1、傳感器原理及工程應用設計（論文）壓電傳感器在動平衡測量系統中的設計與應用學生姓名：李夢嬌學 號：20094073231所在學院：信息技術學院專 業：電氣工程及其自動化（2）班中國·大慶2011年12月摘要傳感器是動平衡測量系統中的重要元件之一, 是一種將不平衡量產生的振動信號不失真地轉變成電信號的裝置。利用壓電式力傳感器作為動平衡測量系統中的敏感元件來測量不平衡質量引起的振動。重點闡述了該壓電式力傳感器的結構設計、安裝位置設計及振動信號檢測中的關鍵問題。同時, 詳細分析了該傳感器的信號調理電路特點。現場實驗結果表明, 設計的壓電式力傳感器在動平衡測量中的性能良好。動平衡處理是旋轉部件

2、必須采取的工藝措施之一, 以單片機為核心的動平衡測量系統將逐步取代常規動平衡儀。關鍵詞：動平衡 振動信號 壓電式力傳感器 調理電路 測量系統單片機ABSTRACTAs one of the important elements in the dynamic balancingmeasurement system, transducer is the device that converts the vibrationsignal caused by the mi balance into electrical signalwithout distortion. The piezoelectri

3、c pressure transducer is app lied to dynamic balancingmeasurement system formeasuring the vibration caused by mi balanced mass. The structure design and the installation location of the piezoelectric force transducer and the critical issues in vibration signal detection are expounded. The characteri

4、stics of the signal conditioning circuit ofthis transducer are analyzed in detail. The experimental results show that the performance of the piezoelectric pressure transducer offers excellentperformance in dynamic balancingmeasurement. The dynamic equilibration measurement is one of the main technol

5、ogical steps to betaken for all the swiveling part s. T he conventional dynamicequilibration measurement system isbeing replaced by a new o ne based on a monolithic computer.Keyword:dynamic balancevibration signalPiezoelectric force transducerConditioning circuitMeasurement systemMonolithic computer

6、目錄前言動平衡測量是將轉子不平衡離心力產生的振動信號, 通過傳感器轉換成電信號, 經前置濾波、放大、A /D轉換后, 由信號處理得到轉子不平衡量信息。其中, 獲取高質量的振動信號是保證高精度動平衡測量的首要環節。因此, 作為測振系統重要部件之一的傳感器, 其選擇至關重要。目前, 國內外動平衡機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1H z的低頻信號, 其

7、加速度值僅為0. 04m / s2; 而對振動位移0. 1 mm、頻率10 kHz的高頻信號, 其加速度值則可達4105 m / s2 1。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的平衡轉速設計為220 r/m in, 對應信號頻率為3. 67H z的低頻信號, 設計中考慮采用壓電式力傳感器來測量周期性離心力經振動系統傳遞后的振動信號。這種傳感器結構簡單、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,特別適用于動態測量。針對本設計的新型動平衡測量系統, 制作了一種壓電式壓力傳感器。重點討論了傳感器的結構設計、安裝位置和傳

8、感器信號調理電路的設計, 并進行了現場實驗。常規動平衡儀以分立元件為核心、微安表指示,或者采用光點瓦特計。近幾年來, 以單片機為核心的智能式測量系統正逐步取代微安表、光點瓦特計測系統, 成為新一代的動平衡測量系統。本文介紹098 單片機在動平衡測量中的應用方法。1壓電傳感器的結構設計和測量原理1. 1 壓電傳感器的結構設計壓電式力傳感器的結構如圖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度鎳鉻鋼; 絕緣套材料為聚乙烯; 2片陶瓷片作為絕緣片

9、隔離上蓋板和壓電陶瓷片組; 電極材料為導電性能良好的銅, 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16mm, 厚度1mm)的PZT(鋯鈦酸鉛)圓片形壓電陶瓷并聯組成。圖1 壓電傳感器結構示意圖Fig. 1 The structure of piezoelectric transducer1. 2 壓電傳感器尺寸參數確定壓電式力傳感器應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的設計要著重考慮。參考壓電石英參數的確定原則 2:R= （1）式中: F 1 為傳感器所能承受的極限載荷, 主要包括傳感器的預載(最大被測載荷的1 /8

10、)及傳感器承載面上所能承受的最大過載載荷(過載系數取1. 5); Rp 為壓電陶瓷片的抗壓強度極限。同時, 由該動平衡測量系統的結構特點可知, 壓電傳感器承受的動態載荷力和不平衡離心力以及振動系統幾何參數的關系為 3- 4: (2)式中:、振動系統的幾何參數;、為左右校正面上的不平衡質量; X為轉子旋轉角速度; R為待測工件的旋轉半徑;、為兩個傳感器所受動態載荷力。該系統設計測量的最大不平衡量為400 g, 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度極限取120 N /mm2, 則壓電陶瓷片的半徑由式( 1)計算為8 mm。綜合壓電陶瓷片的抗彎強度、傳感器的固有頻率

11、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: 待測轉子旋轉時, 由于不平衡質量而產生周期性的離心力, 使得振動系統做受迫機械振動, 其振動頻率與轉子旋轉頻率相同, 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, 根據壓電效應, 將壓力轉換成電荷,經后續調理電路及數字信號處理可以獲得轉子的不平衡量信息。當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, 所以產生的電荷為: (3)式中: 為壓電晶片的壓電系數。兩個傳感器所受動態力分別為: （4） （5）所以兩個壓電傳感器輸出的電荷分別為: （6） （7）傳感器輸出電容為: （8

12、）式中: E= 1 500* F /m為壓電陶瓷片的介電常數D = 16mm為壓電陶瓷片直徑; t= 1 mm 為壓電陶瓷片厚度; 故代入公式中，得C= 6. 03 nF。2 系統組成 2. 1傳感器安裝位置設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聯, 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。對于常規的待測工件,其左右校正平面位于兩支中間的簡支梁結構形式或左右校正平面位于兩支承外側的外懸結構形式的動平衡測量系統, 兩傳感器安裝在不同測量平面, 其承受的動態載荷力相差很大

13、, 而且周圍環境諸如噪聲、溫度和濕度等對傳感器的影響不同。關聯程度越高對測量結果的影響越大, 則平面分離程度越低。以圖2( a)所示的外懸結構形式為例進行說明。設: （9）式中: m 為不平衡質量;為不平衡質量引起的離心力; X為轉子旋轉角速度; v( t)為各種噪聲及其它干擾。根據力矩平衡關系得到兩傳感器受到的載荷力分別為: （10） （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, 導致測量的重復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, 如圖2(

14、 b)所示。分別測量主軸套筒相對于橫梁的動態載荷力以及橫梁相對于機座的動態載荷力, 這樣噪聲和干擾對在同一測量平面內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, 從而保證了系統的測量精度。圖2 傳感器安裝示意圖Fig. 2 The installation of transducer2.2系統組成原理I. 根據測量原理構成的以8098 單片機為核心的動平衡測量系統如圖所示。振動傳感器測出支承上的動載荷, 經振動信號處理電路放大、濾波, 得到與轉子轉動同頻率的正弦信號和方波信號送8098 單片機, 完成振動信號的幅

15、值和相位測量。光電傳感器測出轉子的轉速信號, 經光電信號處理電路進行信號變換、鎖相倍頻后, 分別送振動信號處理電路和8098 單片機, 前者用于跟蹤濾波, 后者用于測量振動信號的頻率( 轉速) 及振動信號的幅值、相位。根據這些測量值, 由軟件計算出左、右校正面不平衡量的大小和相位, 送LED數碼顯示器顯示。動平衡測量系統組成框圖3 信號調理電路設計3.1 傳感器信號的條例電路雖然壓電傳感器具有結構簡單、靈敏度高及頻率特性好的特點, 比較適合動態測量。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, 對信號調理電路的設計提出了更高的要求。信號調理電路主要對兩個壓電傳感器

16、輸出的信號進行電荷放大, 濾波, 最后送入微處理器的A /D。兩個傳感器的信號調理電路基本相同, 現僅對其中一個傳感器的信號調理電路進行設計分析, 如圖3所示。圖3 傳感器信號調理電路Fig. 3 Signal conditioning circuit of the transducer為保證調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集成運放。它具有如下特點: 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于同類雙電源供電的集成運放。可以抑制電路的零漂及其受環境因素的影響, 有

17、利于保證動平衡測量系統的長期穩定性。該信號調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算電路組成。第一級為電荷放大電路, 包括A1 ( LMC660)、C1、R1。由于采用電容負反饋, 對直流工作點相當于開路, 放大器的零漂較大。為解決這個問題, 在C1 兩端并聯了高阻值電阻R1, 作為直流反饋電阻, 其作用為提供直流工作點, 抑制A1 的零漂, 使電荷放大器工作穩定。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。反饋電容的選擇很關鍵。選擇不同容量的反饋電容, 前置級的輸出大小也不同。在設計電路時, 考慮到被測動態載荷力的范圍, 同時為了避免因輸入信號太大引起后級放大器飽和,

18、 反饋電容C1 選擇為0. 2 LF。壓電傳感器的低頻響應受電荷放大器的下限截止頻率限制,中, 為反饋電容;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, 漏電阻的影響也隨之增大, 另外, 阻值太大的也會造成運算放大器零點及增益的不穩定。基于上述考慮, 取為20M8。壓電傳感器輸出電荷為: （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:（11）第二級為選頻電路。由于不平衡信號為低頻弱信號, 各種機械振動干擾和電磁噪聲往往比有用信號強得多。為將微弱不平衡信號從強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。由于動平衡機的平衡轉速設計

19、為220 r/m in, 對應壓力信號頻率為3. 67H z。故在設計帶通濾波器時, 中心頻率f0 設為3. 67H z。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:= (12)其幅頻特性曲線如圖4所示。圖4 帶通濾波幅頻特性圖Fig. 4 Amplitude / frequency characteristicof band2pass filter由圖4可知, 設計電路的中心頻率，對應轉速216 r/min。經過濾波后的不平衡信號仍然很微弱, 故在信號進入A /D 前, 對其進行了二級放大。( LMC660)、二級放大, 傳輸特性為: (

20、13)由于微處理器中A /D 的參考電壓為4. 5 V, 要求其轉換的輸入信號電壓大小在0 4. 5 V 之間,因此, 需要對傳感器輸出的信號進行電平移位, 轉化為0 4. 5 V之間的電壓信號。所以在信號進入A /D轉換前, 進行二級放大時, 對其進行電平移位。將信號零點提升到2. 25 V, 即1 /2的A /D 參考電壓(Vref= 4. 5 V )。電平移位相當于引入了純直流分量, 不會影響有用信號的還原。3. 2振動信號處理電路該電路由有源低通濾波、程控放大、帶通跟蹤濾波和過零檢測4 部分組成, 如圖31 所示。振動傳感器檢測到的振動信號含有大量噪聲信號, 用示波器觀察, 幾乎看不出

21、有用的振動信號。為了得到有用信號, 一類方法是用硬件進行帶通跟蹤濾波, 另一類方法是用快速富里葉變換( FFT ) 技術,將時域采樣到的振動信號, 進行時域頻域變換, 求得其頻譜, 并從中選出f 0 譜線, 它就是動不平衡所引起的振動信號 1 。我們采用開關電容有源濾波集成電路構成四階帶通濾波器 2 , 轉速信號經128 倍頻后作為濾波器的外部時鐘。它與其它跟蹤濾波器相比, 具有穩定性高、結構簡單、易于整定等優點。過零檢測完成波形變換, 將振動信號變換為方波, 得到振動信號的相位點, 為單片機進行相位測量提供方便。3. 3光電信號處理電路該電路主要由光電隔離、整形和鎖相倍頻組成,如圖31 所示

22、。它將光電接近開關檢測到的主軸( 工件) 轉速信號變換為方波送單片機, 用于測量轉速( 即振動信號周期) , 并將其128 倍頻后作為跟蹤濾器的外部時鐘。3. 48098 單片機系統8098 單片機系統除8098 芯片外, 還需擴展EPROM、RAM、EEROM、鍵盤和顯示器。EPROM用于存放測量程序, RAM 用于暫存數據, EEROM用于保存定標參數, 鍵盤用于定標、檢查時輸入參數, 顯示器分為數碼顯示器和指示燈二部分, 前者用于顯示不平衡量, 后者用于顯示工作狀態。4軟件設計以單片機為核心的動平衡測量系統的突出特點是用軟件實現了常規動平衡儀中用硬件實現的許多功能。軟件主要完成轉速測量、

23、振動信號測量、不平衡量計算與顯示、定標、補償等工作。工作流程如圖41 所示。4. 1轉速與振動信號相位測量轉速信號由HSI. 0 端輸入, 振動信號經過零檢測變換為方波后由HSI. 1 端輸入, 測量的實現方法如下:1) 設置HSI. 0、HSI. 1 為正脈沖觸發事件。2) HSI. 0 中斷處理時, 記下HSI. 0 相鄰兩次中斷時刻的HSI 時間寄存器讀出值CN 1 和CN 2, 以及定時器1 的溢出中斷次數IN 1。3) HSI. 1 中斷處理時, 記下此時的HSI 時間寄存器讀出值CN 3, 以及相鄰上次HSI. 0 中斷以來定時器1 的溢出中斷次數IN 2。在8098 中, HSI 時間寄存器的值取自內部定時器1。定時器1 為16 位計數器, 每24 個晶振脈沖計數加1, 自動循環計數 3 。HSI