1、题目：题目：刚性转子不平衡量的测试刚性转子不平衡量的测试整体架构整体架构 刚性转子不平衡量测试主要内容主要内容： 1，测试系统的主要任务。 2，该测试系统的整体测试过程。被测轴承转子 （2）主要任务：测转子不平衡量测转子不平衡量 。 测量转子的不平衡量即测量不平衡引起 的振动振动。用传感器测得振动信号后，然 后对振动信号进行处理，最终得到振动 的幅值、相位幅值、相位。2，该测试系统的整体测试过程。，该测试系统的整体测试过程。 动平衡测试系统主要功能：（1）采集来自传感器的不平衡振动信号经。（2）过模数转化后，再有计算机计算出 转子不平衡信号的幅值和相位信息，最终得到不平衡量的幅值和相位幅值和相
2、位。 1 伺服电机。 2 转子。 3 弹簧片。 4 振动信号传感器 11 是光电传感器及反光片。 5 振动信号处理电路。 7 基准信号处理电路。 8 模数转换 。 9 DFT算法。 10 转子不平衡量及相位显示。 待测转子放在测力支承上，当交流伺服电机通过皮带摩擦驱动，带动转子作恒速转动时，转子不平衡量产生的离心力经过测力支承传递懂到力传感器而转化为电压信号，该信号经过放大滤波A/D转换后，最终由计算机处理得到不平衡量的大小及相位。从而完成动平衡量的测量。 机械部分设计机械部分设计主要内容 1，驱动电机的选择。 2，传动方式的设计。 3，转子支承的设计。电机的选择电机的选择该实验中选用的是交流
3、伺服电机，具有以下优点：良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡;高效率，90%以上，不发热;高速控制;高精确位置控制（取决于何种编码器）;额定运行区域内，实现恒力矩;低噪音;没有电刷的磨损，免维护;不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境、惯量低。 由以上公式可知所选电动机功率与动平衡机设计平衡转速、待测工件质量与尺寸及加速时间有关，可根据实际设计的上述参数确定电机功率，选取电机型号。另外还需考虑到转子的支承等损耗及传动装置的传动效率。传动方式设计传动方式设计皮带传动皮带传动 皮带传动是一种依靠摩擦力来传递运动和动力的机械传动。它的特点主要表现在：皮带有良好的弹性
4、，在工作中能缓和冲击和振动，运动平稳无噪音。载荷过大时皮带在轮上打滑，因而可以防止其他零件损坏，起安全保护作用。皮带是中间零件。它可以在一定范围内根据需要来选定长度，以适应中心距要求较大的工作条件。结构简单制造容易，安装和维修方便，成本较低。 由于所设计的动平衡测量系统待测转子质量相对较轻，且皮带的干扰信号可在后续对信号进行滤波时滤除，故采用传动平稳，安装简单的皮带传动。支承的设计支承的设计 动平衡机按系统力学特性的不同分为软支承和硬支承两大类。软支承是指转子的支承系统固有频率远低于平衡机转速，这种平衡机的支承刚度小，传感器检测的信号与支承振动位移成正比。硬支承则是支承系统固有频率远远高于平衡
5、转速，这种平衡机的支承刚度很大，传感器检测出的信号与支承的振动力成正比。 对于硬支承动平衡机，由转子不平衡量带给支承的动载荷与转速的平方成正比，由它引起支承的振动频率与转速同频，振幅与转子不平衡量成正比，且振动的相位和不平衡量相同，所以转子不平衡状态可以根据转子支承是否振动或承受附加动载荷来判断。该实验中我们也采取了硬支撑装置，用2个V形块支撑轴承转子，如下图所示： 在支承处安装传感器可将振动信息转换成相应的电量信号，再经过信号分析处理和平面分离解算，得出校正面上不平衡量的大小和相位。 转子动力学模型转子动力学模型转子动平衡的精度指标 目前常用剩余不平衡质量在额定转速下产生的离心力大小占转子重
6、量的百分比来衡量，不同的旋转机械有不同精度要求，应根据其运行的平稳性和经济性要求合理规划。 本实验将要完成对轴承转子的建模，并最终测出轴承转子的径向不平衡量。鉴于轴承转子的刚度及工作环境，将其视为刚性转子，工作在一阶临界转速以下，动平衡过程中可以忽略其转子挠曲变形。刚性转子动平衡 对于径宽比叶轮等，可近似地认为其不平衡质量分布在同一回转平面内。在此情况下，若其质心不在回转轴线上，则当其转动时，其偏心质量就会产生惯性力，从而在转动副中引起附加动压力。所谓刚性转子的动平衡，就是利用在刚性转子上加减平衡质量的方法，使其质心移到回转轴线上，从而使转子的惯性力得以平衡（即惯性力之和为零）的一种平衡措施。
7、5DL的转子，如齿轮、盘形凸轮、带轮、链轮图1. 动平衡矢量图解法 如上图 所示，设有一转子，具有偏心质量 m1、m2、m 3及 m4，回转半径分别为 r1、r2、r3、r4。当此转子以等角速度回转时，各偏心质量所产生的离心惯性力分别为 为平衡这些离心惯性力，可在此转子上加上平衡质量 ，使它所产生的离心惯性力F 与 F1、F2、F3、F4相平衡，亦即使 式中,r为平衡质量 的回转半径 对质径积mr产生的不平衡质量进行适当去重，就完成了刚性转子的动平衡。123420FFFFFFmr2iiiFmri=1,2,3,4转子振动和转子不平衡量的动力学关系2j tmx cx kxMe 式中，m为转子质量，
8、c为支承阻尼系数，k为支撑刚度x为振动量，M为该处的不平衡量。w为转动角速度。 从平衡原理可知，必须通过一定的测量手段测得两个校正平面的不平衡量，才能完成转子的动平衡操作。实际上，转子的不平衡量是很难直接测得的，一般通过测量校正面出的振动量计算转子的不平衡量。根据机械振动理论，转子振动量的幅值相位和不平衡量的幅值相位通过下面的动力学方程建立联系：()jtxAe其中：可解得：2222()()MAkmc2arctan()ckm不平衡表示方法不平衡表示方法不平衡表示方法如下： 质量M的圆盘，质量偏心为e，则不平衡力 F =M*e*w*w w转子旋转角速度 若在半径r处加质量m可以抵消F，则 F =
9、M*e*w*w = m*r*w*w 所以M*e = m*r，代表不平衡量大小（重径积g.mm）。重径积虽然直接反映不平衡大小，但它与刚体重量有关，表示不平衡引 起振动的程度不方便。因大转子和小转子不平衡量相同，故也用 e = m*r/M； 单位g.mm/kg 即 M.e绝对平衡量，大小转子不好比较 e相对平衡量，大小转子便于比较 平衡精度等级可用G来表示： G =e.w/1000动不平衡 在完全平衡转子的质心所在横截面上，同时在两个不同的横截面上施加两个大小相等方向相反的力偶不平衡，称为动不平衡。2.刚性转子平衡算法 刚性转子动平衡测试中，转子的动平衡按其外径D与其跨距L比例的不同，分为单较正
10、面与双较正面平衡。因而不平衡测量方法分为单平面平衡影响系数法和双平面平衡影响系数法。当D/L5，盘形转子只进行单面平衡；当D/L1，长轴转子采用双面平衡；当1D/L5时，转子根据实际安装情况决定采用单面或双面平衡，一般建议采用双面平衡。 第5步启动转子至平衡转速，测试出震动是否符合要求，如果符合要求，则平衡工作可以结束，否则需要回到第1步继续平衡。 本测试系统采用单面平衡其中：a，b分别为平面到L,R面的距离转子速度测量转子速度测量 转子速度测量作用：转子速度测量作用： 转速信号提供相位角转速信号提供相位角 的基准的基准2. 测量转子速度测量转子速度1.转速测量方法转速测量方法 分为两类分为两
11、类:直接法和间接法直接法和间接法1.1 直接法直接法直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速。械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速。1.2 间接法间接法测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速。物理量的变化与转速的关系来得到转速。 除了以上两种方法外，按照测量仪是否与转轴接触， 可分为：接触式和非接触式。 由于平衡机要测量滚子的不平衡量，为了避免测量仪 与 滚子接触引起振动信号误差，导致测量结果失真，故选 用非接触式。 由
12、于是测量滚子的转速，并且滚子的转速大约为由于是测量滚子的转速，并且滚子的转速大约为2000rpm 直接法不能满足要求，故采用直接法不能满足要求，故采用间接法。间接法。2.转速传感器转速传感器（ rotational velocity transducer ）将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、磁、光和混合式等方法制造。常用的转速传感器有光磁、光和混合式等方法制造。常用的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式。电式、电容式、变磁阻式。2.1 光电式转速传感器光电式
13、转速传感器光电式转速传感器光电式转速传感器分为投射式和反射式两类。分为投射式和反射式两类。 投射式投射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件（上的光线产生一条缝隙，从光源投射到光敏元件（上的光线产生一次明暗变化次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号（光敏元件即输出电流脉冲信号（如图如图）。）。反射式光电传感器反射式光电传感器在在被测转轴上设有反射被测转轴上设有反射记号，由光源发出的记号，由光源发出的光线通过透镜和半透光线通过透镜和半透膜入射到被测转
14、轴上。膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记转轴转动时，反射记号对投射光点的反射号对投射光点的反射率发生变化。反射率率发生变化。反射率变大时，反射光线经变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信上即发出一个脉冲信号；反射率变小时，号；反射率变小时，光敏元件无信号。在光敏元件无信号。在一定时间内对信号计一定时间内对信号计数便可测出转轴的转数便可测出转轴的转速值。速值。2.2电容式转速传感器电容式转速传感器电容式传感器，通过改变电容的大小来改变电量，电容式传感器，通过改变电容的大小来改变电量，根据电容变化原理，可分为：面积变化型和介质变根据电容变化原理，可分为：面积变
15、化型和介质变化型。化型。变面积式电容变面积式电容传感器传感器工作原工作原理（如图理（如图3）：）：转动板与转子转动板与转子固定，以相同固定，以相同角速度运动，角速度运动，转动板的转动转动板的转动使电容发生改使电容发生改变，从而检测变，从而检测到到R两端电压两端电压的周期性变化，的周期性变化，从而测出转速。从而测出转速。利用被测量的变化引起线圈自感或互感细数的变化，从利用被测量的变化引起线圈自感或互感细数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量。而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量。2.3 变磁阻式转速传感器变磁阻式转速传感器1.结构简单：工作中没有活动电接触点，因而比电位结构
16、简单：工作中没有活动电接触点，因而比电位器工作可靠，寿命长。器工作可靠，寿命长。 2.灵敏度高分辨率大：能测出灵敏度高分辨率大：能测出0.01um甚至更小的机械甚至更小的机械位移变化，能感受小到位移变化，能感受小到0.1的微小角度变化，传感器的的微小角度变化，传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏，输出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输与放大。因此有利于信号的传输与放大。 3.重复性好线信度优良：在一定位移范围内，输出特重复性好线信度优良：在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁组式传性的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁
17、组式传感器，非线性误差仅感器，非线性误差仅0.1%。 4.缺点：存在交流零位信号，缺点：存在交流零位信号，不易于动态测量不易于动态测量。特点：特点：结合以上三种传感器的原理或特点，以及平衡机结合以上三种传感器的原理或特点，以及平衡机中测量转子速度的两个作用，作出一下结论：中测量转子速度的两个作用，作出一下结论：1. 电容式传感器电容式传感器 无平衡机中要求的基准功能无平衡机中要求的基准功能 外加转动板与转子固定，振动信号失真外加转动板与转子固定，振动信号失真 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 结构简单，非接触式，结构简单，非接触式， 但不适用于动态测试。但不适用于动态测试。 3. 光电式传感器光电
18、式传感器 满足测量转子速度在平衡机中的两点作用满足测量转子速度在平衡机中的两点作用， 输出电压信号，易于处理。输出电压信号，易于处理。3 传感器确定传感器确定综上，选择综上，选择光电式传感器光电式传感器4.后处理后处理测量简图如右图：测量简图如右图： 光电式传感器得到的是周期性的脉冲信号，先利用傅光电式传感器得到的是周期性的脉冲信号，先利用傅里叶变换得到频域信号，求出相应振幅最大值的频率，即里叶变换得到频域信号，求出相应振幅最大值的频率，即可得到转速。可得到转速。振动传感器的选择振动传感器的选择 在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样: 机械式测量方法，光学式测机械式测量方法，光学式测量
19、方法，电测方法量方法，电测方法。其中电测方法测量精度高，频率高，是目前应用得最广泛的测量方法。 电测方法电测方法是将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。 传感器的选用原则一般考虑6 点：l灵敏度l响应特性l线性范围l稳定性l精确度l测量方式 对于动平衡测试来说，有两点非常重要：一是振动信号的获取，一是基准信号的获取。在本设计中选用了压电式加速度传感器获取振动信号，光电传感器获取基准信号。 按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光
20、电式； 按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。 为了适应不同的实际应用场合，测试系统选用了3种振动传感器，包括压电式加速度传感器、电磁式速度传感器和电涡流位移传感器；另一类是转速传感器，使用中也选用了2种，包括光电式转速传感器和电涡流转速传感器。压电式加速度传感器压电式加速度传感器 测量时，通过基座底部的测量时，通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性连接，螺孔将传感器与试件刚性连接，传感器感受与试件相同频率的传感器感受与试件相同频率的振动。质量块以正比于加速度振动。质量块以正比于加速度的交变力作用在压电元件上，的交变力作用在压电元件上
21、，压电元件的两个表面就有电荷压电元件的两个表面就有电荷产生，其电荷量与作用力成正产生，其电荷量与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。比，即与试件的加速度成正比。1. 工作原理工作原理 2. 结构形式：结构形式： 分为压缩型、剪切型和组合型分为压缩型、剪切型和组合型 压电式加速度传感器具有工作频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、体积小等特点受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点。适应于硬支承动平衡机。 压电式加速度传感器的输出电荷与输入加速度呈线性关系，可用于加速度不失真测量。和电磁式速度传感器相比，这种压电式传感器具有很高的自振频率和很高的灵敏度。可以
22、使它后面的测量线路的总的放大增益减小，放大器也易设计的稳定、可靠。 缺点是灵敏度受预应力大小、湿度、温度影响，输出阻抗太高，噪声较大，信噪比不高，低频特性差，因此只能在转速较高的平衡机上应用。若转速降低，其输出信号将随w2的速率下降。 其质量块的相对位移y(t)与壳体加速度之间的频响函数和幅频特性分别为： 设弹簧的弹性系数为K，则压电晶体上承受的动态力(不含静态时弹簧的预紧力)为： F(t)=KyC(t) 设压电晶体的压电常数为Cq，得压电式加速度传感器的输出电荷： Q(t)= CqF(t)= CqKy(t) 由式可知，当w wn时，压电式加速度传感器的输出电荷与输入加速度呈线性关系，可用于加
23、速度不失真测量。压电式加速度传感器体积小、重量轻、灵敏度高、工作频率范围宽，本文主要将其用于现场动平衡 安装位置 为了获得准确的测试结果，通常希望将平衡转速选择在振幅和相位都比较稳定的那个状态，一旦转速稳定，就必须保证多次测量应在同一个转速下进行。在大多数情况下，总是选择在工作转速下进行。电荷放大电路电荷放大电路 由于振动信号的选取是利用的压电式加速度传感器，则可以选择电荷放大器来作为前置放大电路。 电荷放大器可配接压电式加速度传感器。由于压电式加速度传感器是将机械量转变为与其正比的微弱电荷Q，而且输出的阻抗极高，而电荷放大器的电荷变换级即可以将电荷变换成为与其成正比的电压，可以将高输出阻抗变
24、成低输出阻抗，从而可以满足信号的放大要求。 电荷放大器电路 由于电荷放大器是用于放大来自压电器件的电荷信号放大电路。这类放大电路的信号源的内阻抗极高，同时其电荷信号又很微弱，信号源形成的电流仅为pA级，因而要求电荷放大器具有除极高的输入电阻外，还应有极低的偏置电流，否则当放大器的偏置电流与信号电流接近时，信号可能被偏置电流所淹没，而不可以实现正常放大。 根据以上对放大器的要求，可以选择美国AD公司的AD823芯片。AD823芯片除了在阻抗以及偏置电流上满足要求外，在驱动容性负载时，还具有优良的限额为高频率负载驱动能力。 在设置的电荷放大电路中，其中C2，C3，C6,C7是对正负12V的电源进行
25、去耦，可以减少外界对运放的干扰。为了保护运放，在运放的反相端串接了电阻R2,而为了避免R2与AD832输入电容形成另一极点而使运放产生自激震荡，则在R2上并联了C4进行相位补偿。C5的作用是隔离掉压电的零漂。其中Cf是反馈电容,Rf是反馈电阻。 电荷变换级的输出电压为Q / Cf，本放大电路的Cf是101，则输出电压U0=10*Q mV。信号采集及预处理连续时间连续时间信号信号离散时间离散时间信号信号采样采样内插内插滤波器基本参数 1)截止频率fc：fc跟信号的频率有关，一般为采样频率的0.5倍 2)纹波幅度d （幅值平坦度）：绕幅频特性均值A0波动值，d与A0相比越小越好 3)带宽B和品质因
26、数Q（分辨率）： Q值越大，滤波器的分辨力越高。 4)倍频程选择性W：反应幅频特性衰减的快慢，衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。 滤波器 压电加速度传感器的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰，能够严重的引起高频噪声，对输入信号产生失真和干扰，此外低频信号甚至直流信号也会对振动信号有所干扰。所以，在电路用设计中选择的是RC有源带通滤波器。滤波电路是由一个二阶高通滤波器和一个二阶低通滤波器级联而成。高通部分主要是为了滤掉一些低频干扰以及直流电，低通部分则是要滤掉高频信号，具体频段可根据转子实际旋转频率对电阻、电容大小选取而定。滤波器RC有源带通滤波器电路图采样定理： 为保证采样后信号能真
27、实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。 Fs 2 Fmax 数据采样系统的架构形式1.多路分时采样该系统特点：结构简单，成本低，分时采样，但采样速度低。数据采样系统的架构形式2.同步采样（并行采样） 系统特点：可锁存同一时刻信号，且同时转换信号，锁存与转化同步，实现零相位差，但硬件庞大，成本高。数据采样系统的架构形式3.准同步采样系统特点：介于以上两种采样之间。A/D转换器的基本原理任何A/D转换器必须包括以下三个基本功能： 抽样、抽样保持、量化与编码量化：将无限精度的抽样信号的幅度离散化，使之变成能
28、用有限字长表示的数字信号。编码：将经量化的数字信号最终表示成为数字系统所能接受并对其实施处理与传输的形式。抽样保持：由于对抽样信号抽样点的值进行量化和编码都需要时间，为了保证在量化和编码期间其值不发生改变，在此之前需对抽样点值加以保持。A/D的选择1.A/D类型 积分型 ：速度低，精度高，抗干扰能力强2.A/D位数 A/D位数越多，量化误差越小3.采样频率 采样频率和A/D位数矛盾。即采样频率高时，A/D的位数不能选太高。D/A 转换器的基本原理 D/A转换器的原理框图为： 译码：将数字信号 转换成抽样信号 零阶保持器：将每个抽样信号的样值保持一个抽样间隔宽度，直到下一个抽样时刻，相当于在一个
29、抽样间隔内进行常数内插，变成模拟信号。不平衡振动信号振幅与相位的提取 转子振动信号特点： （1）频率恒等于转速的周期。 （2）振动波形不是纯粹的正弦波而是含有 各种频率成分的合成波形。 主要任务： 从合成波形中提取振动的幅值和相位。一、假设测得的振动信号为：中幅值A与不平衡量成正比， 为不平衡量相位角。 信号提取过程： （1）将测得信号变形。 （2）以采样频率为fs的N个采样点 其中n=0,1,2，N-1 （3）设 则有 （4）取正交基 另外 设 （5）由最佳逼近相关原理拟合 1.使变量a、b满足 2.离散型内积满足： (6)由此解得 于是的到振动信号的幅值和相位：报告完毕报告完毕,请老师和请老师和各位同学指正！谢各位同学指正！谢谢！谢！
