基于壓電傳感器的動平衡測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要傳感器是動平衡測量系統(tǒng)中的重要元件之一，是一種將不平衡量產(chǎn)生的振動信號不失真地轉(zhuǎn)變成電信號的裝置。利用壓電式力傳感器作為動平衡測量系統(tǒng)中的敏感元件來測量不平衡質(zhì)量引起的振動。重點(diǎn)闡述了該壓電式力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝位置設(shè)計及振動信號檢測中的關(guān)鍵問題。同時，詳細(xì)分析了該傳感器的信號調(diào)理電路特點(diǎn)?，F(xiàn)場實驗結(jié)果表明。設(shè)計的壓電式力傳感器在動平衡測量中的性能良好。關(guān)鍵詞：動平衡振動信號壓電式力傳感器調(diào)理電路測量系統(tǒng)前言動平衡測量是將轉(zhuǎn)子不平衡離心力產(chǎn)生的振動信號，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)前置濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后，由信號處理得到轉(zhuǎn)子不平衡量信息。其中，獲取高質(zhì)量的振動信號是保證高精度動平衡測量的首要環(huán)節(jié)。因此，作為測振系統(tǒng)重要部件之一的傳感器，其選擇至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外動平衡機(jī)中廣泛采用壓電加速度傳感器作為敏感器件來測量不平衡質(zhì)量引起的振動，由于這種傳感器是測量振動的加速度值，而在位移幅值相同時，加速度值與信號的頻率平方成正比。所以對于低頻段的信號而言，加速度值可能會相當(dāng)小，而對于高頻段的信號，加速度值則可能會很大。例如：對于振動位移1mm、頻率lHz的低頻信號，其加速度值僅為0.04m/s2；而對振動位移0.1mill、頻率10kHz的高頻信號，其加速度值則可達(dá)4X105m/s。所以加速度傳感器不適合測量高低兩端頻率的振動信號。由于本動平衡測量系統(tǒng)的平衡轉(zhuǎn)速設(shè)計為220r/min，對應(yīng)信號頻率為3.67Hz的低頻信號，設(shè)計中考慮采用壓電式力傳感器來測量周期性離心力經(jīng)振動系統(tǒng)傳遞后的振動信號。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、靈敏度高、頻率特性好，尤其是其剛度和諧振頻率較高，保證了振動力的無損失傳遞，特別適用于動態(tài)測量。針對本設(shè)計的新型動平衡測量系統(tǒng)，制作了一種壓電式壓力傳感器。重點(diǎn)討論了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝位置和傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計，并進(jìn)行了現(xiàn)場實驗。1壓電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和測量原理1?1壓電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計壓電式力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上蓋板、密封圈、絕緣片、壓電陶瓷片組、電極、絕緣套、殼體、底座等組成。為避免傳感器本身應(yīng)變傳遞到壓電元件上輸出虛假信號而影響傳感器的靈敏度，上蓋板、殼體及底座均采用了剛度較大的高強(qiáng)度鎳鉻鋼；絕緣套材料為聚乙烯；2片陶瓷片作為絕緣片隔離上蓋板和壓電陶瓷片組；電極材料為導(dǎo)電性能良好的銅,其形狀和大小與壓電陶瓷片一致；壓電陶瓷片組由2片幾何尺寸完全相同(直徑16mill，厚度lmm)的PZT(鋯鈦酸鉛)圓片形壓電陶瓷并聯(lián)組成。圖1壓電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1?2壓電傳感器尺寸參數(shù)確定壓電式力傳感器應(yīng)該具有足夠的承載能力、較高的固有頻率和絕緣電阻，對于壓電陶瓷片半徑r和厚度t的設(shè)計要著重考慮。由該動平衡測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，壓電傳感器承受的動態(tài)載荷力和不平衡離心力以及振動系統(tǒng)幾何參數(shù)的關(guān)系為：S1(Fl一F2)=MRRw2A1cos(wt)+MLRw2A2cos(wt+a)S2F2二MRRw2A3cos(wt)+MLRw2A4cos(wt+a)(2)式中：S1、S2、A1、A2、A3、A4為振動系統(tǒng)的幾何參數(shù)；MR、ML為左右校正面上的不平衡質(zhì)量；w為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；R為待測工件的旋轉(zhuǎn)半徑；F1、F2為兩個傳感器所受動態(tài)載荷力。該系統(tǒng)設(shè)計測量的最大不平衡量為400g，由式(2)可得到作用在傳感器承載面上的最大載荷。壓電陶瓷片的抗壓強(qiáng)度極限取120N/mm2，則壓電陶瓷片的半徑由式(1)計算為8mm。綜合壓電陶瓷片的抗彎強(qiáng)度、傳感器的固有頻率及絕緣阻抗幾個因素，其厚度t選取為1mm。1?3測量原理壓電傳感器的工作原理為：待測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于不平衡質(zhì)量而產(chǎn)生周期性的離心力，使得振動系統(tǒng)做受迫機(jī)械振動。其振動頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率相同，振動幅值與不平衡量成正比。該交變的周期性振動力作用在壓電傳感器上，根據(jù)壓電效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)換成電荷，經(jīng)后續(xù)調(diào)理電路及數(shù)字信號處理可以獲得轉(zhuǎn)子的不平衡量信息。當(dāng)上述壓力作用在壓電傳感器上時，因為兩片壓電陶瓷片并聯(lián)，所以產(chǎn)生的電荷為：Q=2d33F(3)式中：d33為壓電晶片的壓電系數(shù)。兩個傳感器所受動態(tài)力分別為：F1(t)二mlRw2sin(wt+^1)(4)F2(t)二m2Rw2sin(wt+92)(5)所以兩個壓電傳感器輸出的電荷分別為：Ql=2d33mlw2sin(wt+91)(6)Q2=2d33m2w2sin(wt+92)(7)傳感器輸出電容為：C=3.14eD2/21(8)式中：￡=l500X10-llF/m為壓電陶瓷片的介電常數(shù)，D=16mm為壓電陶瓷片直徑；t=lmm為壓電陶瓷片厚度；故代人公式C中，得C=6.03nF。2傳感器安裝位置設(shè)計雙面動平衡測量中，作為測振元件的兩個傳感器的測量值之間相互關(guān)聯(lián)，相互制約。每個傳感器的測量值均受兩個校正平面上不平衡離心力共同影響，單個校正平面上的校正質(zhì)量須通過平面分離方程對兩個傳感器的測量值解耦獲得。對于常規(guī)的待測工件，其左右校正平面位于兩支承中間的簡支梁結(jié)構(gòu)形式或左右校正平面位于兩支承外側(cè)的外懸結(jié)構(gòu)形式的動平衡測量系統(tǒng)，兩傳感器安裝在不同測量平面，其承受的動態(tài)載荷力相差很大，而且周圍環(huán)境諸如噪聲、溫度和濕度等對傳感器的影響不同。關(guān)聯(lián)程度越高對測量結(jié)果的影響越大，則平面分離程度越低。以圖2(a)所示的外懸結(jié)構(gòu)形式為例進(jìn)行說明。設(shè)：F=mw2Rcos(wt)+v(t)(9)式中：m為不平衡質(zhì)量；mw2R為不平衡質(zhì)量引起的離心力；w為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；v(t)為各種噪聲及其它干擾。根據(jù)力矩平衡關(guān)系得到兩傳感器受到的載荷力分別為：F1Ll=FL2=[mw2Rcos(wt)+v(t)]L2(10)F2L1=F(L1+L2)=[mw2Rcos(wt)+v(f)](L1+L2)(11)由式(10)和式(11)可知，各種噪聲和干擾對兩個傳感器的影響差別很大，導(dǎo)致兩傳感器的靈敏度變化不一致，長此以往，兩傳感器的性能差別變大，導(dǎo)致測量的重復(fù)性降低和一次不平衡降低率增加。綜上所述，將兩個傳感器安裝在同一測量平面內(nèi)，如圖2(b)所示。分別測量主軸套筒相對于橫梁的動態(tài)載荷力以及橫梁相對于機(jī)座的動態(tài)載荷力，這樣噪聲和干擾對在同一測量平面內(nèi)傳感器的力矩作用相同。這種安裝方式下可以保證噪聲、溫度和濕度等環(huán)境因素對于兩個傳感器的影響基本相同，其靈敏度和性能變化一致，從而保證了系統(tǒng)的測量精度。

(10樁感第妥裝社同1一平商何(10樁感第妥裝社同1一平商何圖2傳感器安裝示意圖3信號調(diào)理電路設(shè)計雖然壓電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高及頻率特性好的特點(diǎn)，比較適合動態(tài)測量。但由于其線性范圍較窄、輸出阻抗較高、輸出電壓微弱。為保證動平衡測量的精度，對信號調(diào)理電路的設(shè)計提出了更高的要求。信號調(diào)理電路主要對兩個壓電傳感器輸出的信號進(jìn)行電荷放大，濾波，最后送人微處理器的A/D。兩個傳感器的信號調(diào)理電路基本相同，現(xiàn)僅對其中一個傳感器的信號調(diào)理電路進(jìn)行設(shè)計分析，如圖3所示。圖3傳感器信號調(diào)理電路為保證調(diào)理電路具有較好的放大、選頻濾波特性。選用寬帶寬、高頻響的LMC660集成運(yùn)放。它具有如下特點(diǎn)：單電源供電降低了電源成本而且具有較高的帶寬和較大的輸入阻抗。另外，LMC660為軌對軌輸出，其輸入偏置電壓、溫漂、寬帶噪聲抑制等均優(yōu)于同類雙電源供電的集成運(yùn)放?？梢砸种齐娐返牧闫捌涫墉h(huán)境因素的影響，有利于保證動平衡測量系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。該信號調(diào)理電路由電荷放大電路、帶通濾波選頻電路以及同相比例運(yùn)算電路組成。第一級為電荷放大電路，包括Al(LMC660)、Cl、R1。由于采用電容負(fù)反饋，對直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路，放大器的零漂較大。為解決這個問題，在C1兩端并聯(lián)了高阻值電阻R1，作為直流反饋電阻，其作用為提供直流工作點(diǎn)，抑制Al的零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定。由于電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)。反饋電容的選擇很關(guān)鍵。選擇不同容量的反饋電容，前置級的輸出大小也不同。在設(shè)計電路時，考慮到被測動態(tài)載荷力的范圍，同時為了避免因輸人信號太大引起后級放大器飽和，反饋電容C1選擇為0,2uF。壓電傳感器的低頻響應(yīng)受電荷放大器的下限截止頻率限制，fL=1/2*3.14RfCf,其中，Cf為反饋電容；Rf為反饋電阻，選擇阻值較大的反饋電阻可降低傳感器的頻率下限。但同時,Cf漏電阻的影響也隨之增大，另外，阻值太大的Rf也會造成運(yùn)算放大器零點(diǎn)及增益的不穩(wěn)定?；谏鲜隹紤]，Rf取為20MQ。壓電傳感器輸出電荷為：Q=2d33F(10)，忽略傳感器固有電容、電纜電容等分布電容，電荷放大器的輸出電壓：U0~-Q/C2=-2d33F/C2(11)第二級為選頻電路。由于不平衡信號為低頻弱信號，各種機(jī)械振動干擾和電磁噪聲往往比有用信號強(qiáng)得多。為將微弱不平衡信號從強(qiáng)干擾信號中提取出來，選擇帶通濾波器處理電荷放大器的輸出信號。由于動平衡機(jī)的平衡轉(zhuǎn)速設(shè)計為220r/Min，對應(yīng)壓力信號頻率為3.67Hz。故在設(shè)計帶通濾波器時，中心頻率五設(shè)為3.67Hz。帶通濾波電路由A2(LMC660),電容C2、C3，電阻R2、R3組成，其傳輸特性為：A1二-SC2R3/(1+SC2R2)(1+SC3R3)=-0.232S/1+0.161S+0.00165S2(12)其幅頻特性曲線如圖4所示。圖4帶通濾波幅頻特性圖由圖4可知，設(shè)計電路的中心頻率f=w/6.28=23/6.28=3.6Hz，對應(yīng)轉(zhuǎn)速216r/min。經(jīng)過濾波后的不平衡信號仍然很微弱，故在信號進(jìn)入A/D前，對其進(jìn)行了二級放大。A3(LMC660)、R4、R5組成二級放大，傳輸特性為:A2=1+R5/R4=7.9(13)由于微處理器中A/D的參考電壓為4.5V，要求其轉(zhuǎn)換的輸入信號電壓大小在0?4.5V之間，因此，需要對傳感器輸出的信號進(jìn)行電平移位，轉(zhuǎn)化為0?4.5V之間的電壓信號。所以在信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換前，進(jìn)行二級放大時，對其進(jìn)行電平移位。將信號零點(diǎn)提升到2.25V,^卩1/2的A/D參考電壓(Vref=4.5V)。電平移位相當(dāng)于引人了純直流分量，不會影響有用信號的還原。4實驗結(jié)果將設(shè)計制作好的壓電傳感器分別安裝在動平衡測量系統(tǒng)的主軸和橫梁間及橫梁和機(jī)座間進(jìn)行實驗。所得實驗數(shù)據(jù)如下。左校正面不加試重而右校正面分別加載0g、50g和100g試重時與右校正面不加試重而左校正面分別加載0g、50g和100g試重時兩傳感器測量通道的輸出數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，對于不同校正平面上的試重，該壓電傳感器的輸出信號的線性較好，滿足線性動平衡測量系統(tǒng)的要求。

表1左右校正實驗數(shù)據(jù)平衡塊加戟九測量通道Lj劇就通JU輸岀八’測軾通道1胃榆出"00.00340.0ft600.0034□mwo50D.0452O.33S5O.MU6劌21U00.(M7I0.6563n.1LK00.5660在不同校正平面上添加不同試重進(jìn)行多次測量的數(shù)據(jù)如表2所示。從表2的實驗數(shù)據(jù)可以看出，壓電傳感器的輸出數(shù)據(jù)具有較好的一致性和重復(fù)性。重復(fù)精度較高,可以滿足動平衡測量系統(tǒng)的要求。表2兩次校正平面加試重的實驗數(shù)據(jù)償呈施連1雅出■州SS1肚聘2撫Mtft:￡*4n.mtQ.0?f>9Q.聞10-6S630.6567O.fi56Fl匸嘰右0Q.11KC0.I]t40.11470.56600.5667SWO左100.$'50o.0,16170.Lfi20<1.2332€■.2334,0.2^&左瑪■.右1<10f：)4570.1460una咖ga36225結(jié)束語本文從傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝位置、振動信號檢測以及傳感器的信號調(diào)理電路等方面闡述了壓電式壓力傳感器在動平衡測量中設(shè)計與應(yīng)用?，F(xiàn)場實驗結(jié)構(gòu)表明，設(shè)計的壓電式力傳感器在動平衡測量中的性能良好，可以取得滿意的效果。參考文獻(xiàn)［1］上海北智傳感技術(shù)有限公司華南辦事處．傳感器選用指南［EB／OL］．［2006—06—01］．http：／／www．gkong．corn／learn／learn_detail．a(chǎn)sp?learn—id=1299．［2］孫寶元，張貽恭.壓電石英力傳感器及動態(tài)切削測力儀［M］.北京：計量出版社，1985．［3］秦鵬，蔡萍.應(yīng)用瞬心法的動平衡測量虛擬振動系