灵敏度高，振动系统阻尼为电子阻尼，较低频率的振动测量等。因此，该方法在振动测量领域具有广阔的应用前景。