动平衡测量技术分析

优秀产品可达 0. 000 1 g, 但价格昂贵 。从性价比 考虑 ,设计者一般优先考虑低分辨力传感器 , 但对
于 0. 001 g分辨力的加速度传感器要满足对位移 量 0. 1μm 的分辨将十分困难 。加速度传感器对
振动位移幅值的分辨力如表 1所示 , 由表可知 , 当 传感器拾取 10 Hz振动信号时 , 仅能分辨 2. 4 μm 的振动位移量 ; 频率达到 50 Hz才能分辨出 0. 1 μm 的振动位移量 。现场测振时 , 有时出现人体感
Abstract: This paper analyzed the method of selecting sensors, the way of p icking up vibration signal, the mode of pa2 rameter transform ing and the technique of detecting centric location, then advanced the key of design of the portable dy2 nam ic balancing instrument. Analysis show s that magnetoelectric sensors or acceleration sensor w ith 0. 000 1 g resolving power is suitable for w ide range and p recision measurement, the method of p icking - up the parameter by means of Fou2 rier transform can elim inate the measurement error. A ll methods and conclusions mentioned are validated in p ractical design of a dynam ic balancing instrument. Key words: dynam ic balancing in - site; sensors; signal p rocess; parameter transform
0. 001
25
0. 398
0. 001
30
0. 27
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0. 099
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1. 2 磁电式速度传感器
磁电式速度传感器是利用永磁体与线圈之间
的相对运动感应被测物体振动的传感器 , 其输出
信号的电压与振动的速度量成正比 。磁电式速度
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《轴承 》2009. №. 11
小 。根据对应振动位移幅值的大小和转子重心方
位的动态信号参量 ,手动调整达到动平衡 , 是现场 动平衡仪的常用方法 。因此对振动位移微小量的
收稿日期 : 2009 - 04 - 28;修回日期 : 2009 - 05 - 05 作者简介 :高 冰 , 女 , 辽宁沈阳人 , 教授级高工 。研究方 向为智能仪器 ,机电一体化仪器 ,动平衡技术 。
E - m ail: bing_gao56@ yahoo. com. cn。
方面展开技术分析 。
Ana lysis of D ynam ic Ba lanc ing M ea suremBiblioteka Baiduen t Techn ique
GAO B ing , SU J ian , ZHANG Ping
( Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510635, China)
1 传感器选用
合理选用传感器是保证动平衡精度的重要环 节 。对于测振传感器而言 , 测量精度 、量程 、工作 转速范围的不同 , 其适用性也不同 。动态信号测 量中常用的传感器有压电加速度计 、电容式加速 度计 、磁电式速度传感器 、电涡流传感器等 。具体 的应用应依据测量仪器的技术指标和传感器的工 作特性 、分辨力和测量范围等因素进行选择 。
识别能力 , 是选择传感器的主要依据之一 。设测 量仪的主要指标为 :工作转速 600～18 000 r/m in; 量程 20μm, 200μm;分辨力 0. 1μm。以假设指标 参数进行相关传感器的适用性分析 。
1. 1 加速度传感器
加速度传感器的重要指标是其分辨力 , 一般 可达到 0. 001 g ( g 为重力加速度 , 下同 ) , 国外的
摘要 :通过传感器选用 、测量参量转换 、振动信号提取 、转子重心方位提取等方面的技术分析 ,提出了用数字计 算方法实现测量参数转换 ,用离散 Fourier变换算法提取被测信号的现场动平衡的高精度测量方法 。分析表 明 :磁电式速度传感器或 0. 000 1 g分辨力加速传感器能满足大转速范围 、高分辨的要求 ;用离散 Fourier变换计 算方法提取被测量可减小测量误差 ,而且 ,所提及的设计方法与结论均已经过实践验证 。 关键词 :现场动平衡 ;传感器 ;信号处理 ;参量转换 中图分类号 : TH133. 33; TH825; TP212 文献标志码 : B 文章编号 : 1000 - 3762 (2009) 11 - 0057 - 04
x′,振动位移幅值 A 为
A = x′/ω
(4)
计算法参量转换电路原理如图 1所示 。测振
传感器感受到动不平衡量引起的振动信号 , 输出
正比于振动速度的电信号 , 经放大与量程调整 , 进
入数字跟踪滤波 。滤波可采用低通或带通模式 ,
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传感器从安装方式上分绝对式与相对式 , 相对式
因需要专用夹具 , 故现场动平衡多选用绝对式磁 电式速度传感器 。以某公司生产的 CD - 1型磁电
式速度传感器为例 , 该传感器频响范围 10 ～500 Hz,测量范围 0. 1～1 000μm,分辨力 0. 1μm。其
振动位移的幅频特性为 14 ～16 Hz, 有固有谐振 ; 在自振频率点上 ,灵敏度增加约 20% ;传感器在出
电涡流传感器可用于非接触的振动位移测量 , 频响范围大 , 量程宽 , 位移测量范围可以从高灵敏 的 0～1 mm 到大量程的 0～30 mm;分辨率可达满 量程的 0. 1% ; 其线性范围稍差 , 仅能达到量程的 1% [1 ] 。在量程 0～100μm 范围内 ,可满足 0. 1 μm 测量精度的要求 。电涡流传感器采用相对测量方 式 ,需要有固定传感器的专用夹具。作为现场使用 的测量仪 ,传感器的安装应越简单越好 。
觉振动很大 ,但仪器示值却很小 , 其原因就是所使 用的传感器检测不到低频振动的位移量 , 需要更
换更高分辨力的加速度传感器 。
表 1 加速度传感器对振动位移幅值的分辨力
频率 /Hz
位移量 /μm
加速度量 / g
10
2. 4
0. 001
15
1. 1
0. 001
20
0. 62
0. 001
23
0. 47
高 冰等 :动平衡测量技术分析
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低通滤波的截止频率或带通滤波器的中心频率随 工作轴转速改变而改变 , 滤波输出的交流信号经 A /D 转换 , 离散采样供单片机作数字信号处理 。 测速传感器的输出信号 , 经信号整形 、锁相倍频处 理 ,作为数字跟踪滤波所需要的时钟频率 。在工 作频带内 ,放大器与数字跟踪滤波器的增益与信 号相位不会因被测信号频率改变而有所不同 , 由 电路带来的测量误差极小 。
厂时均有标定 , 并附带相应的校正曲线和幅频特 性数据表 。尽管此类型传感器在分辩力 、量程 、工
作频率等方面都能满足使用要求 , 但在高精度测
量中 ,设计上要注意 ,一是需要根据提供的校正曲 线进行校正补偿 ; 二是更换传感器后应重新置入 校正数据 。而内嵌单片机的测量仪 , 利用电可擦 写数据存储技术 ,可轻易做到校正数椐的更新 。 1. 3 电涡流传感器
现场动 平 衡 仪 常 用 的 测 量 方 法 是 振 值 测 量 法 。转子动不平衡量的形成 , 是由于转子的质量 中心偏离转子的旋转中心 , 理论上动不平衡量 U 的大小是用偏移的质量 m 与偏移量 (旋转中心到 质量 m 重心的距离 ) e的乘积来表示 , 即 U = em。 由于动不平衡量 U 的存在 ,当转子旋转时 , 会产生 离心力 ,因而对转轴支承部位产生冲击引起振动 , 其振动位移的幅值大小正比于动不平衡量 U, 可 以用动 态 信 号 参 量 来 反 映 动 不 平 衡 量 影 响 的 大
频脉动成分 ,供 A /D 转换 。此参数转换方法信号 处理速度快 ,积分电路将速度量转换成位移量 , 不 必进行理论计算 ; 因为积分电路输出信号为位移 量 ,所以放大电路的倍率可做到很高 , 便于后续电 路对信号的分辨 。采用的有源 积分 电路 如图 2 ( b)所示 , 实测电路中为了抑制运算放大器的失 调 、漂移 ,加反馈电阻 Rf , 但理想积分电路中 , 反馈 通道不含电阻 Rf , 因此二者的复频率特性不完全 相同 ,实测电路存在误差 。其幅值误差 r和相角误 差 Φ为 [2] :
图 1 计算法参量转换电路原理图
电路转换法中 , 传感器输出的速度量转换成 位移量是通过积分电路实现的 , 其信号处理过程 如图 2所示 。传感器输出的速度量经积分电路转 换成位移量 ,再经放大电路进行量程调整 , 高品质 因数的数字带通跟踪滤波 , 提取基频信号 , 经检波
电路和低通滤波将信号转换成直流电压并去除高
于单一频率振动传感器输出为
Uo =QAωcosωt。
(1)
式中 : Uo 为传感器输出电量 ; Q 为传感器电信号灵
敏度 ; A 为振动位移振幅 ;ω为旋转轴转动角频率 。
单一频率振动位移量 x和振动速度量 x′表达
式为
x =A sinωt
(2)
x′=Aωco sωt
(3)
根据测得的电量 Uo 和 w 解算出振动速度量
2. 1 被测参量转换
当传感器输出电量正比于振动的速度量 (或
加速度量 ) , 而被测参量是振动位移量时 , 需要对
信号进行变换 。常用的信号变换方式有计算法和
电路转换法 。
计算法是先将原始信号进行预处理去除高次
无用谐波 ,经离散采样 ,用 Fourier变换方法提取基
波 (转轴转动频率 )信号 , 得到被测参量 。比如对
机械传动中离不开转子的旋转运动 , 转子旋 转时 ,如果其质量中心偏离旋转中心就会产生振 动 。机器主轴长期振动会造成磨损 , 机械加工中 , 振动会导致被加工工件的质量劣化 , 由振动而产 生的噪声会造成环境污染 。
长期以来人们一直致力于降低与消除转子的 质量偏心 , 从而使转子达到动态平衡 。随着科学 技术的进步 , 计算机 、新型传感器 、智能仪器等新 技术的应用 ,推动了转子动平衡技术的快速发展 。 更高的平衡精度 , 更便捷的平衡方法是人们追求 的目标 。要得到更高的平衡精度 , 动平衡的测量 精度是关键 。本文就现场动平衡技术中所涉及到 的动平衡仪测量精度 , 从测振传感器的选用 、被测 参量转换与提取 、动不平衡量相位信号提取等几
综上所述 , 对于高精度低转速的现场动平衡 测量仪 ,考虑性价比等因素选用磁电式速度传感 器较合适 ,已研发的便携式现场动平衡仪 , 采用了 CD - 1型磁电式传感器 , 完全满足使用要求 。若 不考虑价格因素 ,选用 0. 000 1 g分辨力的加速度 传感器 ,因其体积小 ,使用更加方便 。
2 被测参量转换与信号提取方法
ISSN 1000 - 3762 轴承 2009年 11期 57 - 60 CN 41 - 1148 / TH Bearing 2009, No. 11
专题综述
动平衡测量技术分析
高 冰 ,苏 健 ,张 萍
(广东技术师范学院 ,广州 510635)