基于压电传感器的动平衡测量系统设计

摘要传感器是动平衡测量系统中的重要元件之一，是一种将不平衡量产生的振动信号不失真地转变成电信号的装置。利用压电式力传感器作为动平衡测量系统中的敏感元件来测量不平衡质量引起的振动。重点阐述了该压电式力传感器的结构设计、安装位置设计及振动信号检测中的关键问题。同时，详细分析了该传感器的信号调理电路特点。现场实验结果表明。设计的压电式力传感器在动平衡测量中的性能良好。关键词：动平衡振动信号压电式力传感器调理电路测量系统前言动平衡测量是将转子不平衡离心力产生的振动信号，通过传感器转换成电信号，经前置滤波、放大、A/D转换后，由信号处理得到转子不平衡量信息。其中，获取高质量的振动信号是保证高精度动平衡测量的首要环节。因此，作为测振系统重要部件之一的传感器，其选择至关重要。目前，国内外动平衡机中广泛采用压电加速度传感器作为敏感器件来测量不平衡质量引起的振动，由于这种传感器是测量振动的加速度值，而在位移幅值相同时，加速度值与信号的频率平方成正比。所以对于低频段的信号而言，加速度值可能会相当小，而对于高频段的信号，加速度值则可能会很大。例如：对于振动位移1mm、频率lHz的低频信号，其加速度值仅为0.04m/s2；而对振动位移0.1mill、频率10kHz的高频信号，其加速度值则可达4X105m/s。所以加速度传感器不适合测量高低两端频率的振动信号。由于本动平衡测量系统的平衡转速设计为220r/min，对应信号频率为3.67Hz的低频信号，设计中考虑采用压电式力传感器来测量周期性离心力经振动系统传递后的振动信号。这种传感器结构简单、制作方便、灵敏度高、频率特性好，尤其是其刚度和谐振频率较高，保证了振动力的无损失传递，特别适用于动态测量。针对本设计的新型动平衡测量系统，制作了一种压电式压力传感器。重点讨论了传感器的结构设计、安装位置和传感器信号调理电路的设计，并进行了现场实验。1压电传感器的结构设计和测量原理1・1压电传感器的结构设计压电式力传感器的结构如图1所示，主要由上盖板、密封圈、绝缘片、压电陶瓷片组、电极、绝缘套、壳体、底座等组成。为避免传感器本身应变传递到压电元件上输出虚假信号而影响传感器的灵敏度，上盖板、壳体及底座均采用了刚度较大的高强度镍铬钢；绝缘套材料为聚乙烯；2片陶瓷片作为绝缘片隔离上盖板和压电陶瓷片组；电极材料为导电性能良好的铜,其形状和大小与压电陶瓷片一致；压电陶瓷片组由2片几何尺寸完全相同(直径16mill，厚度lmm)的PZT(锆钛酸铅)圆片形压电陶瓷并联组成。图1压电传感器结构示意图1・2压电传感器尺寸参数确定压电式力传感器应该具有足够的承载能力、较高的固有频率和绝缘电阻，对于压电陶瓷片半径r和厚度t的设计要着重考虑。由该动平衡测量系统的结构特点可知，压电传感器承受的动态载荷力和不平衡离心力以及振动系统几何参数的关系为：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为振动系统的几何参数；MR、ML为左右校正面上的不平衡质量；w为转子旋转角速度；R为待测工件的旋转半径；F1、F2为两个传感器所受动态载荷力。该系统设计测量的最大不平衡量为400g，由式(2)可得到作用在传感器承载面上的最大载荷。压电陶瓷片的抗压强度极限取120N/mm2，则压电陶瓷片的半径由式(1)计算为8mm。综合压电陶瓷片的抗弯强度、传感器的固有频率及绝缘阻抗几个因素，其厚度t选取为1mm。1・3测量原理压电传感器的工作原理为：待测转子旋转时，由于不平衡质量而产生周期性的离心力，使得振动系统做受迫机械振动。其振动频率与转子旋转频率相同，振动幅值与不平衡量成正比。该交变的周期性振动力作用在压电传感器上，根据压电效应，将压力转换成电荷，经后续调理电路及数字信号处理可以获得转子的不平衡量信息。当上述压力作用在压电传感器上时，因为两片压电陶瓷片并联，所以产生的电荷为：Q=2d33F(3)式中：d33为压电晶片的压电系数。两个传感器所受动态力分别为：F1(t)二mlRw2sin(wt+^1)(4)F2(t)二m2Rw2sin(wt+92)(5)所以两个压电传感器输出的电荷分别为：Ql=2d33mlw2sin(wt+91)(6)Q2=2d33m2w2sin(wt+92)(7)传感器输出电容为：C=3.14eD2/21(8)式中：£=l500X10-llF/m为压电陶瓷片的介电常数，D=16mm为压电陶瓷片直径；t=lmm为压电陶瓷片厚度；故代人公式C中，得C=6.03nF。2传感器安装位置设计双面动平衡测量中，作为测振元件的两个传感器的测量值之间相互关联，相互制约。每个传感器的测量值均受两个校正平面上不平衡离心力共同影响，单个校正平面上的校正质量须通过平面分离方程对两个传感器的测量值解耦获得。对于常规的待测工件，其左右校正平面位于两支承中间的简支梁结构形式或左右校正平面位于两支承外侧的外悬结构形式的动平衡测量系统，两传感器安装在不同测量平面，其承受的动态载荷力相差很大，而且周围环境诸如噪声、温度和湿度等对传感器的影响不同。关联程度越高对测量结果的影响越大，则平面分离程度越低。以图2(a)所示的外悬结构形式为例进行说明。设：F=mw2Rcos(wt)+v(t)(9)式中：m为不平衡质量；mw2R为不平衡质量引起的离心力；w为转子旋转角速度；v(t)为各种噪声及其它干扰。根据力矩平衡关系得到两传感器受到的载荷力分别为：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，各种噪声和干扰对两个传感器的影响差别很大，导致两传感器的灵敏度变化不一致，长此以往，两传感器的性能差别变大，导致测量的重复性降低和一次不平衡降低率增加。综上所述，将两个传感器安装在同一测量平面内，如图2(b)所示。分别测量主轴套筒相对于横梁的动态载荷力以及横梁相对于机座的动态载荷力，这样噪声和干扰对在同一测量平面内传感器的力矩作用相同。这种安装方式下可以保证噪声、温度和湿度等环境因素对于两个传感器的影响基本相同，其灵敏度和性能变化一致，从而保证了系统的测量精度。

(10樁感第妥装社同1一平商何(10樁感第妥装社同1一平商何图2传感器安装示意图3信号调理电路设计虽然压电传感器具有结构简单、灵敏度高及频率特性好的特点，比较适合动态测量。但由于其线性范围较窄、输出阻抗较高、输出电压微弱。为保证动平衡测量的精度，对信号调理电路的设计提出了更高的要求。信号调理电路主要对两个压电传感器输出的信号进行电荷放大，滤波，最后送人微处理器的A/D。两个传感器的信号调理电路基本相同，现仅对其中一个传感器的信号调理电路进行设计分析，如图3所示。图3传感器信号调理电路为保证调理电路具有较好的放大、选频滤波特性。选用宽带宽、高频响的LMC660集成运放。它具有如下特点：单电源供电降低了电源成本而且具有较高的带宽和较大的输入阻抗。另外，LMC660为轨对轨输出，其输入偏置电压、温漂、宽带噪声抑制等均优于同类双电源供电的集成运放。可以抑制电路的零漂及其受环境因素的影响，有利于保证动平衡测量系统的长期稳定性。该信号调理电路由电荷放大电路、带通滤波选频电路以及同相比例运算电路组成。第一级为电荷放大电路，包括Al(LMC660)、Cl、R1。由于采用电容负反馈，对直流工作点相当于开路，放大器的零漂较大。为解决这个问题，在C1两端并联了高阻值电阻R1，作为直流反馈电阻，其作用为提供直流工作点，抑制Al的零漂，使电荷放大器工作稳定。由于电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关。反馈电容的选择很关键。选择不同容量的反馈电容，前置级的输出大小也不同。在设计电路时，考虑到被测动态载荷力的范围，同时为了避免因输人信号太大引起后级放大器饱和，反馈电容C1选择为0,2uF。压电传感器的低频响应受电荷放大器的下限截止频率限制，fL=1/2*3.14RfCf,其中，Cf为反馈电容；Rf为反馈电阻，选择阻值较大的反馈电阻可降低传感器的频率下限。但同时,Cf漏电阻的影响也随之增大，另外，阻值太大的Rf也会造成运算放大器零点及增益的不稳定。基于上述考虑，Rf取为20MQ。压电传感器输出电荷为：Q=2d33F(10)，忽略传感器固有电容、电缆电容等分布电容，电荷放大器的输出电压：U0~-Q/C2=-2d33F/C2(11)第二级为选频电路。由于不平衡信号为低频弱信号，各种机械振动干扰和电磁噪声往往比有用信号强得多。为将微弱不平衡信号从强干扰信号中提取出来，选择带通滤波器处理电荷放大器的输出信号。由于动平衡机的平衡转速设计为220r/Min，对应压力信号频率为3.67Hz。故在设计带通滤波器时，中心频率五设为3.67Hz。带通滤波电路由A2(LMC660),电容C2、C3，电阻R2、R3组成，其传输特性为：A1二-SC2R3/(1+SC2R2)(1+SC3R3)=-0.232S/1+0.161S+0.00165S2(12)其幅频特性曲线如图4所示。图4带通滤波幅频特性图由图4可知，设计电路的中心频率f=w/6.28=23/6.28=3.6Hz，对应转速216r/min。经过滤波后的不平衡信号仍然很微弱，故在信号进入A/D前，对其进行了二级放大。A3(LMC660)、R4、R5组成二级放大，传输特性为:A2=1+R5/R4=7.9(13)由于微处理器中A/D的参考电压为4.5V，要求其转换的输入信号电压大小在0〜4.5V之间，因此，需要对传感器输出的信号进行电平移位，转化为0〜4.5V之间的电压信号。所以在信号进入A/D转换前，进行二级放大时，对其进行电平移位。将信号零点提升到2.25V,^卩1/2的A/D参考电压(Vref=4.5V)。电平移位相当于引人了纯直流分量，不会影响有用信号的还原。4实验结果将设计制作好的压电传感器分别安装在动平衡测量系统的主轴和横梁间及横梁和机座间进行实验。所得实验数据如下。左校正面不加试重而右校正面分别加载0g、50g和100g试重时与右校正面不加试重而左校正面分别加载0g、50g和100g试重时两传感器测量通道的输出数据如表1所示。从表1可以看出，对于不同校正平面上的试重，该压电传感器的输出信号的线性较好，满足线性动平衡测量系统的要求。

表1左右校正实验数据平衡块加戟九测量通道Lj剧就通JU输岀八’测轼通道1胃榆出"00.00340.0ft600.0034□mwo50D.0452O.33S5O.MU6刿21U00.(M7I0.6563n.1LK00.5660在不同校正平面上添加不同试重进行多次测量的数据如表2所示。从表2的实验数据可以看出，压电传感器的输出数据具有较好的一致性和重复性。重复精度较高,可以满足动平衡测量系统的要求。表2两次校正平面加试重的实验数据償呈施連1雅出■州SS1肚聘2抚Mtft:£*4n.mtQ.0»f>9Q.闻10-6S630.6567O.fi56Fl匸叽右0Q.11KC0.I]t40.11470.56600.5667SWO左100.$'50o.0,16170.Lfi20<1.2332€■.2334,0.2^&左玛■.右1<10f：)4570.1460una咖ga36225结束语本文从传感器的结构设计、安装位置、振动信号检测以及传感器的信号调理电路等方面阐述了压电式压力传感器在动平衡测量中设计与应用。现场实验结构表明，设计的压电式力传感器在动平衡测量中的性能良好，可以取得满意的效果。参考文献［1］上海北智传感技术有限公司华南办事处．传感器选用指南［EB／OL］．［2006—06—01］．http：／／www．gkong．corn／learn／learn_detail．asp?learn—id=1299．［2］孙宝元，张贻恭.压电石英力传感器及动态切削测力仪［M］.北京：计量出版社，1985．［3］秦鹏，蔡萍.应用瞬心法的动平衡测量虚拟振动系